Поширення технології SMR у зберіганні даних: виклики та реалізації

20 апрель, 2026 - 14:24Володимир Грегуль

Кількість даних у світі продовжує зростати вибуховими темпами. За оцінками аналітиків, станом на початок 2026 року глобальний обсяг цифрових даних уже наблизився до 200 зетабайтів (ZB). Лише за останній рік до глобального «цифрового океану» було додано близько 30% нової інформації. Для порівняння: у 2018 році загальний обсяг цифрових даних уперше перевищив 33 ZB, а сьогодні такі обсяги проходять крізь дата-центри за лічені місяці.

Відео 4K і 8K із камер спостереження та смартфонів, дані з мільйонів сенсорів інтернету речей (IoT), історії месенджерів, електронні документи, хмарні резервні копії — усе це генерує дані цілодобово, без перерв. Додайте до цього нескінченний потік згенерованого відео із соціальних мереж: мільйони годин роликів про котиків, що співають і танцюють.

Ємності корпоративних сховищ пожирають не класичні бази даних чи сервери електронної пошти, а нові, надзвичайно «плодючі» сценарії: машинне навчання, генеративний ШІ, відеоспостереження в реальному часі, розумні міста, складські системи, геопросторовий аналіз. Лише для навчання сучасних нейронних мереж потрібно зберігати петабайти немодифікованих даних. Хмарний бекап стає стандартом не тільки для бізнес-користувачів, а й для звичайних споживачів.

 

 

 

 

Зі стрімким розширенням цифрового світу питанням номер один для хмарних провайдерів, дата-центрів і корпоративних ІТ стає не просто накопичення даних, а ефективність їх зберігання. Обмеження електроенергії, площі, реальні тарифи та адміністративний тиск щодо енергозбереження змушують шукати нові технології для підвищення щільності сховищ.

 

SMR: фізичне підґрунтя, переваги, «милиці»

Зберігання інформації — це не лише питання бюджету, а й постійна боротьба фізиків та інженерів із фундаментальними обмеженнями. Наприклад, щоб збільшити щільність запису на магнітних дисках, потрібно зменшувати розміри окремих «зерняток» — магнітних доменів, що зберігають біти. Але якщо зробити їх надто малими, вони втратять стійкість до теплових коливань і почнуть випадково «перевертатися». Дані перетворяться на шум.

Щоб обійти цю межу, інженери використовують матеріали з високою коерцитивністю (стійкістю до розмагнічування). Проте для їх запису потрібно створити значно сильніше магнітне поле. Тут виникає наступна проблема: записувальна головка не може бути надто вузькою, інакше її магнітне поле буде недостатнім для зміни стану високостійких доменів. Тому головки роблять ширшими — зі значною індукцією на рівні 1–2 тесла (для порівняння: магнітне поле Землі у мільйон разів слабше). Водночас зчитувальна головка може залишатися вузькою, адже їй потрібно лише «відчувати» поле, а не створювати його.

Коли інженери вперлися у фізичну стелю щільності запису, довелося вдаватися до хитрощів. Так з’явилася технологія SMR (Shingled Magnetic Recording) — черепичний магнітний запис. Її суть полягає в тому, що широка записувальна головка використовується для запису доріжок «внахлест», подібно до черепиці на даху. Водночас зчитувальна головка залишається вузькою.

Реалізовані в SMR інженерні «милиці» дозволили подолати фізичний ліміт щільності запису за рахунок певних компромісів — передусім зниження швидкості випадкового запису — але зі збереженням відносної простоти конструкції традиційних HDD.

Інженери постійно удосконалюють технології, одна з нових - HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording), де використовується локальний нагрів для підвищення щільності без втрати швидкості. Але це вже зовсім інша історія. HAMR не є окремою чи відмінною концепцією від SMR. Це нова технологія запису. Будуть диски на основі HAMR, і, як і сьогодні, диски HAMR можуть бути реалізовані як CMR або SMR. Диски HAMR SMR пропонуватимуть більшу ємність, ніж диски HAMR CMR.

У традиційному магнітному записі CMR (Conventional Magnetic Recording) дані організовані в окремі доріжки, між якими є вузький захисний проміжок (гард-бенд). Це забезпечує можливість довільного запису й перезапису в будь-який сектор без пошкодження сусідніх доріжок. Однак, оскільки записувальна головка ширша, доріжки також ширші, ніж це необхідно для зчитування.

У дисках SMR записувальна головка ширша за зчитувальну, і саме ця різниця дозволяє ущільнювати розміщення даних.

 

 

Виробники HDD мають різні технологічні пріоритети, однак наявні ознаки свідчать про активне зростання сегмента SMR. Зокрема, понад 50% сумарної ємності дисків, що постачаються компанією Western Digital, уже припадає на SMR-рішення, і очікується подальше збільшення цієї частки.

