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

Капацитетът на твърдите дискове продължава да нараства, но темповете на растеж в последните години неуклонно намаляват. Например, за да се изведе на пазара първото устройство с капацитет 4 ТБ след появата на 2-терабайтни HDD, индустрията е положила само две години усилия, за да преодолее границата от 8 ТБ са били нужни три, а удвояването на обема на 3,5-инчовия твърд диск е осъществено едва след пет години.

Последният напредък бе постигнат благодарение на цял набор от иновационни решения. Днес дори така консервативни компании като Toshiba, които дълго време отказваха да използват хелий, са принудени да произвеждат хард дискове в херметични корпуси, а броят на пластините на шпиндела нарасна до девет — макар че доскоро пет пластини се считаха за разумен максимум. В специфични ниши се прилага технологията на т. нар. „плочков запис“ (SMR, Shingled Magnetic Recording), при която пистите на секторите на пластината частично се припокриват. Накрая, за да се повиши капацитетът на твърдия диск от 14 до 16 ТБ без прилагане на SMR, производителите трябваше да внедрят една от перспективните технологии, списъкът на които постепенно намалява и ние го възпроизвеждаме в ежегодните обобщителни статии, — четенето на пистата с няколко глави наведнъж (TDMR, Two-Dimensional Magnetic Recording). По-нататъшното развитие неизменно ще изисква и по-мащабни промени в основите на работата на HDD — като загряване на пластината с лазер или микровълни (HAMR/MAMR, Heat/Microwave-Assisted Magnetic Recording) в момента на преминаване на записващата глава.

Въпреки това, лесно е да се забележи, че всички описани методи са насочени предимно към увеличаване на плътността на запис и увеличаване на обема на един шпиндел, въпреки че много от тях имат положителен страничен ефект под формата на увеличена скорост на линейно четене и запис на данни. По този параметър съвременните HDD преминаха границата от 250 МБайт/с и вече са сравними с ранните потребителски твердотелни устройства. Но скоростта на достъп до случайни сектори на магнитните дискове почти не напредва, а в устройствата по обем броят на операциите на секунда става все по-малък. В същото време възникват повишени изисквания за устойчивост на провали, тъй като колкото повече данни се съхраняват на един шпиндел, толкова по-важно е да не се изгубят и толкова по-дълго е възстановяването.

Но и на този призив производителите на магнитни носители откриха отговор. Взехме три твърди диска с капацитет от 14 до 16 ТБ, за да разберем как се адаптират 64-годишните технологии към реалността на 2019 г., 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 адресиране на секторите до директната интеграция на флаш-чиповете в локалния стек памет. А потребителските модели, от своя страна, се доближиха по характеристиките си до сървърните аналози и дори описанието „десктопен HDD“ вече не казва толкова много за производителността и надеждността на устройството. Но задачата на този преглед не се ограничава до общи думи. Ние сме настроени да разберем как новите тенденции в конструкцията на твърдите дискове се изразяват в конкретни числа на измерванията на производителността.

⇡#Технически спецификации на участниците в теста

Преди да започнем анализа на тестовите резултати, е важно да разгледаме внимателно характеристиките на устройствата, с които ще работим. Този път те не са толкова много, колкото обикновено в нашите групови тестове, но спазихме основните условия, без които сравнението на твърдите дискове не може да претендира за пъленост. В прегледа участват продукти от трите производители — 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 об/мин. А за сравнение с тежките участници в теста участват три вече известни устройства с по-малък капацитет (10 и 12 ТБ), предназначени за работа в сървъри и домашни или офис NAS.

Първият модел в нашата скромна колекция от дискове с несравним обем — BarraCuda Pro 14 ТБ — е съхранител за настолни РС и DAS, но не какъв да е, а "професионален". От една страна, това означава, че BarraCuda Pro е подложен на типичните ограничения на настолните хард 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 изключването на HDD от масива поради дълги опити на микроконтролера да прочете проблемен сектор. В допълнение, шасито на BarraCuda Pro е лошо адаптирано за работа в рафт или NAS с множество отсеци, тъй като в него няма компенсация за въртящи се вибрации.

