Transisi menuju Hard Disk Sektor 4K Format Lanjutan

Ikhtisar

Perubahan telah hadir dalam industri hard disk. Seiring meningkatnya densitas penyimpanan secara dramatis selama bertahun-tahun, salah satu aspek paling mendasar dari desain hard disk, yakni ukuran format blok logis yang dikenal sebagai sektor, tetap konstan.

Sekitar tahun 2010, perusahaan hard disk mulai bermigrasi dari ukuran sektor legasi 512 byte ke ukuran sektor 4.096 byte yang lebih besar dan lebih efisien, umumnya disebut sebagai sektor 4K, dan sekarang disebut sebagai Format Lanjutan oleh IDEMA (Asosiasi Materi dan Peralatan Hard Disk Internasional).

Makalah ini berisi konteks untuk migrasi ini, serta menunjukkan manfaat jangka panjang kepada pelanggan dan kemungkinan kesulitan yang harus dihindari saat beralih dari 512 byte ke sektor 4K.

Latar Belakang

Selama lebih dari 30 tahun, data yang tersimpan pada hard disk telah diformat ke dalam blok logis kecil yang disebut sektor, dengan ukuran sektor legasi 512 byte. Berbagai aspek sistem komputer modern masih memiliki asumsi desain berdasarkan standar format ini.

Format sektor legasi terdiri atas bagian Celah, bagian Sinkronisasi, bagian Tanda Alamat, bagian Data, dan bagian ECC (Kode Perbaikan Kesalahan) (Gambar 1).

Gambar 1. Tata letak Sektor Legasi pada Media Hard Disk

Struktur tata letak sektor ini dirancang sebagai berikut:

• Bagian celah: Celah memisahkan sektor.
• Bagian sinkronisasi: Tanda sinkronisasi menunjukkan awal dari sektor dan memberikan keselarasan pengaturan waktu.
• Bagian Tanda Alamat: Tanda alamat berisi data untuk mengidentifikasi nomor dan lokasi sektor. Bagian ini juga memberikan status tentang sektor itu sendiri.
• Bagian data: Bagian data berisi semua data pengguna.
• Bagian ECC: Bagian ECC berisi kode perbaikan kesalahan yang digunakan untuk memperbaiki dan memulihkan data yang mungkin rusak selama proses baca atau tulis.

Format level bawah ini telah melayani industri dengan baik selama bertahun-tahun. Namun karena kapasitas hard disk telah meningkat, ukuran sektor semakin menjadi elemen desain yang membatasi peningkatan kapasitas hard disk dan efisiensi perbaikan kesalahan. Misalnya, dengan membandingkan ukuran sektor dengan total kapasitas sebelumnya pada hard disk terbaru, Anda dapat melihat bahwa resolusi sektor menjadi sangat kecil. Resolusi sektor (rasio sektor sebagai persen total penyimpanan) menjadi sangat halus dan semakin tidak efisien (Tabel 1).

Resolusi yang sangat halus akan bagus jika digunakan untuk mengelola jumlah data terpisah berukuran kecil. Namun, aplikasi yang umum dalam sistem komputasi modern akan mengelola data dalam blok besar, bahkan jauh lebih besar dibandingkan ukuran sektor legasi 512 byte.

Lebih penting lagi, sektor kecil 512 byte telah menggunakan jumlah ruang pada permukaan hard disk yang semakin kecil karena densitas area telah meningkat. Faktor ini menjadi masalah dalam konteks perbaikan kesalahan dan risiko cacat media. Pada Gambar 2, misalnya, data di sektor hard disk menggunakan area lebih kecil, sehingga membuat perbaikan kesalahan menjadi lebih menantang karena cacat media dengan ukuran yang sama dapat merusak persentase yang lebih tinggi dari total muatan data, karenanya, membutuhkan kekuatan perbaikan kesalahan yang lebih besar.

Gambar 2. Cacat Media dan Densitas Area

Sektor 512 byte biasanya dapat memperbaiki cacat dengan panjang hingga 50 byte. Hard disk saat ini sudah mulai mengembangkan perbaikan kesalahan dengan densitas area utama. Akibatnya, migrasi ke sektor yang lebih besar dalam industri hard disk telah menjadi kebutuhan mendasar dibandingkan peningkatan perbaikan kesalahan dan pencapaian efisiensi format.

