Hard disk CMR e SMR: caratteristiche, differenze, vantaggi e svantaggi

CMR (Conventional Magnetic Recording) e SMR (Shingled Magnetic Recording) sono due tecnologie di registrazione su supporti magnetici. Sebbene gli SSD siano ormai lo standard di archiviazione sui nuovi computer, gli hard disk meccanici sono ancora in commercio e trovano uso nelle situazioni in cui serve tanto spazio a basso costo.

Con il progresso della tecnologia, i produttori hanno creato gli hard disk SMR, che permettono una capacità maggiore a parità di dimensioni. Sulla carta sembra essere una tecnologia vantaggiosa, soprattutto per chi deve salvare molti dati. Ma è davvero migliore?

Entrambe le tecnologie sono ancora disponibili sul mercato, e vedremo come ognuna ha il proprio scenario di utilizzo. In questo articolo faremo un’analisi delle tecnologie CMR e SMR, per valutare caratteristiche, differenze, vantaggi e svantaggi.

CMR e SMR: due tecnologie per registrare su supporti magnetici

La diversa tecnologia tra CMR e SMR influisce su una serie di parametri: prestazioni, affidabilità, capacità e costo. Per capirne il funzionamento, analizziamo in breve la struttura di un hard disk meccanico.

I componenti fondamentali sono i piatti magnetici, le testine di lettura/scrittura e il motore. I piatti sono dischi sottili e circolari in materiale magnetico, montati su un mandrino e disposti uno sopra l’altro. Girano costantemente grazie al motore, e sono collocati tra le testine di lettura/scrittura. I piatti sono suddivisi in tracce che a loro volta sono suddivise in settori. Si possono avere due tipi di scrittura:

• Sequenziale: i dati vengono scritti uno dopo l'altro. È il modo più efficiente e non ha alcun impatto sulle prestazioni.
• Casuale: i dati vengono scritti in modo casuale, senza alcun ordine. È meno efficiente e può avere un impatto negativo sulle prestazioni, specialmente nel caso degli hard disk SMR.

CMR e SMR: caratteristiche e differenze

CMR e SMR sono tecnologie classificate come PMR, Perpendicular Magnetic Recording, in quanto memorizzano perpendicolarmente alla superficie del piatto, consentendo una maggiore densità di dati. Questa tecnologia ha sostituito la LMR, Longitudinal Magnetic Recording, che memorizzava longitudinalmente alla superficie del piatto.

Gli hard disk CMR sono il tipo convenzionale di unità. Scrivono le tracce una di fianco all’altra senza sovrapposizione.

Gli hard disk SMR sono stati introdotti per aumentare la densità di dati. Per ottenere questo vantaggio, le tracce vengono scritte parzialmente sovrapposte, occupando meno spazio e generando una struttura simile alle tegole di un tetto.

Negli hard disk SMR la scrittura su una traccia esistente può sovrascrivere anche quella adiacente. E se quest’ultima contiene dei dati validi, anch’essi devono essere riscritti. Per ovviare a questo problema, gli hard disk SMR utilizzano memoria DRAM e una parte del disco come cache,  per immagazzinare i dati da spostare. Ciò incide sulla velocità di scrittura casuale, inferiore rispetto alle unità CMR.

Gestione dei dati in un hard disk SMR

Esistono 3 modi in cui i dati possono essere gestiti in un disco SMR:

• Drive-managed SMR: le zone SMR e le operazioni di scrittura sono gestite interamente dal dispositivo. L’host vede il disco come generico e non è consapevole della tecnologia shingled. Questi hard disk hanno prestazioni inferiori per le operazioni di scrittura casuale poiché devono riordinare i dati. Essendo compatibili con qualsiasi sistema operativo e applicazione, gli SMR drive-managed sono i più diffusi.
• Host-managed SMR: le zone SMR e le operazioni di scrittura sono gestite dal sistema operativo o dall’applicazione. La scrittura casuale può essere pianificata dall’host per ridurre al minimo il riordino dei dati. Questa soluzione non è sempre compatibile con i sistemi operativi e le applicazioni, che devono supportare un protocollo per comunicare con il disco.
• Host-aware SMR: le zone SMR sono gestite dal disco e le operazioni di scrittura sono gestite dal sistema operativo o dall’applicazione. Questi hard drive sono una combinazione dei due precedenti, offrendo un buon compromesso tra prestazioni e compatibilità.

CMR e SMR: vantaggi e svantaggi

Analizzando le caratteristiche delle due tecnologie, gli hard disk CMR e SMR presentano sia vantaggi che svantaggi. 

