Transición a las unidades de discos duros de sectores de 4K de Formato avanzado

Aspectos básicos

Ha llegado un cambio a la industria del disco duro. A medida que las densidades de almacenamiento aumentan drásticamente con el tiempo, uno de los aspectos más elementales del diseño del disco duro, el tamaño del formato del bloque lógico conocido como sector, permanece constante.

Alrededor del año 2010, las compañías de discos duros comenzaron a alejarse del tamaño de los sectores anteriores de 512 bytes a un tamaño de sector mayor y más eficaz de 4.096 bytes, generalmente denominados como sectores 4K y ahora llamados Advanced Format por IDEMA (la Asociación Internacional de Materiales y Equipo de Discos Duros).

Este documento proporciona el contexto para esta transición y señala las ventajas a largo plazo para los clientes así como los errores potenciales que se deben evitar durante la transición de sectores de 512 a 4K.

Antecedentes

Por más de 30 años, los datos almacenados en los discos duros se han formateado en bloques lógicos pequeños denominados sectores., y el tamaño de los sectores hasta la fecha había sido de 512 bytes. Muchos aspectos de los sistemas informáticos modernos aún tienen los parámetros del diseño con respecto a esta norma de formato.

El formato de sectores anterior contiene una sección Brecha, una sección Sincronización, una sección Marca de dirección, una sección de Datos y una sección Códigos para corrección de errores (ECC) (Figura 1).

Figura 1. Disposición de sector heredado en medios de discos duros

La estructura de esta distribución de sectores se designó de la siguiente manera:

• Sección Brecha: La brecha separa sectores.
• Sector sincronización: La marca de sincronización indica el comienzo del sector y proporciona una alineación de tiempo.
• Sección Marca de direcciones: La marca de direcciones contiene datos para identificar el número y localidad del sector. También proporciona información sobre el estado del propio sector.
• Sección Datos: La sección de datos contiene todos los datos del usuario.
• Sección ECC: La sección ECC contiene los códigos para la corrección de errores que se usan para solucionar y recuperar datos que pueden dañarse durante el proceso de lectura o escritura.

Este formato de nivel bajo ha funcionado bien en la industria por muchos años. Sin embargo, a medida que aumenta la capacidad de los discos duros, el tamaño de los sectores es cada vez más un elemento de diseño limitante en la mejora de la capacidad del disco duro y la eficiencia en la corrección de errores. Por ejemplo, si se compara el tamaño del sector con la capacidad total de los primeros con los discos duros más recientes, podrá ver que la resolución del sector es extremadamente pequeña. La resolución del sector (la relación de sectores como un porcentaje del almacenamiento total) se ha hecho muy fina y cada vez más ineficiente (Tabla).

Una resolución muy fina es buena cuando se manejan cantidades pequeñas y discretas de datos. Sin embargo, las aplicaciones comunes en los sistemas informáticos modernos manejan datos en bloques grandes, mucho más grandes, de hecho, que el tamaño de los sectores heredados de 512 bytes.

Más importante aún, el sector pequeño de 512 bytes consume una cantidad de espacio en la superficie del disco durocada vez más y más pequeña, a medida que las aumentan las densidades de las áreas. Este es un problema en el contexto de corrección de errores y el riesgo de los defectos de los medios de almacenamiento. En la Figura 2, por ejemplo, los datos en un sector del disco duro es consumir áreas más pequeñas, haciendo de la corrección de errores más desafiante porque los defectos de los medios del mismo tamaño pueden dañar un porcentaje más alto de la carga total de datos y, por lo tanto, necesitar más fortaleza en la corrección de errores.

Figura 2. Defectos de los medios y densidad superficial

Un sector de 512 bytes puede corregir típicamente un defecto de hasta 50 bytes de longitud. Los discos duros de hoy están comenzando a ampliar los límites de la corrección de errores con densidades de área líderes. En consecuencia, la transición a sectores más grandes en la industria de discos duros es una necesidad fundamental en relación con lograr mejoras en la corrección de datos y alcanzar la eficiencia en los formatos.

La transición a los sectores de 4K (Formato avanzado)

La industria del almacenamiento ha testado planificando la transición a formatos de disco duro de sectores más grandes por años. Una importante labor en Seagate y con nuestros pares en la industria del disco duro se remonta a por lo menos cinco años (Figura 3). En diciembre de 2009, mediante un esfuerzo coordinado con IDEMA, el Formato avanzado fue nominado y aprobado como el nombre para la norma de sectores de 4K bytes. Además, todos los fabricantes de disco duro se comprometieron a despachar nuevas plataformas de disco duro para productos de sobremesa y portátiles con el formato de sectores Advanced Format a partir de enero de 2011. Incluso antes de tal fecha, las unidades con Advanced Format comenzaron a ingresar al mercado. Seagate despachó sus primeras unidades de sector grande a fabricantes de equipos originales y en productos de marca de venta minorista.