Но от друга страна, за разлика от повечето други настолни винчестери, HDD на тази марка разполагат с увеличен годишен ресурс на натоварване — до 300 ТБ презапис, готови са да работят в режим 24/7 и са с петгодишна гаранция. За производителността определено няма да се оплаквате (поне в задачи с предимно линейен достъп до данни): благодарение на осем плочи по 1,75 ТБ устройството достига стабилна пропускателна способност от 250 МБ/с. Освен това производителят обещава, че скоростта на произволен достъп в BarraCuda Pro ще бъде по-висока в сравнение с обикновените дискове за настолни компютри, а консумацията на енергия, обратно, по-ниска, отколкото при повечето 3,5-инчови модели. Въпреки това всички твърдения на Seagate ще проверим.

За да покори толкова висок етап на плътност на данните в стандартното перпендикулярно записване без използване на нишова технология SMR (Shingled Magnetic Recording), Seagate трябваше да внедри един от перспективните методи, за които пишем всяка година в нашите обобщителни статии, — т.н. двумерно записване (Two-Dimensional Magnetic Recording). Но въпреки името си, TDMR не е свързано с процедурата по записване на данни и е предназначено за увеличаване на процента сигнал/шум при висока плътност на пътечките на магнитния диск чрез едновременноп четене на пътечката от две четящи глави: последните са разположени в пространството по такъв начин, че полето захваща съседни пътечки, и компенсирането на интерференцията става по-лесно. В бъдеще, твърдите дискове с TDMR ще имат още повече глави, а с надеждността на четенето на данни може да се увеличи и скоростта, но това е все още в бъдеще.

Накопителите BarraCuda Pro значително се различават от свързаните устройства от по-ниската серия без приставка Pro — започвайки с това, че всички производители на HDD стандартните десктоп модели са застинали в обема от 6–8 ТБ. Дискът BarraCuda Pro по-скоро може да бъде описан като наследник на сървърната гама на Seagate, който е лишен от функции, свързани с работата в масиви. Но в резултат цената на устройството се е повишила до нивото на корпоративни модели, а може би и по-високо: в Русия 14-терабайтната модел не може да се намери по-евтино от 34 348 рубли, а в търговските платформи в САЩ — 549 $. Дори nearline-моделите на Seagate с такъв обем струват по-малко — от 375 $ или 28 936 руб.

Следващият опитен обект, 14-терабайтният диск Ultrastar DC HC530, е nearline клас устройство, което показва всичко най-добро, на което инженерите на Western Digital са способни, преди да излезе новият модел с капацитет 16 ТБ. В практиката на 3DNews той стана първият твърд диск Ultrastar без познатите букви HGST в името: компанията премести всички сървърни модели под собствената си марка след като активите на HGST бяха напълно интегрирани в обединената корпорация. В основните си характеристики това устройство е подобно на BarraCuda Pro със същия капацитет: в херметично затвореното тяло на Ultrastar DC HC530 също са разположени осем магнитни пластини с полезен капацитет от 1750 ГБ, а четенето на данни от плътно разположените писти се осигурява от технологията TDMR. Но по останалите параметри и разнообразие от допълнителни функции, присъщи на корпоративните HDD, Ultrastar DC HC530 не може да се сравнява с десктопните модели, въпреки че BarraCuda Pro не е типичен представител на своята категория.

Така, полезната плътност на запис на пластините BarraCuda Pro и Ultrastar DC HC530 е една и съща, както и скоростта на завъртане на шпиндела, но продуктът на WD гарантира по-висока устойчива скорост на линейно четене и запис на данни — до 267 МБ/с (не е ясно откъде идва разликата, но тестовете ще покажат дали тя наистина съществува). Задържането при произволен достъп се намалява благодарение на двустепенния актуатор на новото трето поколение и голям буфер с капацитет от 512 МБ, а ключовото, Media Cache — резервни зони за бързо записване на блокове, разположени по повърхността на пластините. Последната характеристика сближава съвременните nearline дискове със солид-state устройства, при които също съществува променливо съотношение между физическите сектори и логическите блокове. А от 10-терабайтовите модели Ultrastar DC HC330, WD започва да използва и малко количество флаш памет за кеширане на операции по запис. Забележете, че едновременно с (потенциално) изключително висока производителност по мерките на магнитните носители, продуктът на WD се отличава с умерено потребление на мощност — всъщност това е устройството с най-нисък разход на енергия сред всички участници в тестовете, ако съдим по неговите паспортни параметри.

