[熊愛4C]什麼是SMR技術?它與PMR、CMR是什麼關係?還有SMR硬碟的特性為何?使用時要注意什麼?由技術資訊與實測不同技術硬碟觀察做進一步的了解!

跟朋友聊起從事科技領域工作的甘苦談的時候,台灣熊常常會提到兩件事,第一件就是不要叫我電腦專家,因為電腦科技領域真的是太多太廣,隨便一個支領域就是一門高深的學問,像今天跟大家分享的就是儲存技術的領域,光領域內的再區分…由應用方式到產品技術每個區段真的都是專業;其次就是科技名詞不只隨科技的進展而持續增加,更厲害的是會因為後面的新技術而使得之前的專有名詞跟著變化,而且持續不斷的發生中。像這一篇要跟大家一起探討的SMR(疊瓦式)技術出現,之前的PMR就轉稱CMR,而這只是一個例子…更多的案例只要待在電腦資訊科技領域夠久的應該都早已習慣,連最大的領域招牌iT(資訊科技)幾年前就都以ICT(資通訊科技)出現在所以國際級展覽,當然未來相信還會繼續這樣變化下去…因為科技就是這樣不斷的發展與進步!

 

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硬碟這項資訊產品已經發展了超過60年,回想以前一顆硬碟10MB、20MB,現在硬碟入門單位已經由GB轉為TB中,硬碟不只容量增加、體積變小、讀取速度提升、價格變的和藹可親,這一切都得歸功於硬碟存取技術、還有外部I/O介面、匯流排等相關硬體技術的提升。只是每每硬碟在重大技術發展與轉換之際,不免都會有一些技術會被市場關注與質疑,像數年前的LMR轉換為PMR就是一例,但是現在所有的硬碟除了SSD之外都是採用PMR技術,即便是繼續為容量增長而發展的SMR(疊瓦式磁紀錄)也是建基於此。當然SMR似乎也無可避免的面臨當年PMR初採用時的使用者疑慮。所以台灣熊整理並加入實測觀察,(1)針對SMR技術資訊、SMR特性讓人產生的疑問,(2)還有SEAGATE針對前述所採用的對策-強化版的SMR、更有彈性與價格優勢的FLEX,(3)採用SMR技術硬碟使用注意事項、與SEAGATE目前採用與未採用SMR技術硬碟的資料整理。(4)最後就抓了兩顆分別採用CMR(PMR)、SMR技術的硬碟來實測,實際觀察在資料寫入的時候,在大檔案型資料、零星瑣碎小檔案型資料上的表現情形,以前述四個重點跟大家一起討論與進一步了解SMR疊瓦式磁紀錄技術。

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由外觀你看得出哪一顆是CMR(PMR)硬碟? 哪一顆是SMR硬碟嗎? ^_^

其實SMR技術早在2013年就導入與開始使用您知道嗎?不必驚訝這是真的!而且採用此技術的不只SEAGATE一家,就請繼續看下去咯!

 

 

(^(T)^) SMR(疊瓦式磁紀錄)技術

 

資料儲存的需求一直持續增加,不管是直接間接的儲存行為是造就巨量資料的主因,不是儲存在你的電腦中的才是資料,你握在手中的行動裝置無時無刻的拍照上傳雲端、Facebook分享傳訊也都記錄在後台龐大的資料庫之中,所以硬碟廠針對這樣的高速成長儲存需求一直在研發新的讀寫技術來提高容量與效能,有去2018 Computex Taipei參訪過SEAGATE展場的相信對HAMR、MACH.2(*註)留下深刻印象,一想到單一一顆硬碟具有70TB的容量就讓人驚訝不已!

*註 沒機會去Computex Taipei 2018 現場的可以參考這一篇,包含SEAGATE導入AI技術等內容資訊 → [科技新知][Computex]一個主軸、二項技術、五大領域,The Data Revolution資料革命浪潮中SEAGATE在企業儲存、NAS應用、影像創作、監控AI、遊戲娛樂之對策!

 

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早期硬碟發展由諾大體積縮小到5.24”、3.5”,之後在3.5”、2.5”的體積形成主流,之後硬碟容量提升方式不外乎就是在有限空間中提高資料密度、增加可用面積,所以增加碟片數就成了其中很重要的方式,改變磁記錄方式由LMR(縱向磁紀錄)轉為PMR(垂直磁紀錄)讓容量一度大幅提升,而PMR自2007年之後就成了硬碟很重要的基礎技術雖然一開始也是有很多聲音 ^_^ 。

 

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由LMR轉為PMR單碟片磁紀錄密大大幅提升,但隨著巨量資料襲來,很快的又面臨總容量需求的考驗,於是如何在一顆硬碟有限空間內塞入更多的碟面就成了各家硬碟廠的解決方案之一,He技術導入氦氣讓每張碟片間的間隙可以縮小,就很自然地成為解決方案,但事實上還有許多技術在發展,如以下的硬碟技術發展歷程所示。

 

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那就是SMR(疊瓦式紀錄)而且使用的廠牌不只SEAGATE一家,整理一下各品牌在硬碟容量發展的比較讓大家容易了解!

