Нова статия: Тестване на 14–16 TB твърди дискове: не само по-големи, но и по-добри

Капацитетът на твърдия диск продължава да се увеличава, но темпът на растеж постоянно намалява през последните години. И така, за да пусне първото 4 TB устройство, след като 2 TB твърди дискове бяха пуснати в продажба, индустрията отдели само две години, отне три години, за да достигне границата от 8 TB, и отне още три години, за да удвои капацитета на 3,5 -инчов твърд диск успя само веднъж за пет години.

Последният пробив беше постигнат благодарение на цял списък от иновативни решения. Днес дори такива консерватори като Toshiba, които доскоро отказаха хелия, са принудени да произвеждат твърди дискове в запечатани кутии, а броят на плочите на шпиндела се е увеличил до девет броя - въпреки че някога и дълго време са били пет плочи се счита за разумна граница. В специфични ниши се използва технологията на т.нар. запис на плочки (SMR, Shingled Magnetic Recording), при който секторните следи върху плочата частично се припокриват. И накрая, за да преместят ограничението за капацитет на твърдия диск от 14 на 16 TB без използването на SMR, производителите трябваше да внедрят една от обещаващите технологии, чийто постепенно намаляващ списък ние възпроизвеждаме всяка година заключителни статии, — четене на песен от няколко глави едновременно (TDMR, двуизмерен магнитен запис). По-нататъшният напредък рано или късно ще изисква по-големи промени в основите на работата на HDD - като нагряване на плочата с помощта на лазер или микровълни (HAMR/MAMR, Heat/Micwave-Assisted Magnetic Recording) в момента, в който преминава през записващата глава.

Въпреки това е лесно да се види, че всички описани техники са насочени основно към увеличаване на плътността на запис и увеличаване на обема на един шпиндел, въпреки че много от тях имат полезен страничен ефект под формата на повишена скорост на линейно четене и запис на данни. Според този параметър съвременните твърди дискове са надхвърлили ограничението от 250 MB/s и вече са сравними с ранните потребителски твърди дискове. Но скоростта на достъп до произволни сектори на магнитни дискове почти не напредва, а по отношение на обема броят на операциите в секунда става само по-малък. В същото време възникват повишени изисквания за отказоустойчивост, тъй като колкото повече данни се съхраняват на един шпиндел, толкова по-важно е да не се изгубят и толкова по-дълго време отнема възстановяването им.

Но създателите на магнитни устройства за съхранение също намериха отговор на това предизвикателство. Взехме три твърди диска, вариращи от 14TB до 16TB, за да видим как 64-годишната технология се адаптира към 2019 г. и забелязахме няколко тенденции. Шампионските примери за модерни 3,5-инчови твърди дискове, произведени за стелажни сървъри и системи за съхранение, имат нещо общо със SSD дисковете - от принципите на секторно адресиране до директното интегриране на флаш чипове в стека на локалната памет. А потребителските модели от своя страна станаха по-близки по своите характеристики до своите сървърни колеги и дори описанието „настолен твърд диск“ вече не говори толкова много за скоростта и надеждността на устройството. Но целта на този преглед не се ограничава до общи думи. Възнамеряваме да разберем как новите тенденции в дизайна на твърдите дискове се превръщат в стойности на производителността на твърдия диск.

⇡#Технически характеристики на участниците в теста

Преди да започнем да анализираме резултатите от теста, струва си внимателно да проучим характеристиките на устройствата, с които ще се занимаваме. Този път те не са толкова много, колкото обикновено се случва в нашите групови тестове, но сме изпълнили основните условия, без които сравнението на твърди дискове не може да се твърди, че е пълно. Ревюто включва продукти и на трите производителя - Seagate, Toshiba и Western Digital, като те принадлежат към различни категории: потребителски и сървърни. Основните характеристики, които ги обединяват, са обем от 14 или 16 TB, запечатан корпус, пълен с хелий, и скорост на шпиндела от 7200 rpm. И за сравнение с тежките, тестването включва три по-малки устройства, които вече са ни познати (10 и 12 TB), предназначени за използване в сървъри, домашен или офис NAS.

