Nový článek: Testování pevných disků o kapacitě 14–16 TB: nejen více, ale i lépe

Kapacita pevných disků neustále roste, ale tempo růstu se v posledních letech ustavičně snižuje. Například k uvedení prvního disku s kapacitou 4 TB po tom, co se na trhu objevily 2TB HDD, průmysl potřeboval pouze dva roky, k překonání hranice 8 TB to trvalo tři roky a zdvojnásobit objem 3,5palcového pevném disku se podařilo až po pěti letech.

Poslední krok byl uskutečněn díky celému seznamu inovativních řešení. Dnes i takoví konzervativci jako Toshiba, která až do poslední chvíle odmítala helium, jsou nuceni vyrábět disky v hermetických skříních, a počet ploten na hřídeli vzrostl na devět kusů — přičemž dlouho bylo pět ploten považováno za rozumný limit. V specifických nikách se používá technologie tzv. překrývajícího záznamu (SMR, Shingled Magnetic Recording), v rámci které se dráhy sektorů na plotně částečně překrývají. A konečně, aby bylo možné posunout limit kapacity pevného disku ze 14 na 16 TB bez použití SMR, museli výrobci implementovat jednu z perspektivních technologií, jejíž seznam se každoročně zmenšuje. závěrečných článcích, — čtení dráhy několika hlavami současně (TDMR, Two-Dimensional Magnetic Recording). Další postup si dříve či později vyžádá i rozsáhlejší změny v základech fungování HDD — jako je zahřívání plotny pomocí laseru nebo mikrovln (HAMR/MAMR, Heat/Microwave-Assisted Magnetic Recording) v okamžiku průchodu zapisovací hlavou.

Je však snadné si všimnout, že všechny popsané postupy jsou zaměřeny především na zvyšování hustoty záznamu a zvětšení objemu na jedné hřídeli, přičemž mnohé z nich mají příznivý vedlejší efekt v podobě zvýšené rychlosti liniového čtení a zápisu dat. V tomto parametru současné HDD překročily hranici 250 MB/s a už jsou srovnatelné s ranými spotřebitelskými SSD. Ale rychlost přístupu k náhodným sektorům magnetických disků téměř nepokročila, a v přepočtu na objem se počet operací za sekundu stává pouze menším. Zároveň vznikají vyšší požadavky na odolnost, protože čím více dat je uloženo na jedné hřídeli, tím důležitější je je neztratit a tím déle je obnovit.

Ale i na tuto výzvu našli tvůrci magnetických disků odpověď. Vzali jsme tři pevné disky s kapacitou od 14 do 16 TB, abychom zjistili, jak se technologie z 64 let dávné doby adaptují na realitu roku 2019, a zaznamenali jsme několik trendů. Šampiónské vzorky moderních 3,5palcových pevných disků, vyráběné pro stojanové servery a SXYD, mají něco společného s SSD — od principů adresace sektorů až po přímou integraci flash čipů do lokální paměťové zásobníku. A spotřebitelské modely se naopak přiblížily svým vlastnostem k serverovým analogům, a dokonce popis „desktopový HDD“ již tolik neříká o rychlosti a spolehlivosti zařízení. Ale cílem této recenze není říkat obecná slova. Hodláme zjistit, jak se nové trendy v konstrukci pevných disků projevují ve tvrdých číslech měření výkonu.

⇡#Technické specifikace účastníků testu

Než začneme analyzovat výsledky testů, stojí za to pečlivě prostudovat specifikace zařízení, se kterými budeme mít práci. Tentokrát jich není tolik, jak obvykle bývá v našich skupinových testech, ale splnili jsme hlavní podmínky, bez kterých srovnání pevných disků nemůže být úplné. V recenzi se účastnily produkty všech tří výrobců — Seagate, Toshiba a Western Digital, a patří do různých kategorií: spotřebitelské a serverové. Hlavní vlastnosti, které je spojují, jsou kapacita 14 nebo 16 TB, uzavřený kryt naplněný heliem a rychlost otáčení vřetena 7200 ot./min. A pro srovnání s těžkými váhami se v testování účastní tři již známá zařízení menší kapacity (10 a 12 TB) určená pro provoz na serverech, domácích nebo kancelářských NAS.

