تنسيق متقدم

التنسيق المتقدم ( AF ) هو أي تنسيق لقطاعات القرص يُستخدم لتخزين البيانات في محركات الأقراص الصلبة (HDD) ومحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة (SSD) ويتجاوز حجم القطاع الواحد فيه 528 بايت، وغالبًا ما يكون 4096 أو 4112 أو 4160 أو 4224 بايت. تُمكّن القطاعات الأكبر في محرك الأقراص ذي التنسيق المتقدم ( AFD ) من دمج خوارزميات تصحيح أخطاء أكثر قوة للحفاظ على سلامة البيانات عند كثافات تخزين أعلى.

اقترح استخدام قطاعات البيانات الطويلة في عام 1998 في ورقة تقنية صادرة عن اتحاد صناعة التخزين الوطني (NSIC) ^{[ 2 ]،} مُلفتةً الانتباه إلى التناقض بين الزيادة المستمرة في كثافة التخزين والتنسيق التقليدي المستخدم في محركات الأقراص الصلبة، والذي يبلغ 512 بايت لكل قطاع. ^{[ 3 ]} وبدون تحقيق طفرات ثورية في تقنيات أنظمة التسجيل المغناطيسي، وكثافة التخزين، وبالتالي سعات التخزين، كان من المتوقع أن تشهد محركات الأقراص الصلبة ركودًا.

استجابت الرابطة الدولية لمعدات ومواد محركات الأقراص (IDEMA)، وهي منظمة تجارية في قطاع التخزين، بتشكيل لجنة قطاع البيانات الطويلة التابعة لها عام 2000، حيث تعاونت IDEMA مع كبرى شركات توريد الأجهزة والبرامج لوضع وتطوير معايير تحكم قطاعات البيانات الطويلة، بما في ذلك طرق دعم التوافق مع مكونات الحوسبة القديمة. ^{[ 3 ]} في أغسطس 2005، شحنت شركة Seagate محركات أقراص تجريبية مزودة بقطاعات فعلية سعة 1 كيلوبايت إلى شركاء الصناعة لاختبارها. ^{[ 4 ] : ​​الشكل 3.} في عام 2010، اكتملت معايير الصناعة للجيل الأول الرسمي من قطاعات البيانات الطويلة باستخدام تكوين 4096 بايت لكل قطاع، أو 4 كيلوبايت. والتزمت جميع شركات تصنيع محركات الأقراص الصلبة بشحن منصات محركات أقراص صلبة جديدة لأجهزة الكمبيوتر المكتبية والمحمولة بتنسيق القطاعات المتقدم (Advanced Format) بحلول يناير 2011. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

صِيغَ مصطلح "التنسيق المتقدم" ليشمل ما كان يُتوقع أن يصبح عدة أجيال من تقنيات قطاعات البيانات الطويلة، وصُمِّمَ شعاره لتمييز محركات الأقراص الصلبة القائمة على قطاعات البيانات الطويلة عن تلك التي تستخدم قطاعات 512 بايت التقليدية. ويمكن تهيئة أقراص المؤسسات بحقول سلامة بيانات إضافية بحجم 8 بايت ، مما ينتج عنه قطاعات فعلية بحجم 520 أو 528 بايت. ^{[ 6 ]}

تستخدم تقنية الجيل الأول من التنسيق المتقدم، بتقنية القطاعات 4K، وسائط التخزين السطحية بكفاءة أكبر من خلال دمج البيانات التي كانت ستُخزن في ثمانية قطاعات بحجم 512 بايت في قطاع واحد بطول 4096 بايت. وقد حُفظت العناصر التصميمية الرئيسية لبنية القطاعات التقليدية ذات 512 بايت، وتحديدًا علامات التعريف والمزامنة في بداية القطاع ومنطقة تصحيح الأخطاء (ECC) في نهايته. وبين رأس القطاع ومنطقة تصحيح الأخطاء، تُدمج ثمانية قطاعات بحجم 512 بايت، مما يُلغي الحاجة إلى مناطق رأس زائدة بين كل جزء من أجزاء البيانات البالغ حجمها 512 بايت. وقد اختارت لجنة قطاعات البيانات الطويلة طول الكتلة 4K لمعيار الجيل الأول من التنسيق المتقدم لعدة أسباب، منها توافقه مع حجم الترحيل المستخدم في المعالجات وبعض أنظمة التشغيل ، بالإضافة إلى ارتباطه بحجم المعاملات القياسية في أنظمة قواعد البيانات العلائقية . ^{[ 8 ]}

