US Patent P/N 9257144為誰而來？
在冬瓜哥的那篇文章《冬瓜哥的一項新存儲技術專利已正式通過》中，我們得知冬瓜哥的最新專利技術專利號：US Patent P/N 9257144，冬瓜哥還解釋這“是一項針對SMR磁盤性能優化方面的技術專利”。顯然，US Patent P/N 9257144當然是為SMR磁盤誕生的。
但是更進一步的問一下：您是否知道US Patent P/N 9257144針對SMR磁盤來說為何值得創新？估計各位看官就開始一頭霧水了。更有甚者，對于SMR磁盤也是頭回聽說。顯然，要說清冬瓜哥這項在美國存儲專利領域留名的大作，還要從SMR磁盤講起。
SMR是磁盤的巨大創新，但魚和熊掌豈能兼得？
如今的存儲介質的最前沿創新或許在3DXPoint上，但當前風頭最盛的是閃存，而從市場的實用占有情況看，說HDD成為明日黃花還為時尚早。為此，業界還有必要在HDD上下些功夫。而SMR則是HDD領域值得稱道的創新。
有了閃存之后，人們或許看到了在HDD帶寬上的增效努力往往是徒勞，創新更多聚焦在了單位體積內容量的增加上面。為此我們看到了在標準的3.5英寸盤體內有著更多硬盤容量的不斷創新，6TB、8TB等大容量硬盤相繼誕生。
但最初的創新遇到了一個瓶頸。
早先同樣大小盤匣內容量的增加有賴于在在垂直高度上盤片的增加。把盤片做的更薄，但這樣的創新會很快遇到瓶頸。盤片不能無限的薄下去，盤片愈加薄對相應的機械部件制造工藝也帶來前所未有的難度和穩定性考驗。那么接下來就不得不促使業界需要在橫向上思考創新。
傳統的磁盤盤片是一個由多個環形磁道組成的同心圓平面，類似于平常所見的光盤。磁盤數據的讀取是有由盤片旁邊的機械臂驅動磁頭，在盤片的相應磁道上讀取其中的磁信號來實現的。由于各個磁道并不相互覆蓋，故而限制了盤片容量的大小。磁盤在橫向上創新上思考，則從能否讓磁道堆疊起來取得了突破。SMR磁盤由此誕生。
在SMR技術之前的磁道技術為水平磁記錄（LMR）或是垂直磁記錄(PMR)技術，典型特點就是同一盤片的各個環形磁道處于同一平面。而SMR技術即“疊瓦式磁記錄技術”則將磁道變得很窄，甚至窄過了寫磁頭的寬度——這使得其看上去類似于屋頂的層疊瓦片。這就意味著硬盤盤片上的數據組織的結構發生了質的變化，數據存儲方式也需要作出更為深層的調整。SMR是磁盤的巨大創新，有效地提高了磁道密度和單位面積存儲密度，10TB的大容量硬盤迅速成為現實。
能在盤片上“塞進”更多磁道不僅是SMR技術的實現特點，相應的，SMR硬盤的讀磁頭不得不只有普通讀磁頭的一半大小。
這時讀者或許會問，讀寫磁頭為何不做成一樣大小呢？寫磁頭本質上是一個電磁鐵，只有足夠大才能產生足夠的磁力來磁化盤面上的偶極子。而讀頭只是去感受偶極子的磁場線方向的變化，信號放大的工作交給磁盤電路板上的芯片來完成。
回到正題。由于堆疊，SMR硬盤的磁道變得更更窄，寫磁頭不得不跨磁道操作。這樣帶來的后果就是帶來不必要的寫放大（write amplification），即《大話存儲》中稱之為的“寫懲罰”。
以上圖為例，在Band A內，寫磁頭在Track A上的新操作也會同時將數據寫入Track B，而此時Track B上與Track A上相同的數據顯然是不必要的；繼而新寫入Track B時同時也會將數據寫入Track C，同理Track C上與Track B上相同的數據顯然是不必要的。倘若此后需要對Track A的數據進行修改寫入，Track B上原有的數據不得不做閃轉騰挪，先將受到Track A上寫入操作的Track B地址的數據讀出到緩存中，待修改Track A完畢之后再將Track B上的數據從緩存中遷回。如此寫放大，不就是閃存上的把戲么？但HDD的那令人汗顏的IO速度卻玩不起這個游戲。尤其是，當SMR硬盤面對著大量的隨機數據寫入的時候，真是傷不起！
盡管SMR技術能提高數據存儲密度，但卻增加了對數據隨機寫入的延遲。正應了魚和熊掌不可兼得的道理。
業界為了“兼得”也做出了一些努力，如通過把要寫入的大量隨機數據進行積累，從而形成順序寫數據。這種方法雖說對SMR HDD的寫速度有一定改善，但卻影響了順序讀的性能。
顯然，SMR硬盤還有很大的創新空間。US Patent P/N 9257144則創造了一個新的機會。
可寫不可寫可寫不可寫可寫不可寫……
