تسجيل مغناطيسي متداخل

التسجيل المغناطيسي المتداخل ( SMR ) هو تقنية لتسجيل البيانات في محركات الأقراص الصلبة (HDDs) لزيادة كثافة التخزين وسعة التخزين الإجمالية لكل محرك. ^{[ 1 ]} تسجل محركات الأقراص الصلبة التقليدية البيانات عن طريق كتابة مسارات مغناطيسية متحدة المركز غير متداخلة ( التسجيل المغناطيسي التقليدي [CMR]، التسجيل العمودي)، بينما يكتب التسجيل المتداخل مسارات جديدة تتداخل جزئيًا مع المسار المغناطيسي المكتوب سابقًا، مما يجعل المسار السابق أضيق ويسمح بكثافة مسارات أعلى. وبالتالي، تتداخل المسارات جزئيًا بشكل مشابه لبلاط السقف . تم اختيار هذا النهج لأنه إذا كان رأس الكتابة ضيقًا جدًا، فلن يتمكن من توفير المجالات العالية جدًا المطلوبة في طبقة التسجيل بالقرص. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] : 7-9}

تُعقّد بنية المسارات المتداخلة عملية الكتابة، إذ أن الكتابة إلى مسار واحد تُستبدل أيضًا بالمسار المجاور. وإذا احتوت المسارات المجاورة على بيانات صالحة، فيجب إعادة كتابتها أيضًا. ونتيجةً لذلك، قد يُؤدي طلب كتابة واحد إلى سلسلة من عمليات إعادة الكتابة على مجموعة من المسارات المجاورة. ولتحديد الحد الأقصى لعدد عمليات إعادة الكتابة اللازمة لتلبية طلب كتابة واحد، تُقسّم محركات أقراص SMR إلى مناطق متعددة من المسارات المتداخلة (المتسلسلة) التي تُضاف إليها البيانات فقط ، والتي يجب إعادة كتابتها بالكامل عند امتلائها، على غرار وحدات الذاكرة الفلاشية في محركات الأقراص الصلبة . تُخفي أجهزة SMR المُدارة من قِبل الجهاز هذا التعقيد من خلال إدارته في البرامج الثابتة، مُقدّمةً واجهةً تُشبه أي قرص صلب آخر. أما أجهزة SMR الأخرى، فتُدار من قِبل النظام المضيف وتعتمد عليه في معرفة كيفية التعامل مع محرك الأقراص، وتكتب بشكل متسلسل فقط إلى مناطق مُحددة منه. ^{[ 5 ] : 11 وما بعدها. [ 6 ]} على الرغم من أن محركات الأقراص بتقنية SMR يمكنها استخدام ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM ) وذاكرة الفلاش ، وحتى جزء من قرصها المخصص للاستخدام مع تقنية CMR بدلاً من SMR ^{[ 7 ]} كذاكرة تخزين مؤقتة أو مخزن مؤقت لتحسين أداء الكتابة، إلا أن الكتابة المستمرة لكميات كبيرة من البيانات تكون أبطأ بشكل ملحوظ مقارنةً بمحركات الأقراص بتقنية CMR. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

بدأت شركة سيجيت بشحن محركات الأقراص الصلبة بتقنية التسجيل المغناطيسي المتداخل (SMR) المُدارة بواسطة الجهاز في سبتمبر 2013، مُعلنةً عن زيادة في السعة الإجمالية بنحو 25% مقارنةً بوحدات التخزين غير المتداخلة. ^{[ 1 ] [ 11 ]} وفي سبتمبر 2014، أعلنت شركة HGST عن محرك أقراص بسعة 10 تيرابايت مملوء بالهيليوم يستخدم تقنية التسجيل المغناطيسي المتداخل المُدارة بواسطة المضيف، ^{[ 12 ]} إلا أنها أتبعت ذلك في ديسمبر 2015 بإصدار محرك أقراص بسعة 10 تيرابايت مملوء بالهيليوم يستخدم تقنية التسجيل العمودي التقليدية غير المتداخلة. ^{[ 13 ]}

ظهرت المسارات المتداخلة بشدة (المتشابكة) أيضًا في وقت سابق في مسجلات الفيديو ذات المسح الحلزوني (VCRs) الاستهلاكية التي كانت شائعة في الثمانينيات والتسعينيات. في وضع التشغيل الممتد (EP أو SLP)، قللت كل من VHS و Betamax درجة تباعد المسارات بمقدار ثلاثة أضعاف. تم التخفيف جزئيًا من التداخل الشديد من المسارات المجاورة باستخدام تسجيل السمت المائل .

