Нова статия: Тестове на твърди дискове с капацитет 14–16 ТБ: не само повече, но и по-добре

Капацитетът на твърдите дискове продължава да нараства, но темповете на растеж в последните години постепенно намаляват. Така, за да издадат първия диск с капацитет 4 ТБ след появата на 2 ТБ HDD, индустрията е отделила само две години, за да достигне 8 ТБ са били необходими три, а удвояването на обема на 3,5-инчовия твърд диск отново е отнело само пет години.

Последният напредък стана възможен благодарение на цял списък от иновационни решения. Днес дори такива консерватори като Toshiba, която дълго време отказваше хелий, са принудени да произвеждат твърди дискове в херметически корпуси, а броят на пластините на шпиндела се увеличи до девет, въпреки че доскоро пет пластини се считаха за разумен предел. В специфични ниши се използва технологията на т.н. шингл запис (SMR, Shingled Magnetic Recording), при която пистите сектори на пластината частично се припокриват. И накрая, за да преместят пределите на капацитета на твърдия диск от 14 на 16 ТБ без прилагане на SMR, производителите трябваше да внедрят една от перспективните технологии, чиито списък постепенно се свива в нашите ежегодни резюмета, — четенето на пистата с няколко глави едновременно (TDMR, Two-Dimensional Magnetic Recording). По-нататъшното развитие рано или късно ще изисква и по-мащабни промени в основите на работата на HDD — като нагряване на пластината с лазер или микровълни (HAMR/MAMR, Heat/Microwave-Assisted Magnetic Recording) в момента на преминаване на записващата глава.

Обаче лесно се забелязва, че всички описани методи са насочени предимно към увеличаване на плътността на записа и увеличаване на обема на един шпиндел, въпреки че много от тях имат положителен страничен ефект под формата на повишена скорост на линейно четене и запис на данни. По този параметър съвременните HDD преминаха границата от 250 MB/s и вече са сравними с ранните потребителски твърдотелни накопители. Но скоростта на достъп до случайни сектори на магнитните дискове почти не напредва, а при преобразуване на обема броят на операциите на секунда става само по-малък. В същото време се увеличават изискванията за отказоустойчивост, тъй като колкото повече данни се съхраняват на един шпиндел, толкова по-важно е да не бъдат загубени и толкова по-дълго отнема възстановяването им.

Но и на този вызов у създателите на магнитни носители се появи отговор. Взехме три твърди диска с капацитет от 14 до 16 ТБ, за да разберем как се адаптират технологии на 64 години към реалностите на 2019 година и забелязахме няколко тенденции. Шампионските образци на съвременните 3,5-инчови харддискове, произведени за стоечни сървъри и СХД, имат нещо общо с твърдотелните носители — от принципите на адресирането на секторите до директната интеграция на флаш микрочипове в местния стек памет. А потребителските модели, от своя страна, станаха по-близки по характеристиките си до сървърните аналози, и дори описанието "десктопен HDD" вече не говори толкова много за бързината и надеждността на устройството. Но задачата на този обзор не се свежда до общи думи. Ние сме решили да разберем как новите тенденции в конструкцията на харддисковете се отразяват в твърди числа за производителност.

⇡#Техническите характеристики на участниците в теста

Преди да започнем анализа на тестовите резултати, е важно внимателно да проучим характеристиките на устройствата, с които ще работим. Този път не са толкова много, колкото обикновено в нашите групови тестове, но ние спазихме основните условия, без които сравнението на харддисковете не може да претендира за завършеност. В прегледа участваха продукти на трите производителя — Seagate, Toshiba и Western Digital, и те принадлежат към различни категории: потребителска и сървърна. Основните характеристики, които ги обединяват, са капацитет от 14 или 16 ТБ, херметичен корпус, запълнен с хелий, и скорост на въртене на шпиндела 7200 оборота/мин. А за сравнение с тежковесите в теста участват три вече познати устройства с по-малък капацитет (10 и 12 ТБ), предназначени за експлоатация в сървъри, домашни или офис NAS.

Първият модел в нашата скромна колекция от твърди дискове с необичайно голям обем — BarraCuda Pro 14 ТБ — е устройство за настолни ПК и DAS, но не обикновено, а „професионално“. От една страна, това означава, че BarraCuda Pro подлежи на типичните ограничения на десктопни твърди дискове. Например, не е предназначена за обединяване в RAID масиви, тъй като за това е желателно наличието на TLER (Time-Limited Error Recovery) — настройка на фърмуера, която предотвратява изключването на HDD от масива поради дългосрочни опити на микроконтролера да прочете проблемен сектор. Освен това корпусът на BarraCuda Pro не е приспособен за работа в рафт или NAS с множество чекмеджета, тъй като няма компенсация за въртяща вибрация.