冬瓜哥提供的US Patent P/N 9257144方法首先就跳出了在磁盤上寫入的慣性思維–既然，SMR技術將相鄰磁道堆疊帶來的不小的寫懲罰，數據寫入又何必墨守成規一個磁道挨著一個磁道寫呢？為此US Patent P/N 9257144提供的思路就是當一個磁道寫滿后，跳過相鄰磁道，在下一個磁道進行寫入。正如冬瓜哥所說“寫滿一個磁道之后，下一個相鄰磁道不寫入，到下下個磁道繼續寫”。例如下圖，當寫滿Track A時，不考慮Track B、Track C，直接跳到Track D寫。由此，再看原來的磁道排列就變成了可寫磁道、不可寫磁道、可寫磁道、不可寫磁道、可寫磁道……這樣的有序排列。
這里的規矩是，US Patent P/N 9257144將原有SMR HDD的磁道劃分為可寫磁道和不可寫磁道。不可寫磁道夾在兩個可寫磁道之間，兩個可寫磁道之間不可寫磁道寬度取決于至少一個寫磁頭寬度。
按照這種方法寫入的好處是，當對Track A的數據進行寫入的時候，對于相鄰磁道數據的誤覆蓋就不用操心了。這里需要特別解釋的是，以上圖為例，Track A的相鄰磁道Track B并非實際的“不可寫”，而是把Track B當成了垃圾帶，Track A寫滿之后的有用數據已經放在了Track D上。兩個可寫磁道之間不可寫磁道寬度為至少一個寫磁頭寬度有效保證了寫入對相鄰磁道的影響，保證了在寫容量在達到可寫容量一半之前時寫放大為零。
由于設立了很多不可寫磁道，此舉顯然是用空間換時間，正如冬瓜哥所說“代價是在前期犧牲一半的容量”。不可寫磁道也并非永遠的不可寫，當可寫磁道容量用盡時，不可寫磁道可以轉換為可寫磁道，寫法依照此前的可寫磁道。只有當跳磁道寫法用盡時，“再進入CoW或者RoW過程，轉到目前普遍使用的類似NAND Flash底層的處理方式上”，也就是回歸SMR HDD寫入的傳統方法。
由于可以采用一陣間隔磁道的寫入，在此段時間內也避免了此前SMR HDD遭受的寫懲罰，也就從整體上提高了全盤對于隨機寫數據的操作時間。“該技術的優勢是，保證數據的連續性，而不是當前普遍的方式下所帶來的上層的連續地址讀到了底層被轉換為隨機地址讀”。前期更快的響應寫請求，可以讓整個系統在后臺做充分的優化。
怎樣做的？
剛才說了，冬瓜哥提升SMR HDD隨機寫性能的專利方法是建立跳磁道寫，需要設立不可寫磁道。然而，并不是要那些磁道真的“不可寫”，而是臨時性的寫不上去。當最初開發的可寫磁道用盡時，不可寫的磁道也就可變為可寫。冬瓜哥的具體實現可不是靠挪動磁道來實現的。
要知道，用戶對于磁盤存儲空間的感知并不是直接的，這之間經過了很多道關卡。正如上圖，物理磁盤被劃分為多個物理磁道，物理磁道又被規劃為多個物理LBA，這些物理LBA與主機系統建立的邏輯LBA形成映射（map），一些邏輯LBA在映射成為邏輯磁盤。邏輯磁盤正如我們經常在“我的電腦”里看到的“C”“D”“E”盤等。這些“C”“D”“E”盤并非真正是底層磁盤的劃分，而是經過多層映射的結果。為此，建立跳磁道的SMR HDD的寫入規則就可以從修改之間的映射關系入手——物理磁道與物理LBA相對應，但物理LBA并不需要完全映射給邏輯磁盤。即將不需要寫入的磁道不反映在物理LBA與邏輯磁盤的映射當中，當需要時間建立映射關系。
在US Patent P/N 9257144提供的實現中，物理磁道到邏輯磁盤指間建立了三個虛擬化層：最上層的IO引擎模塊、中層的請求處理模塊、底層的SMR物理邏輯磁盤。IO引擎模塊發起IO請求，中層的請求處理模塊完成邏輯磁盤到底層的SMR物理邏輯磁盤的邏輯映射。中層的請求處理模塊既可以由純軟件實現，也可以由單獨的硬件實現，還可以軟硬件共同實現；請求處理模塊既可以完成單獨的盤管理映射，也可以實現多盤映射，如放在RAID控制器上。同時，請求處理模塊也承擔了多項智能感知功能，如自動學習IO特性實現等功能。
當前，SMR HDD的主要市場在于對順序寫順序讀有較大需求的市場，例如如交互式多媒體視頻點播（VOD）、數據備份、網絡磁盤行業。冬瓜哥提供的US Patent P/N 9257144方法在一定程度上提升了SMR HDD對隨機數據的寫入性能，而且在一定程度上不降低順序讀的性能，從而給整個系統提供了更大的后臺優化處理的時間和余地，從而讓SMR HDD對于拓展市場有了更多可能性。例如SMR HDD對OLTP數據庫服務支持的可能性。
