PMR, CMR y SMR: Qué es y como escribe los datos tu disco duro

La capacidad de almacenamiento y velocidad de los discos duros ha estado siempre ligada a las posibilidades de un equipo, sobre todo de consumo general. Tecnologías de escritura como PMR, CMR y SMR han sido el detonante de la reducción del coste por GB de almacenamiento y de tener discos duros con cada vez mayor capacidad.

Estas tecnologías pertenecen solamente al ámbito de los HDD o discos duros mecánicos, ya que los SSD se basan en chips de memoria sólidos y su funcionamiento es totalmente diferentes. En el modo de escritura de ellos está el hecho de que todavía a día de hoy sean parte fundamental de nuestro equipo, aunque sea para guardar archivos, ya que son mucho más baratos que un SSD, aunque también mucho más lentos.

Cómo funciona un HDD, componentes y platos

Antes de conocer los métodos de escritura de los discos duros, nos parece útil hacer un repaso de cómo funciona un Hard Disk Drive, HDD o Disco mecánico para los amigos. Especialmente en el apartado de la estructura de los platos, que es en donde PMR, CMR y SMR tiene su razón de ser.

Estas unidades se distinguen a simple vista por ser elementos rectangulares bastante pesados y de un considerable tamaño. Los formatos que se manejan actualmente son los de 3,5 pulgadas para equipos de escritorio y 2,5 pulgadas para portátiles, todos ellos utilizando interfaz SATA y llegando a los 180-220 MB/s en transferencia de datos. Quizás te parezca mucho, pero los SSD son capaces de llegar mínimo a 550 MB/s SATA, 3500 MB/s PCIe 3.0 y 5000 MB/s PCIe 5.0, ahí es nada.

El funcionamiento de un HDD se basa en la grabación de datos sobre platos cilíndricos similares a un CD-ROM pero utilizando el magnetismo para fijar los datos en cada una de las celdas. Para ello se utilizan una serie de elementos mecánicos denominados cabezales que se moverán a través del plato, uno para grabar y otro leer los datos por ambas caras del disco, ambos en la misma punta. Los elementos físicos más importante serán tres:

• Platos: son los elementos en donde se graba la información de forma magnética. Las celdas de memoria son elementos imantados con polo positivo y negativo como cualquier otro imán y que según la carga que tenga, representará un 1 o un 0. Cada plato es grabable por sus dos caras, y en los HDD actuales de 16 TB es posible encontrar hasta 7 platos.
• Motor: para poder grabar y leer la información los platos deben estar en continuo giro, y para ello se utiliza un motor brushless. Este contiene los platos en un eje común con versiones de 5400 RPM, 7200 RPM y hasta 12000 RPM. Mientras más revoluciones mayor velocidad de lectura/escritura, pero mayor será la tasa de fallos en operaciones.
• Cabezal de lectura y escritura: el cabezal es el otro elemento magnético que se encarga de polarizar las celdas de memoria para escribir y leer los datos. Existe una por cada cara del plato y es capaz de posicionarse en cada pista mediante un electroimán muy rápido. Estos cabezales no están en contacto con el plato, realmente se separan de ellos unas micras de distancia. Por este motivo los discos duros no se desgastan ni las celdas se degradan.

Estructura física del contenido de un disco duro

Los platos de un disco duro a su vez están divididos de forma lógica y física en distintas partes para poder direccionar la información que hay en su interior. Especialmente importante de cara al método de escritura serán las pistas:

• Pistas o track: las pisas son anillos concéntricos en los que están divididas las caras de cada plato. Estás se distribuyen desde el interior al exterior de cada cara para almacenar la información.
• Cilindros: lo forman todas las circunferencias que están alineadas en forma vertical en cada uno de los platos y caras. Al estar los platos apilados unos sobre otro, estas pisas formaría un cilindro imaginario, en el que se escribe la información simultáneamente.
• Sectores: es una división en trozos de arco de las pistas para así direccionar y buscar los datos físicamente en la unidad. El número de sectores variará en función del tamaño de la pista, ya que mientras más exterior sea, más longitud tendrá.

Han existido dos métodos de direccionamiento para grabar la información en los HDD. Un sistema de direccionamiento permite situar el cabezal lector en donde se encuentra la información.

