Advanced Format

Az adattárolás területén az Advanced Format olyan, a merevlemezek mágneses diszkjein alkalmazott szektorformátum, ami meghaladja az 512-520 bájtot szektoronként. A 2010-ben véglegessé vált Advanced Format szabvány fontos mérföldkő a merevlemezes háttértárak történetében, melynek során az 1956-os kezdetektől 512 bájtos egységenként dolgozták fel az adatokat. A szektorformátum megváltoztatása, a szektorok megnövelése az AF technológia első generációjában például 4096 bájtra az adattároló felületét hatékonyabban használja ki (jellemzően nagyméretű fájlok esetében), miközben lehetővé teszi erősebb hibajavító algoritmusok használatát, a nagyobb adatsűrűségű hordozókon is biztosítva az adatok integritását.

Advanced Format logó

Története

A nagyobb szektorméret igényét először 1998-ban ismerték fel, ekkor hívta fel a figyelmet a National Storage Industry Consortium (NSIC) egy kiadványában a folyamatosan növekvő adatsűrűség (területi adatsűrűség) és a merevlemezekben hagyományosan használt, szektoronkénti 512 bájtos formátum közötti kettősségre.^[1] Ekkor úgy tűnt, hogy a mágneses rögzítés technológiájában elért forradalmi áttörés hiányában a merevlemezek kapacitása stagnálni fog.

A felmerült igényre az adathordozók gyártóinak szakmai szervezete, az International Disk Drive Equipment and Materials Association (IDEMA) 2000-ben az IDEMA Long Data Sector Committee életre hívásával válaszolt; ebben a bizottságban az IDEMA, valamint a vezető hardver- és szoftverszállítók működtek együtt a nagyobb szektormérettel kapcsolatos szabványok megalkotásában és fejlesztésében, a régebbi szabvány szerinti számítástechnikai komponensekkel való visszamenőleges kompatibilitás módszereit is kidolgozva.^[1] Tíz évvel később készült el a nagyobb szektorméretet alkalmazó ipari szabvány első generációja, ami 4096 bájtos, avagy 4K-s szektormérettel számol. Az iparági átállást 2011 januárjára tűzték ki.^[2] Megalkották a szabvány több generációjának elnevezésére alkalmasnak ítélt „Advanced Format” kifejezést, és az Advanced Format logót, ami megkülönbözteti a nagy szektorméretű winchestereket a hagyományos, 512-520 bájtos szektorméretűektől.

Terminológia

A szabvány első generációjának terminológiája^[3] szerint:

• 512 emuláció (512e): 4K-s fizikai szektorok a lemezen, amit logikailag 512 bájtosra fordít le a gazdagép számára
• 4K natív (4Kn): 4K-s fizikai szektorok a lemezen, amiket a gazdagép is 4K-snak lát
• 4K-ready Host: olyan gazdagép, ami egyformán jól kezeli a hagyományos 512 bájtos és az 512e eszközöket.

Jelenleg (2011) 4Kn eszközöket nem árulnak – valószínűleg ez a végfelhasználók számára fog változni a 4K-s szektorokat nem kezelő Windows XP (melynek 2014-re a kiterjesztett támogatása is lejár) felhasználói bázisának üzletileg jelentéktelen szintre csökkenéséig,^[4] bár a nagyvállalati rendszerek számára 2012-re jósolja a 4Kn-eszközök megjelenését az IDEMA.^[5]

Áttekintés

Az Advanced Format első generációja, tehát a 4K-szektoros technológia azáltal használja ki hatékonyabban a lemez felületét, hogy 8 db 512 bájtos szektort von össze egyetlen, 4096 bájtos szektorrá. Eközben megtartja ugyanazokat az architekturális jellemzőket, amit a hagyományos, 512 bájtos szektornál is használtak: a szektor elején lévő azonosító és szinkronizáló jeleket, valamint a szektorvégi hibajavító kódolást (ECC). A szektorfejléc és az ECC terület között a 8 db 512 bájtos szektor összevonva szerepel, így kiküszöbölve az egyes 512 bájtos szektorok fejléceit.

A Long Data Sector Committee azért döntött az első generációs szabvány esetében a 4K-s szektorméret mellett, mert ez a jelenlegi számítástechnikában afféle mágikus számnak tekinthető: megfelel a CPU-k, illetve operációs rendszerek által használt leggyakoribb lapméretnek, a relációs adatbázisok standard tranzakcióméretének, több fájlrendszer alapértelmezett helyfoglalási egységének.^[6]

512 bájt-emulációs eszköz virtuális szektormérete

0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
1. fizikai szektor								2. fizikai szektor

A 4K-s szektorokra való áttérésből eredő nyereség 7-11%-ra tehető a fizikai lemezfelületet tekintve.^[7] A 4K-s formátum lehetővé teszi az ECC mező 50-ről 100 bájtosra növelését, és így új ECC-algoritmusok használatát. A megnövelt ECC-méret több hibás bit javítását teszi lehetővé, mint az 512 bájtos szektorformátum,^[8] és a 4K-s szektorokkal egy nagyságrenddel kisebb a Hard Error Rate (nem javítható hiba), mint az 512 bájtos rendszereken.^[9]

Az Advanced Format 4K technológia hatékonysága^[10]

Az Advanced Format szabvány ugyanazokat a beállításokat alkalmazza a szektorok közötti rések, szinkronizációs adatok és címbejegyzéseknél (gap, synch és address mark) mint a hagyományos 512 bájtos kiosztású merevlemezek, ám az 512 bájtos szektorokból 8-at összevon egyetlen adatmezőbe.