Transisi ke Sektor 4K (Format Lanjutan)

Industri penyimpanan telah merencanakan transisi ke format hard disk dengan sektor lebih besar selama bertahun-tahun; pekerjaan yang signifikan di Seagate bersama rekan kami di industri hard disk sejak tahun 2005 (Gambar 3). Pada bulan Desember 2009, melalui upaya yang terkoordinasi dalam IDEMA, Format Lanjutan diusulkan dan disetujui sebagai nama untuk standar sektor 4K byte. Selain itu, semua perusahaan hard disk telah berkomitmen memasarkan platform hard disk baru untuk produk desktop dan notebook dengan pemformatan sektor Format Lanjutan sejak bulan Januari 2011. Bahkan sebelum tanggal tersebut, hard disk Format Lanjutan telah mulai memasuki pasar. Seagate menjadi yang pertama kali memasarkan hard disk sektor besar ke pelanggan OEM dan dalam produk ritel bermerek.

Gambar 3. Pencapaian Utama dalam Pengembangan Standar Format Lanjutan

Manfaat Jangka Panjang Sektor 4K

Karena semua perusahaan hard disk telah sepakat untuk bertransisi ke desain sektor Format Lanjutan pada bulan Januari 2011, industri harus beradaptasi dan menerima perubahan ini demi meminimalkan potensi efek samping negatif. Meskipun manfaat jangka pendek bagi pengguna akhir tidak terlalu besar dalam hal peningkatan kapasitas cepat, migrasi ke sektor berukuran 4K sudah pasti paling memberikan cara yang lebih cepat untuk densitas area dan kapasitas hard disk yang lebih tinggi, serta perbaikan kesalahan yang lebih kuat.

Peningkatan efisiensi format dengan mengurangi jumlah ruang yang digunakan untuk kode perbaikan kesalahan

Gambar 4 menunjukkan tata letak sektor legasi 512 byte dengan masing-masing sektor 512 byte memiliki overhead yang tidak terkait dengan data sebesar 50 byte untuk ECC dan 15 byte lagi untuk bagian Celah, Sinkronisasi, dan Tanda Alamat. Hal ini menghasilkan efisiensi format¹ yang tersektorisasi sekitar 88% (512/(512 65)).

Gambar 4. Tata Letak Sektor Legasi 512 Byte

Standar Format Lanjutan baru beralih ke sektor 4K byte yang pada dasarnya menggabungkan delapan sektor 512 byte lama ke satu sektor 4K byte (Gambar 5).

Gambar 5. Format Lanjutan: Tata Letak Sektor 4K Byte

Standar Format Lanjutan menggunakan jumlah byte yang sama untuk Celah, Sinkronisasi dan Tanda Alamat, namun meningkatkan medan ECC hingga 100 byte. Hal ini menghasilkan efisiensi format¹ yang tersektorisasi sebesar 97% (4.096/(4.096 115)), peningkatan hampir 10%.

Seiring waktu, efisiensi format ini akan menguntungkan, sehingga membantu menghasilkan poin kapasitas lebih tinggi sekaligus meningkatkan integritas data.

Keandalan dan Perbaikan Kesalahan

Meskipun ukuran fisik sektor pada hard disk telah menyusut, dengan mengambil jumlah ruang yang semakin kecil, namun cacat media belum berkurang. Perhatikan Gambar 6 yang menampilkan gambar yang akan kita anggap sebagai objek yang sangat kecil. Terkait dengan fly height dari head baca/tulis hard disk, objek ini relatif besar. Partikel mikroskopis yang jauh lebih kecil dari yang ada pada diagram ini dapat menimbulkan cacat media pada hard disk.

Gambar 6. Representasi Skala Kecil dari Fly Height Hard Disk

Sektor 4K yang lebih besar dalam standar Format Lanjutan kurang lebih melipatgandakan² ukuran blok ECC dari 50 byte ke 100 byte dengan memberikan peningkatan yang sangat dibutuhkan dalam efisiensi perbaikan kesalahan dan ketahanan terhadap partikel dan cacat media.