 

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就如前面提到的SMR不是最近才出來的技術,SMR是為了解決→”機械式硬碟寫頭寬度大於讀頭寬度,而寫頭寬度已達到物理上最小的限制”←這限制也就是PMR面臨的瓶頸。所以這裡也就不在SMR的技術細節上著墨太多,主要讓大家大致了解甚麼是SMR,PMR原先就像是一軌軌的資料寫入方式,彼此間沒有重疊。而SMR就是利用部分重疊的方式,讓資料軌部分重疊方式進行紀錄,因為作法與瓦片交疊方式相仿所以稱為疊瓦式紀錄SMR。

 

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也就是說~SMR的磁場擺放方式仍是採用PMR(垂直磁紀錄)將磁場垂直擺放,只是透過磁軌重疊增加容量。因此為了避免與SMR混淆,業界於是將原先傳統磁軌不會重疊的PMR改稱為CMR (Conventional Magnetic Recording / 傳統式磁紀錄)技術。

 

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建構於PMR技術基礎之上的SMR技術,就成為SEAGATE在容量提升領域上很重要的基礎技術一如當年的PMR一般,而CMR(磁軌沒有重疊的PMR)與SMR在SEAGATE的效能與容量領域繼續發展!順便跟大家透露一下…^_^,有些人以為SMR硬碟與PMR(CMR)硬碟的零件不相同,事實上經過求證,SMR硬碟和PMR硬碟不管是在磁頭,碟片的硬體規格上都是完全一樣的。唯一不同的僅是資料寫入時,磁紀錄的方式。也因為這樣的零件相同的特性,讓未來新的硬碟具有讓使用者可以自由選擇要採用 SMR 或 CMR 的FLEX技術,要容量要效能由使用者決定。

 

 

 

(^(T)^) 強化版SMR與FLEX

 

SMR硬碟的出現市場上有一些聲音與疑慮,因為不了解那些訊息的背景,所以台灣熊沒有評論。台灣熊覺得應該是有關SMR的資訊太少,大家不夠了解,也因此有了一些誤解,就像前面提到的SMR的資列寫入依舊是PMR,只是排列的方式做了些改變。還有PMR與SMR所以採用的零件都是一樣,沒有道理PMR比較耐用SMR就容易故障,這在機械式硬碟上是說不太過去的,畢竟機械式硬碟不像電子式硬碟SSD(固態硬碟)有記憶單元抹除再寫的壽命限制,所以只要應用的場域特性與機械式硬碟的特性一致,在容量、壽命、甚至效能表現應該不用想太多。

 

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提到SSD就連想到它的抹除再寫的特性,這個跟SMR的特性不同但做法有點神似,因為SMR技術確實跟SSD一樣也不是完美技術,需要靠其他像是快取技術、控制與讀寫等強化技術與做法,讓它的速度、壽命、可靠度可以確保。SSD是如此,SMR當然也是…因為寫頭寬度較大,所以每次更改資料是都需要將前面的資料搬移,再複寫一次。雖然不像SSD需要先抹除而且對壽命有影響,但資料搬移就是一項工程,SEAGATE也知道這個問題,所以SEAGATE為了解決這個問題,SMR將許多條磁軌組成一個Band,每個Band的結尾採用CMR的方式寫入,不做重疊。因此當需要複寫資料時只需修改到Band結尾即可,不用整個硬碟重寫一次。

 

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也因為前述特性使得SMR不適合處理大量的非連續檔案(Small Block Transfer),還有複寫資料時會需要大量的資料搬運空間,這是SMR的兩個問題,相信也就是被關注的所在。

SEAGATE針對這兩個問題對SMR做了強化的處理,所以SEAGATE的SMR不只是SMR,是強化版的SMR:

一、在原本的SMR硬碟中保留了部分磁區為UMP(Unshingled Magnetic Partition),也就是用CMR的方式寫入。當系統開啟時會有大量的系統檔案(Virtual Memory所產上的大量檔案)產生,此時就由CMR磁區運作處理。(Seagate目前在2.5”的SMR硬碟中保留有25GB的UMP磁區,在3.5”的SMR硬碟中保留有35GB的UMP磁區。)

二、Seagate將部分SMR磁區轉作為Media Cache(MC),解決資料寫入時因資料搬運所造成的速度降低或錯誤情形。

三、目前的Seagate的SMR硬碟DRAM buffer都為64MB以上,提供運作時足夠的需求。

 

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因為SMR技術的特性,所以有人推論SMR硬碟不是用於個人電腦做系統硬碟、個人儲存資料使用,因為作業系統本身就會有一些小資料頻繁的寫入,還有一般個人電腦零碎小檔案型資料不少,所以覺得SMR硬碟並不適用。但相信看過上面有關SEAGATE改良過後的強化版SMR硬碟,就可以發現強化版SMR硬碟針增加UMP磁區,能做為這些small block transfer的空間,所以目前一般個人使用環境下的資料量皆可由SMR硬碟處理。同時強化版SMR硬碟也增加了UMP用來當作業系統的儲存使用,並加大Cache,處理作業系統啟動時所產生的大量小檔寫入沒有問題。

 

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所以能滿足SMR需求的強化版SMR當然也能滿足CMR效能上的需求,所以未來SEAGATE會有FLEX模式的硬碟,同時是SMR也是CMR,讓使用者依容量需求還是效能需求來選擇使用!