                      Figura 3. Hitos importantes en el desarrollo de la norma de formato avanzado

La ventaja a largo plazo de los sectores 4K

Como todos los fabricantes de discos duros acordaron la transición al diseño de sector Advanced Format a partir de enero de 2011, la industria se ha adaptado y ha adoptado este cambio para minimizar los efectos secundarios negativos potenciales. Aunque las ventajas a corto plazo para los usuarios finales no son drásticas en términos de incrementos en la capacidad inmediata, la transición a sectores de tamaño 4K definitivamente han proporcionado vías más cortas hacia densidades de área y capacidad del disco duro mayores, así como a una corrección de errores más robusta.

Eficiencia del formato mejorado mediante la reducción de la cantidad de espacio usado para los códigos de corrección de errores

En la Figura 4, se muestra la disposición de los sectores anteriores de 512 bytes, donde cada sector de 512 bytes tiene una información de control no relacionada con los datos de 50 bytes para ECC y otros 15 bytes para los sectores Brecha, Sincronización y Marca de direcciones. Esto produce una eficiencia de formato¹ sectorizado de casi 88 % (512/(512 65)).

La nueva norma de Formato avanzado realiza la transición a un sector de 4K bytes, el cual esencialmente combina ocho sectores heredados de 512 bytes en un sector de 4K bytes (Figura 5).

La norma Advanced Format usa el mismo número de bytes para los sectores Brecha, Sincronización y Marca de Dirección, pero aumenta el campo ECC a 100 bytes. Esto produce una eficiencia del formato¹ sectorizado de 97 % (4.096/(4.096 115)), casi una mejoría del 10 %.

Con el tiempo, esta eficiencia de formato rendirá sus frutos, ayudando a producir puntos de capacidad más altos al mismo tiempo que mejora la integridad de los datos.

Fiabilidad y corrección de errores

Mientras que el tamaño físico de los sectores de discos duros se reduce, tomando cantidades cada vez más pequeñas de espacio, los defectos de los medios permanecen iguales. Considere la Figura 6, que muestra imágenes de lo que consideraríamos objetos muy pequeños. En relación con la separación de vuelo de un cabezal de lectura/escritura de un disco duro, estos objetos son relativamente grandes. Las partículas microscópicas mucho más pequeñas que las que aparecen en este diagrama pueden crear defectos de medios en un disco duro.

El sector de 4K más grande en la norma de Formato avanzado aproximadamente duplica ² el tamaño del bloque de ECC de 50 bytes a 100 bytes, ofreciendo una mejoría muy necesaria en la eficiencia de corrección de errores y resistencia contra de fectos por partículas y de medios.

Juntos, las ventajas de la eficiencia de formatos mejorados y una corrección de errores más sólida, hacen que la transición a sectores de 4K bien valga el esfuerzo. La administración adecuada de esta transición para capturar las ventajas a largo plazo con efectos secundarios mínimos ha sido un elemento clave para la industria del disco duro.

Comprendiendo los impactos de la transición a 4K

Como se indicó anteriormente, hay muchos aspectos de los sistemas informáticos modernos que continúan asumiendo que los sectores son siempre de 512 bytes. Para la transición de toda la industria a la nueva norma 4K y esperar que todos estos supuestos cambien de manera repentina simplemente no es realista. Con el tiempo, se realizará la implementación de sectores de 4K nativos, donde tanto el host como el disco duro intercambian datos en bloques de 4K. Hasta entonces, los fabricantes de discos duros implementarán la transición a sectores de 4K conjuntamente con una practica denominada emulador de sectores de 512 bytes.

Emulador de sectores de 512 bytes

La introducción de sectores 4K dependerá en gran medida del emulador de sectores de 512 bytes. Este término se refiere al proceso de traducción de los sectores físicos de 4K usados en el Formato avanzado a sectores heredados de 512 bytes esperados por los sistemas informáticos host.

El emulador de 512 bytes es aceptable, ya que no obliga a cambios complejos en los sistemas informáticos heredados. Sin embargo, conlleva el potencial de consecuencias negativas sobre el rendimiento, particularmente cuando se escriben datos que no corresponden perfectamente a los sectores más antiguos trasladados. Esto se hace evidente cuando se considera el proceso de lectura y escritura requerido por el emulador de 512 bytes.

