Tecnologías grabación disco duro mecánico HDD: diferencias entre CMR, PMR y SMR

Los discos duros mecánicos HDD llevan muchos años entre nosotros, sin embargo, las tecnologías que utilizan han ido evolucionando a lo largo del tiempo. A continuación, vamos a ver las tecnologías más habituales y las ventajas e inconvenientes que tienen unas y otras.

 Tecnologías para escribir los datos en un disco duro HDD mecánico

Los discos con CMR / PMR son más rápidos y fiables que los fabricados con SMR.  La tecnología SMR favorece al fabricante porque es capaz de introducir la misma cantidad de datos que con CMR a un coste menor.

Hasta la salida de SMR y PMR la grabación de los datos se hacía de forma consecutiva en los platos, bit a bit.  SMR ya supuso con su introducción en 2014 una mejora del 25% en la capacidad de los discos duros

• HAMR (Heat-assisted magnetic recording)  (grabación magnética asistida por calor) 
• PMR (Perpendicular magnetic recording) 
• SMR (Shingled magnetic recording)
• CMR (Conventional Magnetic Recording)

La tecnología SMR vs CMR

• SMR: la tecnología que logró un aumento de la densidad del área

La tecnología SMR llegó para volver a marcar terreno a los SSD y su aumento de capacidad

La tecnología SMR no fue la única que los fabricantes implementaron en su momento para lograr una mayor capacidad general en sus HDD, por ello, normalmente al hablar de SMR se suele hablar de PMR al mismo tiempo, ya que son contemporáneas.

En cualquier caso, SMR es el acrónimo de Shingled Magnetic Recording y es una tecnología que ha permitido aumentar la cantidad de bits de información que se pueden registrar en un área específica de un disco duro magnético. Evidentemente, cuanto más bits de información se puedan almacenar en un sector, más grande será la capacidad del HDD.

SMR es casi una extensión de PMR, ya que no se entienden una sin la otra. PMR logró algo muy importante: reducir el límite físico del cabezal del HDD a la hora de escribir o leer. Esto lograba escribir más bits en el mismo espacio, lo cual fue un alivio para el sector de discos duros, pero no era suficiente.

La tecnología SMR va un paso más allá y logró algo hasta ahora no concebido: permitir que una pista magnética se superponga a una parte de la previamente escrita en orden para aumentar la densidad del área. Lo que se consigue es que sea posible que el cabezal de lectura pueda obtener los datos escritos de la parte descubierta de las pistas magnéticas.

Los problemas de la tecnología SMR

Mucho se ha hablado de que fabricantes como WD, Toshiba o Seagate han utilizado esta tecnología en muchos de sus discos duros sin avisar previamente al usuario, dando como resultado un descontento general tanto por el «engaño» como por las consecuencias que trae consigo.

Un disco con esta tecnología es sustancialmente más lento que uno CRM, y además necesita «periodos de reposo» para poder escribir los índices. 

Además de eso, se ha reportado que dan problemas cuando se utilizan en entornos NAS con RAID, provocando que falle una reconstrucción de RAID por incoherencia de datos y haciendo que se pierdan los datos contenidos. Por lo tanto, aunque estos discos duros tienen bastantes ventajas, es recomendable utilizarlos solo cuando no vayan a ser sometidos a cargas intensas de trabajo, ni se vayan a utilizar en entornos RAID.

Cómo funcionan los discos duros

Los discos duros almacenan información polarizando pequeños imanes o celdas. Como sabrás, todos los imanes tienen un polo Norte y un polo Sur. El cabezal de escritura de un HDD coloca esos pequeños imanes para reflejar el código binario. Por ejemplo, un imán norte-sur podría significar 1 y un imán sur-norte significa 0.

Dicho esto, existen diferentes técnicas con las que podemos orientar dichos imanes.

LMR

Los primeros discos duros usaban una grabación magnética longitudinal (Longitudinal Magnetic Recording o LMR). Esto quiere decir que los imanes se colocaban de manera plana sobre los discos del HDD.

PMR

Colocar los imanes de manera plana ocupa mucha superficie en los discos y poco después se colocó los imanes de manera vertical o perpendicular al disco. De esta manera surgieron los discos PMR o Perpendicular Magnetic Recording.

