磁気記録方式

瓦記録（SMR）は、ハードディスクドライブ（HDD）で使用される磁気ストレージデータ記録技術であり、ストレージ密度とドライブあたりの全体的なストレージ容量を向上させます。^[1]従来のハードディスクドライブは、重複しない同心円状の磁気トラックを書き込むことによってデータを記録します（従来の磁気記録、垂直記録）が、瓦記録では、以前に書き込まれた磁気トラックの一部と重複する新しいトラックを書き込み、以前のトラックを狭くして、より高いトラック密度を可能にします。したがって、トラックは屋根板のように部分的に重なります。このアプローチが選択された理由は、書き込みヘッドを狭くしすぎると、ディスクの記録層に必要な非常に高い磁場を提供できないためです。^{[2] [3] [4] [5] ：7–9}

オーバーラップ トラック アーキテクチャでは、1 つのトラックに書き込むと隣接するトラックも上書きされるため、書き込みプロセスが複雑になります。隣接するトラックに有効なデータが含まれている場合は、それらも書き直す必要があります。その結果、SMR ドライブは、ソリッド ステート ドライブのフラッシュ ブロックに似た、いっぱいになると完全に書き直す必要がある、オーバーラップ トラックの追加専用(シーケンシャル) ゾーンに分割されます。デバイス管理のSMR デバイスは、ファームウェアで管理することでこの複雑さを隠し、他のハード ディスクのようなインターフェイスを提供します。その他の SMR デバイスはホスト管理で、ドライブの処理方法をオペレーティング システムに依存し、ドライブの特定の領域にのみシーケンシャルに書き込みます。^{[5] : 11 ff.  [6] SMR}ドライブは、 DRAM、フラッシュ メモリ、さらにはSMR の代わりに CMR 用に予約されている独自のプラッタの一部をキャッシュとして使用して書き込みパフォーマンスを向上させることができますが、大量のデータを連続して書き込むと、CMR ドライブよりも著しく遅くなります。^{[8] [9] [10]}

シーゲイトは2013年9月にデバイス管理型SMRハードドライブの出荷を開始し、非シングルドストレージと比較して全体の容量が約25％増加すると発表しました。^{[1] [11]} 2014年9月、HGSTはホスト管理型のシングルド磁気記録を使用するヘリウム充填10TBドライブを発表しましたが、 ^[12] 2015年12月には従来の非シングルド垂直記録を使用する10TBヘリウム充填ドライブを発表しました。^[13]

ウエスタンデジタル（WD）、東芝、シーゲイトは、SMRドライブをそのようにラベル付けせずに販売しており、大きな論争を巻き起こしている。これは、SMRドライブがCMRドライブよりも状況によっては（ランダム書き込みなど）はるかに遅く動作するためである。^[9]一部の人は、これらがデータ損失を引き起こす可能性があると主張している。^{[14]これらの誤ったラベル付け慣行は、サーバー、} NAS、RAID、コールドストレージ用の消費者向けおよび専用データストレージHDDの両方で使用されていた。ウエスタンデジタルに対して技術が劣っていると主張する米国の集団訴訟は、2021年8月27日までに和解した。 ^[15]この論争により、2020年6月現在、ウエスタンデジタルはDM-SMR NASドライブを「WD Red」とラベル付けし、CMR NASドライブを「WD Red Plus」および「WD Red Pro」とブランド化している。^{[16] [14]}

重なり合ったトラック（シングルトラック）は、1980 年代から 1990 年代に人気を博した消費者向けヘリカルスキャン ビデオ カセット レコーダー（VCR）にも以前から登場していました。Extended Play（EP または SLP）モードでは、 VHSとBetamax はどちらもトラック ピッチを 3 分の 1 に縮小しました。隣接トラックからの深刻な干渉は、斜め方位記録の使用によって部分的に緩和されました。

SMRドライブ上でデータを管理する方法は、デバイス管理、ホスト管理、ホスト認識の3つがあります。^{[17] [18]}

デバイス管理またはドライブ管理されたドライブは、ホストからは非シングルドライブと全く同じように見えます。ホストが特別なプロトコルに従う必要はありません。ストレージのシングルの性質に関連するすべてのデータの処理は、デバイスによって管理されます。シーケンシャル書き込みはより効率的です。さらに、ホストはストレージがシングルであることに気づきません。^[5]

デバイス管理ドライブのディスクコントローラは、ソリッドステートドライブのフラッシュメモリコントローラがフラッシュメディアの特殊な特性によって必要な書き換えを内部で処理するのと同様に、シングルドライブの特殊な特性によって必要な書き換えを内部で処理します。[ ^19] SMRドライブには、 SSDブロックのように動作する追加専用ゾーンがあり、ゾーン内のセクターを変更するにはゾーンの内容全体を書き換える必要があります。そのため、書き込みは最初にCMRキャッシュに送信され、ディスクはアイドル時にこれらのデータをSMR部分に移動します。^[20]