Procesos de lectura y escritura emulados

Para leer datos de una unidad formateada con sectores de 4K en modo de emulación de 512, el proceso es muy sencillo, como se muestra en la Figura 7.

El proceso de lectura del bloque de datos de 4K y de formatear de nuevo el sector virtual específico de 512 bytes solicitado por la computadora host se realiza en la memoria DRAM de la unidad y no impacta considerablemente el rendimiento.

Un proceso de escritura puede ser más complicado, particularmente cuando los datos que el servidor intenta escribir son un subconjunto de un sector físico de 4K. En estos casos, el disco duro debe primero leer todo el sector de 4K que contiene la ubicación especificada de la solicitud de escritura del host, combinar los datos existentes con los nuevo datos y luego escribir de nuevo todo el sector de 4K (Figura 8).

En este caso, el disco duro debe realizar pasos mecánicos adicionales en la forma de lectura de un sector de 4K, modificando los contenidos y, a continuación, escribiendo los datos. Este proceso se denomina ciclo lectura-modificar-escritura, el cual no es deseable debido que tiene un impacto negativo en el rendimiento de la unidad de disco duro. Minimizar la probabilidad y la frecuencia de los casos de lectura-modificar-escritura es el aspecto más importante para realizar la transición a sectores de 4K de manera sencilla y sin problemas.

Prevención del ciclo lectura-modificar-escritura

1. Solicitudes de escritura que no están alineadas debido a una mala alineación de la partición lógica a física
2. Solicitudes de escritura más pequeñas que 4K en tamaño

Particiones de disco duro alineadas versus no alineadas

Hasta ahora no hemos discutido cómo los sistemas host y los discos duros comunican la ubicación de los sectores en los medios. Es hora de introducir la dirección del bloque lógico (LBA).

Cada sector de 512 bytes se asigna a una LBA única, de cero (0) al número requerido basado en el tamaño del disco. El host solicita un bloque de datos específicos usando la LBA asignada. Cuando el host solicita escribir datos, se devuelve una dirección LBA al final de la escritura indicándole al host dónde se localizan los datos. Esto es importante en la transición a los sectores de 4K, ya que hay ocho posibilidades diferentes para que se inicie la LBA del host.

Cuando la LBA 0 se alinea al primer bloque virtual de 512 bytes en el sector físico de 4K, la condición de alineación lógica a física para el emulador de 512 bytes se denomina Alineación 0. Otra alineación posible es cuando la LBA 0 se alinea al segundo bloque virtual de 512 bytes en el sector físico de 4K. Esta situación se denomina Alineación 1 y se muestra en comparación con la condición de Alineación 0 en la Figura 9. Hay seis posibilidades adicionales para particiones no alineadas que pueden resultar en eventos lectura-modificar-escritura similares a la condición de Alineación 1.

Las condiciones de Alineación 0 funcionan muy bien con los nuevos sectores de 4K en la norma Advanced Format. Esto se debe a que un disco duro puede fácilmente asociar ocho sectores contiguos de 512 bytes con un sector de 4K. Eso se logra mediante el almacenamiento de solicitudes de escritura de 512 bytes en la caché del disco duro hasta que se reciba suficientes bloques contiguos de 512 bytes que formen un sector de 4K. Debido a que las aplicaciones informáticas modernas se ocupan de los trozos de datos que son típicamente más grandes que 4K, los fragmentos de trama son extremadamente raros. Sin embargo, la situación de Alineación 1 es otro asunto.

Cuando las particiones del disco duro se crean y generan una condición no alineación como se muestra en la Figura 9, los resultados son los ciclos lectura-modificación-escritura que pueden reducir el rendimiento del disco duro. Esta es una condición de clave que debe evitarse en la implementación de los discos duros de Formato avanzado, la cual se discutirá más adelante.