 

 

 

 

(^(T)^) 非SMR及SMR硬碟與適用環境

由CMR、SMR、FLEX這樣的技術規畫可以看見SEAGATE相當用心,不只在技術上求取進步,於兼顧消費者需求與降低消費者購買成本上的努力也是,當性能型與容量型產品都使在通一裝置內時,更大量規模的生產有利成本的降低使使用者易持有,具彈性的應用特性選擇由使用者來掌握不只更具應用彈性,也更能針對應用場域特性做調整讓整體的應用更加優化。

要讓使用者自己決定要使用甚麼樣的技術的硬碟,當然要先做兩件事情:

一就是至少簡單了解CMR與SMR,這一點對看文章看到這的讀者相信已經具備。

二就是知道市售SEAGATE硬碟中哪些是SMR硬碟、哪些是CMR硬碟,這個就請直接參考以下整理表格,眼尖的網友應該會發現最新的X14、X16、X20已經是FLEX,表格中所列的SMR硬碟都是已配有UMP、加大Cache與Media Cache的強化版SMR硬碟。還有目前強化版SMR硬碟都只有推出8TB(含)以下容量,8TB以上的硬碟除FLEX外就全部是CMR硬碟。

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順便跟大家提一下強化版SMR硬碟適用的環境,硬碟還是要依個別的特性應用在它適合的環境才會好用,就像之前在其他文章中提醒大家一就是一般消費型硬碟就避免裝入NAS進行磁碟陣列使用,還有機架型NAS或是超過4BAY以上的NAS就請選用有RV功能的硬碟來使用。

強化版SMR硬碟適用的環境:簡單的說就是適合「一般使用」、「冷資料儲存

」,增加UMP、加大Media Cache、DRAM Buffer,改良過後的SMR硬碟沒有Small Block Transfer的問題,所以可以使用在一般桌機、筆電、外接硬碟,提供同等級CMR硬碟的效能與更高容量及性價比。

那你可能會想問…那SEAGATE的SMR硬碟適不適合在RAID環境使用?

答案就看下面這張圖咯~.~

 

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強化版SMR硬碟不適用的環境:簡單的說就是RAID,磁碟陣列…但也不是全部不適合。原因是RAID會將磁區重新畫分,在寫入資料時亦會將資料打散再重組,並不適合SMR的磁軌結構。如果強制使用,容易造成寫入速度大幅下降或系統通知異常等情形。但是沒有前述” 磁區重新畫分”、” 將資料打散再重組”在重組問題的JBOD、RAID 1這兩種磁碟陣列採用是OK的,其他如圖所示的RAID 5與未表列出來的各種RAID模式就請不要選用SMR硬碟咯。

 

 

 

(^(T)^) CMR(PMR)與SMR技術硬碟實測

了解SEAGATE的SMR與CMR之前的關係與基本的技術資訊之後,屬於實證派的台灣熊當然是要抓兩顆分別是SMR與CMR的硬碟來同一個平台做一些測試,藉由測試的數據與圖表來觀察看看這SMR與CMR硬碟之間的差異,也算是實證SMR可不可以處理瑣碎小檔案,因為測試樣本中有很多小小的TXT檔、螢幕截圖,還有大一點像片檔,這些一般使用者電腦中常有的資料。當然也有些使用者是專業的電腦從業人員或是電腦玩家,電腦中大型的影片檔、系統ISO檔、遊戲ISO檔…這些大檔案台灣熊也準備了一些來搭配測試,就要要看看SMR、CMR兩種技術硬碟一些差異!

 

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上面圖左是ST8000DM004-2CX188、右邊是ST8000NE0001-1WN112,後面的數據分享如果是左右陳放也就跟這裡的排列一樣,如果是上下圖放置的方式就是ST8000DM004-2CX188在上、ST8000NE0001-1WN112在下,特此說明!

當然在分享實際測試數據之前,台灣熊要先強調一下…這兩顆硬碟本身就分屬價位比較便宜的消費型硬碟與企業效能型硬碟,所以效能上的差異請參考參考就好,把重點放在特性曲線與是否能夠正常運作與處理。畢竟兩顆硬碟的產品定位與價格並不在同一個標準上,總不能拿青年跟少年兩個不同級距的人一起比速度吧!

 

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看過外觀差異,順便看一下重量差別,一樣是8TB但是重量分別是619公克 / 769公克!相信光靠外觀與重量大家應該還是無法一眼辨識哪一顆是SMR哪顆是CMR吧~.~

 

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測試的平台是採用上市不久的AMD X370 R7-1700主機組合,對測試平台有興趣的可以參考這一篇文章,其中的差異只有顯卡不一樣而已。→ [熊愛4C][電腦組裝][電競開箱]ZOTAC GeForce GTX 1080 Ti AMP Extreme旗艦顯卡給你極速快感與震撼滿滿的戰鬥力!

 

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