叠瓦式硬盘(SMR)技术解析与使用体验

叠瓦式硬盘(SMR)技术解析与使用体验

PC 叠瓦式硬盘(SMR)技术解析与使用体验

近几年采用叠瓦记录方式(又称SMR,缩写自)的硬盘逐渐占领了市场。
关于叠瓦式硬盘的原理和优劣,网上也有不少介绍,不过很多都不够系统,不够详细。
在这里我就详尽地介绍一下叠瓦记录方式产生的背景,记录原理,优劣,以及实际使用叠瓦硬盘的体验。

叠瓦记录方式

硬盘的记录方式已经经过了数次变革。目前,要提高数据的记录密度,在有限面积的盘面上划分更多的磁道,唯一的办法就是降低磁道宽度。
磁道的宽度是由磁头决定的,所以这个问题最终落到了减小磁头的尺寸上,因为读取数据用的读磁头可以做的很小,所以一直以来制约磁道密度的是写入磁头的尺寸。

为了写入数据,写入磁头需要产生足够强的磁场来翻转盘面上的磁性材料的磁极。但是随着尺寸的减小,磁头上能够产生的磁场越来越弱,而且这是由于过小的磁头无法约束足够多的磁感线,所以并不能靠提高线圈电流来弥补。

针对这种情况,目前由两种解决思路。

降低写入的“难度”

磁盘盘片上的磁性材料的保持力越弱,磁头反转它们的磁极就越容易,这样就可以减小磁头的尺寸。
但是更弱的保持力意味着更差的稳定性,有可能会影响读出,甚至丢失数据。

那么,如果在写入的时候临时降低材料的磁性呢。
如果能在写入时通过某种方法来暂时降低反转磁极所需要的磁场,而写入完成之后材料的磁场保持力还能恢复,那么就用更弱的磁场写入数据,也就意味着可以减小磁头尺寸,增加记录密度。

目前理论上可行的临时降低磁性材料磁性的方法有两种:激光加热和特定波长的微波照射。

  • 激光加热就是希捷从2000年开始研究,现在终于有点眉目了的HAMR记录技术。
  • 而微波照射的方式就是东芝和西数正在努力的MAMR记录技术。

遗憾的是这两种技术都有很多的难点要突破,目前仍然不能大规模投入使用。
面对日益增长的存储需求,聪明的工程师们又想出了另一个更容易实现的办法。

重叠写入

既然读磁头更小,只要读取磁道的一部分就可以识别出其中数据。那么那就可以把磁道按照读磁头的尺寸来设计。
这样更宽的写入磁头一次虽然会写入两行,但是下一行会把一部分数据覆盖掉,结果是写入完成之后每一行都写上了不同的数据。
SMR tracks
这种记录方式下磁道像屋顶的瓦片一样一层压着一层排列,所以被形象的称为“叠瓦式记录方式”

最大的问题

叠瓦式记录方式下写入和读取都可以正常进行,但是当数据需要更改的时候,由于写入磁头会破坏“下一行”中已有的数据,所以需要将后面的每一行都先缓存起来,排列好之后全部重新写入。
虽然通过把若干个磁道组成一个Band,在Band的最后设置一条不重叠的磁道,从而避免因为一处更改而重写整个硬盘。但是即便如此仍然要为了一行的修改而重新读写数整个Band剩余的部分,即写入放大现象。
即使通过大容量缓存,以及专门划分一段非叠瓦区域用于存放经常更改的数据可以改善这一现象,但是无论如何都无法从根本上解决问题。
这也是SMR硬盘饱受诟病的原因所在。

SMR的适用场合

SMR并不是只有缺点,由于数据密度更高,所以SMR的连续读写速度比起以往的硬盘是提高了的:
Seagate SMR benchmark
(5400rpm就能达到180MB/s的连续读写,单就连续读写性能来说甚至超过了以往的7200rpm硬盘)

所以客观的说,SMR具有低价格,高密度,高连续传输速度等优点,同时抱有一个小范围数据更改代价极大的严重缺陷。

如果某些场合不会发生小范围的数据更改,避开了这个缺点,那么SMR相对于传统硬盘是完胜的:

  • 只读不写: 比如保存图片,视频,音乐的NAS。这些文件一般写入后只用于读取而很少更改。而且即使执行删除,更改,重新写入等操作,由于这些文件体积比较大,本来就需要重新写入大量的磁道,甚至数个Band,所以并不存在写入放大的问题。
  • 只写不改:典型的例子就是视频监控。持续不断的写入数据,写满了从头继续覆盖,永远不会修改某个部分,自然就不存在问题。

而某些可能会发生小范围重写的场合,综合考虑如果SMR的优点能够弥补缺陷,那么也可以考虑使用:

比如冷备份仓库,保存归档的文件。SMR起初确实就是先被应用到归档硬盘上的。

叠瓦是硬盘是不是在开倒车

关于叠瓦式硬盘是不是在开倒车的问题,我认为首先这个技术本身是很有意义的,在某些场合不仅提升了密度,降低了价格,而且还顺便提升了连续读写的速度。

问题在于厂家不应该把这种硬盘宣传成什么场合都适用

最初,SMR是作为Archive系列归档硬盘来出售的,这非常符合SMR技术的定位,没有任何问题。
Seagate Archive drive

但是后来不知道为什么,面向通用领域的产品,拿希捷来说应该就是酷鱼系列(上面明明写着COMPUTE)也开始使用SMR技术,
Seagate Barracuda Compute Drive
并且厂家宣称SMR同样可以适用于桌面,导致很多不明真相的买家真的买来当系统盘。那么自然是使用体验崩坏,最终结果就是网上漫天的差评。

这就像是以前有些人拿工业酒精做假酒,不明真相的群众喝了中毒失明,结果工业酒精这种东西在社会上形成了一种不好的,负面的印象。但是人家工业酒精价格低廉,是重要的化工原料和燃料,本来也就不是让人喝的。

我想也许是因为大多数用户并不了解这些内情,只认每TB价格。导致只要有一家厂商开始向桌面PC市场投放更廉价的SMR硬盘,其他厂商都必须跟进才能保持市场份额吧。

劣币驱逐良币是指因为信息不对称,物品的估值方(信息缺少的一方)估值一定时,物品的提供方(信息充分的一方)会选择提供实值较低的物品(劣币),致使实值较高的物品(良币)越来越少。

SMR是很好的技术,觉得不好是用错了场合

SMR是很聪明的发明,在不改变硬盘结构的情况下就提高了密度和容量,降低了价格。
以后即使HAMR等辅助记录技术成熟普及,SMR仍然不一定会消失,因为只要读磁头能比写磁头做的更小,SMR就有存在的价值。

至于频繁擦写,要求高IOPS的存储,还是交给SSD吧。QLC一出来降价了不少,马上PLC也要来了,还能再便宜。
话说QLC固态硬盘的遭遇和SMR相似,也有人称其为垃圾。但是其成为“垃圾”的内在本质和SMR是完全不同的。
关于QLC固态硬盘我在另一篇文章中分享自己的踩坑体验。

Related

在关于机械硬盘的讨论中,我还在关于技术是不是开倒车的话题中提到了QLC固态硬盘。其实我也是QLC固态硬盘的用户。 说起QLC,目前的处境和叠瓦硬盘有点相似:人人喊打,但是还越卖越多。 人人喊打的原因主要是预期寿命(TBW)低以及超过SLC缓[…]

Ads