Shigled Magnetic Recording

Le SMR (Shingled Magnetic Recording) est une technologie visant à augmenter logiciellement de la densité d'information stocker sur un disque dur physique via un mécanisme de chevauchement de pistes: une 3eme piste, que l'on peut considérer comme étant "virtuelle" (puisque logique), est écrite à cheval sur 2 pistes physiques via des algorithmes de combinaison/décodage d'informations.

L'introduction de la technologie SMR, dans les disques pour le grand public a marqué un étape majeure en 2019, mais n'a commencée à être largement diffusée par les fabricants qu'en octobre 2019 avec le basculement de toute la gamme Barracuda jusqu'au 8 To en SMR chez Seagate et des Red/White jusqu'à 6To chez WD.

Destination

Cette technologie, qui n'est pas mauvaise en soi, mais dédiée  à des cas précis, dont l'archivage essentiellement, désormais préconisé par les fabricants eux-mêmes depuis ~Mai 2020 suite aux nombreux problèmes apparus et ayant entrainés le "Bad buzz" sur cette technologie.

Car au début les fabricants ont cherché à réduire leurs coûts de production tout en maintenant le prix public sans informer le consommateur et indiquer les limitations technologiques.

Problématique

A la base d'un disque SMR, on va trouver une grande partie de la mécanique d'une disque CMR, duquel sa capacité va être augmentée logiciellement de 25 à 30% ... eg. un CMR de 2To mènera à un SMR de 3To etc.

De sorte qu'une opération d'écriture passe par la lecture des 2 données des 2 pistes physiques, le calcul de la combinaison/cyclomatique et des valeurs de décryptage, et l'écriture de la résultante sur les 2 pistes physiques. Ce qui explique la taille conséquente de cache requise sur les disques SMR, puisqu'il faut stocker les données à écrire, les données des 2 pistes, et la combinaison

D'autant les opérations physiques seront de 5 à 6x plus nombreuses que l'opération logique d'écriture, ce qui détermine qu'un disque SMR dès lors qu'il est rempli à 60-65% (une fois les pistes physiques "pleines") verra ses performances en écriture chuter drastiquement (à ~50-60Mo/s vs.~200 Mo/s sur un CMR/PMR 5400rpm, suivant les marques).

En lecture le problème de performance est moins criard, et il n'y a pas de réel problème à utiliser un SMR, si ce n'est donc la vitesse d'écriture d'un SMR "rempli"; ceci que l'on soit en Raid ou pas, et qu'il s'agisse de Btrfs, ZFS ou autre ext4 etc.

En utilisation domestique, on verra ainsi des fortes latences en écriture dès que son disque sera plein aux ~2/3, mais cela même avant suivant l'optimisation de l'OS/configuration de gestion des disques SMR.

De fait l'utilisation en PC (autrement qu'à 1 disque) ou NAS (autrement qu'en JBOD, RAID0 et RAID1), et surtout dès lors qu'il y a un mécanisme de redondance (type Raid 5, 6 etc.) n'est surtout pas recommandée. En effet, outre les performances qui chutent, la reconstruction d'un volume s'agissant d'un Raid, va solliciter les disques très fortement en écriture, et en cas de présence ne serai-ce que d'un seul SMR, la durée de reconstruction va s'accroitre d'un facteur x5 environ (au-delà de l'écart brut de performances).

Au final, les fabricants de disques durs destinent le SMR qu'essentiellement aux usages en archive, tout en proposant pour le coup des très for tes capacités (eg. le 20TB Western Digital SMR - Ultra Star DC HC 660 à destination archivage profesionnel)

Recommandation

Il faut utiliser chaque chose pour ce pour quoi elle est faite: la destination du SMR est l'archivage, les fabricants, désormais "obligés" à plus de transparence, la fixe telle quelle pour la plupart ... et si utilisé en tant que tel le SMR est parfaitement adapté.

De fait, le SMR n'est pas destiné en pratique au stockage "actif"

- Stocker:  c'est lire/écrire sur une capacité mise ou pas en commun (eg. via un NAS)  avec l'enchaînement régulier d'opérations d'écriture,  lecture, effacement etc. = CMR/ PMR

- Archiver: c'est écrire "une bonne fois pour toute" et relire plus ou moins régulièrement (eg. photos ou vidéo qu'on garde ... longtemps) =  SMR (et compatible CMR/PMR bien sûr).

Remarque: les cycles de lectures n'entrent pas vraiment en ligne de compte dans l'utilisation ou pas de disques SMR, seule l'étape et la proportion de cycles d'écritures sont impactantes

Détails de la technologie SMR vs. CMR/PMR

La technologie SMR (Shingled Magnetic Recording) augmente la capacité de 25-30 % d'un disque conventiel grâce à l'optimisation du nombre de pistes sur un même plateau.

Sur un disque conventiel (CMR/PMR) l'espacement des pistes diminue avec la taille des éléments de lecture et d'écriture de la tête d'enregistrement (Figure 1).
Figure 1. Espacement de pistes conventionnel (Crédit: Seagate)

La technologie SMR augmente la densité en supperposant des pistes supplémentaires à cheval sur les pistes conventielles; ces pistes se chevauchent, comme les "tuiles" d'un toit, permettant ainsi l'écriture d'un volume plus grand de données sur le même espace.

Au fûr et à mesure que l'on stocke des données, les pistes supplémentaires sont ajoutées si besoin par recouvrement.

L'élément de lecture de la tête du disque étant plus petit que l'élément d'écriture, les données sont lues sur les "demi-pistes" à cheval sans que leur intégrité ou leur fiabilité ne soit compromise.


Figure 2. Espacement des pistes optimisé avec la technologie SMR (Crédit: Seagate)

Lorsqu'une donnée est réécrite ou modifiée sur un disque SMR, celui-ci doit mettre à jour les données ciblée, mais également celles enregistrées sur les pistes suivantes.

Étant donné que l'élément d'écriture est plus large que la "demi-piste" SMR, toutes les données des pistes à cheval sont lues préalablement à l'opération d'écriture et devront être réécrites ultérieurement (Figure 3). Lorsque les données de la piste suivante sont réécrites, le disque SMR doit corriger les données dans la piste qui suit, répétant ainsi le processus en conséquence jusqu'à la fin du disque si nécessaire !


Figure 3. Chevauchement de l'élément d'écriture sur les pistes coupées (Crédit: Seagate)

C'est pourquoi dans le cadre d'un disque SMR les pistes sont regroupées par bandes, de sorte de limiter le processus de chevauchement (Figure 4). Le disque SMR peut alors plus facilement gérer les réécritures. Ce regroupement de pistes en bandes optimise le nombre de pistes où les données doivent être réécrites, ce qui améliore les performances d'écriture du disque.


Figure 4. Structure en bandes de la technologie SMR (Crédit: Seagate)