Водночас пряма заміна традиційних жорстких дисків із технологією CMR на SMR є неможливою без перегляду підходів до архітектури програмного забезпечення та організації процесів зберігання даних.

 

Боротьба з обмеженнями

Зворотним боком підвищення щільності зберігання в межах того самого фізичного простору є зниження продуктивності запису.

У традиційних HDD операції запису є максимально гнучкими: дані можна змінювати у довільному порядку, у будь-якому секторі та в будь-який момент. Протягом десятиліть файлові системи, операційні системи та прикладне програмне забезпечення формувалися саме навколо цієї моделі — довільного запису.

Технологія SMR змінює усталений порядок. Для зменшення накладних витрат на перезапис використовується зонування: диск поділяється на окремі області (зони), в межах яких допускається послідовний запис. Оновлення даних обмежується межами конкретної зони, однак навіть у цьому випадку операції виконуються повільніше, ніж у сценаріях випадкового запису в CMR.

Для забезпечення коректної роботи SMR-накопичувачі в корпоративних середовищах ідентифікуються як окремий тип пристроїв — зокрема, як host-managed SMR (HM-SMR), тобто зоновані блочні пристрої. Це сигнал для програмного стеку про необхідність дотримання спеціалізованих правил роботи.

Кожна зона має власний покажчик послідовного запису (sequential write pointer, SWP), який визначає допустиму позицію наступної операції запису. Спроба запису поза цією позицією буде відхилена. Зчитування також обмежене межами вже записаних даних.

Такі обмеження означають, що програмне забезпечення має враховувати нову модель доступу до даних на кількох рівнях — від файлових систем до прикладних сервісів — для забезпечення прийнятної продуктивності та передбачуваної поведінки системи.

 

Оцінки вигід

Одним із ключових показників для сучасних центрів обробки даних є сукупна вартість володіння (TCO) системами зберігання даних. Кожен жорсткий диск у дата-центрі споживає електроенергію. Кожен ват, який диск використовує і перетворює на тепло, потребує додаткового охолодження. Крім того, кожен HDD займає фізичний простір і окремий слот у шасі — своєрідний «податок на слот» — а також вимагає пропускної здатності порту адаптера хост-шини (HBA).

Під час розрахунку TCO для жорстких дисків зазвичай враховують такі показники, як вартість за терабайт ($/ТБ), споживана потужність на терабайт (Вт/ТБ), місткість на кубічний метр (ТБ/куб.м.), місткість на слот (ТБ/слот) тощо. Відповідно, збільшення ємності одного диска зазвичай дає змогу знизити сукупну вартість володіння.

Зональним зберіганням в жорстких дисках SMR дата-центрів керують хости (host-managed SMR). Хоча для повноцінного використання переваг HM-SMR потрібні певні зміни в програмному забезпеченні, загальні показники TCO завдяки зональним накопичувачам усе одно поліпшуються.

Завдяки технології UltraSMR компанія Western Digital змогла ще більше збільшити перевагу зональних жорстких дисків над CMR-моделями за ємністю. Попередні покоління SMR-дисків, доступні на ринку, давали приріст приблизно 11 %, або 2 ТБ на один диск, порівняно з CMR. UltraSMR збільшила цю перевагу до 18 %, або 4 ТБ на диск у межах того самого покоління HDD.

Якщо дивитися в розрізі технологічного розвитку, то раніше SMR фактично забезпечував перевагу приблизно на одне покоління дисків порівняно з CMR. Технологія UltraSMR подвоює цю різницю: тепер перевага сягає вже двох поколінь, перш ніж така сама ємність стане доступною в CMR-рішеннях.

Для великих замовників це означає, що з погляду TCO інвестиції в програмне забезпечення, необхідне для впровадження зонального зберігання, тепер виглядають значно більш виправданими.

 

 

 

Western Digital прогнозує сплеск попиту на диски SMR

Реакція масового ринку

Треба визнати: за відсутності зрілих програмних інструментів для роботи із зонованими блочними пристроями, а також через нецільове використання SMR без урахування їх специфіки, диски SMR зібрали на себе за останній десяток років купу негативу. Користувачі скаржилися на низьку продуктивність масивів дисків, видання рясніли заголовками на кшталт «CMR проти SMR: виводимо виробників HDD на чисту воду».

Основні чинники псування репутації SMR HDD:

• Обмеження продуктивності запису. Через перекриття доріжок оновлення навіть невеликого обсягу даних може вимагати перезапису значної частини зони, що призводить до різкого падіння швидкості після вичерпання кешу.
• Низька ефективність у RAID-конфігураціях. SMR-диски, як правило, погано підходять для масивів (особливо з файловими системами на кшталт ZFS), оскільки повільний запис може спричиняти розсинхронізацію під час відновлення (resilvering), що іноді триває днями або тижнями.
• Обмежена придатність для інтенсивних навантажень. Такі накопичувачі оптимізовані для сценаріїв із переважно послідовним записом і рідкісними оновленнями (cold storage). Використання у ролі системних дисків, у NAS або в активних середовищах призводить до прискореного зносу та деградації продуктивності.
• Недостатня прозорість маркування. У низці випадків виробники не забезпечували чіткої ідентифікації SMR-дисків, що призводило до їх використання в невідповідних сценаріях і, як наслідок, до негативного користувацького досвіду.