• CHS (anterior): en español sería Cilindro-Cabeza-Sector, un sistema de direccionamiento para ubicar el cabezal según una especie de coordenada en el plato. Era poco eficiente al usar direcciones muy largas.
• LBA (actual): Direccionamiento Lógico en Bloques, un método que divide el disco en sectores con asignación de un número único en cada uno de ellos.

Sin más, veamos ya en qué consisten los métodos de grabación de información en los discos duros y cuáles son sus diferencias y fundamento.

Método de escritura de los discos duros

Antes de ver los métodos actuales PMR, CMR y SMR es interesante ver cuál era el que se empezó a utilizar en un principio para las unidades de almacenamiento mecánicas y la razón de su descarte frente a los nuevos métodos.

La grabación analógica fue el primer método utilizado para la grabación de datos en unidades basadas en estados magnéticos, evolucionando posteriormente a la grabación digital.

Entendamos a partir de ahora que cada imán, celda o elemento magnetizable constituye un bit de información

Para ver la diferencia entre estos dos métodos, debemos saber que la grabación analógica utiliza la magnetización remanente que depende de la magnitud del campo magnético aplicado. Esto se hacía mediante una cinta magnetizada a velocidad constante incrustando partículas magnéticas en distintas cantidades para reproducir la señal original. Estas partículas normalmente eran óxido férrico, cobalto o dióxido de cromo. Fue muy utilizando en cintas de cassette y vinilos para música.

La evolución a la grabación digital simplificó mucho este proceso al solo basarse en los estados magnéticos estables positivo y negativo +/- en un bucle de histéresis. Aplicando una pequeña señal eléctrica permite modificar la polaridad de la celda de memoria positivo o negativo, que significaría 0 o 1 en formato binario con el que trabajan los equipos informáticos actuales. La grabación digital se utiliza en los discos duros actuales y en los discos CD-ROM, DVD-ROM, etc, mediante el método magneto-óptico.

Métodos de escritura LMR, PMR, CMR y SMR

Centrándonos en las unidades de almacenamiento HDD, serán cuatro los métodos de grabación más utilizado hasta la fecha LMR, PMR, CMR y SMR, así que veamos en qué consiste cada uno de ellos.

LMR

LMR significa Longitudinal Magnetic Recording y consiste en la grabación de datos mediante la magnetización de un elemento mediante un patrón longitudinal. En este método, el sistema de lectura/escritura aplicaba un campo magnético sobre una película magnetizable para alinear cada uno de estos pequeños imanes (bits de información) de forma horizontal y así grabar el dato en cuestión.

Este método planteaba algunos inconvenientes de cara a su uso para sistemas de almacenamiento de alta densidad. El primero de ellos era que los imanes adyacentes alineados eran invariablemente repulsivos, lo que significa que aparecían fuerzas repulsivas en aquellos bits orientados con polos adyacentes. De hecho, en ellos aparecía un fenómeno en forma de rotación de magnetización que impedía disminuir el tamaño de cada una de estas celdas de información, provocando un estado de almacenamiento inestable.

Otro de los inconvenientes que aparecían era precisamente el amplio espacio que ocupaba en superficie cada uno de estos, ya que al ser elementos alineados de forma longitudinal la densidad de información se limitaba considerablemente.

En consecuencia, apareció el método de grabación perpendicular, el que actualmente se utiliza y que deriva en varios métodos o tipos.

PMR

En respuesta a LMR aparece el método PMR o Perpendicular Magnetic Recording. Esta nueva técnica de grabado alinea los bits de información no de forma longitudinal, sino de forma perpendicular a la superficie. De esa forma cada bit de información ocupará un menor espacio en la pista de grabación a cambio de tener un mayor grosor. La densidad de almacenamiento aumentó más del triple con respecto al método anterior.

Este método lo puso en funcionamiento desde 2005 la marca Toshiba a través de un reproductor de música con un disco que utilizaba este método. Posteriormente sería Seagate Technologies el que empezó a comercializar discos duros basados en la grabación perpendicular. Aunque el método de grabación perpendicular tuvo su origen con el ingeniero Shun-ichi Iwasaki en 1976.