производител	Seagate			Toshiba		Western Digital
Серия	BarraCuda Pro	Exos X10	IronWolf	MG08	S300	Ultrastar DC HC530
Номер на модела	ST14000DM001	ST10000NM0016	ST12000VN0008	MG08ACA16TE	HDWT31AUZSVA	WUH721414ALE6L4
Формов фактор	Xnumx инч	Xnumx инч	Xnumx инч	Xnumx инч	Xnumx инч	Xnumx инч
интерфейс	SATA 6Gb/s	SATA 6Gb/s	SATA 6Gb/s	SATA 6Gb/s	SATA 6Gb/s	SATA 6Gb/s
Капацитет, GB	14 000	10 000	12 000	16 000	10 000	14 000
Конфигурация
Скорост на въртене на шпиндела, rpm	7 200	7 200	7 200	7 200	7 200	7 200
Полезна плътност на запис на данни, GB/плоча	1 750	1 429	1 500	1 778	1 429	1 750
Брой плочи/глави	8/16	7/14	8/16	9/18	7/14	8/16
Размер на сектора, байтове	4096 (512 байта емулация)	4096 (512 байта емулация)	4096 (512 байта емулация)	4096 (512 байта емулация)	4096 (512 байта емулация)	4096 (512 байта емулация)
Обем на буфера, MB	256	256	256	512	256	512
продуктивност
Макс. поддържана скорост на последователно четене, MB/s	250	249	210	ND	248	267
Макс. поддържана последователна скорост на запис, MB/s	250	249	210	ND	248	267
Средно време за търсене: четене/запис, ms	ND	ND	ND	ND	ND	7,5/ND
отказоустойчивост
Проектно натоварване, TB/g	300	ND	180	550	180	550
Фатални грешки при четене, брой срещания на обем данни (битове)	1/10 ^ 15	1/10 ^ 15	1/10 ^ 15	10/10 ^ 16	10/10 ^ 14	1/10 ^ 15
MTBF (средно време между отказите), h	ND	2 500 000	1 000 000	2 500 000	1 000 000	2 500 000
AFR (вероятност за отказ на година), %	ND	0,35	ND	ND	ND	0,35
Брой цикли на паркиране на главата	300 000	600 000	600 000	600 000	600 000	600 000
Физически характеристики
Консумирана мощност: празен ход / четене-запис, W	4,9/6,9	4,5/8,4	5,0/7,8	ND	7,15/9,48	5,5/6,0
Ниво на шум: неактивност/търсене, B	ND	ND	1,8/2,8	2,0/ND	3,4/ND	2,0/3,6
Максимална температура, °C: диск включен/диск изключен	60/70	60/ND	70/70	55/70	70/70	60/70
Устойчивост на удар: включен/изключен диск	ND	40 g (2 ms) / 250 g (2 ms)	70 g (2 ms) / 250 g (2 ms)	70 g (2 ms) / 250 g (2 ms)	70 g (2 ms) / 250 g (2 ms)	70 g (2 ms) / 300 g (2 ms)
Габаритни размери: Д × В × Д, мм	147 × 101,9 × 26,1	147 × 101,9 × 26,1	147 × 101,9 × 26,1	147 × 101,9 × 26,1	147 × 101,9 × 26,1	147 × 101,6 × 26,1
Маса, g	690	650	690	720	770	690
Гаранционен срок, години	5	5	3	5	3	5
Цена на дребно (САЩ, без данък), $	От 549 (newegg.com)	От 289 (newegg.com)	От 351 (newegg.com)	ND	От 301 (newegg.com)	От 439 (amazon.com)
Цена на дребно (Русия), руб.	От 34 348 (market.yandex.ru)	От 17 498 (market.yandex.ru)	От 26 320 (market.yandex.ru)	ND	От 19 784 (market.yandex.ru)	От 27 495 (market.yandex.ru)

Първият модел в нашата скромна колекция от твърди дискове с нескромни размери - BarraCuda Pro 14 TB - е устройство за настолни компютри и DAS, но не просто, а „професионално“. От една страна, това означава, че BarraCuda Pro е обект на типичните ограничения на настолните твърди дискове. Например, той не е предназначен за комбиниране в RAID масиви, тъй като за това е желателно да има TLER (Time-Limited Error Recovery) - настройка на фърмуера, която предотвратява излитането на HDD от масива поради продължителни опити на микроконтролера да прочете проблемния сектор. В допълнение, шасито BarraCuda Pro не е подходящо за работа в рафт или NAS с няколко кошници, тъй като не компенсира ротационните вибрации.