 

«Дружні» сценарії використання SMR

Наразі основними покупцями SMR HDD є гіперскейлери. Dropbox розміщує 90% свого сховища на SMR-дисках. Начебто це не справа споживачів, вникати в те, як у небожителів влаштоване резервування даних чи як функціонують об’єктні сховища. Завдяки контролю на рівні центру обробки даних, керованих хостами, негативні наслідкі невідчутні.

Після невдалих спроб необачного перенесення даних з CMR на SMR у власному господарстві більшість користувачів пристала на думку «гіперскейлери вже з цим розібралися, а всім іншим це не потрібно». Ця нишевість уявна. Все більше «звичайних» компаній починають тонути в даних. Вони потребують виправданої економії на носіях та намагатимуться знайти дискам SMR місце в серверній інфраструктурі. Є потреба в інтелектуальному програмному забезпеченні SMR.

Призначення SMR-дисків для послідовного запису даних обмежує спектр сумісних застосунків. Тому перший крок для будь-якого розробника – ретельно розібратися у шаблонах запису свого додатку: наскільки він гнучкий до роботи із лінійним записом, чи, можливо, його логіку потрібно (й можна) підлаштувати.

До SMR-«дружніх» відносяться програми, де дані зазвичай записуються по черзі та майже не потрібно змінювати збережену інформацію «за місцем». Наприклад, системи для архівування чи зберігання холодних даних за  сценарієм «записав і забув». Також підходять файлові системи, які зберігають дані за принципом «копіювання при запису» (COW): навіть якщо щось змінюється, нова версія потрапляє у нову ділянку диска, не торкаючись уже записаного.

Не рекомендується переносити на SMR-приводи сервіси, що змушують щоразу переписувати окремі сектори у довільному порядку. Серед таких – класичні масиви RAID із жорстко заданою схемою розміщення даних, бази даних з критичністю миттєвих оновлень та поширені файлові системи, які дозволяють переписувати файли поверх уже існуючих. Якщо додатку постійно потрібно змінювати фрагменти даних у різних місцях диска, він може помітно втратити у швидкодії.

Області доцільного використання SMR:

• AI/ML — навчальні датасети та Data Lake

Справжній «золотий фонд» даних для систем штучного інтелекту росте такими темпами, що місця не вистачає вже ніде. Величезні навчальні набори зображень, тексту, аудіо чи сенсорних даних записуються тисячами гігабайт один раз, а потім алгоритми знову й знову зчитують їх під час тренування чи перевірки моделей. Більше того, для великих data lake у сфері AI/ML часто потрібно «докидати» усе нові й нові порції сирих (raw) даних — і тут також не потрібні часті оновлення існуючих блоків, усе записується у вільні області накопичувача. Це ще одна причина, чому сучасні AI/ML-проекти вдало вписуються в парадигму SMR.

• Відеоспостереження та розумне відео

Відеореєстратори постійно пишуть масиви даних. Дані надходять великими порціями й майже завжди послідовно, «старі» записи з часом просто видаляються, звільняючи великі блоки під нове відео. Ніщо не заважає перезаписувати ці блоки так само лінійно. Ось чому системи CCTV чи відеоархіви сумісні з SMR.

• Архівне та холодне зберігання.

Звітність, документи, резервні копії, юридичні архіви — усе, що потрібно довго зберігати і до чого рідко звертаються, прекрасно співіснує із SMR-дисками: «записуємо один раз, зчитуємо багато разів» (WORM).

• Мережі доставки контенту (CDN) та кеші.

Сервери на  краю мережі (edge-) кешують популярний контент (відео, музику). Оновлення відбувається не часто, тому навіть якщо патерн даних не цілком послідовний, SMR-накопичувачі справляються з таким режимом: дані зникають і додаються великими порціями.

• Хмарні сервіси з версіонуванням, системи збереження історії.

Файлові сховища, резервне копіювання, системи електронного документообігу із збереженням історії змін – у таких системах навіть при редагуванні файл не оновлюється поверх старого, нова його версія пишеться окремо у нову область пам'яті. Саме це дозволяє максимально використовувати лінійний запис SMR-дисків.