Una ventaja técnica frente a LMR es que los imanes adyacentes ahora ejercen fuerzas atractivas entre ellos en lugar de repulsivas al colocarse los polos de forma alternativa, siendo por tanto en método que mayor estabilidad. El cabezal que se encarga de grabar el dato (orientar el imán) en el disco requiere un elemento extra para mantener esta orientación de forma vertical de los bits de información. Este flujo magnético requiere una capa extra para viajar entre la cabeza y el monopolo auxiliar que fijarán la orientación.

Pero esta tecnología PMR no solamente añadía el método de grabación perpendicular, ya que también se ha incluido en ella directa o indirectamente el diseño de las pistas de datos. En un disco duro, el cabezal de escritura es de mayor tamaño que el de lectura y de mayor tamaño que la propia pista de datos.

En el método PMR, las pistas magnéticas están colocadas en el plato unas junto a otras sin superponerse. De hecho, existe una separación entre unas y otras a modo de aislamiento para que, en su paso, el cabezal no sobrescriba la información de pistas colindantes.

En este método podemos considerar como ventaja que en el modo escritura todas las pistas se grabarán de forma correcta y sin influir en las pistas que tengan a su lado. Pero, por el contrario, estamos perdiendo parte de espacio en la unidad al tener menos pistas en ella. Por ello los fabricantes que utilizan este método han intentado llevar el tamaño del cabezal de escritura al mínimo posible y así disminuir la anchura de las pistas.

CMR: evolución o estandarización del PMR

CMR es una variante del método de grabación perpendicular que significa Conventional Magnetic Recording en la que el fundamento de operación es exactamente el mismo.

La diferencia que introdujeron los fabricantes para ella es la apuesta por disminuir cada vez más el tamaño del cabezal de escritura, para así aumentar la densidad de pistas de información sobre el plato.

Con el tiempo, PMR ha pasado a conocerse también por CMR por ser efectivamente el método de escritura convencional en las unidades actuales. Ambos métodos se pueden considerar como uno solo, evolución uno del otro, por lo que no debemos caer en el error de confundirlo con el siguiente, que sí es algo distinto.

SMR

Este método de Shingled Magnetic Recording o grabación magnética por estratos no debemos confundirlo con los dos anteriores a pesar de que también se basa en la magnetización perpendicular de celdas de información.

Esta sí podemos considerarla una extensión de CMR y PMR para incrementar la densidad de información que se puede grabar en una unidad de almacenamiento. SMR va un poco más allá de CMR, y se trata de eliminar el espacio vacío existente entre pistas y colocarlas unas pegadas a otras, más bien superpuestas, aun siendo el cabezal de mayor tamaño a ellas.

¿Entonces, los datos no se sobrescribirán en las pistas contiguas? Efectivamente los discos SMR pueden tener pistas de datos parcialmente sobrescritas. Esto será posible siempre que se realice una primera escritura de datos secuencial, pudiendo añadir la siguiente superpuesta como parte de la anterior para así aumentar el área.

Esta ingeniosa técnica se aprovecha de que el cabezal de lectura es más estrecho que el de escritura y así es capaz de leer los datos de una pista superpuesta solamente centrándose en la región visible en lugar de hacerlo en la anchura tota de la misma.

El problema que aparece con esta técnica de grabación de datos es que solamente funcionará correctamente cuando en ellas se graven datos nuevos y de forma secuencial. Por el contrario, cuando pretendemos editar la información o sobrescribirla, el cabezal de escritura no grabará los datos directamente en la pista existente para evitar daños en la pista adyacente superpuesta. En consecuencia, la pista en donde estaban los datos antiguos quedará invariante de forma temporal.

Será en los períodos de inactividad de la unidad cuando este lleve a cabo una reorganización de los datos para borrar la pista con datos antiguos y dejarla libre para nueva escritura. En estas unidades SMR los tiempos de inactividad serán fundamentales para la adecuación de pistas para nuevos datos, y si no es posible llevarlo a cabo, necesitará reorganizar datos a la vez que escritura o lee otros datos. En estos casos el rendimiento de la unidad decaería de forma considerable.

Claro que los fabricantes de este tipo de unidades HDD tienen sus propios algoritmos para realizar esta reorganización de datos en períodos de baja actividad, uno de ellos es famoso TRIM que incluye Windows. En cualquier caso, una unidad SMR frente a una PMR puede disminuir el rendimiento de unos 220 MB/s a solo 150 MB/s teóricos, datos que podrían ser peores en la realidad.