Manfaat efisiensi format yang ditingkatkan bersama dengan perbaikan kesalahan yang lebih kuat akan membuat transisi ke sektor 4K layak diupayakan. Mengelola transisi ini dengan benar untuk mengambil manfaat jangka panjang dengan efek samping minimal adalah fokus utama bagi industri hard disk.

Memahami Dampak pada Transisi 4K

Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya, ada banyak aspek sistem komputasi modern yang terus berasumsi bahwa sektor harus selalu 512 byte. Melakukan transisi seluruh industri ke standar 4K yang baru dan berharap semua asumsi lama tersebut tiba-tiba berubah sama sekali tidak realistis. Seiring waktu, penerapan sektor 4K asli, tempat terjadinya pertukaran data antara host dan hard disk di blok 4K, akan berlangsung. Hingga saat itu, perusahaan hard disk akan menerapkan transisi sektor 4K dalam kaitannya dengan teknik yang disebut emulasi sektor 512 byte.

Emulasi Sektor 512 Byte

Pengenalan sektor berukuran 4K sangat tergantung pada emulasi sektor 512 byte. Istilah ini mengacu pada proses penerjemahan dari sektor fisik 4K yang digunakan dalam Format Lanjutan ke sektor legasi 512 byte yang diharapkan sistem komputasi host.

Emulasi 512 byte dapat diterima jika tidak memaksakan perubahan yang kompleks dalam sistem komputasi legasi. Namun, emulasi ini membawa potensi konsekuensi performa negatif, terutama saat menulis data yang tidak secara rapi sesuai dengan sektor legasi yang diterjemahkan. Hal ini menjadi jelas saat mempertimbangkan proses baca dan tulis yang dibutuhkan oleh emulasi 512 byte.

Proses Baca dan Tulis Teremulasi

Untuk membaca data dari hard disk sektor 4K yang telah diformat dalam mode emulasi 512, proses ini sangat mudah, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar 7. Potensi Urutan Baca untuk Emulasi 512 Byte

Proses baca blok data 4K dan format ulang sektor virtual 512 byte tertentu yang diminta komputer host dilakukan dalam memori DRAM hard disk dan dapat diperkirakan tidak mempengaruhi performa.

Proses tulis dapat menjadi lebih rumit, terutama jika data yang akan ditulis komputer host adalah kumpulan dari sektor 4K fisik. Dalam kasus ini, hard disk harus terlebih dulu membaca seluruh sektor 4K yang memuat lokasi permintaan tulis host yang telah ditargetkan, menggabungkan data yang ada dengan data baru, kemudian menulis ulang seluruh sektor 4K (Gambar 8).

Gambar 8. Potensi Urutan Tulis untuk Emulasi 512 Byte

Dalam hal ini, hard disk harus melakukan beberapa langkah mekanis tambahan yakni membaca sektor 4K, memodifikasi konten, kemudian menulis data. Proses ini disebut sebagai siklus baca-modifikasi-tulis yang tidak diinginkan karena berdampak negatif pada performa hard disk. Meminimalkan probabilitas dan frekuensi kasus baca-modifikasi-tulis adalah aspek terpenting dalam membuat transisi ke sektor 4K menjadi lancar dan tidak merepotkan.

Pencegahan Baca-Modifikasi-Tulis

1. Permintaan tulis tidak selaras karena ketidakselarasan partisi logis ke fisik
2. Permintaan tulis lebih kecil daripada ukuran 4K

Perbandingan Partisi Hard Disk Selaras dan Tidak Selaras

Hingga kini kami belum membahas cara sistem host dan hard disk mengomunikasikan lokasi sektor pada media. Saatnya memperkenalkan LBA (Logical Block Address).

Setiap sektor 512 byte diberikan LBA unik, mulai dari 0 (nol) hingga jumlah yang dibutuhkan berdasarkan ukuran disk. Host akan meminta blok data tertentu menggunakan LBA yang diberikan. Saat host meminta untuk menulis data, alamat LBA dikembalikan pada akhir penulisan yang memberi tahu host tentang lokasi data tersebut. Hal ini menjadi penting dalam transisi ke sektor 4K karena terdapat delapan kemungkinan yang berbeda untuk memulai LBA host.