Escrituras pequeñas

En las aplicaciones informáticas modernas, datos tales como documentos, fotografías y secuencias de video son mucho más grandes que 512 bytes. Por lo tanto, los discos duros pueden almacenar estas solicitudes de escritura en caché hasta que haya suficientes bloques secuenciales de 512 bytes para crear un sector de 4K. En la medida que las las particiones del disco duro estén alineadas, éste puede fácilmente asociar sectores de 512 bytes en sectores de 4K sin reducciones de rendimiento. Sin embargo, hay ciertos procesos de nivel bajo que pueden obligar al disco duro para ocuparse de situaciones de fragmentos de trama que no están asociados con las particiones no alineadas. Estos casos ocurren en raras situaciones donde el host realiza solicitudes de escritura discretas que realmente son más pequeñas que 4K. Estos eventos son actividades típicamente al nivel del sistema operativo que se ocupa de los sistemas de archivo, registro diario o actividades de bajo nivel similares. Generalmente, estos casos ocurren en números lo sufucuentemente pequeños de manera que no afectan significativamente el rendimiento general. Sin embargo, es recomendable que los diseñadores de sistemas consideren las modificaciones adecuadas para cualquiera de estos procesos con el fin de maximizar el rendimiento a medida que se hace realidad la transición a 4K.

Preparación y administración de la transición a 4K

Ahora que entendemos las ventajas de la migración a sectores de 4K, así como los impactos potenciales en el rendimiento, es hora de examinar la mejor manera de cómo la industria puede administrar esta transición. Este tema es mejor tratarlo en el contexto de los dos sistemas operativos más populares implementados en la informática moderna: Windows y Linux.

Administración de sectores de 4K bajo el ambiente Windows

El aspecto más importante de la administración de la transición a sectores de 4K se relaciona con los temas de alineación descritos anteriormente. Las unidades con Advanced Format funcionan bien en una condición de Alineación 0, donde las posiciones de inicio físico a lógico son iguales. Las condiciones de alineación se crean cuando las particiones del disco duro se crean. Las particiones se crean mediante el software que se incluye en dos categorías generales:

1. Versiones del sistema operativo de Windows
2. Utilidades de particiones del disco duro

En caso de particiones creadas con el sistema operativo Windows, hay tres versiones de Windows que hace falta comentar: Windows XP, Windows Vista y Windows 7. Microsoft participó con la comunidad en la planificación de la transición a sectores más grandes. En consecuencia, lanzaron un software compatible con el sector de 4K comenzando con Windows Vista Service Pack 1. El software que crea particiones de Alineación 0 (aquellas que funcionan bien con la norma de Formato avanzado) se denomina como “compatible con 4K”. La Tabla 2 describe la situación relativa a las generaciones actuales del sistema operativo de Windows de Microsoft.

Queda claro que los sistemas de computadoras despachados con las últimas versiones de Windows tendrán una ventaja en relación con el uso de unidades de disco duro Advanced Format. Sin embargo, para los sistemas que aún utilizan Windows XP o Windows Vista, antes de Service Pack 1, existe un riesgo importante de que se reduzca el rendimiento según el número de particiones creadas por el sistema operativo.

Además de la capacidad para crear particiones no alineadas con versiones antiguas de Windows OS, existen varias utilidades de software que son muy utilizadas por los creadores de sistemas, fabricantes de equipo originales, distribuidores de valor añadido y gestores de informática, que también pueden crear particiones no alineadas. De hecho, es más común crear particiones con estos tipos de utilidades en lugar de hacerlo con el propio sistema operativo Windows. De este modo, existe un riesgo importante de crear particiones no alineadas, y por consiguiente, obtener un entorno que puede provocar una degradación en el rendimiento de la unidad de disco en unidades con sectores de 4K. Para hacer el problema más complejo, las unidades de disco enviadas en los sistemas actualmente, están formadas por múltiples particiones del disco duro. Esto significa que cada partición en el disco duro se debe crear con un software de partición compatible con 4K para garantizar una alineación y un rendimiento apropiados. La Figura 10 muestra los resultados potenciales de crear múltiples particiones en las unidades de disco con un software que no sea compatible con 4K.

Manejar las condiciones no alineadas

Existen tres posibles métodos para evitar y/o manejar una condición no alineada que puede afectar el rendimiento de una unidad de disco.

1. Utilizar una versión nueva de Windows OS o trabajar con su proveedor de utilidad de partición para obtener una versión del software compatible con 4K.
2. Utilizar una utilidad del disco duro para realinear particiones de disco.
3. Dependiendo de su proveedor de disco duro puede administrar el rendimiento sin importar las condiciones de alineación.

Un método simple y directo para evitar que se presenten condiciones no alineadas es utilizar una versión de Windows compatible con 4K para crear particiones de discos duros. Los proveedores de las utilidades de software que crean las particiones de las unidades de disco deberían informarle si se encuentra disponible una versión compatible con 4K. Si es el caso, es recomendable migrar hacia estas versiones para evitar futuras preocupaciones.