Но от друга страна, в отличие от повечето други десктопни хард дискове, HDD на тази марка имат увеличен годишен ресурс на натоварване — до 300 ТБ преписване, готови са да работят 24/7 и идват с петгодишна гаранция. Възможностите за производителност също не би трябвало да бъдат проблем (най-малкото в задачи с предимно линейен достъп до данни): благодарение на осем пластини от 1,75 ТБ, устройството достига стабилна пропускателна способност от 250 МБ/с. Освен това производителят обещава, че скоростта на произволен достъп в BarraCuda Pro трябва да бъде по-висока в сравнение с обикновените дискове за настолни компютри, а консумацията на енергия, напротив, по-ниска в сравнение с повечето 3,5-инчови модели. Все пак, всички декларации на Seagate ще проверим.

За да достигне толкова висока плътност на данните в рамките на стандартно перпендикулярно записване без използване на нишова технология SMR (Shingled Magnetic Recording), Seagate се наложи да внедри един от перспективните методи, за които всяка година пишем в нашите резюмета, известна като двумерна магнитна запис (Two-Dimensional Magnetic Recording). Но въпреки името си, TDMR не е свързана със самата процедура на запис на данни и е предназначена за увеличаване на съотношението сигнал/шум при висока плътност на пистите на магнитния диск, чрез едновременно четене на писта от две четящи глави: последните са разположени пространствено така, че полето да улавя съседни писти, което улеснява компенсацията на интерференцията. В бъдеще твърдите дискове с TDMR ще наберат още повече глави, а заедно с надеждността на прочита на данни може да се увеличи и скоростта, но това е все още бъдеще.

Накопителите BarraCuda Pro значително се различават от сродните устройства на по-ниската серия без приставката Pro — започвайки с факта, че при всички производители на HDD стандартните десктоп модели са заседнали на обем от 6–8 Тбайт. Дискът BarraCuda Pro по-скоро може да се опише като потомка на сървърната линия на Seagate, който е лишен от функции, свързани с работа в масиви. В резултат на това и цената на устройството е нараснала на ниво корпоративни модели, а понякога дори и повече: в Русия 14-терабайтна версия не може да се намери по-достъпно от 34 348 рубли, а на търговските платформи в САЩ — $549. Дори nearline моделите на Seagate с такъв обем струват по-малко — от $375 или 28 936 рубли.

Следващият експериментален обект, 14-терабайтният диск Ultrastar DC HC530, е накопител от клас nearline, който представя всичко най-добро, на което са способни инженерите на Western Digital, докато не се появи нов модел с обем 16 Тбайта. А в практиката на 3DNews той стана първият твърд диск на марка Ultrastar без познатите букви HGST в името: компанията премести всички сървърни модели под собствената си марка, след като активите на HGST напълно се разтвориха в обединената корпорация. В своите ключови характеристики това устройство е подобно на BarraCuda Pro с такъв обем: вътре в херметичния корпус Ultrastar DC HC530 също са разположени осем магнитни пластини с полезна вместимост от 1750 Гбайт, а четенето на данни от плътно разположените писти се осигурява от технологията TDMR. Но по останалите параметри и разнообразието от допълнителни функции, присъщи на корпоративните HDD, Ultrastar DC HC530 не може да бъде поставен на едно ниво с десктоп моделите, макар BarraCuda Pro да не е типичен представител на своята категория.

Да, полезната плътност на записите на пластините BarraCuda Pro и Ultrastar DC HC530 е същата, както и скоростта на въртене на шпиндела, но продуктът на WD гарантира по-висока стабилна скорост на линейно четене и запис на данни — до 267 MB/s (не е ясно откъде идва разликата, но тестовете ще покажат дали наистина съществува). Затрудненията при произволен достъп се намаляват благодарение на двустепенния актуатор от ново трето поколение и голям буфер с обем 512 MB, а основното, Media Cache — резервни зони за бързо записване на блокове, разпръснати по повърхността на пластините. Последната особеност сближава съвременните nearline дискове с твердотелните устройства, при които също съществува променливо отношение между физическите сектори и логическите блокове. А от 10-терабайтовите модели Ultrastar DC HC330, WD използва за кеширане на операции за запис и малък обем флеш-памет. Забелязваме, че едновременно с (потенциално) изключително висока производителност за магнитни носители, продуктът на WD се отличава с умерен разход на енергия — всъщност това е устройство с най-ниска консумация сред всички участници в теста, ако съдим по паспортните му параметри.