Накопителите от този клас са проектирани за непрекъсната работа в условията на сървърно оборудване: двустранно закрепване на шпиндела, компенсация на ротационна вибрация — тези и други конструктивни особености на Ultrastar DC HC530 позволиха проектният капацитет на диска да достигне 550 Тбайт/година, а времето до отказ е типично за nearline модели - 2,5 милиона часа. В случай на малко вероятен бъг при обновяване на фърмуера на контролера е инсталиран резервен чип. Дискът се предлага в модификации с нативен достъп до 4 КБ раздели или емулация на 512-байтови сектори, с интерфейси SATA или SAS. В последния случай е налична и опцията за криптиране на данни в реално време.

Розничните цени на WD Ultrastar DC HC530 в конфигурация с порт SATA и емулация на наследствената 512-байтова разделка отговарят на водещите характеристики и технологии на това устройство: от 27 495 рубли в руски онлайн магазини и $439 на Amazon.

Беше трудно да съберем колекция от харддискове с капацитет 14 Тбайт за сравнително тестване, и подходящото устройство на третия производител - Toshiba - не успяхме да получим. Вместо него обаче получихме модел от следващото поколение, с 16 Тбайта. В момента всички три компании, произвеждащи харддискове, предлагат накопители с подобен капацитет, но именно продуктът Toshiba от серията MG08 беше сред тях най-напред. Рекордът на японската компания се основава на пластини с приблизително същата физическа плътност на запис, като тази в харддисковете BarraCuda Pro и Ultrastar на 14 Тбайта, но Toshiba за пръв път успя да опакова девет „блинове“ в стандартен 3,5-инчов корпус. Не липсва и технологията TDMR, която стана основно условие за достигане на нови нива на капацитет. Пропускната способност на Toshiba MG08 при линейно четене/запис би следвало да съответства на тази 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 едновременно намаляване на латентността на операциите по запис: микрочипът с флаш памет на борда на MG08 позволява да се защитят данните, изпратени от хост контролера за запис, в случай на аварийно прекъсване на захранването, но според резултатите от тестовете, той също така изпълнява функцията на кеш памет от второ ниво след буфера DRAM. Въпреки това, тази технология (Persistent Write Cache) фигурира само в спецификациите на дисковете с емуляция на 512-байтова разметка, която представлява допълнителен източник на опасност при повреда на захранването (и в известна степен ограбва производителността) заради необходимостта да се извърши операцията read-modify-write при всяко записване на логически блокове, които не съвпадат с границите на физическите сектори. А серията MG08 включва и модели с нативен достъп до 4-килобайтови сектори. Значи ли това, че последните са напълно лишени от флаш памет или просто функцията за резервно копиране е премахната, не знаем. Но независимо от PWC, Toshiba MG08 и другите дискове на фирмата използват алгоритмите Dynamic Cache, които, според производителя, оптимално разпределят пространството на буфера между операциите по четене и запис. Нямаме подробна информация за тях.

Други източници на повишена отказоустойчивост в конструкцията на Toshiba MG08 включват закрепването на шпиндела от двете страни и сензорите за въртяща вибрация. Тези дискове са проектирани за запис на 550 Тбайта данни годишно, притежават стандартно за корпоративни устройства време на работа до отказ от 2,5 милиона часа и петгодишен гаранционен срок. Налични са няколко различни конфигурации на диска с интерфейс SATA или SAS и опционална функция за пропускателно шифроване. Не можем да ви информираме относно цените: 16-терабайтният диск Toshiba беше представен още през януари, но все още е рядкост в търговската мрежа.

Toshiba MG08 16 Тбайт

Сега, когато се запознахме с тримата основни участници в тестовете, да видим твърдите дискове с по-малък обем, с които ще сравняваме новите 14-16 терабайтни модели. Един от тях, Exos X10 с капацитет от 10 ТБ, представлява nearline носител, съдържащ седем магнитни диска в херметически затворен корпус. И въпреки че полезният капацитет на диска е нараснал от 1429 до 1750 ГБ и по-горе, скоростта на последователен достъп в твърдите дискове също трябва да се увеличи, по този параметър Exos X10 почти не отстъпва на BarraCuda Pro с 14 ТБ, съгласно спецификациите на двата носителя. Нещо явно не е наред в спецификациите на твърдите дискове Seagate, но имаме възможност да разберем всичко на практика.