في عام 2001، كان محرك الأقراص SuperDisk LS-240 قادرًا على استخدام تقنية SMR لتهيئة قرص مرن عادي بسعة 1.44 ميجابايت ليحتوي على 32 ميجابايت من البيانات باستخدام تنسيق FD32MB الخاص به.

توجد ثلاث طرق مختلفة لإدارة البيانات على محرك أقراص SMR: الإدارة من قِبل الجهاز، والإدارة من قِبل المضيف، والإدارة المُدركة للمضيف. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

تُعتبر أجهزة SMR أجهزة مُقسّمة إلى مناطق ، حيث تُقسّم مساحة التخزين إلى مناطق  بحجم 256 ميجابايت عادةً. ^{[ 20 ]} يتوفر لجهاز SMR مجموعتان من الأوامر المتخصصة: ZBC (أوامر الكتل المُقسّمة، ANSI INCITS 536) لـ SCSI وZAC (أوامر ATA المُقسّمة، ANSI INCITS 537) لـ SATA . تُخبر هذه الأوامر المضيفَ ما إذا كانت كل منطقة CMR أو SMR، وتُمكّنه من الوصول إلى هذه المناطق مباشرةً. ^{[ 21 ]} ما لم يُذكر خلاف ذلك، فإن هذه الأوامر متاحة فقط على الأجهزة المُدارة من قِبل المضيف. الأوامر المحددة هي: ^{[ 22 ]}

• REPORT ZONES، للحصول على معلومات حول تخطيط القرص وحالة المنطقة (مثل مؤشر الكتابة ، وهو آخر موضع تمت الكتابة فيه في منطقة متسلسلة).
  • تُعد مناطق SMR أو المناطق المماثلة متسلسلة مطلوبة على محركات الأقراص التي تتم إدارتها بواسطة المضيف، ولكن يُفضل التسلسل على محركات الأقراص التي تتعرف على المضيف.
• إعادة ضبط مؤشر الكتابة، لإعادة مؤشر الكتابة إلى وضعه الأصلي بحيث تصبح منطقة متسلسلة فارغة
• منطقة مفتوحة، للإعلان صراحةً عن الوصول إلى منطقة ما وقفل موارد البرامج الثابتة المرتبطة بها
• أغلق المنطقة، لفتح منطقة مفتوحة
• منطقة الإنهاء، املأ منطقة كاملة واجعلها قابلة للقراءة

تحتوي كل منطقة على نطاق من عناوين LBA المرتبطة بها، ويمكن استخدام جميع الأوامر المستندة إلى LBA طالما يتم اتباع متطلبات التسلسل على محركات الأقراص التي يديرها المضيف.

تُعرّف أجهزة SMR نفسها وفقًا لما يلي: ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 5 ] : 14}

• يتم وضع علامة على محركات الأقراص التي تتعرف على المضيف أو التي تتم إدارتها بواسطة الجهاز كأجهزة كتلة عادية (SCSI 00h)، لذلك يمكن التعرف عليها كقرص صلب عادي.
  • يُظهر حقل "ZONED" ما إذا كان محرك الأقراص مُدارًا بواسطة الجهاز، أو مُدركًا للمضيف، أو لا هذا ولا ذاك. يُمكن العثور على هذه المعلومات في صفحة "خصائص جهاز كتلة SCSI" (VPD) وصفحة سجل إمكانيات ATA.
• تستخدم محركات الأقراص المُدارة بواسطة المضيف نوعًا جديدًا من الأجهزة (SCSI 14h). ولا يمكن اكتشافها واستخدامها إلا بواسطة أجهزة الكمبيوتر المتوافقة مع ZAC/ZBC.