تتراوح مكاسب كفاءة التنسيق الناتجة عن بنية القطاعات 4K بين 7 و11 بالمئة من مساحة القرص الفعلية. ^{[ 9 ]} يوفر تنسيق 4K مساحة كافية لتوسيع حقل تصحيح الأخطاء (ECC) من 50 إلى 100 بايت لاستيعاب خوارزميات تصحيح الأخطاء الجديدة. تُحسّن تغطية تصحيح الأخطاء المُحسّنة القدرة على اكتشاف أخطاء البيانات المُعالجة وتصحيحها بما يتجاوز طول العيب البالغ 50 بايت المرتبط بتنسيق القطاعات القديم ذي 512 بايت. ^{[ 10 ]} يستخدم معيار التنسيق المتقدم نفس تكوين الفجوة والمزامنة وعلامة العنوان المستخدم في تخطيط القطاعات التقليدي ذي 512 بايت، ولكنه يجمع ثمانية قطاعات بحجم 512 بايت في حقل بيانات واحد. ^{[ 11 ]}

نظراً لشحن عدد هائل من محركات الأقراص الصلبة القديمة ذات القطاعات 512 بايت حتى منتصف عام 2010، فقد صُممت العديد من الأنظمة والبرامج والتطبيقات التي تستخدم محرك الأقراص الصلبة وفقاً لاتفاقية 512 بايت لكل قطاع. وقد أتاح التواصل المبكر مع لجنة قطاع البيانات الطويلة الفرصة لموردي المكونات والبرامج للاستعداد للانتقال إلى التنسيق المتقدم.

على سبيل المثال، تدعم أنظمة التشغيل Windows Vista و Windows 7 و Windows Server 2008 و Windows Server 2008 R2 (مع تثبيت بعض التحديثات) محركات الأقراص بتنسيق 512e (ولكن ليس 4Kn )، ^{[ 12 ]} وكذلك الإصدارات الحديثة من FreeBSD ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} و Linux . ^{[ 16 ] [ 17 ]} يمكن لنظام التشغيل Mac OS X Tiger والإصدارات الأحدث استخدام محركات الأقراص ذات التنسيق المتقدم ^{[ 18 ]} ، كما يدعم نظام التشغيل OS X Mountain Lion 10.8.2 تشفيرها. يدعم نظاما التشغيل Windows 8 و Windows Server 2012 أيضًا تنسيق 4Kn المتقدم. ^{[ 12 ]} يدعم نظاما التشغيل Oracle Solaris 10 و11 محركات الأقراص الصلبة 4Kn و512e لأنظمة ملفات ZFS غير الجذرية، بينما يوفر الإصدار 11.1 دعمًا للتثبيت والتشغيل لأجهزة 512e. ^{[ 19 ]} قبل نظام التشغيل Windows Vista ، كان نظام التشغيل Windows 2000 و Windows XP يستخدمان 4096 بايت كحجم وحدة التخصيص الافتراضي عند استخدام نظام الملفات NTFS لتهيئة الأقراص الصلبة المحلية، لكنهما لا يقومان بالمحاذاة إلى حدود 4096 بايت.

من بين مبادرات التنسيق المتقدم التي اتخذتها لجنة قطاع البيانات الطويلة، تم التطرق أيضاً إلى طرق الحفاظ على التوافق مع حلول الحوسبة القديمة. ولهذا الغرض، تم إنشاء عدة فئات من أجهزة التنسيق المتقدم.