První model v naší skromné sbírce pevných disků nesmírného objemu — BarraCuda Pro 14 TB — je úložištěm pro stolní PC a DAS, avšak nikoli obyčejným, nýbrž „profesionálním“. To znamená, že BarraCuda Pro podléhá typickým omezením desktopových pevných disků. Například není určena pro sloučení do RAID polí, neboť pro to je žádoucí mít TLER (Time-Limited Error Recovery) — nastavení firmwaru, které zabraňuje výpadku HDD z pole kvůli dlouhým pokusům mikrokontroléru přečíst problémový sektor. Kromě toho šasi BarraCuda Pro není dobře přizpůsobeno k práci v policích nebo NAS s několika koši, protože nemá kompenzaci rotační vibrace.

Ale na druhou stranu, na rozdíl od většiny ostatních desktopových pevných disků, HDD této značky mají zvýšený roční zátěžový cyklus — až 300 TB přepsání, jsou připraveny pracovat v režimu 24/7 a jsou pokryty pětiletou zárukou. Na rychlost se rozhodně také nemůžeme stěžovat (alespoň při úlohách s převážně lineárním přístupem k datům): díky osmi plotnám po 1,75 TB zařízení dosahuje stabilní propustnosti 250 MB/s. Kromě toho výrobce slibuje, že rychlost náhodného přístupu u BarraCuda Pro by měla být vyšší ve srovnání se standardními disky pro stolní počítače, zatímco spotřeba energie je naopak nižší než u většiny 3,5palcových modelů. Nicméně, všechna tvrzení Seagate ještě ověříme.

Aby dosáhnout tak vysokého stupně hustoty dat v rámci standardního kolmé zápisu bez použití specializované technologie SMR (Shingled Magnetic Recording), musel Seagate implementovat jednu z perspektivních metod, o kterých rok co rok píšeme v našich závěrečných článcích, — tzv. dvourozměrné záznamové technologie (Two-Dimensional Magnetic Recording). Ale navzdory svému názvu, TDMR nijak nesouvisí s procesem zápisu dat jako takovým a je navržena pro zlepšení poměru signál / šum za podmínek vysoké hustoty stop na magnetické desce díky souběžnému čtení stopy dvěma čtecími hlavami: ty jsou prostorově rozloženy tak, aby pole zachytávalo sousední stopy, a kompenzace interference se stává snazší. V budoucnu budou disky s TDMR obsahovat ještě více hlav, a spolu s důvěryhodností čtení dat může vzrůst i jejich rychlost, ale to je zatím otázkou budoucnosti.

Úložné zařízení BarraCuda Pro se v mnoha ohledech liší od příbuzných zařízení nižší série bez přídomku Pro — počínaje tím, že všechny standardní desktopové modely HDD výrobců uvízly v objemu 6–8 TB. Disk BarraCuda Pro lze spíše popsat jako potomek serverového řetězce Seagate, který postrádá funkce spojené s prací v polích. Výsledkem je, že cena zařízení vzrostla na úroveň firemních modelů, a to i výše: v Rusku 14 TB model nenajdete levněji než 34 348 RUB, a na maloobchodních trzích v USA — $549. Dokonce ani nearline modely Seagate stejného objemu stojí méně — od $375 nebo 28 936 RUB.

