Le SMR (Shingled Magnetic Recording) augmente la densité de stockage

Le monde produit et exploite toujours plus de données : appareils mobiles, streaming, travail sur le cloud ou sur des serveurs. La consommation de données par foyer atteindra bientôt un téraoctet par mois. Comment répondre à cette demande sans limite d’une plus grande capacité de stockage ? Le SMR pourrait bien être la solution. Que signifie le terme Shingled Magnetic Recording, comment fonctionne cette nouvelle technologie et quel volume permet-elle de gagner ?

On a longtemps estimé que, pour la première fois, avec une capacité de quatre téraoctets, les disques durs avaient atteint leur limite. Après ce volume, plus d’évolution possible. C’est alors qu’est arrivée la technologie Shingled Magnetic Recording (abrégée en SMR) qui permet d’atteindre un volume de huit téraoctet ; et sous une forme abordable. Le plus surprenant, avec les disques durs SMR, c’est leur nouvelle densité surfacique, qui offre plus de 25 % de volume de stockage supplémentaire pour un même volume physique.

Et qu’est-ce que le SMR ? Pour simplifier, le Shingled Magnetic Recording, ou enregistrement magnétique à bardeaux, est une technologie de disque dur qui diminue davantage encore l’espace entre les pistes. Le terme anglais « shingle » signifie « bardeaux » et donne ainsi une bonne représentation du fonctionnement de l’ensemble. En effet, les pistes d’un disque dur SMR sont, tout comme les bardeaux d’une toiture, superposées les unes sur les autres. Cette disposition permet d’inscrire plus de données dans un même espace. Les têtes de lecture d’un disque SMR sont nettement plus petites que l’unité d’écriture, ce qui permet de lire toutes les données même lorsque les pistes se chevauchent.

Cette technologie est encore nouvelle mais très prometteuse. Elle pourrait bien rapidement supplanter la norme actuelle, le Perpendicular Magnetic Recording (PMR). Cette technologie s’appuie sur des pistes parallèles et les pôles de ses éléments magnétiques (qui représentent les données) sont orientés à la verticale par rapport à la surface des plateaux. Les pistes magnétiques sont inscrites côte-à-côte, sans se chevaucher. Quand on veut augmenter la capacité d’un disque PMR, il faut acheter davantage de surface. Un paramètre qui pèse lourd en faveur de l’enregistrement magnétique à bardeaux. Le SMR est une évolution du PMR et offre une densité surfacique améliorée. Sur le plan physique, le produit final est identique à un disque dur PMR habituel, mais renferme une capacité bien plus importante. Modifier l’architecture implique cependant une expérience utilisateur très différente avec un disque dur SMR.

Les disques durs SMR adoptent une autre approche pour dépasser les limites physiques des supports de stockage habituels. Tout commence avec la tête de lecture/écriture, qui est relativement large, en tout cas nettement plus large que les pistes. Elle inscrit ses pistes de données sous forme séquentielle. Ainsi, certaines parties des pistes sont inscrites et, comme les pistes se chevauchent, cela implique que, à chaque fois, des données soient inscrites sur la piste adjacente. En principe, cela devrait entraîner, à la modification du moindre octet, la réécriture de l’ensemble du disque dur SMR. Le traitement des données deviendrait ainsi très lent, au point de rendre le disque totalement inutilisable.

Pour éviter ce cas de figure, les pistes SMR sont rassemblées en bandes. Ainsi, le chevauchement des pistes et leur inscription sont limités à un nombre défini. Par ailleurs, chaque disque dur embarque une zone tampon interne pour stocker temporairement les données, ainsi qu’un cache. Les données sont d’abord enregistrées dans ces deux espaces de stockage temporaire, puis reportées au bon endroit sur les pistes dans un second temps. C’est la raison pour laquelle on entend souvent un disque dur SMR tourner bien longtemps après un processus d’écriture.

Le système utilise aussi un élément d’écriture très puissant, capable de créer des pistes très étroites, ce qui entraîne une plus grande densité de données. Ainsi, la technologie SMR est toute indiquée pour inscrire des données en continu sur le disque dur au cours de longs processus d’écriture séquentielle.

Le Shingled Magnetic Recording présente un inconvénient majeur : comme il s’agit d’une technique très jeune, il n’est pas toujours clairement identifié sur les disques durs. Ainsi, on a souvent vu des disques durs recommandés pour les NAS s’appuyer en réalité sur l’enregistrement magnétique à bardeaux. En principe, un disque dur SMR pourrait également servir pour un NAS, mais dans un cadre de travail aux exigences changeantes, le système SMR, par sa conception, atteint vite ses limites.

Lorsqu’on utilise plusieurs types de disques durs, par exemple pour compléter un serveur SSD, il est préférable de ne pas associer PMR et SMR, les modèles de certains fabricants ont pu rencontrer des problèmes en termes de performance.

En théorie, on peut utiliser un disque dur SMR comme n’importe quel autre. Il est donc possible de les formater en FAT32 et de les faire tourner sous Windows. La vitesse de transmission des données est nettement plus variable que celle d’un disque dur PMR traditionnel, pour les raisons évoquées ci-dessus, tout du moins lorsque les accès en écriture ne sont pas réguliers. Si les processus appliqués au disque dur SMR suivent un motif linéaire, le système fonctionnera à vitesse équivalente. En lecture, il n’y a aucune différence notable. Même s’il se démarque d’autres technologies d’enregistrement plus connus, l’enregistrement magnétique à bardeaux ne peut pas mettre un terme à l’hégémonie des disques durs SSD sur le secteur des lecteurs de jeux ou de programmes. Cela étant, le SMR n’a pas été conçu pour se positionner sur ce marché.

La technologie SMR est optimale pour des systèmes qui écrivent des données en continu sur les disques durs. Ces processus d’écriture de données séquentiels et prolongés sont nécessaires pour les serveurs et les données de backup et d’archivage, comme par exemple pour constituer des archives sur le cloud ou des architectures en stockage objet.

Pour un usage privé, c’est-à-dire pour équiper un ordinateur particulier d’un disque dur volumineux, les disques SMR ne sont pas recommandés à cause de la chaleur qu’ils dégagent, du bruit qu’ils émettent et de leur consommation d’énergie élevée. Une conséquence de leur méthode de réorganisation évoquée plus tôt : les nouvelles données sont d’abord inscrites sur une zone vide du plateau tandis que, sur la piste d’origine, les anciennes données sont conservées temporairement. Lorsque le disque dur SMR n’est plus actif, les octets des anciennes données sont remplacés par les nouveaux. C’est pourquoi le disque à enregistrement magnétique à bardeaux a besoin de périodes d’inactivité. Ces disques durs peuvent devenir nettement plus lents lorsqu’ils doivent inscrire des données sans interruption pendant une longue période, à des emplacements répartis au hasard, ce qu’on appelle aussi le « Random Write ».

Les fabricants de disques durs SMR souhaitent résoudre ce problème avec un firmware. Pourtant, pour les particuliers et dans le cadre d’une utilisation normale, les disques durs SSD restent le meilleur choix, surtout depuis que leurs coûts de fabrication ne cessent de baisser.

À l’inverse, pour les personnes cherchant à archiver des données sur leur serveur, les disques durs SMR représentent une solution compacte (au niveau du matériel), économique et fiable.