Saat LBA 0 selaras dengan blok 512 byte virtual pertama di sektor fisik 4K, kondisi keselarasan logis ke fisik untuk emulasi 512 byte diistilahkan sebagai Keselarasan 0. Keselarasan lain yang dimungkinkan adalah saat LBA 0 selaras dengan blok 512 byte virtual kedua di sektor fisik 4K. Situasi ini diistilahkan sebagai Keselarasan 1 dan ditampilkan jika dibandingkan dengan kondisi Keselarasan 0 di Gambar 9. Ada enam kemungkinan tambahan untuk partisi tidak selaras yang dapat mengakibatkan peristiwa baca-modifikasi-tulis yang serupa dengan kondisi Keselarasan 1.

Gambar 9. Kondisi Keselarasan

Kondisi Keselarasan 0 berfungsi sangat baik dengan sektor 4K baru dalam standar Format Lanjutan. Hal ini karena hard disk dapat dengan mudah memetakan delapan sektor 512 byte yang berdekatan ke satu sektor 4K. Hal ini dicapai dengan menyimpan permintaan tulis 512 byte dalam cache hard disk hingga blok 512 byte yang cukup berdekatan diterima sehingga membentuk sektor 4K. Karena aplikasi komputasi modern berkaitan dengan potongan data yang biasanya lebih besar dari 4K, sangat jarang terjadi kekerdilan. Namun, situasi Keselarasan 1 adalah masalah yang berbeda.

Saat partisi hard disk diciptakan yang menghasilkan kondisi tidak selaras sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 9, hal ini menghasilkan siklus baca-modifikasi-tulis yang dapat memperlambat performa hard disk. Ini adalah syarat utama yang harus dihindari dalam penerapan hard disk Format Lanjutan dan akan dibahas kemudian.

Catatan Kecil

Dalam aplikasi komputasi modern, data seperti dokumen, gambar, dan streaming video jauh lebih besar dari 512 byte. Karenanya, hard disk dapat menyimpan permintaan tulis ini di cache hingga ada blok 512 byte yang cukup berurutan untuk membangun sektor 4K. Selama partisi hard disk selaras, hard disk dengan mudah dapat memetakan sektor 512 byte ke sektor 4K tanpa penalti performa. Namun demikian, ada beberapa proses tingkat bawah yang dapat memaksa hard disk menghadapi situasi kekerdilan yang tidak berkaitan dengan partisi tidak selaras. Proses ini jarang terjadi yang memungkinkan host membuat permintaan tulis terpisah yang sebenarnya lebih kecil daripada 4K. Proses ini biasanya merupakan aktivitas tingkat sistem operasi terkait sistem file, jurnalisasi, atau kegiatan level rendah sejenisnya. Umumnya, proses ini terjadi dalam jumlah yang cukup kecil sehingga keseluruhan performa tidak terpengaruh secara signifikan. Namun, sebaiknya perancang sistem memperhitungkan modifikasi yang tepat pada setiap proses ini agar memaksimalkan performa saat melakukan transisi 4K.

Mempersiapkan dan Mengelola Transisi 4K

Setelah kita memahami manfaat bermigrasi ke sektor 4K serta potensi dampaknya terhadap performa, sekarang saatnya untuk menguji seberapa baik industri dapat mengelola transisi ini. Topik ini sebaiknya dibahas dalam konteks dua sistem operasi terpopuler yang digunakan dalam komputasi modern: Windows dan Linux.

Mengelola Sektor 4K di Lingkungan Windows

Satu-satunya aspek terpenting dalam mengelola transisi ke sektor 4K adalah terkait masalah keselarasan yang dijelaskan di atas. Hard disk Format Lanjutan berfungsi dengan baik dalam kondisi Keselarasan 0, saat posisi awal fisik ke logis adalah sama. Kondisi Keselarasan tercipta saat satu (atau lebih) partisi hard disk dibuat. Partisi dibuat oleh perangkat lunak yang terbagi dalam dua kategori umum:

1. Rilis Windows OS
2. Utilitas pemartisi hard disk

Jika partisi dibuat dengan sistem operasi Windows, maka ada tiga rilis Windows yang memerlukan pembahasan: Windows XP, Windows Vista, dan Windows 7. Microsoft terlibat dengan komunitas yang merencanakan transisi ke sektor yang lebih besar. Karenanya, Microsoft merilis perangkat lunak yang kompatibel dengan sektor 4K dimulai dengan Windows Vista Service Pack 1. Perangkat lunak yang membuat partisi Keselarasan 0 (yang berfungsi baik dengan standar Format Lanjutan) disebut sebagai "4K aware". Tabel 2 menggambarkan situasi terkait generasi sistem operasi Microsoft Windows saat ini.