يجري تطوير نسخة أحدث من المعايير الشقيقة، ZAC-2/ZBC-2. تُقدّم هذه النسخة الجديدة نوعًا جديدًا من "أجهزة الكتل المُقسّمة إلى نطاقات ومجالات" تسمح بعناوين الكتل المنطقية غير المتجاورة، ما يُحسّن أداء محركات الأقراص الصلبة SATA SSD. ^{[ 25 ]} وقد تمّ إيقاف استخدام مصطلح ZONED بناءً على اقتراح من شركة ويسترن ديجيتال . ^{[ 26 ]}

تُعدّ واجهة المناطق مفيدة أيضًا لتخزين الفلاش . وقد أصدرت منظمة NVM Express مواصفات ZNS . ^{[ 27 ]}

تُسدّ الكثافة العالية لمحركات الأقراص ذات التسجيل المتداخل (SMR)، بالإضافة إلى خاصية القراءة العشوائية، فجوةً بين تخزين البيانات على أشرطة الوصول التسلسلي وتخزين البيانات على محركات الأقراص الصلبة التقليدية ذات الوصول العشوائي. وهي مناسبة لتخزين البيانات التي من غير المرجح تعديلها، ولكن يجب قراءتها بكفاءة من أي نقطة. ومن الأمثلة على ذلك نظام التخزين السحري (Magic Storage ) من Dropbox ، الذي يُشغّل وحدات التخزين على القرص بطريقة الإضافة فقط. ^{[ 28 ]} كما تم تسويق أقراص SMR المُدارة بواسطة الجهاز باسم "محركات الأقراص الصلبة الأرشيفية" نظرًا لهذه الخاصية. ^{[ 29 ]}

يوجد عدد من أنظمة الملفات في لينكس ، أو يمكن ضبطها لمحركات الأقراص بتقنية SMR: ^{[ 30 ]}

• يحتوي نظام الملفات F2FS ، المصمم أصلاً لوسائط التخزين الفلاشية، على وضع جهاز الكتل المُقسّم (ZBD). ويمكن استخدامه على محركات الأقراص المُدارة بواسطة المضيف مع مناطق تقليدية للبيانات الوصفية.
• أُضيف دعم وضع المناطق إلى نظام الملفات Btrfs في نواة لينكس 5.12، وهو متوافق مع محركات الأقراص المُدارة من قِبل المضيف. ^{[ 31 ]} يكتب نظام Btrfs البيانات بشكل تسلسلي في الغالب نظرًا لطبيعته القائمة على النسخ عند الكتابة (CoW).
• يمكن تعديل نظام الملفات ext4 تجريبياً للكتابة بشكل أكثر تسلسلاً. وقد ألقى ثيودور تسو وأبوتاليب أغاييف محاضرة في عام 2017 حول نظام ext4-lazy الخاص بهما . كما طورت شركة سيجيت امتداداً أكثر جذرية يُسمى "SMRFFS" منذ عام 2015، والذي يستخدم أوامر ZBC/ZAC. ^{[ 32 ]}
• يدعم نظام الملفات XFS الأجهزة ذات المناطق بما في ذلك محركات الأقراص الصلبة SMR بدءًا من Linux 6.15 مع مُخصص المناطق ^{[ 33 ] [ 34 ]} الذي يكتب البيانات بالتسلسل، ولكنه لا يزال يتطلب أجهزة ذات مناطق قابلة للكتابة العشوائية أو أجهزة منفصلة للبيانات الوصفية.
• بالنسبة لأنظمة الملفات الأخرى، يحتوي مُرَجِّع الأجهزة في لينكس على هدف مُقسَّم إلى مناطق (dm-zoned) يقوم بربط محرك أقراص مُدار من قِبل المضيف بمحرك أقراص قابل للكتابة العشوائية. تستطيع نواة لينكس منذ الإصدار 4.10 أداء هذه المهمة بدون dm . ^{[ 35 ]} يُعرِض نظام zonefs من عام 2019 المناطق كملفات لتسهيل الوصول إليها. ^{[ 36 ]}
• SaunaFS هو نظام ملفات موزّع يدعم محركات أقراص SMR المُدارة من قِبل المضيف بشكلٍ أصليّ مع رمز مسح مشابه لتقنية RAID، وهو مُحسَّن لأحمال العمل التي تتطلب كتابة متسلسلة. يتم تطويره بنشاط من قِبل شركة Leil Storage، وهو مُتاح كمصدر مفتوح. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