Mivel a merevlemez 1956-os megjelenése óta több milliárdot adtak el belőle 512 bájtos szektorral, számos rendszerprogram és alkalmazás adottnak veszi az 512 bájtos szektor konvencióját. A Long Data Sector Committee bizottságban már idejekorán jelen voltak a komponens- és szoftverszállítók, hogy felkészülhessenek az Advanced Formatra való átállásra. Így a Windows Vista, a Windows 7, a Windows Server 2008 egyaránt támogatja az Advanced Formatot, ahogy az új kiadású Linuxok és a Mac OS X Snow Leopard is.

Az Advanced Format eléréséhez az operációs rendszerek Direct Disk access (közvetlen lemezelérésű) műveleteket végeznek, azaz a BIOS-t megkerülve nyúlnak a merevlemezhez.

Advanced Format-kategóriák

A Long Data Sector Committee célkitűzései között a visszamenőleges kompatibilitás fenntartása is szerepelt. Ebből az okból az Advanced Formatot megvalósító eszközök több kategóriáját hozták létre.

Advanced Format 512e

Számos hardver- és szoftverkomponens feltételezi, hogy a merevlemez 512 bájtos szektorokkal van kialakítva. A komponensek közé tartozik számos lapkakészlet, operációs rendszer, adatbázismotor, merevlemez-particionáló és -lemezképkészítő eszközök, adatmentő és fájlrendszerkezelő segédprogramok, és néhány más alkalmazás is. Az ezekkel való kompatibilitás fenntartása érdekében a legtöbb merevlemezgyártó 512 bájtos interfészre konvertáló firmware-rel látja el eszközeit. A 4096 bájtos fizikai szektorokkal rendelkező, de 512 bájtos interfésszel is ellátott eszközökre Advanced Format 512e vagy 512 emulation drive (512e, 512-emulációs lemez) néven hivatkoznak.

Az 512 bájtos szektort feltételező kódok potenciális lelőhelyei.^[11]

A 4096 bájtos fizikai formátum és az 512 bájtos virtuális formátum közötti fordítás a merevlemezhez hozzáférő entitás számára transzparens módon zajlik. Az írás-olvasási műveleteket ugyanolyan formátumban kell kiadni az Advanced Format eszközöknek, mint a hagyományosaknak. Olvasáskor a különbség annyiban áll, hogy a folyamat során az 512e-s merevlemeznek a kért 512 bájtos adatot tartalmazó teljes 4096 bájtos szektort be kell töltenie a memóriájába. Ezután az emulációs firmware kibontja és újraformálja a megfelelő adatot 512 bájtos adaggá, mielőtt elküldené a gazdagépnek. A folyamat általában minimális vagy zéró teljesítménycsökkenéssel jár.

A formátumok közötti fordítás komplikáltabb, ha a lemezre írandó adat nem a 4 kilobájt többszöröse, vagy nincs a 4K-s szektorhatárra igazítva. Az első esetben a HDD-nek vissza kell olvasnia az írási művelet által megcélzott teljes 4096 bájtos szektort a memóriájába, bele kell integrálnia az új adatokat, majd vissza kell írnia a teljes szektort a lemezre. Ez az olvasás-módosítás-visszaírás (read-modify-write, RMW) művelet jelentős lassulást okozhat, mivel a lemeznek gyakran még egy teljes fordulatot meg kell tennie a művelet befejezéséig. Ha az írási művelet nincs szektorhatárhoz igazítva, akkor ráadásul 2 4K-s szektor is érintve lehet az RMW-műveletben. Az ebből adódó teljesítménycsökkenés akár a 30%-ot is elérheti.^[12]

Régebbi operációs rendszerek esetén törekedni kell arra, hogy az írás-olvasási műveletek 4K-szektorhatárra igazítva történjenek, vagy a teljesítmény jelentősen csökkenni fog. A Windows XP például notóriusan az LBA 63-as szektoron kezdi az első partíciót, ami 4K-s szervezésű lemezeken minden esetben illesztetlenséget okoz.^[13] Ennek a feloldására több megoldás alkalmazható:

• Újabb operációs rendszerű (pl. Windows 7) gépen kell kialakítani a partíciót még a telepítés előtt
• A (WD) merevlemez egy jumper beállításával +1 offszetet ad hozzá minden címzéshez, így az XP-s partíció jó helyre kerül. Hátránya, hogy több partíció esetén csak az első partíció fog igazodni, valamint problémát okozhat egy későbbi, fejlettebb operációs rendszerrel való újratelepítéskor.^[4]
• A korábban létrehozott partíciókat szükség esetén szektorhatárra eltoló segédprogram alkalmazása (ezeket az AF merevlemezekhez általában a gyártó ingyen adja, de fizetős megoldások is léteznek, ilyen pl. a Paragon Partition Alignment Toolja).

4K natív (4Kn)

A nagyvállalati szintű 4K natív merevlemezek 2014 áprilisa óta vásárolhatók meg.^[14][15]

A Microsoft operációs rendszerei közül a Windows 8 és a Windows Server 2012 támogatja elsőként a 4K natív formátumot (az emuláció mellett).^[16]