Но от друга страна, за разлика от повечето други настолни твърди дискове, HDD от тази марка имат увеличен годишен ресурс на натоварване - до 300 TB презапис, готови са за работа 24/7 и са придружени с петгодишна гаранция. Вероятно също няма да се оплаквате от производителността (поне при задачи с предимно линеен достъп до данни): благодарение на осем 1,75 TB плочи, устройството постига стабилна пропускателна способност от 250 MB/s. В допълнение, производителят обещава, че скоростта на произволен достъп в BarraCuda Pro трябва да бъде по-висока в сравнение с обикновените устройства за настолни компютри, а консумацията на енергия, напротив, е по-ниска от тази на повечето 3,5-инчови модели. Все пак ще проверим всички изявления на Seagate.

За да завладее такова високо ниво на плътност на данните в рамките на стандартния перпендикулярен запис без използването на ниша SMR (Shingled Magnetic Recording) технология, Seagate трябваше да внедри един от обещаващите методи, за които пишем година след година в нашия заключителни статии, - т.нар двуизмерен запис (Two-Dimensional Magnetic Recording). Но противно на името си, TDMR по никакъв начин не е свързан с процедурата за запис на данни като такава и е предназначен да увеличи съотношението сигнал / шум в условия на висока плътност на песни върху магнитна плоча поради едновременното четене на песен от две четящи глави: последните са раздалечени по такъв начин, че полето улавя съседни следи и става по-лесно да се компенсират смущенията. В бъдеще твърдите дискове с TDMR ще добавят още повече глави и заедно с надеждността на четенето на данни скоростта му може да се увеличи, но това все още е въпрос на бъдещето.

Устройствата BarraCuda Pro се различават по много начини от свързаните устройства от по-младата серия без префикса Pro - като се започне с факта, че всички производители на твърди дискове имат стандартни настолни модели, останали на 6–8 TB. Устройството BarraCuda Pro по-скоро може да се опише като потомство на сървърния клон на Seagate, който е лишен от функции, свързани с работа в масиви. Но в резултат на това цената на устройството скочи до нивото на корпоративните модели или дори по-високо: в Русия 14-терабайтов модел не може да се намери по-евтино от 34 348 рубли, а в сайтовете за търговия на дребно в Съединените щати - 549 долара. Дори близките модели на Seagate със същия обем струват по-малко - от $375 или 28 936 рубли.

Следващият тестов обект, 14 TB Ultrastar DC HC530, е близколинейно устройство, което представлява най-доброто, което инженерите на Western Digital можеха да направят до появата на новия 16 TB модел. И в практиката на 3DNews това стана първият твърд диск с марка Ultrastar без обичайните букви HGST в името: компанията прехвърли всички модели сървъри под собствената си марка, след като активите на HGST бяха напълно разтворени в обединената корпорация. По своите ключови характеристики това устройство е подобно на BarraCuda Pro със същия обем: вътре в запечатания корпус на Ultrastar DC HC530 има и осем магнитни плочи с полезен капацитет от 1750 GB, а технологията TDMR осигурява четене на данни от плътно разположени писти. Но по отношение на други параметри и разнообразието от допълнителни функции, характерни за корпоративните твърди дискове, Ultrastar DC HC530 не може да се постави на едно ниво с настолните модели, дори ако BarraCuda Pro не е типичен представител на своята категория.

По този начин полезната плътност на запис върху плочите BarraCuda Pro и Ultrastar DC HC530 е същата, както и скоростта на шпиндела, но продуктът на WD гарантира по-висока устойчива линейна скорост на четене и запис на данни - до 267 MB / s (не е ясно от къде е разликата, но тестовете ще покажат дали наистина съществува). Закъсненията по време на произволен достъп се намаляват от нов двустепенен актуатор от трето поколение и голям буфер от 512 MB, и най-важното, Media Cache - резервни зони за бързо записване на блокове, разпръснати по повърхността на плочите. Последната характеристика прави съвременните почтилинейни дискове подобни на SSD устройствата, които също имат променливо съотношение между физическите сектори и логическите блокове. И започвайки с 10-терабайтовите модели Ultrastar DC HC330, WD също използва малко количество флаш памет за кеширане на операции за запис. Обърнете внимание, че заедно с (потенциално) изключително висока производителност по стандартите на магнитните задвижвания, продуктът на WD се отличава с умерена консумация на енергия - всъщност това е устройството с най-ниска консумация на енергия сред всички участници в теста, съдейки по неговите паспортни параметри .

