grabación magnética superpuesta

La grabación magnética superpuesta ( SMR ) es una tecnología de grabación de datos de almacenamiento magnético utilizada en discos duros (HDD) para aumentar la densidad de almacenamiento y la capacidad total de almacenamiento por disco. ^{[ 1 ]} Los discos duros convencionales graban datos escribiendo pistas magnéticas concéntricas no superpuestas ( grabación magnética convencional [CMR], grabación perpendicular), mientras que la grabación superpuesta escribe nuevas pistas que se superponen parcialmente a la pista magnética escrita previamente, dejando la pista anterior más estrecha y permitiendo una mayor densidad de pistas. De este modo, las pistas se superponen parcialmente, de forma similar a las tejas de un tejado . Este enfoque se seleccionó porque, si el cabezal de escritura es demasiado estrecho, no puede proporcionar los campos muy altos necesarios en la capa de grabación del disco. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] : 7–9}

La arquitectura de pistas superpuestas complica el proceso de escritura, ya que escribir en una pista también sobrescribe una pista adyacente. Si las pistas adyacentes contienen datos válidos, también deben reescribirse. Como resultado, una sola solicitud de escritura puede desencadenar una cascada de reescrituras en una secuencia de pistas adyacentes. Para establecer un límite superior en la cantidad de reescrituras necesarias para atender una sola solicitud de escritura, las unidades SMR se dividen en muchas zonas de solo escritura (secuenciales) de pistas superpuestas que deben reescribirse por completo cuando están llenas, de forma similar a los bloques de memoria flash en las unidades de estado sólido . Los dispositivos SMR gestionados por el dispositivo ocultan esta complejidad gestionándola en el firmware, presentando una interfaz como cualquier otro disco duro. Otros dispositivos SMR son gestionados por el host y dependen del sistema operativo para saber cómo manejar la unidad, y solo escriben secuencialmente en ciertas regiones de la unidad. ^{[ 5 ] : 11 ss. [ 6 ]} Si bien las unidades SMR pueden usar DRAM , memoria flash e incluso una porción de su propio plato reservada para su uso con CMR en lugar de SMR ^{[ 7 ]} como caché o búfer para mejorar el rendimiento de escritura, la escritura continua de grandes cantidades de datos es notablemente más lenta que con las unidades CMR. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

Seagate comenzó a enviar discos duros SMR gestionados por el dispositivo en septiembre de 2013, afirmando un aumento en la capacidad general de aproximadamente un 25 % en comparación con el almacenamiento no shingled. ^{[ 1 ] [ 11 ]} En septiembre de 2014, HGST anunció un disco de 10 TB lleno de helio que utiliza grabación magnética shingled gestionada por el host, ^{[ 12 ]} aunque en diciembre de 2015 le siguió un disco de 10 TB lleno de helio que utiliza grabación perpendicular no shingled convencional. ^{[ 13 ]}

Las pistas superpuestas (en forma de teja) también aparecieron anteriormente en las videograbadoras de casete (VCR) de escaneo helicoidal para el consumidor que fueron populares en las décadas de 1980 y 1990. En el modo de reproducción extendida (EP o SLP), tanto VHS como Betamax redujeron el paso de pista en un factor de tres. La grave interferencia de las pistas adyacentes se mitigó parcialmente mediante el uso de la grabación con azimut inclinado .

En 2001, la unidad SuperDisk LS-240 podía utilizar la tecnología SMR para formatear un disquete estándar de 1,44 MB y almacenar 32 MB de datos utilizando su propio formato FD32MB .