Influencia de PMR, CMR y SMR en RAID

Para el uso de configuraciones RAID siempre se ha recomendado utilizar unidades de la misma marca, modelo y capacidad de almacenamiento. Esto se deberá en parte al método de escritura de datos, ya que como hemos visto PMR tiene un funcionamiento distinto a SMR, y la coexistencia de unidades de ambos tipos podría afectar negativamente a la velocidad e integridad de datos.

Es mucho más recomendable utilizar para este tipo de configuraciones, sobre todo para RAID 0 unidades PMR/CMR, ya que evitaremos un gran problema como son los fallos de reconstrucción de RAID. Los HDD SMR, al tener pistas superpuestas plantean bastantes problemas a la hora de reconstruir RAID, ya que surgen problemas de paridad de datos, por ejemplo, en RAID 5 o RAID anidados y pueden provocar pérdidas de datos.

De igual forma se plantean problemas en cuanto a la velocidad de grabación y lectura de los datos en sistemas que funcionen 24/7. Ya se ha mencionado la necesidad de adecuar las pistas de datos antiguas para nuevo uso en períodos de baja actividad.

Cómo saber qué tipo de disco duro tengo

Hace un tiempo publicamos una noticia que nos llegó por parte de Western Digital, la cual menciona que este fabricante puede dejar de distinguir entre unidades PMR y SMR.

Hasta ahora un método efectivo para realizar esta distinción era simplemente ver el número de serie de las unidades y buscarla en listas de Reddit u otros medios.  Sin duda estas son malas noticias para los usuarios, ya que las unidades SMR no son tan apreciadas como las PMR por sus problemas de rendimiento y fiabilidad.

Otra forma de poder verificar si una unidad es PMR o SMR es conociendo si soporta el comando TRIM o no. TRIM es precisamente un algoritmo para eliminar y reciclar bloques de datos. Esto podemos verificarlo en las especificaciones del producto o a través de un comando en Linux:

hdparm -I /dev/sda<numero> | grep TRIM

En donde sda<numero> será el volumen en donde hayamos montado la unidad, siendo 0, 1, 2 etc.

Para saber qué unidades tenemos montadas o disponibles en nuestro equipo podremos utilizar alguno de estos comandos (Linux):

sfdisk

cfdisk

fdisk

Finalmente, otro posible indicador de que estamos ante una unidad SMR es que estas cuentan con mayor capacidad de memoria caché. Esta memoria se usa como buffer para almacenar temporalmente información que vaya a ser escrita o leída en caso de que la unidad necesite más tiempo para reorganizar datos. Aunque tanto unidades de gran capacidad como 12, 14 o 16 TB SMR o PMR utilizan grandes cachés de hasta 256 y 512 MB en la actualidad.

Conclusiones

Ya hemos visto los distintos métodos de escritura PMR, CMR y SMR en las unidades actuales. Con lo explicado, podemos resumirlo en los métodos PMR y SMR, ya que CMR es un derivado del primer caso.

Cada uno de ellos cuenta con sus ventajas y desventajas, aunque en la comunidad y profesionales es mucho más preferible adquirir unidades PMR, sobre todo de cara a volúmenes RAID y alto rendimiento.

No obstante parte de esto ha quedado en segundo lugar de cara a unidades de consumo general, ya que con la llegada de los discos en estado sólido como almacenamiento principal, los HDD ha quedado para uso de almacenamiento de datos masivo. Estas unidades utilizan chips de memoria con puertas NAND para almacenar la información y acceder a ella muchísimo más rápido y sin usar magnetismo ni elementos mecánicos.

Aún para volúmenes RAID se siguen utilizando unidades HDD por su bajo coste por GB de almacenamiento, unos 0,035 euros por GB, mientras que los SSD rondan los 0,168 céntimos en las versiones más ajustadas en precio.

Finalmente, veamos un resumen de ventajas y desventajas de las unidades PMR frente a las SMR de cara al usuario.

Sin más te dejamos ahora con unos cuantos tutoriales extra por si quieres saber más acerca de los discos duros.

¿Qué tipo de disco duro tienes tú? ¿Crees que los HDD terminarán por desaparecer pronto?