Устройствата от този клас са изградени с очакванията за непрекъсната работа в сървърна стойка: двустранен шпинделен монтаж, компенсация на въртящи се вибрации - тези и други конструктивни характеристики на Ultrastar DC HC530 направиха възможно увеличаването на проектното натоварване на диска до 550 TB/година, а MTBF е типичен за почти линейни модели 2,5 милиона часа. В случай на малко вероятна повреда при актуализиране на фърмуера, резервен чип е запоен към платката на контролера. Дискът се предлага в модификации с естествен достъп до 4 KB маркиране или емулация на 512-байтови сектори, със SATA или SAS интерфейс. В последния случай е налична и опцията за криптиране на данните от край до край.

Цените на дребно на WD Ultrastar DC HC530 в конфигурация със SATA порт и емулация на наследени 512-байтови маркировки съответстват на усъвършенстваните характеристики и технологии на това устройство: от 27 495 рубли. в руски онлайн магазини и $439 в Amazon.

Не беше лесно да съберем колекция от 14 TB твърди дискове за сравнително тестване и така и не успяхме да вземем подходящо устройство от трети производител - Toshiba. Но вместо това получихме модел от следващо поколение, 16 TB. Сега и трите компании за твърди дискове предлагат устройства с подобен капацитет, но продуктът от серията MG08 на Toshiba беше първият сред тях. Рекордът на японската компания разчита на плочи с приблизително, ако не точно, същата физическа плътност като 14TB твърдите дискове BarraCuda Pro и Ultrastar, но това е първият път, когато Toshiba успява да опакова девет палачинки в стандартен 3,5-инчов калъф. Не и без технологията TDMR, която се превърна в съществено условие за завладяване на нови граници на капацитета. Линейната пропускателна способност за четене/запис на Toshiba MG08 трябва да е на нивото на WD Ultrastar DC HC530, но, колкото и да е странно, производителят не разкрива никакви подробности за производителността на устройството.

Но е известно, че Toshiba също е предприела мерки за повишаване на надеждността и същевременно намаляване на латентността на операциите за запис: чипът с флаш памет на борда на MG08 в случай на прекъсване на захранването ви позволява да запазите данните, изпратени от хост контролера за запис, но съдейки по резултатите от теста, служи и като кеш памет от второ ниво след DRAM буфера. Въпреки това, тази технология (Persistent Write Cache) се появява само в спецификациите на дискове с емулация на 512-байтово оформление, което е допълнителен източник на опасност при прекъсване на захранването (и до известна степен краде производителността) поради необходимостта от извършване на четене -операция за промяна-запис всеки път записва логически блокове, които не съвпадат с границите на физическите сектори. Но серията MG08 включва и модели с естествен достъп до 4-килобайтови сектори. Дали това означава, че последните са напълно лишени от флаш памет или функцията за архивиране току-що е премахната от тях, не знаем. Но независимо от PWC, Toshiba MG08 и други устройства от тази компания, използвайте алгоритми за динамичен кеш, които според производителя оптимално разпределят буферното пространство между операциите за четене и запис. Ние също нямаме подробна информация за тях.

Други източници на повишена отказоустойчивост в дизайна на Toshiba MG08 са стойките на шпиндела от двете страни и сензорите за въртене на вибрации. Тези устройства са проектирани да записват 550 TB данни на година, имат средно време между отказите от 2,5 милиона часа, стандартно за корпоративни устройства, и петгодишен гаранционен период. Предлагат се по поръчка няколко различни конфигурации на устройства със SATA или SAS интерфейс и опционално криптиране от край до край. Въпреки това, не можем да ви дадем ориентир за цените: 16-терабайтовото устройство на Toshiba беше представено през януари, но все още е рядък звяр в продажбите на дребно.

Toshiba MG08 16 TB

След като се запознахме с тримата основни участници в теста, нека да разгледаме и по-малките твърди дискове, с които трябва да сравним новите 14-16 терабайтови модели. Един от тях, Exos X10 с капацитет 10 TB, е близколинейно устройство, съдържащо седем магнитни плочи в запечатан корпус. И въпреки че, тъй като използваемият капацитет на плочата се е увеличил от 1429 на 1750 GB или повече, скоростта на последователен достъп на твърдите дискове също трябва да се увеличи, в този параметър Exos X10 практически не отстъпва на същия 14 TB BarraCuda Pro според спецификациите на двата диска. Нещо явно не върви в спецификациите на твърдите дискове Seagate, но имаме възможност да разберем всичко на практика.

