シングル磁気記録方式

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SMRで磁気ヘッドよりも狭いトラックが記録されていく過程

シングル磁気記録方式(シングルじききろくほうしき、Shingled Magnetic Recording: SMR) とは、主にハードディスクドライブ (HDD) で利用される高記録密度化のための磁気記録方式。瓦磁気記録方式とも呼ばれる。

なお「シングル (Shingle)」は屋根や壁面に使われるこけら板や石綿板を指す。Single ではない。

概要[編集]

ハードディスクの記録密度を高めるには、ディスクの径方向のトラック幅をいかに狭くできるかが重要な鍵となる。これは磁気ヘッドの幅を狭めなければならない事を意味する。しかしながら、これは磁気ヘッドから漏れ出す磁界の強度低下を引き起こし、媒体を十分磁化できなくなる (= データを記録できなくなる) というジレンマを抱えていた[1]

シングル記録方式では、幅広の磁気ヘッドを用いながらも、その幅よりも細いトラックを媒体に書く事が可能である。トラックを記録する際に、これらが重なり合う (オーバーラップ) するようにデータを記録する仕組みを採用しているためである[2]。 記録されたトラックはあたかも「瓦 (Shingle)」を重ね合わせたように見えるのが、瓦記録方式と呼ばれる理由である。

幅広の磁気ヘッド、厳密には磁極の角に特に強い磁界が集中する特性を利用した専用形状の磁気ヘッドを搭載する[3]。再生素子に関しては大きな変更を要求しない。

同技術は2009年にR.Woodらによって提唱され[4]シーゲイト・テクノロジーは2014年に世界初となる製品を発表。記録密度を25%向上することに成功した[2]

性能と用途[編集]

SMRではデータの部分的な更新は難しい。書き換える必要のない隣接トラックにまでデータが書き込まれてしまうため

シーケンシャルな書き込みに特化しており[3]、従来磁気テープが得意としてきたバックアップアーカイブ用途に向いている。特に磁気テープは、データの頭出しに数十秒オーダーの時間がかかる難点があり、バックアップやアーカイブであってもこれらの遅延を避け、素早くデータを取り出したい場合に有用である。実際に、メーカーは当該製品を「Archive HDD」と銘打ち、販売している[5]

原理上、データの部分的な更新 (ランダム書き込み) は性能上難しく、スループットが遅いというデメリットがある。書き込み用磁気ヘッドの幅がトラックの幅より広いため、ある1本のトラックのセクタを上書きしたい場合であっても、複数のトラックにまたがってデータを書き換えてしまう事に起因する[2]

更新を可能にするために、ドライブマネージド型のドライブではキャッシュを利用するが、キャッシュのクリア作業が予期せぬタイミングで起こる等の理由で、書き込み速度が大幅に低下する事が知られており[6][7]、性能面で完全な解決には至っていない。そもそもシーケンシャルな書き込みしか受け付けず、ランダム書き込みにはエラーをホスト(OS)に返すホストマネージド型の仕様も策定されつつある。

システム用途やデータベース用途などのランダムアクセス書き込みが多い用途には不向きである。なお、パーティションに置かれるファイルシステムのインデックスも一般にはデータベースの一種である。

読み取り性能はシーケンシャル・ランダムアクセス共に通常のハードディスクと同等の性能が期待できる。

分類[編集]

ホストコンピュータに対して、SMRドライブをどのように見せるかで分類が分かれ、それぞれ仕様が策定されている。

後述のドライブマネージド・ホストマネージドに共通の、SMRドライブに本質的な仕様として、SMR領域のあるトラックを上書きする場合、後続のトラックも上書きされるため、続いて書き直す必要がある[注 1]。もしSMR領域の全てのトラックが瓦のように重なっていると、結果的にドライブの最後のトラックまで書き直さねばならず、非現実的である。そのため、SMR領域のトラックを複数本まとめて「バンド」と呼ばれる領域に区切り[8]、バンドの最後のトラックのみは幅広くても良い事を許可することで、再書き込みを実現可能としている。

ドライブマネージド[編集]

ホストはSMRドライブを従来のドライブと同様に扱える[9]。SMR特有の処理はドライブ内部で処理されるため、既存のソフトウエア資産を変更すること無く利用できる利点がある。

前述のデータ更新に関する問題を解決するために、ディスク上に専用のキャッシュ領域を設ける。この領域では重ね書きが行われず従来通りの記録方式となり、トラック幅はSMR領域よりも広い(=記録密度は低い)。書き込まれるデータは、一旦キャッシュに保存され、その後、一括してSMR領域へ保存される[10]。また、SMR領域にしかないデータの更新作業は、1. 上書きしたいデータ全体を読み出し、2. キャッシュ領域へ書き出し、3. キャッシュ領域のデータを更新、4. 元のSMR領域に書き直すという煩雑な手順が必要となるものの、作業自体は可能である[11][12]。キャッシュからSMR領域への反映は、ホストからの書き込み/読み込み命令とは非同期に自動で行われる[8]