محاكاة 512 (512e)

تعتمد العديد من مكونات أجهزة وبرامج الحاسوب المضيف على تهيئة القرص الصلب وفقًا لحدود قطاعات بحجم 512 بايت. يشمل ذلك مجموعة واسعة من العناصر، بما في ذلك الشرائح الإلكترونية ، وأنظمة التشغيل ، ومحركات قواعد البيانات ، وأدوات تقسيم القرص الصلب وإنشاء الصور ، وبرامج النسخ الاحتياطي وأنظمة الملفات ، بالإضافة إلى جزء صغير من تطبيقات البرامج الأخرى . وللحفاظ على التوافق مع مكونات الحوسبة القديمة، يدعم العديد من موردي محركات الأقراص الصلبة تقنيات التنسيق المتقدم على وسائط التسجيل، إلى جانب برامج ثابتة لتحويل البيانات إلى 512 بايت. تُعرف محركات الأقراص الصلبة المُهيأة بقطاعات فعلية بحجم 4096 بايت مع برامج ثابتة بحجم 512 بايت باسم "التنسيق المتقدم 512e" أو "محركات محاكاة 512". في محركات 512e، يساوي LBA واحد 512 بايت.

تتم عملية تحويل التنسيق المادي الأصلي ذي الأحجام 4096 أو 4112 أو 4160 أو 4224 بايت (مع حقول سلامة البيانات 0 أو 8 أو 64 أو 128 بايت ) إلى تنسيق افتراضي بزيادة 512 أو 520 أو 528 بايت بشكل شفاف بالنسبة للجهاز الذي يصل إلى القرص الصلب. تُصدر أوامر القراءة والكتابة إلى محركات الأقراص ذات التنسيق المتقدم بنفس تنسيق محركات الأقراص التقليدية. مع ذلك، أثناء عملية القراءة، يقوم القرص الصلب ذو التنسيق المتقدم بتحميل القطاع الكامل ذي الحجم 4096 بايت الذي يحتوي على البيانات المطلوبة ذات الحجم 512 بايت إلى الذاكرة الموجودة على القرص. يقوم برنامج المحاكاة باستخراج البيانات المحددة وإعادة تنسيقها في جزء بحجم 512 بايت قبل إرسالها إلى المضيف. تتم هذه العملية برمتها عادةً مع تدهور طفيف أو معدوم في الأداء.

تصبح عملية الترجمة أكثر تعقيدًا عند كتابة بيانات ليست من مضاعفات 4 كيلوبايت أو غير محاذية لحدود 4 كيلوبايت. في هذه الحالات، يجب على القرص الصلب قراءة القطاع الكامل البالغ 4096 بايت الذي يحتوي على البيانات المستهدفة إلى الذاكرة الداخلية، ثم دمج البيانات الجديدة مع البيانات الموجودة مسبقًا، ثم إعادة كتابة القطاع الكامل البالغ 4096 بايت على القرص. هذه العملية، المعروفة باسم القراءة-التعديل-الكتابة (RMW)، قد تتطلب دورات إضافية للأقراص المغناطيسية، مما يؤثر بشكل ملحوظ على أداء النظام. تشير تحليلات الأداء التي أجرتها IDEMA وموردي الأقراص الصلبة إلى أن ما يقرب من 5 إلى 10 بالمائة من جميع عمليات الكتابة في بيئة مستخدم حاسوب مكتبي نموذجية قد تكون غير محاذية، مما يؤدي إلى انخفاض في أداء RMW. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