Lógicamente esto mejoró mucho la densidad de almacenamiento, sin embargo, provocó un problema. Como se puede ver en la imagen de arriba, el cabezal de escritura usa un campo magnético que afecta a más de una pista del disco. Y para solucionar este problema existen dos métodos diferentes de discos PMR:

CMR

Los primeros discos PMR convencionales tenían un espacio de protección entre las pistas para evitar que se sobrescribieran las pistas adyacentes. Estos discos PMR pasaron a llamarse CMR (Conventional Magnetic Recording) cuando se inventaron los discos SMR (Shingled Magnetic Recording).

Por tanto, CMR es lo mismo que PMR

 A diferencia de los discos CMR, los discos SMR (Shingled Magnetic Recording o grabación magnética por estratos) no tienen espacio de protección. Como el cabezal de escritura es más ancho que una sola pista, significa que cuando se escriben datos en un disco duro SMR, los datos deben escribirse de forma secuencial para que el cabezal de escritura no destruya los datos de las pistas que se superponen.

Por supuesto, muchos sistemas operativos y de archivos no están acostumbrados a estar restringidos a escribir secuencialmente en los discos duros. Como resultado, es necesario crear una capa de gestión o de traducción para tomar las escrituras aleatorias y convertirlas en escrituras secuenciales.

Esto supone que un aumento de capacidad, pero una disminución de rendimiento de unos 220 MB/s (CMR) a menos de 150 MB/s (SMR).

Qué discos duros elegir

• Como ya hemos visto, los discos duros SMR son más lentos que las variantes CMR similares.
• Además, muchos fabricantes de NAS recomiendan huir de los discos SMR por su menor integridad de datos. Al tener pistas superpuestas plantean bastantes problemas a la hora de reconstruir sistemas RAID, ya que surgen problemas de paridad de datos que pueden provocar pérdidas de datos.
• Como punto positivo, los discos SMR pueden tener mayor capacidad

Conclusiones

• A día de hoy todos los discos duros del mercado funcionan con la tecnología de grabación perpendicular PMR.
• La tecnología PMR tradicional (con un espacio de seguridad entre pistas) pasó a llamarse CMR.
• La tecnología SMR no cuenta con el espacio de seguridad entre pistas, por lo que tiene mayor densidad de datos, pero tiene un menor rendimiento y su uso en NAS está desaconsejado.

Desktop - Escritorio (PC/MAC)

Caviar

• Green  - Bajo Consumo - Sin tanto rendimiento (más lento), menos temperatura y más silencioso. 5400 rpm. 3 años garantía
• Blue - Mejor relación consumo/rendimiento, una mezcla de Green/Black. Consumo y ruido intermedio. 3 años garantía
• Black - Máximo rendimiento -  un poco más de temperatura, y ruido. 7200 rpm. 5 años garantía
• Scorpio (portátiles)
• WD Purple – 5.400rpm Discos duros optimizados y pensados para monitorización y vigilancia (videovigilancia, cámaras de grabación continua, funcionamiento 24×7.). Gran esperanza de vida y un funcionamiento 24 x 7, pero a diferencia de los WD Red, los Purple están optimizados para manejar archivos de gran tamaño, concretamente vídeos

Nas

•  Red - Entornos NAS (larga duración) 5.400rpm - Soporta RAID 0,1,5 (MTBF) de 1 millón de horas. 3 años de garantía. Están diseñados para estar funcionando 24 x 7. Son bastante silenciosos y tienen bajo consumo.
• WD Red Pro - Igual que los Red pero funcionan a 7.200rpm  - 5 años de garantía

 Enterprise - Uso empresarial - profesional - Datacenter

• WD Gold – Discos de altas prestaciones para centro de datos. Para servidores de alta disponibilidad. MTBF de 2,5 millones de horas.
• RE (Raid Edition RE2/RE3/RE4 (Enterprise) MTBF hasta 2 millones horas - 5 años de garantía
• SE Almacenamiento de gran capacidad y rendimiento optimizado para las aplicaciones de intensidad media.
• AE El disco duro de máxima capacidad y eficiencia energética para el almacenamiento en frío.
• Velociraptor - Alto rendimiento - 10.000 rpm. 5 años garantía

En resumen

• WD Blue: uso diario
• WD Green: capacidad 
• WD Black: rendimiento
• WD Red: NAS y servidores caseros
• WD Purple: vídeo y sistemas de videovigilancia
• WD Gold: centros de datos

Los discos duros de WD, Toshiba y Seagate utilizan tecnología SMR sin que hayan informado de ello, ahora WD ha salido a la palestra y por fin ha publicado un listado que define qué tecnología utiliza cada uno de sus discos duros:

Formato	Capacidad	WD Red	WD Red Pro	WD Blue	WD Black	WD Purple
3.5"	1TB o menos	CMR	CMR	CMR	CMR	CMR
3.5"	2TB - 6TB	SMR	CMR	SMR/CMR	CMR	CMR
3.5"	8TB o más	CMR	CMR	-	-	CMR
2.5"	500GB o menos	-	-	CMR	CMR	-
2.5"	1TB	CMR	-	SMR	SMR	-
2.5"	2TB	-	-	SMR	-	-

Si tienes un disco SMR debes dejarlo "descansar"

Conviene evitar las unidades que utilizan la tecnología SMR (Shingled Magnetic Recording) en un entorno NAS. Desafortunadamente, en el pasado la tecnología de grabación no siempre aparecía en la hoja de datos.

WD incluso llegó a vender unidades SMR en su línea “WD Red”, sin comunicar este hecho. Synology ha listado esos discos (discos WD Red de 2-6TB con un número de producto que termina en “EFAX”) como incompatibles y por lo tanto es mejor evitarlos. El junio de 2020 WD anunció la creación de una nueva línea “Red Plus” que será la única con disco con funcionamiento SMR. Sin embargo, pasará un tiempo antes de que eso se actualice en todos los productos de las tiendas, así que te recomiendo que compruebes las especificaciones de los discos Red de WD para ver que funcionan mediante CMR (Conventional Magnetic Recording) y no SMR.ref

Buenas marcas y series discos  duros para NAS

• Seagate modelos de las series Ironwolf y Ironwolf Pro
• Western Digital (WD) modelos de las series Red Plus y Red Pro. Como acabamos de ver, debemos evitar los discos con grabación SMR
• Toshiba modelos de la serie N300

Nuevas tecnologías 

HAMR - Heat Assisted Magnetic Recording (grabación magnética asistida por calor)

¿Cómo funciona la tecnología HAMR? 

Para aumentar la capacidad de las unidades de disco duro, los ingenieros intentan encajar más bits o «granos» en cada plato del disco y así aumentan la densidad de bits amontonados en cada pulgada cuadrada del espacio de la superficie. Tener más bits en un disco significa que se pueden almacenar más datos.

• Cada bit se calienta y se enfría en un nanosegundo, por lo que el láser HAMR no impacta en absoluto en la temperatura de la unidad o en la temperatura, la estabilidad o la fiabilidad de los medios en general.

Pero cuando la densidad de bits se incrementa, los granos se juntan y quedan tan cerca que el magnetismo de cada grano puede afectar la dirección magnética de los granos que están cerca de él. La estabilidad de un grano a temperatura ambiente ("estabilidad térmica") se convierte en un problema; la única manera de solucionarlo es fabricar el plato del disco utilizando materiales nuevos que hagan que los granos sean más estables térmicamente, de tal manera que los estos no se influyan entre sí.

Heat-Assisted Magnetic Recording o grabación magnética termoasistida permite en cada disco usado que los bits de datos se vuelvan más pequeños y queden empaquetados de forma muy densa mientras se mantienen magnéticamente estables.

La palabra HAMR viene de las siglas en inglés de Heat Assisted Magnetic Recording, o grabación magnética asistida por calor, y como su nombre indica se basa en el antiguo principio de grabación magnética que se lleva utilizando desde los años 70 en los dispositivos de almacenamiento tal y como los conocemos, pero sin embargo ahora promete que se aumentará notablemente la cantidad de datos que pueden ser almacenados en un dispositivo magnético

HAMR vs MAMR vs TDMR

Es difícil datar cuál de las tres fue desarrollada antes, pero lo que sí sabemos es que al mercado llegó antes TDMR (Two Dimensional Magnetic Recording), básicamente porque es más sencilla de implementar y representó un salto leve pero necesario para mantener el ritmo de crecimiento.

NAMR (Microwave-Assisted Magnetic Recording) o grabación magnética asistida por microondas, es una técnica totalmente diferente a HAMR, y se basa en usar frecuencias de 20 a 40 GHz para bombardear el plato con un campo de microondas circular en una especie de vórtice diminuto que reduce la coercitividad y permite con ello la escritura del bit.

A priori MAMR tiene toda la ventaja frente a HAMR por su simplificación y compatibilidad con todas las partes que existen en los discos duros actuales, lo cual debe de repercutir en costos menores y con ello el precio por GB debería ser menor frente a HAMR.

 

Tecnología EAMR

• Grabación magnética asistida por energía

EAMR son las siglas de Energy Assisted Magnetic Recording (grabación magnética asistida por energía)