Твърдите дискове от такъв клас са проектирани за непрекъснато експлоатиране в условия на сървърни рафтове: двустранно закрепване на шпиндела, компенсация на въртящите вибрации — тези и други конструктивни особености на Ultrastar DC HC530 позволиха да се достигне проектна натовареност на диска от 550 TB/година, а времето на работа преди отказ е типично за nearline модели — 2,5 млн. часа. В случай на малко вероятен неуспех по време на обновяване на фърмуера на контролера е инсталиран резервен чип. Дискът се предлага в модификации с нативен достъп до разположение 4K или емулация на 512-байтови сектори, с интерфейс SATA или SAS. В последния случай е налична и опция за криптиране на данните в реално време.

Розничните цени на WD Ultrastar DC HC530 в конфигурация с порт SATA и емулация на наследените 512-байтови разположения отговарят на напредналите характеристики и технологии на това устройство: от 27,495 рубли в руски онлайн магазини и 439 долара на ‘Amazon’.

Събирането на колекция от твърди дискове с капацитет 14 ТБ за сравнителни тестове не беше лесно, и подходящото устройство на трета страна — Toshiba — така и не успяхме да получим. Вместо това обаче получихме модел от следващото поколение, с капацитет 16 ТБ. В момента всички три компании, които произвеждат твърди дискове, предлагат устройства с подобен обем, но именно продуктът Toshiba от серията MG08 беше сред тях най-ранен. Рекордът на японската компания е основан на пластини с приблизително, ако не и точно такава физическа плътност на запис, каквато имат твърдите дискове BarraCuda Pro и Ultrastar с капацитет 14 ТБ, но Toshiba за първи път успя да побере девет „блинове“ в стандартен корпус с размер 3,5 инча. Не мина и без технологията TDMR, която се оказа съществено условие за покоряване на нови граници на капацитета. Пропускателната способност на Toshiba MG08 в операции на линейно четене/запис трябва да бъде на нивото на WD Ultrastar DC HC530, но, странно, производителят не разкрива никакви подробности относно производителността на устройството.

Но е известно, че Toshiba също е предприела мерки за увеличаване на надеждността и в същото време намаляване на латентността на записните операции: флаш чипът на борда на MG08 в случай на аварийно прекъсване на захранването позволява да се запазят данните, изпратени от хост контролера за запис, но, съдейки по резултатите от тестовете, също така изпълнява функцията на вторично кеш памет след DRAM буфера. Въпреки това тази технология (Persistent Write Cache) фигурира само в спецификациите на дискове с еймулация на 512-байтова маркировка, което е допълнителен източник на опасност при прекъсване на захранването (и до известна степен краде производителността) поради необходимостта от извършване на операция read-modify-write при всяко записване на логически блокове, които не съвпадат с границите на физическите сектори. А серията MG08 също така включва модели с натурален достъп до 4-килобайтови сектори. Значи ли това, че последните изцяло нямат флаш памет или просто им е свалена функцията на резервното копиране, не знаем. Но независимо от PWC, Toshiba MG08, а и други устройства на тази компания, използват алгоритми Dynamic Cache, които, според производителя, оптимално разпределят пространството на буфера между операциите на четене и запис. Нямаме подробна информация и за тях.

Други източници на повишена отказоустойчивост в конструкцията на Toshiba MG08 са двустранното закрепване на шпиндела и датчиците за ротационна вибрация. Тези дискове са проектирани за запис на 550 Тбайт данни годишно, имат стандартно време на безотказна работа за корпоративни устройства от 2,5 милиона часа и петгодишен гаранционен срок. На разположение са няколко различни конфигурации на диска с интерфейс SATA или SAS и необязателна функция за крайно шифроване. Още не можем да ви ориентираме по цена: 16-терабайтният диск Toshiba беше представен още през януари, но все още е рядко явление в търговията на дребно.

Toshiba MG08 16 Тбайт

Сега, след като се запознахме с трите основни участници в тестването, да погледнем към твърдите дискове с по-малък капацитет, с които ще сравним новите 14-16 терабайтни модели. Един от тях, Exos X10 с капацитет 10 TB, е nearline накопител, съдържащ седем магнитни плаки в херметически корпус. И макар че оттогава полезният капацитет на плаката е нараснал от 1429 до 1750 GB и повече, скоростта на последователен достъп в твърдите дискове също трябва да се увеличи, по този параметър Exos X10 почти не отстъпва на същия BarraCuda Pro с 14 TB съгласно спецификациите на двата накопителя. Нещо явно не съвпада в спецификациите на твърдите дискове Seagate, но имаме възможност да разберем всичко на практика.