Existen tres formas diferentes de gestionar los datos en una unidad SMR: gestión del dispositivo, gestión del host y reconocimiento del host. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Los dispositivos SMR se consideran dispositivos zonificados , ya que el almacenamiento se divide en zonas que suelen tener  un tamaño de 256 MiB. ^{[ 20 ]} Para los dispositivos SMR están disponibles dos conjuntos de comandos especializados: ZBC (comandos de bloque zonificados, ANSI INCITS 536) para SCSI y ZAC (comandos ATA zonificados, ANSI INCITS 537) para SATA . Estos comandos informan al host si cada zona es CMR o SMR y le permiten acceder directamente a estas zonas. ^{[ 21 ]} A menos que se indique específicamente, los comandos solo están disponibles en dispositivos gestionados por el host. Los comandos específicos son: ^{[ 22 ]}

• ZONAS DE INFORME, para obtener información sobre la disposición del disco y el estado de la zona (como el puntero de escritura , la última posición escrita en una zona secuencial).
  • Las zonas SMR o similares son secuenciales y obligatorias en las unidades gestionadas por el host, pero se prefieren secuenciales en las que reconocen el host.
• REINICIAR PUNTERO DE ESCRITURA, para rebobinar el puntero de escritura de modo que una zona secuencial quede vacía.
• ZONA ABIERTA, para declarar explícitamente el acceso a una zona y bloquear los recursos de firmware asociados.
• CERRAR ZONA, para desbloquear una zona abierta
• ZONA DE META, rellene una zona por completo y hágalo legible.

Cada zona tiene asociado un rango de direcciones LBA , y se pueden utilizar todos los comandos basados ​​en LBA siempre que se respete el requisito secuencial en las unidades gestionadas por el host.

Los dispositivos SMR se identifican según lo siguiente: ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 5 ] : 14}

• Las unidades compatibles con el host o gestionadas por el dispositivo están marcadas como dispositivos de bloques normales (SCSI 00h), por lo que pueden reconocerse como un disco duro normal.
  • El campo ZONED indica si la unidad es administrada por el dispositivo, reconocida por el host o ninguna de las dos. Esta información se encuentra en la página VPD de características del dispositivo de bloques SCSI y en la página de registro de capacidades ATA.
• Las unidades gestionadas por el host utilizan un nuevo tipo de dispositivo (SCSI 14h). Solo los ordenadores compatibles con ZAC/ZBC pueden detectarlas y utilizarlas.

Se está desarrollando una versión más reciente de los estándares hermanos, ZAC-2/ZBC-2. Esta nueva versión introduce un nuevo tipo de "dispositivos de bloques zonificados por dominios y reinos" que permiten LBA no contiguos y puede ofrecer ventajas para las unidades SSD SATA. ^{[ 25 ]} El campo ZONED se ha eliminado tras una propuesta de Western Digital . ^{[ 26 ]}

La interfaz zonificada también es útil para el almacenamiento flash . La especificación ZNS ha sido publicada por la organización NVM Express . ^{[ 27 ]}

La mayor densidad de las unidades SMR, combinada con su naturaleza de lectura aleatoria, llena un nicho entre el almacenamiento en cinta de acceso secuencial y el almacenamiento en disco duro convencional de acceso aleatorio. Son adecuadas para almacenar datos que es poco probable que se modifiquen, pero que necesitan leerse de manera eficiente desde cualquier punto. Un ejemplo de este caso de uso es el sistema Magic Storage de Dropbox , que ejecuta las extensiones en disco de forma de solo escritura. ^{[ 28 ]} Los discos SMR administrados por el dispositivo también se han comercializado como "HDD de archivo" debido a esta propiedad. ^{[ 29 ]}

Varios sistemas de archivos en Linux están o pueden estar optimizados para unidades SMR: ^{[ 30 ]}