2020年にWestern Digitalに対する反発が起こるまで、このタイプのSMRドライブは、「アーカイブ」とラベル付けされたディスクを除いて、メーカーによってラベル付けされないことが多かった。^{[9] [10]}

RAID の再同期はキャッシュを過負荷にする傾向があり、^{[なぜ? ]} SMR ドライブを数分間停止させます。^{[引用が必要]}障害のあるファームウェア (WD40EFAX のリビジョン 82.00A82 など) により、負荷が集中するとドライブが IDNF SMARTエラーを返すこともあります。 ^{[7] [19]}どちらの動作も RAID コントローラによってドライブ障害と解釈される傾向があります。^[20]

SMRのゾーン化により、ガベージコレクション時にディスクが書き込み増幅の影響を受けることも意味します。^[21]ただし、ハードドライブの場合、書き込みの主な問題は耐久性ではなく速度です。一部のSMRハードドライブは、この理由からTRIMコマンドをサポートしています。 ^[22]

ホスト管理デバイスでは、ホストによる特別なプロトコルの厳格な遵守が求められます。ホストはストレージのシングルド特性を管理するため、既存のデータを破壊しないようにシーケンシャルに書き込む必要があります。ドライブは、このプロトコルに違反するコマンドの実行を拒否します。^[5]

ホスト対応は、ドライブ管理とホスト管理の組み合わせです。ドライブはストレージのシングル化の性質を管理でき、シーケンシャルかどうかに関係なく、ホストから与えられたコマンドを実行します。ただし、ホストはドライブがシングル化されていることを認識しており、ドライブの空き容量を照会できます。これにより、ホストはシングル化の性質に合わせて書き込みを最適化できると同時に、ドライブの柔軟性と下位互換性も確保できます。^[5]

SMRデバイスは、ストレージが通常256MiBサイズのゾーンに分割されているため、ゾーンデバイスと見なされます。 ^{[23] SMRデバイスでは、} SCSI用のZBC（ゾーンブロックコマンド、ANSI INCITS 536）とSATA用のZAC（ゾーンATAコマンド、ANSI INCITS 537）という2つの特殊コマンドセットが使用できます。これらは、各ゾーンがCMRかSMRかをホストに伝え、ホストがこれらのゾーンを直接アドレス指定できるようにします。^[24]特に明記されていない限り、コマンドはホスト対応/管理デバイスでのみ使用できます。具体的なコマンドは次のとおりです。^[25]

• REPORT ZONES は、ディスクレイアウトとゾーンステータスに関する情報（書き込みポインタ、連続ゾーン内の最後の書き込み位置 など）を表示します。
  • SMR または同様のゾーンは、ホスト管理ドライブではシーケンシャルであることが必須ですが、ホスト対応ドライブではシーケンシャルであることが推奨されます。
• 書き込みポインタを巻き戻して連続ゾーンを空にするRESET WRITE POINTER
• OPEN ZONE: ゾーンへのアクセスを明示的に宣言し、関連するファームウェアリソースをロックします。
• CLOSE ZONE、開いているゾーンのロックを解除する
• FINISH ZONE、ゾーンをいっぱいにして読みやすくする

各ゾーンにはLBAアドレスの範囲が関連付けられており、ホスト管理ドライブで順次要件が満たされている限り、すべての LBA ベースのコマンドを使用できます。

SMRデバイスは以下のように識別される：^{[26] [27] [5] : 14}

• ホスト対応またはデバイス管理のドライブは通常のブロック デバイス (SCSI 00h) としてマークされるため、通常のハード ドライブとして認識されます。
  • ZONED フィールドは、ドライブがデバイス管理されているか、ホスト対応であるか、あるいはどちらでもないかを示します。これは、SCSI ブロック デバイス特性 VPD ページと ATA 機能ログ ページにあります。
• ホスト管理ドライブは新しいデバイス タイプ (SCSI 14h) を使用します。ZAC/ZBC 対応のコンピューターのみがこれを検出して使用できます。

兄弟規格であるZAC-2/ZBC-2の新しいバージョンが開発中です。新しいバージョンでは、非連続LBAを可能にする新しいタイプの「ドメインとレルムのゾーンブロックデバイス」が導入され、SATA SSDにメリットをもたらします。^{[28] ZONEDフィールドは、} Western Digitalからの提案を受けて廃止されました。^[29]