За да увеличи скоростта на операциите с произволен достъп, в серията Exos съществува усъвършенстван механизъм за кеширане на запис AWC (Advanced Write Caching), който намалява времето за отговор. В рамките на AWC операциите за запис се групират в DRAM буфера, както се случва в който и да е друг твърд диск, но буферът запазва копие на данните след като те бъдат изхвърлени на плаката, а съдържанието на огледалния буфер може да бъде незабавно прочетено от хост контролера. В сървърните твърди дискове Seagate 2,5-инчовия форм-фактор AWC включва следващото по скорост ниво — резервирани участъци на повърхността на пластините, където данните от DRAM се записват в последователен ред (Media Cache), както и малък обем нестараеща се памет за спасяване на данните от буфера при авариен блокаж на захранването. Но в Exos X10 липсва флаш памет, а може би и самият Media Cache.

Дискът от серията Exos се отличава с висока надеждност (2,5 млн. часа) и проектирана товароподемност (550 ТБ/год.), позволява работа в сървърни шкафове без ограничения за броя на шаситата, както и с петгодишна гаранция. Тестваният твърд диск с модел ST10000NM0016 е от Hyperscale модификациите, които разполагат с понижено енергопотребление в сравнение с другите модели Exos, но се произвеждат само с SATA интерфейс и емуляция на 512-байтови сектори. В конфигурации с SAS изход, моделите Exos предлагат опции с натурален достъп до 4-килобайтни сектори и функция за криптиране на данните по целия диск.

Твърдият диск Seagate IronWolf наскоро беше в новините нашето ревю в новите представители на марката заедно с SSD на Seagate за мрежови хранилища. 12-терабайтовият модел IronWolf очевидно ползва пластини с подобна физическа плътност на разположение, както Exos X10, само че тук те са с една повече. Въпреки това Seagate оценява производителността на продукта си в операции на последователно четене и запис значително по-ниско — само 210 МБ/с. Без сложни технологии, които да компенсират висока латентност при магнитните носители.

Всички дискове IronWolf, започвайки от 4 ТБ, са заимствали от серия Exos редица хардуерни характеристики, които подпомагат увеличената надеждност. Магнитните пластини на всеки диск са балансирани в две оси, а сензорите за вибрации осигуряват стабилна работа в сървърни хранилища или самостоятелни NAS с до осем дискови шасита. IronWolf е проектиран за умерено натоварване с проектна товароподемност от 180 ТБ/год. и време на работа до отказ от 1 млн. часа. Поради това, гаранцията на IronWolf не е толкова дълга, колкото за по-сериозните модели в каталога на Seagate — три години.

Под марката S300 японската компания Toshiba представи серия от носители за системи за видеонаблюдение — тези дискове също имат собствено посветено. прегледа На страниците на 3DNews. Благодарение на разширяването на протокола за предаване на данни ATA Streaming Command Set, по-високите модели Toshiba S300 гарантират едновременно записване на видео от 64 камери за наблюдение, но в основата си остават типични устройства за NAS и DAS с възможност за експлоатация 24/7 и приличен ресурс на работа на отказ: както при IronWolf, той е 1 милион часа, а гаранционният срок — същите три години. Благодарение на конструктивните предимства на шасито S300 — закрепване на шпиндела от двете страни и активна компенсация на въртящата се вибрация — допуска се инсталирането на повече от осем такива устройства в един стойков шкаф или самостоятелно NAS.

Модел S300, избран за сравнение с новините с обем 14–16 ТБ, е изградена на базата на хардуерното шаси на сървърните дискове MD06ACA-V и съдържа седем магнитни пластини, а в спецификациите на устройството е посочена типичната за съвременните по-обемни HDD скорост на произволно четене/запис от 248 MB/s. Но от техниките, които се използват в сървърните хард дискове Toshiba за намаляване на латентността, при S300 е останала единствено функцията Dynamic Cache.

В отличие от всички останали участници в теста, S300 дори при плътен стек от седем пластини успешно работи без хелий и е изработен в стандартен вентилиран корпус. Изглежда, именно по тази причина 10-терабайтният модел има най-високото значение на консумирана мощност в обобщената таблица със спецификации на участниците в теста, а този параметър, въпреки че сам по себе си е важен само за администраторите на 데이터 центрове, пряко определя температурата на HDD. Реалното потребление на енергия от S300 ние още ще проверим сами, но засега ще вземем този пункт под внимание.

Източник: 3dnews.ru