Hard disk CMR vantaggi:

• Velocità di scrittura maggiore: hanno tracce non sovrapposte e non richiedono lo spostamento dei dati in sovrascrittura. Questo li rende più reattivi per operazioni continue in tempo reale.
• Uso generale: sono adatti a computer desktop, portatili, server, sistemi RAID e NAS.
• Recupero dei dati: essendo i dati memorizzati in tracce separate, richiedono interventi più semplici e che spesso hanno esiti positivi.
• Durata: sono più longevi, in quanto la testina non deve continuamente cancellare e riscrivere per liberare le aree sovrapposte.

Hard disk CMR svantaggi:

• Densità inferiore: non avendo tracce sovrapposte, a parità di dimensione fisica hanno meno spazio rispetto agli SMR. Per ottenere la stessa capacità, potrebbe essere necessario un numero maggiore di unità.
• Consumo energetico elevato: possono consumare più energia, il che incide nel caso di dispositivi in funzione per molte ore.
• Costo maggiore: sono più costosi e quindi meno convenenti per aziende che devono archiviare molti dati.

Hard disk SMR vantaggi:

• Maggiore densità di dati: a parità di dimensioni fisiche, è possibile ottenere una maggiore capacità di memorizzazione.
• Convenienza: sono meno costosi e quindi adatti a registrare molti dati spendendo poco.
• Efficienza energetica: consumano meno energia, con conseguenti risparmi energetici in grandi archivi.

Hard disk SMR svantaggi:

• Lentezza in scrittura: lo spostamento e la riscrittura delle tracce sovrapposte comporta tempi di risposta più lunghi.
• Compatibilità limitata: non si prestano alle configurazioni RAID o nei NAS, poiché non eccellono in applicazioni di scrittura casuale.
• Recupero di dati: per liberare spazio nelle tracce sovrapposte, i dati non ritenuti importanti possono essere cancellati definitivamente e potrebbero essere irrecuperabili.
• Usura: possono durare meno, poiché le operazioni continue di scrittura e cancellazione usurano la testina.

CMR e SMR: quale scegliere?

Le unità CMR e SMR hanno caratteristiche diverse, pertanto andrebbero scelte in base alla destinazione d’uso. Gli hard disk CMR sono ideali per attività di scrittura frequente dove la velocità di trasferimento è importante. Sono le unità migliori sul quale lavorare quotidianamente e sono affidabili anche in sistemi RAID o NAS.

Gli hard disk SMR sono la scelta ideale quando si hanno molti dati da salvare a cui si accede saltuariamente. A parità di costo, hanno una maggiore capacità e consumano meno energia, il che li rende ideali per grandi archivi.

CMR e SMR: guida all’acquisto

Quando si acquista un disco fisso magnetico è importante leggere l’etichetta per capire se si tratta di CMR o SMR. In passato alcune aziende, come Western Digital, Toshiba e Seagate, misero in commercio hard disk SMR senza specificarne la tecnologia. Molti clienti cominciarono a lamentare scarse prestazioni, senza sapere che tale problema era dovuto all’uso di una tecnologia diversa e non dichiarata in etichetta. Nel caso di Western Digital, ciò generò una controversia legale, risolta nel 2021. Oggi tutti i produttori specificano se un hard disk è CMR o SMR, perciò è meglio controllare prima di un acquisto.

CMR e SMR nei sistemi RAID

Gli hard disk CMR e SMR possono essere montati in configurazione RAID. Il RAID, acronimo di Redundant Array of Independent Disks, è un sistema di archiviazione su più dischi indipendenti. Memorizza i dati sulle diverse unità in modo sincronizzato, migliorando le performance ed evitando la perdita di dati in caso di guasti. Per questo motivo, i RAID sono utilizzati soprattutto in ambienti aziendali. A seconda che si punti sulla protezione dei dati o sulle prestazioni, esistono diverse configurazioni RAID, tra cui RAID 0, RAID 1, RAID 5, RAID 10. Ognuna di esse si concentra di più su uno o sull’altro aspetto. Ma tra dischi CMR e SMR quale scegliere?

Generalmente, gli hard disk CMR sono più adatti in quanto sono migliori per operazioni di scrittura casuale e frequente, scenario tipico per chi sceglie delle unità in configurazione RAID. Per quanto riguarda la sovrascrittura, è più veloce rispetto alle unità SMR, garantendo quindi prestazioni migliori.

Gli hard disk SMR sono meno indicati in RAID, poichè progettati per accesso alla memoria sequenziale, non casuale. Sono più adatti ad usi in cui la velocità non è la priorità: archiviazione, backup e applicazioni dove i dati vengono scritti una volta e letti molte volte.

Combinare CMR e SMR in configurazione RAID

Anche se tecnicamente possibile, combinare dischi CMR e SMR in configurazione RAID potrebbe causare problemi, tra cui:

• Perdita di prestazioni: essendo i dischi SMR meno veloci nella scrittura casuale, ci potrebbe essere un collo di bottiglia con il rallentamento di tutto il sistema.
• Problemi di aggiornamento e manutenzione: le due tecnologie utilizzano firmware e posizionamento dei dati diverso, rendendo più complessa la risoluzione di problemi.