ゾーンインターフェースはフラッシュストレージにも有用である。ZNS仕様はNVM Express組織によってリリースされている。^[30]

SMR ドライブの高密度とランダム読み取り特性は、シーケンシャル アクセステープ ストレージとランダム アクセスの従来のハード ドライブ ストレージの間の隙間を埋めます。変更される可能性は低いが、どの時点からでも効率的に読み取る必要があるデータの保存に適しています。使用例の 1 つに、オンディスクエクステントを追加専用の方法で実行するDropboxのMagic Storageシステムがあります。 ^[31]デバイス管理型 SMR ディスクは、この特性から「アーカイブ HDD」としても販売されています。^[32]

Linuxの多くのファイルシステムはSMRドライブ用に調整されているか、調整可能です。^[33]

• もともとフラッシュ メディア用に設計されたF2FSには、Zoned Block Device (ZBD) モードがあります。メタデータ用の従来のゾーンを備えたホスト管理ドライブで使用できます。
• BtrfsはLinuxカーネル5.12でゾーンモードのサポートが追加され、ホスト管理ドライブと互換性があります。^[34] BtrfsはCoWの性質上、すでにほとんどシーケンシャルに書き込みます。
• ext4 は実験的に調整して、より連続的に書き込むことができます。Theodore Ts'oと Abutalib Aghayev は 2017 年にext4-lazyに関する講演を行いました。Seagate は 2015 年から、ZBC/ZAC コマンドを使用する、より革新的な「SMRFFS」拡張機能も提供しています。^[35]
• 他のファイルシステムの場合、Linuxデバイスマッパーには、ホスト管理ドライブをランダム書き込み可能なドライブにマッピングするdmゾーンターゲットがあります。Linuxカーネル4.10以降では、 dmなしでこのタスクを実行できます。^[36] 2019年のzonefsは、ゾーンをファイルとして公開し、アクセスしやすくしました。^[37]

Linuxに加えて、FreeBSDはホスト管理SMRドライブのプロトコルレベルのサポートを備えています。^{[23] [38]} 2024年4月現在^{[アップデート]}、WindowsもMacOSもHM-SMRドライブをサポートしていません。^[39]ただし、Windows 10は非シーケンシャルLBAをサポートしているため、HA-SMR HDDとSSD用のZAC / ZBCコマンドセットをサポートしています。^[40]

従来のSMRモデルでは製造時に各ゾーンのタイプが割り当てられますが、ダイナミックハイブリッドSMRドライブでは、顧客がゾーンタイプをシングルドから従来型に再構成したり、逆に従来型に戻すことができます。^{[41] [42]} SMR/CMR設定を調整すると、ドライブを「ホット」データと「コールド」データの現在のワークロードに適合させることができます。^[21]

SMRドライブは、読み取り/書き込み速度が遅く、安定性が低いとしてオンラインで批判を受けています。^{[43] [44] [45] [46] [47]}ドライブメーカーは、自社製品にSMR技術を使用していることを隠そうとしていることでさらに批判されています。^{[48] [49]}

• 熱アシスト磁気記録（HAMR）
• ログ構造化ファイルシステム、追記専用メディアに最適化されたファイルシステムの一種
• パターンメディア
• 二次元磁気記録

• LSFMM: ストレージ技術の最新情報、LWN.net、2013 年 4 月 23 日、Jonathan Corbet 著
• Linux ストレージ サブシステムに対する SMR の影響、HGST、2014 年、Jorge Campello および Adam Manzanares 著
• ホスト管理 SMR ドライブで XFS を使用するためのレイアウト最適化 (2015 年 3 月)
• Linux システムにおける SMR、Seagate、2015 年 3 月 18 日、Adrian Palmer 著
• ホスト対応 SMR、Seagate、2014 年 11 月 10 日、Timothy Feldman 著
• リニア テープ ファイル システムによるシングル磁気記録ドライブへの対応、SNIA SDC 2013、Albert Chen および Jim Malina 著
• SNIA SDC 2015 のホスト管理 SMR、Albert Chen、Jim Malina、TK Kato による

• ZAC/ZBC バージョン 1 (2016 年公開)
  • T10、情報技術 - ゾーンブロックコマンド (ZBC)、2014 年、ドラフト改訂 1
  • T13、情報技術 - ゾーンデバイス ATA コマンドセット (ZAC) 2020 年 9 月 21 日にWayback Machineにアーカイブ、ドラフト改訂 5、2015
• ZAC/ZBC バージョン 2 (2020 年現在開発中)
  • T10、情報技術 - ゾーンブロックコマンド - 2 (ZBC-2)、2020 年、ドラフト改訂 04a
  • T13、ZAC-2、PDFは利用できません