キャッシュのクリア[注 2] はドライブ内で全て処理するため、ホストの書き込み/読み込み命令と何ら関係のないタイミングで起こり、前述のような大幅な性能劣化が起こる可能性がある。シーケンシャル書き込みに特化してるとは言っても、キャッシュの容量を超える連続した書き込み要求があると、キャッシュからSMR領域への転送を待たねばならないため、前述のような大幅な性能低下が起こる[6][7]

ドライブマネージドのSMRドライブの書き込み性能は、連続書き込み量とキャッシュ領域の容量との関係によって、またキャッシュからSMR領域へのランダム書き込み反映の性能については前述の「バンド」のサイズに左右される。書き込みが連続、高密度かつ大量に発生するようなシーケンシャルバックアップ用途には向かない[13]

ホストマネージド[編集]

ホストがSMRドライブに適した命令を送る事が前提とされる[9]。既存のファイルシステムアプリケーションOS)の変更が必要という問題があるものの、ドライブマネージド型の抱える性能面での課題を解決する。

このタイプでは、シーケンシャル・ライト・オンリー・ゾーンが仕様上必須である[8]。ホストはシーケンシャルな書き込み要求のみをここに書き込む事が許され、それ以外の要求はドライブがエラーを返す[14]。ランダム書き込み要求も考慮して、通常の記録方式が用いられるゾーン ( Conventional Zone ) もオプションで設けてもよい。

これら制御を可能にするコマンドは、情報技術規格国際委員会 ( INCITS ) のT10及びT13委員会が策定している[8]SCSIに対してはZBC (Zoned Block Commands)というコマンド群が、SATAに対してはZAC (Zoned ATA Commands)がある。

2017年、HGSTはホストマネージ型のハードドライブのサンプル出荷を開始した[15]

出典[編集]

  1. ^ 次世代高密度ハードディスク開発における発想を転換したアプローチ (PDF)”. 2018年3月3日閲覧。
  2. ^ a b c Seagateのシングル磁気記録で容量の壁を超える”. Seagate. 2018年3月3日閲覧。
  3. ^ a b 10TBの大容量HDDを実現した「SMR技術」登場の背景”. PC Watch (2015年9月30日). 2018年3月3日閲覧。
  4. ^ 最近の磁気ディスクドライブに於ける高遅延特性の観測とデータベース処理性能への影響の考察 (PDF)”. 2018年3月3日閲覧。
  5. ^ Archive HDD (PDF)” (英語). Seagate. 2018年3月3日閲覧。
  6. ^ a b HGST shimmy shimmy shingles its way to a 10TB spinning rust drive” (英語). The Register (2015年6月9日). 2018年3月3日閲覧。
  7. ^ a b 株式会社インプレス (2016年2月29日). “最安の8TB HDD「ST8000AS0002」をテスト、SMR技術を再確認 ピーク性能は優秀、特性を理解した使い方がポイント text by 坂本はじめ” (日本語). AKIBA PC Hotline!. https://akiba-pc.watch.impress.co.jp/docs/mreview/rental/737407.html 2018年10月22日閲覧。 
  8. ^ a b c d SMR (Shingled Magnetic Recording) 101” (英語). Tom's IT Pro. 2018年3月3日閲覧。
  9. ^ a b “10TB時代”に向けた最新HDD技術「SMR」のポイントをSeagateに聞いてみた”. AKIBA PC Hotline! (2014年12月20日). 2018年3月3日閲覧。
  10. ^ “10TB時代”に向けた最新HDD技術「SMR」のポイントをSeagateに聞いてみた”. AKIBA PC Hotline! (2014年12月20日). 2018年3月3日閲覧。
  11. ^ SMR (Shingled Magnetic Recording) 101” (英語). Tom's IT Pro. 2018年3月3日閲覧。
  12. ^ 最近の磁気ディスクドライブに於ける高遅延特性の観測とデータベース処理性能への影響の考察”. 東京大学情報理工学系研究科. 2018年10月22日閲覧。
  13. ^ 株式会社インプレス (2014年12月20日). ““10TB時代”に向けた最新HDD技術「SMR」のポイントを Seagateに聞いてみた その特性やベンチマーク、そしてNAS向けHDDの新製品も… text by 平澤寿康” (日本語). AKIBA PC Hotline!. https://akiba-pc.watch.impress.co.jp/docs/sp/680650.html 2018年10月22日閲覧。 
  14. ^ Methods of SMR Data Management” (英語). StorageReview.com (2015年4月20日). 2018年3月3日閲覧。
  15. ^ HGST、ヘリウム+ホストマネージドSMRで世界初の容量14TBを実現したHDD”. PC Watch (2017年10月4日). 2018年3月3日閲覧。

注釈[編集]

  1. ^ さもなければ、後続トラックのデータは失われる。またSSDの問題(TRIM)と類似するが、ドライブ側はあるトラック(セクタ)にあるデータがOSによって有用な物であるかどうかは判断が難しい。
  2. ^ SSDと同様にキャッシュ領域上、またはSMR領域上の空きバンドのガベージコレクションが起こりうる。SSDと異なるのは、媒体の性質上、ブロックを消去せずに上書きできること(ただしバンド単位)だけである。

関連項目[編集]

外部リンク[編集]