Algunos fabricantes de unidades de disco duro abordan esta cuestión al ofrecer utilidades que examinan las particiones de discos duros existentes y las reorganizan según sea necesario. Esta alternativa requiere de tiempo adicional y agrega más pasos al proceso de construcción del sistema o al proceso de actualización.

En última instancia, los fabricantes desarrollarán métodos más sofisticados para administrar condiciones no alineadas y evitar los impactos negativos en el rendimiento.

A medida que continúe la transición hacia las unidades Advanced Format, todos estos métodos desempeñarán un papel importante en la maximización de los beneficios de la industria y evitarán los impactos potenciales en el rendimiento.

Administración de los Sectores de 4K en ambiente Linux

Las estrategias claves para manejar la transición hacia sectores de 4K en ambiente Windows también se pueden aplicar en Linux. Muchos usuarios del sistema Linux tienen acceso al código fuente, lo cual les permite personalizar el sistema operativo para satisfacer sus necesidades específicas. De este modo, los usuarios tienen la oportunidad de actualizar con anticipación sus sistemas Linux para administrar de forma apropiada las unidades de disco duro de Formato avanzado.

Crear particiones de disco de forma apropiada, que se encuentren alineadas con las unidades Advanced Format, y minimizar las pequeñas escrituras de los niveles del sistema que puedan generar atrasos, sin tener en cuenta los problemas de alienación, se puede evitar en su mayoría al modificar su sistema Linux.

Se realizaron cambios tanto en el núcleo como en las utilidades de Linux para admitir unidades de Formato avanzado. Estos cambios garantizan que todas las particiones en las unidades de Formato avanzado estén alineadas correctamente en los límites del sector de 4K. El soporte para núcleo para unidades de Formato avanzado está disponible en las versiones de núcleo 2.6.31 y en versiones más recientes. El Soporte para dividir y formatear unidades de Formato avanzado está disponible en las siguientes utilidades de Linux:

Fdisk: GNU Fdisk es una utilidad de línea de comando para particionar unidades de disco. Las versiones 1.2.3 y las versiones más recientes admiten unidades de Formato avanzado.

Parted: GNU Parted es una utilidad gráfica para particionar unidades de disco. Las versiones 2.1y las versiones más recientes admiten unidades de Formato avanzado.

Conclusión

El alejamiento de la industria de los sectores anteriores de 512 bytes esu na realidad. Los fabricantes de discos duros están de acuerdo con adoptar el estándar de Formato avanzado antes de enero de 2011, y enviar nuevos número de modelo s a los segmentos de mercado de computadoras portátiles y de sobremesa.

Los ingenieros de discos duros continúan impulsando el incremento en las densidades de área y una corrección de errores más robusta. Los consumidores se beneficiarán a medida que las unidades de disco duro continúen ofreciendo las altas capacidades, los menores costos por gigabyte y los niveles de fiabilidad continuos que anticipa la tecnología de discos duros.

La clave para lograr una transición sin inconvenientes es contar con una comunidad de almacenamiento de alto nivel para poder evitar las dificultades potenciales relacionadas con el rendimiento. El aspecto más importa para lograr una transición exitosa y sin dificultades hacia los sectores de 4K utilizados en Advanced Format es promover el uso de herramientas de partición para unidades de disco compatibles con 4K. Como creador del sistema, OEM, integrador, profesional de TI o incluso, como un usuario final que desea configurar una computadora, asegúrese de:

• Utilizar Windows Vista (Service Pack 1 o una versión posterior), Windows 7 y versiones posteriores para crear particiones en la unidad de disco.
• Cuando utilice un software o utilidad de terceros, hable con su proveedor para asegurarse de que estén actualizados y para confirmar que sean compatibles con 4K.
• Si tiene clientes que suelen rehacer la imagen de los sistemas, sugiérales que se aseguren de que sus utilidades de imagen sean compatibles con 4K.
• Si utiliza Linux, verifique con su proveedor de Linux o con su departamento de ingeniería, que su sistema haya adoptado los cambios para ser compatible con 4K.
• Pregunte a su proveedor de unidades de disco por cualquier dispositivo o guía para utilizar unidades de Formato avanzado en sus sistemas.

Junto con nuestros clientes y colegas de la industria, podemos lograr la transición a sectores de 4K de Advanced Format de forma fácil y eficiente, permitiendo que toda la industria de almacenamiento aproveche los beneficios potenciales a largo plazo.

Fuente: https://www.seagate.com/la/es/tech-insights/advanced-format-4k-sector-hard-drives-master-ti/