Následující testovaný kus, 14TB disk Ultrastar DC HC530, je disk třídy nearline, který představoval to nejlepší, co inženýři společnosti Western Digital dokázali, dokud se na scéně neobjevil nový model s kapacitou 16 TB. A v praxi 3DNews se stal prvním pevným diskem značky Ultrastar bez obvyklých písmen HGST v názvu: společnost převedla všechny serverové modely pod vlastní značku, poté co aktiva HGST zcela zapadla do spojené korporace. V klíčových parametrech se toto zařízení podobá BarraCuda Pro stejné kapacity: uvnitř hermetického pouzdra Ultrastar DC HC530 jsou také umístěny osm magnetických ploten s užitečnou kapacitou 1750 GB a technologii TDMR, která zajišťuje čtení dat z hustě umístěných stop. Ale z hlediska dalších parametrů a rozmanitosti dalších funkcí, které jsou vlastní podnikových HDD, nelze Ultrastar DC HC530 srovnávat s desktopovými modely, i když BarraCuda Pro není typickým zástupcem své kategorie.

Takže užitečná hustota zápisu na plotnách BarraCuda Pro a Ultrastar DC HC530 je shodná, stejně jako rychlost otáčení vřetena, ale výrobek WD zaručuje vyšší stabilní rychlost lineárního čtení a zápisu dat — až 267 MB/s (není jasné, odkud se vzala ta rozdíl, ale testy ukážou, zda skutečně existuje). Zpoždění při náhodném přístupu pomáhá snížit dvoustupňový aktuátor nové, třetí generace a velká vyrovnávací paměť o velikosti 512 MB, a hlavně, Media Cache — vyrovnávací zóny pro rychlé zápisy bloků, rozptýlené po povrchu ploten. Poslední funkce spojuje moderní nearline disky s pevnými disky, kde také existuje proměnné poměr mezi fyzickými sektory a logickými bloky. A od modelů Ultrastar DC HC330 s kapacitou 10 TB využívá WD pro kešování zápisových operací také malý objem flash paměti. Všimněme si, že současně s (potenciálně) extrémně vysokým výkonem podle měřítek magnetických úložišť, výrobek WD vykazuje mírnou spotřebu energie — fakticky je to zařízení s nejnižší energetickou spotřebou mezi všemi účastníky testování, pokud posuzujeme jeho pasportní parametry.

Úložné disky této třídy jsou navrženy pro nepřetržitý provoz v prostředí serverových racků: dvojité uchycení vřetena, kompenzace rotačních vibrací — tyto a další konstrukční vlastnosti Ultrastar DC HC530 umožnily zvýšit projektovanou zátěž disku na 550 TB/rok, a doba mezi poruchami je typická pro nearline modely, 2,5 milionu hodin. Pro případ nepravděpodobného selhání při aktualizaci firmwaru je na řídicí desce osazena záložní mikročip. Disk je dodáván v modifikacích s nativním přístupem k 4K bajtové struktuře nebo emulací 512-bajtových sektorů, s rozhraním SATA nebo SAS. V případě posledně jmenovaného rozhraní je také k dispozici možnost end-to-end šifrování dat.

Ceny WD Ultrastar DC HC530 v konfiguraci s portem SATA a emulací dědičné 512-bajtové struktury odpovídají špičkovým specifikacím a technologiím tohoto zařízení: od 27 495 CZK v českých internetových obchodech a 439 USD na Amazonu.

Sestavit sbírku pevných disků o kapacitě 14 TB pro srovnávací testování nebylo jednoduché, a vhodné zařízení třetího výrobce — Toshiba — jsme nakonec nezískali. Místo toho jsme obdrželi model již další generace, o kapacitě 16 TB. V současnosti všechny tři společnosti vyrábějící pevné disky nabízejí úložné zařízení podobné kapacity, ale právě produkt Toshiba série MG08 byl mezi nimi prvním. Rekord japonské společnosti je založen na plotnách s přibližně, ne-li přesně, takovou fyzickou hustotou záznamu, jako mají pevné disky BarraCuda Pro a Ultrastar s kapacitou 14 TB, ale Toshiba se poprvé podařilo umístit devět „pancířů“ do standardního 3,5palcového pouzdra. Neobešlo se to ani bez technologie TDMR, která se stala neoddělitelným předpokladem pro dosažení nových hranic kapacity. Propustnost Toshiba MG08 při lineárním čtení/zápisu by měla být na úrovni WD Ultrastar DC HC530, ale, jak podivné, výrobce nezveřejňuje žádné podrobnosti o výkonu zařízení.