Se proprio si desidera combinare i due tipi, andrebbero separati in array diversi. Ad esempio utilizzando delle unità CMR per un array ad alte prestazioni e delle unità SMR per l'archiviazione a bassa priorità, con prevalenza di lettura anziché di scrittura.

CMR e SMR nelle unità NAS

Gli hard disk CMR e SMR vengono utilizzati anche nei NAS, acronimo di Network-Attached Storage. Il NAS è un’unità di archiviazione centralizzata collegata in rete, che consente a più utenti di accedere ai file, anche da remoto. Sono essenzialmente server dedicati, progettati per la condivisione di file e l'archiviazione. Essendo studiati per ospitare grandi quantità di dati, sono dotati di più dischi fissi e sono ideali per backup automatici. I dischi al loro interno possono essere configurati in RAID.

Gli hard disk CMR in un’unità NAS offrono alcuni vantaggi:

• Velocità migliore e costante nell'accesso casuale ai file.
• Semplicità e affidabilità nel caso un disco si guasti, specialmente se richiede un ripristino e una nuova sincronizzazione RAID.

Gli hard disk SMR in un’unità NAS, al contrario, presentano alcuni svantaggi:

• Tempi di attesa nell'organizzare la posizione dei file sui piatti in scrittura, specialmente quando l’accesso è frequente e c’è poco spazio a disposizione.
• Complessità e rischi in caso di guasti, soprattutto nei RAID, quando è necessaria una nuova sincronizzazione. In alcuni casi il recupero dei file potrebbe essere impossibile.

Per queste ragioni le unità CMR sono da preferire. Tuttavia, le unità SMR possono essere comunque utilizzate per l'archiviazione e il backup. In ogni caso, è sempre importante leggere la scheda tecnica del NAS, poiché alcuni produttori raccomandano il tipo di unità da usare.

Hybrid SMR e Dynamic Hybrid SMR

Gli hard disk Hybrid SMR combinano le tecnologie CMR e SMR, offrendo un buon compromesso tra capacità e prestazioni. Sono suddivisi in due parti: la parte CMR viene utilizzata per archiviare i dati con frequente accesso, come le applicazioni e i file su cui si sta lavorando; la parte SMR viene utilizzata per archiviare i dati con accesso sporadico, come i file multimediali e i backup. Unendo il meglio delle due tecnologie, sono adatti agli utenti che desiderano un’archiviazione flessibile in un’unica soluzione.

Se nei hybrid SMR la suddivisione è statica, ovvero non può essere modificata dall'utente, nei dynamic hybrid SMR la suddivisione è dinamica. Ciò significa che il sistema operativo può decidere in base al comportamento dell'utente quale parte dell'hard drive utilizzare come CMR e quale come SMR. Grazie a questa flessibilità, offrono prestazioni più uniformi per tutti gli usi. 
Gli hard disk dynamic hybrid SMR sono un’ottima scelta per gli utenti che desiderano massima flessibilità, senza dover scegliere in anticipo quanto spazio riservare all’archiviazione e quanto alle applicazioni.

Recupero dati da unità CMR e SMR

Esistono differenze tra hard disk CMR e SMR per quanto riguarda il recupero di dati.

Gli hard disk CMR sono più veloci nell’ individuare e recuperare rapidamente dati specifici, il che è essenziale per processi di ripristino efficienti. Avendo tracce non sovrapposte e distanziate, modificano e sovrascrivono i dati in modo più semplice.

Gli hard disk SMR, a confronto, potrebbero essere più lenti. Questo perché sono ottimizzati per le operazioni sequenziali e non casuali. Sono anche più complicati da recuperare, specialmente se il disco supporta il comando TRIM come negli SSD. Nelle unità SMR, quando è necessario scrivere su settori sovrapposti, le informazioni presenti vengono trasferite in un altro settore. Questo comporta dei tempi di attesa, riducibili se si utilizza il comando TRIM. Quando ciò succede, questi file vengono considerati cancellati e se un programma ne tenta il ripristino, l’unità restituisce degli 0. Il recupero potrebbe essere impossibile.

Per quanto riguarda i guasti meccanici (testine, mandrini o altro), non si evidenziano differenze.

Come prevenire la perdita dei dati

È importante notare che questi non sono gli unici fattori ad incidere sul successo nel recupero dei dati. La buona riuscita dipende da diversi fattori, tra cui la causa del guasto o della perdita dei file, i backup effettuati e la competenza degli esperti incaricati. Indipendentemente dal tipo di unità, backup regolari e ridondanza (come nei RAID) sono i principali strumenti di prevenzione per una strategia di protezione. Ma, nonostante le precauzioni, è sempre possibile che si verifichi una perdita. In tal caso, è meglio rivolgersi ad un laboratorio specializzato per analizzare la situazione e procedere al recupero dei dati.