А ще:

• Логи та телеметрія в IoT або промислових проектах
• Зберігання даних для Big Data-аналітики, де відбувається наростаючий, а не циклічний запис
• Дані тривалого зберігання медичних систем  (МРТ, томографія, геномні дані)

Також є окремий клас  «SMR-орієнтованих»  рішень, створюваних спеціально під обмеження черепичної геометрії. Тут програмісти самі керують послідовністю запису та управлінням зонами, контролюючи кожен етап роботи із даними. Це складніше на етапі розробки, зате дозволяє стабільно і максимально ефективно використовувати потенціал SMR-дисків.

 

Програмна підтримка SMR

Підтримка зонованих накопичувачів на рівні операційних систем залишається обмеженою. Як не дивно, Microsoft Windows досі «не здогадується», що таке справжній SMR-диск. Ефективне використання всіх можливостей HM-SMR сьогодні реально дозволяє лише Linux. Базова підтримка зонованих пристроїв була додана, починаючи з версії ядра 4.10, і надалі розширювалася, включно з інтеграцією на рівні файлових систем.

При виборі дистрибутива Linux слід переконатися, що в ядрі активовано підтримку Zoned Block Devices (ZBD). У разі її відсутності необхідна відповідна конфігурація та перекомпіляція ядра.

Для програм, які враховують обмеження SMR-дисків (SMR-орієнтованих), існує два основні підходи:

1. Прямий доступ
Програма сама керує записом даних на диск, минаючи файлову систему. Для цього використовуються спеціальні команди (наприклад, ZAC або ZBC) або стандартні функції Linux (read(), write(), ioctl). Додаток має самостійно визначати, куди записувати дані, збирати та очищати «сміття», а також відстежувати, які дані і де зберігаються. Цей підхід складний, але дає повний контроль над диском.

2. Використання zonefs
Zonefs — це проста файлова система, яка відображає кожну зону SMR-диска як окремий файл. У ці файли можна записувати лише послідовно; щоб видалити старі дані, файл «обнуляють». Програмі все ще потрібно дотримуватися правил SMR, але інтеграція через zonefs значно простіша.

Якщо програма поводиться «SMR-дружньо» — тобто більшість записів послідовні, а зміни не вносяться безпосередньо «на місці» — можна використовувати файлову систему btrfs (доступна в Linux із ядра 5.12). Вона сама керує розміщенням даних, тож програма працюватиме майже без змін. Проте варто пам’ятати: якщо диск майже повний або часто видаляються дані, швидкість запису може знижуватися через «очистку» і переміщення блоків, подібно до SSD.

Коротко:

• Хочете повний контроль — пишіть для прямого доступу або через zonefs.
• Маєте послідовний запис — використовуйте btrfs, система зробить усе сама.

 

Неминуче майбутнє

SMR-диски вже давно перестали бути «екзотикою для обраних». Гіперскейлери роками активно використовують їх у своїй інфраструктурі, оптимізуючи або створюючи нове програмне забезпечення під послідовний запис. Саме вони першими показали, що SMR дозволяє не лише «набити полиці» даними, а й значно знизити TCO та енергоспоживання при довготривалому масштабному зберіганні.

Часи змінюються: сучасні рішення на базі SMR-дисків стають доступними не тільки для гігантів, а й для організацій будь-якого масштабу.

Leil – компанія зі зберігання даних, яка розробляє програмне забезпечення для великомасштабної локальної інфраструктури. Її платформа забезпечує енергоефективне, економічно вигідне та масштабоване сховище на рівні гіпермасштабованого рішень: хмарне, корпоративне, резервне копіювання, відеоархіви. Продукт дозволяє організаціям керувати зростаючими обсягами даних без додаткової складності.

За оцінками Leil, розвиток індустрії жорстких дисків виглядатиме так:

• 2026–2027: SMR стає мейнстрімом для великих компаній і починає поширюватися на всіх інших. Очікується, що 40–50% нових дисків NearLine будуть SMR.
• 2028–2030: Диски ємністю 50 ТБ+ стають нормою. Якщо ви не записуєте послідовно, ви, ймовірно, переплачуєте за сховище.
• 2030–2035: Жорсткі диски з довільним доступом здебільшого використовуються для спеціальних випадків або в парі з SSD. Для всього іншого головним залишається послідовний доступ.

Більше не потрібно бути ІТ-гігантом, щоб скористатися перевагами щільного та економічного зберігання. Завдяки зрілій екосистемі відкритого ПЗ та розвитку комерційних рішень перехід на SMR стає дедалі простішим для тих, хто хоче зробити свою інфраструктуру масштабованою,  стійкою і конкурентоспроможною.

Словами технічного директора і співзасновника Leil, Девіда Герштейна: «Цінність сховища даних тепер визначається тим, наскільки ефективно можна зберігати дані, а не кількістю розгорнутих накопичувачів. SMR забезпечує більшу ємність на накопичувач, на ват та на квадратний метр, ніж будь-яка альтернатива. Економіка — це не питання думки, а питання фізики».