Sudah jelas bahwa pemasaran sistem komputer baru dengan versi Windows terbaru akan berada dalam situasi yang sangat baik terkait penggunaan hard disk Format Lanjutan. Namun, untuk sistem yang masih menggunakan Windows XP atau Windows Vista, Pre-Service Pack 1, terdapat risiko penurunan performa yang signifikan terkait partisi yang dibuat sistem operasi.

Selain potensi partisi tidak selaras yang dibuat dengan versi Windows OS yang lebih lama, terdapat juga beberapa utilitas perangkat lunak yang banyak digunakan oleh pengembang sistem, OEM, peritel bernilai tambah, dan manajer TI yang juga dapat menghasilkan partisi tidak selaras. Pada kenyataannya, partisi yang dibuat dengan jenis utilitas ini lebih umum dibandingkan dengan yang dibuat Windows OS itu sendiri. Demikianlah risiko pembuatan partisi yang tidak selaras, dan karenanya, lingkungan yang dapat mengakibatkan penurunan performa hard disk untuk hard disk yang menggunakan sektor 4K, menjadi signifikan. Masalah menjadi rumit jika hard disk yang dipasarkan dalam sistem saat ini terdiri atas beberapa partisi hard disk. Ini berarti bahwa setiap partisi pada hard disk harus dibuat dengan perangkat lunak pemartisi 4K-aware untuk memastikan terjaminnya keselarasan dan performa yang tepat. Gambar 10 menunjukkan potensi hasil pembuatan beberapa partisi hard disk dengan perangkat lunak selain 4K aware.

Gambar 10. Beberapa Partisi dan Kondisi Keselarasan

Menangani Kondisi Tidak Selaras

Ada tiga metode yang berpotensi untuk menghindari dan/atau mengelola kondisi tidak selaras yang dapat mempengaruhi performa hard disk.

1. Menggunakan versi Windows OS baru atau bekerja sama dengan penyedia utilitas pemartisi untuk mendapatkan versi perangkat lunak 4K-aware ini.
2. Menggunakan utilitas hard disk untuk menyelaraskan kembali partisi disk.
3. Mempercayakan pengelolaan performa kepada pemasok hard disk Anda, bagaimanapun kondisi keselarasannya.

Menggunakan versi Windows 4K-aware untuk membuat partisi hard disk adalah metode sederhana dan mudah agar terhindar dari kondisi tidak selaras. Vendor utilitas perangkat lunak pembuat partisi hard disk harus dapat memberi tahu Anda tentang ketersediaan versi 4K-aware. Jika ada, migrasikan ke versi ini untuk menghindari masalah lebih lanjut.

Beberapa perusahaan hard disk mengatasi masalah ini dengan menawarkan utilitas untuk memeriksa partisi hard disk yang ada dan menyelaraskannya kembali sesuai kebutuhan. Alternatif ini membutuhkan tambahan waktu dan langkah untuk proses pembuatan atau upgrade sistem.

Pada akhirnya, perusahaan hard disk akan mengembangkan metode yang lebih canggih untuk mengelola kondisi tidak selaras sekaligus menghindari dampak performa negatif.

Saat transisi ke hard disk Format Lanjutan berlanjut, semua metode ini akan berperan dalam memaksimalkan manfaat industri, sekaligus menghindari kemungkinan penurunan performa.

Mengelola Sektor 4K di Lingkungan Linux

Strategi utama dalam mengelola transisi ke sektor 4K di lingkungan Windows juga berlaku untuk Linux. Sebagian besar pengguna sistem Linux memiliki akses ke kode sumber yang memberi mereka kemampuan untuk menyesuaikan OS agar memenuhi kebutuhan khusus mereka. Hal ini memberikan kesempatan untuk secara proaktif memperbarui sistem Linux mereka agar dapat mengelola hard disk Format Lanjutan dengan benar.