عند استخدام محركات الأقراص ذات التنسيق المتقدم مع أنظمة التشغيل القديمة، من المهم إعادة محاذاة القرص باستخدام البرنامج المُقدم من الشركة المصنعة. تُعد إعادة محاذاة القرص ضرورية لتجنب حالة تدهور الأداء المعروفة باسم " تداخل المجموعات" ، حيث يؤدي إزاحة القسم إلى امتداد مجموعات نظام الملفات عبر قطاعات جزئية من القرص الفعلي. وبما أن محاذاة المجموعات مع القطاعات تُحدد عند إنشاء أقسام القرص الصلب، يُستخدم برنامج إعادة المحاذاة بعد تقسيم القرص. وهذا يُساعد في تقليل عدد عمليات الكتابة غير المُحاذية الناتجة عن بيئة الحوسبة. وقد قادت لجنة تقنية التنسيق المتقدم ( لجنة قطاع البيانات الطويلة سابقًا ) ^{[ 22 ] [ 23 ]} والشركات المصنعة لمحركات الأقراص الصلبة ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] أنشطة إضافية لجعل التطبيقات جاهزة للانتقال إلى تقنيات التنسيق المتقدم.}

دقة 4K أصلية (4Kn)

بالنسبة لمحركات الأقراص الصلبة التي تعمل في وضع 4K  الأصلي ، لا توجد طبقة محاكاة، حيث يعرض القرص مباشرةً حجم قطاعه الفيزيائي (4096، 4112، 4160، أو 4224 بايت) لبرنامج النظام ونظام التشغيل. وبهذه الطريقة،  يتم ربط تنظيم القطاعات المنطقية المرئية خارجيًا لمحركات الأقراص الأصلية 4K مباشرةً بتنظيم قطاعاتها الفيزيائية الداخلية. ومنذ أبريل 2014، أصبحت محركات الأقراص الصلبة الأصلية 4K من فئة المؤسسات  متوفرة في السوق. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

تختلف جاهزية دعم القطاعات المنطقية بحجم 4096 بايت في أنظمة التشغيل باختلاف أنواعها ومورديها وإصداراتها. ^{[ 12 ]} على سبيل المثال، يدعم نظام التشغيل مايكروسوفت ويندوز  محركات الأقراص الأصلية بحجم 4K منذ ويندوز 8 وويندوز سيرفر 2012 (كلاهما صدر عام 2012) في واجهة UEFI . ^{[ 29 ]} قد تعمل محركات الأقراص الأصلية بحجم 4K على أنظمة تشغيل أقدم مثل ويندوز 7 ، ولكن لا يمكن استخدامها كقرص تمهيد . ^{[ 30 ]}

يدعم نظام لينكس  محركات الأقراص الأصلية بدقة 4K منذ إصدار نواة لينكس 2.6.31 وإصدار util-linux-ng 2.17 (الصادرين في عامي 2009 و2010 على التوالي). ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}

يختلف الإصدار الملون من الشعار الذي يشير إلى  محرك أقراص أصلي بدقة 4K إلى حد ما عن شعار 512e، حيث يتميز بأربع زوايا مستديرة وخلفية زرقاء ونص "4Kn" في وسط الشعار. ^{[ 34 ]}

• محاذاة التقسيم

• IDEMA: تقنية التنسيق المتقدمة (تمت أرشفة بتاريخ 29 سبتمبر 2011)
• شركة كوفلين وشركاؤه: التوافق مع مستقبل التخزين (تمت أرشفته في 5 مايو 2012)
• ويسترن ديجيتال: ورقة بيضاء حول التنسيق المتقدم (سبتمبر 2018) وإصدارها الأقدم (أبريل 2010)
• هيتاشي جلوبال ستوريدج تكنولوجيز: موجز عن تقنية التنسيق المتقدم
• تقرير تقني: ويسترن ديجيتال تُقدم تنسيقًا متطورًا إلى كافيار جرين (مؤرشف بتاريخ 4 يونيو 2012 في أرشيف الإنترنت)
• ديل: الدعم: دعم صور النظام لمحركات الأقراص الصلبة ذات التنسيق المتقدم على أجهزة الكمبيوتر المحمولة والمكتبية الخاصة بعملاء ديل للأعمال