Je však známo, že společnost Toshiba také přijala opatření ke zvýšení spolehlivosti a zároveň snížení latence zapisovacích operací: čip flash paměti v modelu MG08 v případě havarijního vypnutí napájení chrání data, která byla odeslána řadičem hostitele k zápisu, a soudě podle výsledků testů také plní funkci druhé úrovně vyrovnávací paměti po DRAM. Tato technologie (Persistent Write Cache) se však vyskytuje pouze ve specifikacích disků s emulací 512-bajtového rozdělení, které představuje další zdroj nebezpečí při výpadku napájení (a do určité míry snižuje výkon) z důvodu nutnosti provádět operaci read-modify-write při každém zápisu logických bloků, které neodpovídají hranicím fyzických sektorů. A přece série MG08 zahrnuje také modely s nativním přístupem k 4-kilobajtovým sektorům. Znamená to, že tyto poslední modely jsou úplně zbaveny flash paměti, nebo byla jen odstraněna funkce zálohování, nevíme. Ale bez ohledu na PWC, Toshiba MG08, stejně jako další disky této firmy, využívá algoritmy Dynamic Cache, které, jak tvrdí výrobce, optimálně rozdělují prostor vyrovnávací paměti mezi operace čtení a zápisu. O nějakých podrobných informacích o nich také nemáme žádné údaje.

Dalšími zdroji zvýšené odolnosti v konstrukci Toshiba MG08 jsou uchycení vřetena ze dvou stran a senzory rotující vibrace. Tyto disky jsou navrženy pro zápis 550 TB dat ročně, mají standardní čas life time pro podnikové zařízení 2,5 milionu hodin a pětiletou záruku. K objednání je k dispozici několik různých konfigurací disku s rozhraním SATA nebo SAS a volitelnou funkcí end-to-end šifrování. Co se týká ceny, tu vám bohužel nemůžeme poskytnout: 16TB disk Toshiba byl představen již v lednu, ale stále zůstává vzácným zbožím v maloobchodech.

Toshiba MG08 16 TB

Nyní, když jsme se seznámili se třemi hlavními účastníky testování, se podíváme na tvrdé disky s menší kapacitou, se kterými budeme porovnávat nové modely o kapacitě 14-16 terabajtů. Jedním z nich je Exos X10 s kapacitou 10 TB, což je nearline úložný disk, který obsahuje sedm magnetických desek v hermetickém krytu. A i když od té doby, co se užitná kapacita desky zvýšila z 1429 na 1750 GB a více, by se měla také zvýšit rychlost sekvenčního přístupu u pevných disků, Exos X10 pokud jde o tento parametr prakticky nezaostává za stejnou BarraCuda Pro s kapacitou 14 TB podle specifikací obou úložišť. Něco není v specifikacích pevných disků Seagate zcela v pořádku, ale máme možnost to zjistit v praxi.

Aby se zvýšila rychlost operací s náhodným přístupem, v sérii Exos existuje vyspělý mechanismus pro vyrovnávací paměť zápisu AWC (Advanced Write Caching), který snižuje dobu odezvy. V rámci AWC jsou zápisové operace skupinovány v DRAM vyrovnávací paměti, jak tomu je u jakéhokoli jiného pevného disku, avšak vyrovnávací paměť uchovává kopii dat poté, co byla zapsána na desku, a obsah zrcadlové vyrovnávací paměti může být okamžitě přečten hostitelským řadičem. V serverových pevných discích Seagate formátu 2,5 palce AWC zahrnuje další rychlostní úroveň — vyhrazené oblasti na povrchu desek, kam se data z DRAM zapisují v sekvenčním pořadí (Media Cache), a také malý objem paměti bez ztráty dat pro uložení dat z vyrovnávací paměti při nouzovém vypnutí. Ale v Exos X10 chybí flash paměť, stejně jako Media Cache.