Membuat partisi disk secara benar yang selaras dengan hard disk Format Lanjutan dan meminimalkan penulisan tingkat sistem kecil yang dapat menghasilkan kekerdilan, terlepas dari masalah keselarasan, sebagian besar dapat dihindari dengan membuat modifikasi pada sistem Linux Anda.

Perubahan telah dilakukan pada kernel dan utilitas Linux agar mendukung hard disk Format Lanjutan. Perubahan ini memastikan bahwa semua partisi pada hard disk Format Lanjutan diselaraskan dengan benar pada batas sektor 4K. Dukungan kernel untuk hard disk Format Lanjutan tersedia dalam kernel versi 2.6.31 dan di atasnya. Dukungan untuk pemartisian dan pemformatan hard disk Format Lanjutan tersedia pada utilitas Linux berikut:

Fdisk: GNU Fdisk adalah utilitas baris perintah yang dapat mempartisi hard disk. Versi 1.2.3 dan di atasnya mendukung hard disk Format Lanjutan.

Parted: GNU Parted adalah utilitas grafis untuk mempartisi hard disk. Versi 2.1 dan di atasnya mendukung hard disk Format Lanjutan.

Kesimpulan

Transisi industri dari sektor legasi 512 byte adalah suatu kepastian. Semua perusahaan hard disk telah sepakat untuk menggunakan standar Format Lanjutan paling lambat bulan Januari 2011 untuk pemasaran model baru ke segmen pasar notebook dan desktop.

Teknisi hard disk terus menjalankan peningkatan densitas area dan perbaikan kesalahan yang lebih kuat. Konsumen akan mendapatkan keuntungan karena hard disk terus menawarkan kapasitas yang lebih tinggi dengan biaya lebih rendah per gigabyte dan level yang dapat terus diandalkan seperti yang diharapkan oleh teknologi hard disk.

Kunci kelancaran transisi ini adalah komunitas penyimpanan yang berpendidikan, sehingga potensi kesulitan performa dapat dihindari. Aspek terpenting dari transisi ke sektor 4K yang lancar dan berhasil yang digunakan dalam Format Lanjutan adalah meningkatkan penggunaan alat pemartisi hard disk 4K-aware. Sebagai pembuat sistem, OEM, integrator, profesional TI, atau bahkan pengguna akhir yang sedang mengembangkan atau mengkonfigurasi komputer, pastikan untuk:

• Menggunakan Windows Vista (Service Pack 1 atau yang lebih baru), Windows 7, atau versi yang lebih baru untuk membuat partisi hard disk.
• Bila menggunakan perangkat lunak atau utilitas pihak ketiga untuk membuat partisi hard disk, periksa bersama vendor Anda agar memastikan perangkat lunak atau utilitas tersebut telah diperbarui dan dikonfirmasi untuk menjadi 4K aware.
• Jika Anda memiliki pelanggan yang sering membuat profil sistem, anjurkan mereka untuk memastikan bahwa utilitas pembuatan profil mereka adalah 4K aware.
• Jika menggunakan Linux, hubungi vendor Linux atau organisasi teknisi Anda untuk memastikan sistem Anda telah menerapkan perubahan ke 4K aware.
• Hubungi vendor hard disk Anda untuk mendapatkan saran atau petunjuk lain tentang penggunaan hard disk Format Lanjutan di sistem Anda.

Bersama rekan industri dan pelanggan, kami dapat membuat transisi ke sektor 4K Format Lanjutan menjadi lancar dan efisien yang memanfaatkan potensi keuntungan jangka panjang bagi seluruh industri penyimpanan.

Catatan Kaki

1 Format yang tersektorisasi sangat mengacu pada sektor data dan tidak memperhitungkan overhead terkait data servo dan ketidakefisienan tata letak sektor lainnya.

2 Tidak semua pelaksanaan sektor 4K benar-benar melipatgandakan byte ECC saat beralih dari sektor 512 byte ke sektor 4K.