За да се увеличи скоростта на операциите с произволен достъп, в серията Exos съществува усъвършенстван механизъм за кеширане на записи AWC (Advanced Write Caching), който намалява времето за реакция. В рамките на AWC операциите по запис се групират в буфера DRAM, както става при всеки друг твърд диск, обаче буферът запазва копие на данните след като те са записани на диска, и съдържанието на резервния буфер може да бъде веднага прочетено от хост контролера. В сървърните твърди дискове Seagate 2,5-инчов форм-фактор AWC включва следващото ниво по скорост — резервирани участъци на повърхността на дисковете, където данните от DRAM се записват в последователен ред (Media Cache), а също така и малък обем енергонезависима памет за спасяване на данните от буфера при аварийно изключване на захранването. Но в Exos X10 липсва флаш памет, а може и Media Cache да е заедно с нея.

От потребителските хард дискове за десктоп компютри и NAS, дисковете от серията Exos се отличават с високи показатели на време до отказ (2,5 милиона часа) и предвидено натоварване (550 ТБ/год.), възможност за експлоатация в сървърни стелажи без ограничение на броя на кошниците, както и петгодишен срок на гаранционно обслужване. Хард дискът с модел ST10000NM0016, който получихме за тест, освен това принадлежи към модификациите Hyperscale, които имат намалена консумация на енергия в сравнение с другите представители на семейството Exos, но се предлагат само с интерфейс SATA и емулация на 512-байтови сектори. В конфигурации с интерфейс SAS сред моделите Exos има варианти и с нативен достъп до 4-килобайтни сектори, а също така и с функция за пълно дисково криптиране.

Хард дискът Seagate IronWolf неотдавна фигурираше в нашия обзор новите представители на тази марка заедно с твердотелния диск Seagate за мрежови хранилища. 12-терабайтният модел IronWolf, очевидно, е оборудван с пластини с такава съща физическа плътност на запис, каквато има при Exos X10, но тук те са с една повече. Въпреки това, Seagate оценява производителността на своето творение при операции последователно четене и запис значително по-ниско — само 210 MB/s. И никакви сложни технологии, насочени към това да компенсират високата латентност на отговор, присъща на магнитните носители, тук също няма.

Затова всички хард дискове IronWolf, започвайки от обем 4 ТБ, заимстват от серията Exos редица хардуерни характеристики, които допринасят за повишена отказоустойчивост. Блокът от магнитни пластини на всеки хард диск е балансиран в две равнини, а сензорите за въртяща вибрация осигуряват стабилна работа в стелажна СХД или самостоятелен NAS с брой дискови кошници до осем. IronWolf е проектиран за умерен режим на експлоатация с предвидено натоварване от 180 ТБ/год. и се характеризира с време на работа до отказ от 1 милион часа. В резултат, срокът на гаранционно обслужване за IronWolf не е толкова дълъг, колкото при по-сериозните модели в каталога на Seagate — три години.

Под марката S300 японската компания Toshiba пусна серия от носители за системи за видеонаблюдение — на тези хард дискове също е посветена собствена преглед на страниците на 3DNews. Благодарение на разширението на протокола за предаване на данни ATA Streaming Command Set, по-старите модели Toshiba S300 осигуряват едновременна запис на видео от 64 камери за наблюдение, но в основата си представляват типични устройства за NAS и DAS с възможност за работа 24/7 и солиден ресурс на работа до отказ: както при IronWolf, той е 1 милион часа, а гаранционният срок е същите три години. Поради конструктивните предимства на шасито S300 — закрепването на шпиндела от двете страни и активната компенсация на въртящите се вибрации — се допуска инсталирането на повече от осем такива устройства в един стелаж или самостоятелен NAS.

Моделът S300, избран за сравнение с новите продукти с капацитет 14–16 ТБ, е построен на базата на хардуерното шаси на сървърни дискове MD06ACA-V и съдържа седем магнитни пластини, а в спецификациите на устройството е посочена типичната за съвременните по-големи HDD скорост на произволно четене/запис от 248 MB/s. Но от методите, които се използват в сървърните дискове Toshiba за намаляване на латентността, при S300 е останала само функцията Dynamic Cache.

В отличие от всички останали участници в теста, S300 дори при гъст стек от седем пластини може да се справи без хелий и е изпълнен в стандартен вентилиран корпус. Изглежда, именно по тази причина моделът с капацитет 10 терабайта има най-висока стойност на консумавана мощност в обобщената таблица на спецификациите на участниците в теста, а този параметър, макар че сам по себе си е важен само за администраторите на дата-центрове, директно определя температурата на HDD. Реалното енергийно потребление на S300 ще проверим сами, но засега ще запомним този параметър.

Източник: 3dnews.ru