بالإضافة إلى نظام لينكس، يدعم نظام فري بي إس دي محركات الأقراص ذات الذاكرة المتداخلة (SMR) المُدارة من قِبل المضيف على مستوى البروتوكول. ^{[ 20 ] [ 39 ]} اعتبارًا من أبريل 2024 لا يدعم نظاما التشغيل ويندوز وماك أو إس محركات الأقراص بتقنية HM-SMR. ^{[ 40 ]} ومع ذلك، يدعم نظام ويندوز 10 مجموعات أوامر ZAC / ZBC لمحركات الأقراص الصلبة ومحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة بتقنية HA-SMR، حيث يدعم عناوين LBA غير المتسلسلة. ^{[ 41 ]}

تعرضت محركات الأقراص بتقنية SMR لانتقادات على الإنترنت بسبب بطء سرعات القراءة/الكتابة وانخفاض استقرارها. ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]}

واجهت شركات تصنيع محركات الأقراص، مثل سيجيت (ضمن سلسلة باراكودا)، وتوشيبا ، وويسترن ديجيتال (WD، ضمن سلسلة ريد)، انتقادات لمحاولتها إخفاء استخدام تقنية SMR في بعض طرازات محركات الأقراص دون الإشارة إلى ذلك، بما في ذلك طرح طرازات مزودة بهذه التقنية ضمن خطوط إنتاج متطورة كانت تستخدم تقنية CMR. ^{[ 9 ]} في مايو 2020، رُفعت دعوى قضائية جماعية في الولايات المتحدة ضد WD، بدعوى أن الشركة ضللت المستهلكين وألحقت بهم الضرر من خلال طرح منتجات تُعتبر غير مناسبة للاستخدام في أنظمة التخزين المتصلة بالشبكة (NAS) ضمن خط إنتاج تم تسويقه لهذا الغرض. وطالبت الدعوى بإصدار أمر قضائي دائم يمنع WD من الإعلان عن محركات الأقراص الصلبة بتقنية SMR على أنها مناسبة للاستخدام في أنظمة NAS وRAID. ^{[ 47 ] [ 48 ]} في يونيو 2020، أعلنت شركة WD أنها ستقسم خط إنتاجها WD Red إلى علامات تجارية فرعية، حيث ستُسوّق محركات الأقراص القائمة على تقنية SMR تحت اسم "WD Red"، بينما ستُسوّق محركات الأقراص القائمة على تقنية CMR تحت اسم "WD Red Plus" أو "WD Red Pro". ^{[ 49 ] [ 50 ]} تمت تسوية الدعوى القضائية في عام 2021. ^{[ 51 ]}

• التسجيل المغناطيسي بمساعدة الحرارة (HAMR)
• نظام الملفات ذو البنية السجلية ، وهو نوع من أنظمة الملفات المُحسَّنة للوسائط التي لا تقبل إلا الإضافة.
• الوسائط المزخرفة
• التسجيل المغناطيسي ثنائي الأبعاد

• LSFMM: تحديث لتقنية التخزين ، LWN.net ، 23 أبريل 2013، بقلم جوناثان كوربيت
• تأثير SMR على نظام تخزين Linux الفرعي ، HGST، 2014، بقلم خورخي كامبيلو وآدم مانزاناريس
• تقنية النسخ المتماثل المتداخل (SMR) في أنظمة لينكس ، سيجيت، 18 مارس 2015، بقلم أدريان بالمر
• تقنية SMR الواعية بالمضيف ، سيجيت، 10 نوفمبر 2014، بقلم تيموثي فيلدمان
• معالجة محركات التسجيل المغناطيسي المتداخلة باستخدام نظام ملفات الشريط الخطي ، مؤتمر SNIA SDC 2013، بقلم ألبرت تشين وجيم مالينا
• إدارة المضيف لـ SMR ، مؤتمر SNIA SDC 2015، بقلم ألبرت تشين، وجيم مالينا، وتي كي كاتو
• سد الفجوة بين محركات الأقراص ذات الذاكرة المتداخلة المُدارة بواسطة المضيف ووحدات التخزين المُعرّفة برمجياً ، مؤتمر SNIA SDC 2023، بقلم بيوتر مودرزيك وكارل ياغوب فاهتري