Disky série Exos se liší od spotřebitelských pevných disků pro stolní počítače a NAS svými vysokými hodnotami pracovní doby mezi poruchami (2,5 milionu hodin) a vypočítaným zatížením (550 TB/rok), možnosti provozu v serverovém racku bez omezení počtu přihrádek, a také pětiletou zárukou. Pevný disk s modelovým číslem ST10000NM0016, který jsme testovali, navíc patří k Hyperscale-modifikacím, jež mají sníženou spotřebu energie ve srovnání s ostatními členy rodiny Exos, ale jsou vyráběny pouze s rozhraním SATA a emulací 512-bytových sektorů. V konfiguracích s konektorem SAS mezi modely Exos existují varianty s nativním přístupem k 4-kilobajtovým sektorům a také s funkcí end-to-end plného šifrování disku.

Pevný disk Seagate IronWolf se nedávno objevil v našem přehledu nových modelech této značky spolu s pevnými disky Seagate pro síťové úložiště. 12TB model IronWolf je pravděpodobně vybaven deskami se stejnou fyzickou hustotou rozložení jako Exos X10, jen jich je o jednu více. Nicméně Seagate hodnotí výkon svého produktu v operacích sekvenčního čtení a zápisu mnohem níže — pouhých 210 MB/s. A žádné sofistikované technologie zaměřené na kompenzaci vysoké latence odezvy, která je vlastní magnetickým diskům, zde také nejsou.

Všechny pevné disky IronWolf, začínající objemem 4 TB, si vypůjčily od série Exos řadu hardwarových funkcí, které přispívají k vyšší spolehlivosti. Blok magnetických desek každého pevného disku je vyvážen ve dvou rovinách a senzory rotační vibrace zajišťují stabilní provoz v rackových SDD nebo samostatných NAS s počtem diskových přihrádek až do osmi. IronWolf je navržen pro mírné pracovní zatížení s projektovaným zatížením 180 TB/rok a je charakterizován pracovním časem mezi poruchami 1 milion hodin. V důsledku toho je záruka na IronWolf kratší než u vážnějších modelů v katalogu Seagate — tři roky.

Pod značkou S300 japonská společnost Toshiba uvedla na trh sérii úložišť pro systémy videodohledu — i těmto pevným diskům je věnována samostatná přehled Na stránkách 3DNews. Díky rozšíření protokolu přenosu dat ATA Streaming Command Set zajišťují starší modely Toshiba S300 současné nahrávání videa ze 64 kamer, ale v základě se jedná o typické úložiště pro NAS a DAS s možností provozu 24/7 a slušným životním cyklem: stejně jako u IronWolf činí 1 milion hodin, a záruka je také tři roky. Díky konstrukčním přednostem šasi S300 — upevnění hřídele z obou stran a aktivní kompenzace rotační vibrace — je povolena instalace více než osmi takových zařízení do jedné rackové skříně nebo samostatného NAS.

Model S300, vybraný k porovnání s novinkami o objemu 14–16 TB, je založen na hardware šasi serverových disků MD06ACA-V a obsahuje sedm magnetických destiček, přičemž specifikace zařízení uvádějí typickou pro moderní vysoce kapacitní HDD rychlost náhodného čtení/zápisu 248 MB/s. Avšak z těch metod, které se používají u serverových pevných disků Toshiba ke snížení latence, u S300 zůstala pouze funkce Dynamic Cache.

Na rozdíl od všech ostatních účastníků testování, S300 i při těsné sadě ze sedmi destiček obejde bez helia a je vyroben v standardním ventilačním krytu. Zdá se, že právě z tohoto důvodu má 10TB model nejvyšší hodnotu spotřeby energie v souhrnné tabulce specifikací účastníků testování, a tento parametr, i když sám o sobě důležitý pouze pro administrátory datových center, přímo určuje teplotu HDD. Skutečnou spotřebu energie S300 si ještě ověříme sami, ale prozatím si tento bod vezmeme na vědomí.

Zdroj: 3dnews.ru