За да се увеличи скоростта на операциите с произволен достъп, серията Exos има разработен AWC (Advanced Write Caching) механизъм за кеширане на запис, който намалява времето за реакция. Под AWC записите се групират в DRAM буфер, както са във всеки друг твърд диск, но буферът запазва копие на данните, след като бъдат изхвърлени на плочата, и съдържанието на огледалния буфер може да бъде незабавно прочетено от хоста контролер. IN Сървърни твърди дискове Seagate 2,5-инчовият AWC форм фактор включва следващия най-бърз етап - запазени зони на повърхността на плочите, където данните от DRAM се записват в последователен ред (Media Cache), както и малко количество енергонезависима памет за спасяване на данни от буфера в случай на прекъсване на захранването. Но Exos X10 няма флаш памет и може би Media Cache заедно с нея.

В сравнение с потребителските твърди дискове за настолни компютри и NAS, устройствата от серията Exos се отличават с висок MTBF (2,5 милиона часа) и проектно натоварване (550 TB/година), възможност за работа в сървърна стойка без ограничения в броя на кошниците, и пет години експлоатационен живот.гаранционно обслужване. Твърдият диск с номер на модел ST10000NM0016, който получихме за тест, също принадлежи към модификациите Hyperscale, които имат по-ниска консумация на енергия в сравнение с други членове на семейството Exos, но се предлагат само със SATA интерфейс и емулация на 512-байтови сектори . В конфигурации със SAS конектор, моделите Exos също имат опции с естествен достъп до 4 KB сектори, както и криптиране от край до край на целия диск.

Твърдият диск Seagate IronWolf наскоро беше представен в нашия преглед нови представители на тази марка заедно със Seagate SSD за мрежово съхранение. 12-терабайтовият модел IronWolf изглежда е оборудван с плочи със същата физическа плътност на оформление като Exos X10, само че тук има още една от тях. Seagate обаче оценява производителността на своето дете при последователни операции за четене и запис много по-ниско - само 210 MB/s. И няма сложни технологии, насочени към компенсиране на високата латентност на реакцията, присъща на магнитните устройства.

Но всички твърди дискове на IronWolf, започвайки с капацитет от 4 TB, са заимствали редица хардуерни функции от серията Exos, които допринасят за повишена устойчивост на грешки. Блокът с магнитна плоча на всеки твърд диск е балансиран в две равнини, а сензорите за въртене на вибрации осигуряват стабилна работа в монтирани в стелажи системи за съхранение или самостоятелни NAS с до осем дискови клетки. IronWolf е проектиран за умерени работни условия с проектно натоварване от 180 TB/година и има MTBF от 1 милион часа. В резултат на това гаранционният срок на IronWolf не е толкова дълъг, колкото на по-сериозните модели в каталога на Seagate - три години.

Под марката S300 японската компания Toshiba пусна серия от устройства за системи за видеонаблюдение - тези твърди дискове също са посветени на собствените си преглед на страниците на 3DNews. Чрез разширяване на протокола за трансфер на данни ATA Streaming Command Set, по-старите модели на Toshiba S300 гарантират едновременен видеозапис от 64 камери за наблюдение, но в основата си те са типични устройства за NAS и DAS с възможност за работа 24/7 и приличен MTBF: точно като IronWolf е 1 милион часа, а гаранционният срок е същият три години. Благодарение на дизайнерските предимства на шасито S300 - двустранно монтиране на шпиндела и активна ротационна компенсация на вибрациите - е възможно да се инсталират повече от осем от тези устройства в един рафт на стелаж или свободно стоящ NAS.

Моделът S300, избран за сравнение с нови продукти с капацитет 14–16 TB, е изграден върху хардуерното шаси на сървърни устройства MD06ACA-V и съдържа седем магнитни пластини, а спецификациите на устройството показват произволна скорост на четене/запис от 248 MB/s, типично за съвременните твърди дискове с голям капацитет. Но от техниките, които се използват в сървърните твърди дискове на Toshiba за намаляване на латентността, S300 има само функцията Dynamic Cache.

За разлика от всички останали участници в теста, S300, дори и с плътна купчина от седем плочи, прави без хелий и се помещава в стандартна вентилирана кутия. Изглежда, че именно поради тази причина моделът с 10 терабайта има най-високата стойност на консумация на енергия в обобщената таблица на спецификациите на участниците в теста и този параметър, въпреки че сам по себе си е важен само за администраторите на центрове за данни, пряко определя температурата на HDD. Ние сами ще проверим реалната консумация на енергия на S300, но засега ще вземем под внимание тази точка.

Източник: 3dnews.ru