• F2FS , diseñado originalmente para memorias flash, cuenta con un modo de dispositivo de bloques zonificado (ZBD). Puede utilizarse en unidades gestionadas por el host con zonas convencionales para metadatos.
• Btrfs incorporó soporte para el modo zonal en el kernel de Linux 5.12 y es compatible con unidades gestionadas por el host. ^{[ 31 ]} Btrfs ya escribe mayoritariamente de forma secuencial debido a su naturaleza CoW.
• ext4 se puede ajustar experimentalmente para escribir de forma más secuencial. Theodore Ts'o y Abutalib Aghayev dieron una charla en 2017 sobre su ext4-lazy . Seagate también tiene una extensión más radical, "SMRFFS", de 2015 que utiliza los comandos ZBC/ZAC. ^{[ 32 ]}
• XFS admite dispositivos zonificados, incluidos discos duros SMR, a partir de Linux 6.15 con el asignador zonificado ^{[ 33 ] [ 34 ]} que escribe datos secuencialmente, pero aún requiere dispositivos zonificados o separados de escritura aleatoria para los metadatos.
• Para otros sistemas de archivos, el mapeador de dispositivos de Linux tiene un destino con dm-zoned que mapea una unidad administrada por el host en una unidad de escritura aleatoria. Los núcleos de Linux desde la versión 4.10 pueden realizar esta tarea sin dm . ^{[ 35 ]} Un zonefs de 2019 expone las zonas como archivos para facilitar el acceso. ^{[ 36 ]}
• SaunaFS es un sistema de archivos distribuido que admite de forma nativa unidades SMR gestionadas por el host con código de borrado similar a RAID y está optimizado para cargas de trabajo de escritura secuencial. Es desarrollado activamente por Leil Storage y se distribuye como código abierto. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

Además de Linux, FreeBSD cuenta con soporte a nivel de protocolo para unidades SMR gestionadas por el host. ^{[ 20 ] [ 39 ]} A partir de abril de 2024 , ni Windows ni MacOS admiten las unidades HM-SMR. ^{[ 40 ]} Sin embargo, Windows 10 admite conjuntos de comandos ZAC/ZBC para discos duros y SSD HA-SMR, ya que admiten LBA no secuenciales. ^{[ 41 ]}

Las unidades SMR han recibido críticas en línea por sus bajas velocidades de lectura/escritura y su escasa estabilidad. ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]}

Fabricantes de discos duros como Seagate (dentro de su línea Barracuda), Toshiba y Western Digital (WD, dentro de su línea Red) han sido criticados por intentar ocultar el uso de la tecnología SMR en ciertos modelos de discos sin etiquetarlos como tales, incluyendo ofrecer modelos con la tecnología dentro de líneas de productos de gama alta que de otro modo habían utilizado CMR. ^{[ 9 ]} En mayo de 2020, se presentó una demanda colectiva en Estados Unidos contra WD, alegando que la empresa había engañado y perjudicado a los consumidores al ofrecer productos considerados no aptos para su uso en almacenamiento conectado a la red (NAS) dentro de una línea de productos que se comercializaba para este propósito. La demanda buscaba una orden judicial permanente que impidiera a WD anunciar discos duros SMR como aptos para su uso en configuraciones NAS y RAID. ^{[ 47 ] [ 48 ]} En junio de 2020, WD anunció que dividiría su línea de productos WD Red en sub-marcas, con las unidades basadas en SMR denominadas "WD Red" y las unidades basadas en CMR denominadas "WD Red Plus" o "WD Red Pro". ^{[ 49 ] [ 50 ]} La demanda se resolvió en 2021. ^{[ 51 ]}

• Grabación magnética asistida por calor (HAMR)
• Sistema de archivos estructurado por registro , un tipo de sistema de archivos optimizado para medios de solo escritura.
• Medios estampados
• Grabación magnética bidimensional

• LSFMM: Actualización sobre tecnología de almacenamiento , LWN.net , 23 de abril de 2013, por Jonathan Corbet
• Impacto de SMR en el subsistema de almacenamiento de Linux , HGST, 2014, por Jorge Campello y Adam Manzanares
• SMR en sistemas Linux , Seagate, 18 de marzo de 2015, por Adrian Palmer
• SMR con reconocimiento del host , Seagate, 10 de noviembre de 2014, por Timothy Feldman
• Abordaje de unidades de grabación magnética superpuestas con el sistema de archivos de cinta lineal , SNIA SDC 2013, por Albert Chen y Jim Malina
• Host Managed SMR , SNIA SDC 2015, por Albert Chen, Jim Malina y TK Kato
• Cerrando la brecha entre las unidades SMR gestionadas por el host y el almacenamiento definido por software , SNIA SDC 2023, por Piotr Modrzyk, Karl Jaagup Vahtre