Nowy artykuł: Testowanie dysków twardych o pojemności 14–16 TB: więcej znaczy lepiej

Pojemność dysków twardych ciągle rośnie, ale tempo tego wzrostu w ostatnich latach nieustannie maleje. Aby wyprodukować pierwszy nośnik o pojemności 4 TB po wprowadzeniu do sprzedaży dysków 2-terabajtowych, branża potrzebowała tylko dwóch lat, aby osiągnąć poziom 8 TB minęły trzy, a podwojenie pojemności dysku twardego 3,5 cala udało się dopiero po pięciu latach.

Ostatni skok nastąpił dzięki całemu zestawowi innowacyjnych rozwiązań. Dziś nawet tacy konserwatyści jak Toshiba, którzy do ostatniego momentu odmawiali użycia helu, są zmuszeni do produkcji dysków twardych w hermetycznych obudowach, a liczba talerzy na wrzecionie wzrosła do dziewięciu — chociaż przez długi czas pięć talerzy wydawało się rozsądnym limitem. W specyficznych niszach stosuje się technologię tzw. nagrywania dachówkowego (SMR, Shingled Magnetic Recording), w ramach której ścieżki sektorów na talerzu częściowo się nakładają. Wreszcie, aby przesunąć granicę pojemności dysku twardego z 14 do 16 TB bez użycia SMR, producenci musieli wdrożyć jedną z obiecujących technologii, której lista stopniowo się kurczy, co przedstawiamy w corocznych podsumowujących artykułach, — odczyt ścieżki za pomocą kilku głowic jednocześnie (TDMR, Two-Dimensional Magnetic Recording). Dalszy postęp wcześniej czy później będzie wymagał bardziej znaczących zmian w podstawach działania HDD — takich jak podgrzewanie talerza za pomocą lasera lub mikrofal (HAMR/MAMR, Heat/Microwave-Assisted Magnetic Recording) w momencie przechodzenia głowicy zapisującej.

Jednak łatwo zauważyć, że wszystkie opisane techniki są przede wszystkim ukierunkowane na zwiększenie gęstości zapisu i powiększenie objętości na jednym wrzecionie, choć wiele z nich ma pozytywny efekt uboczny w postaci zwiększonej prędkości liniowego odczytu i zapisu danych. W tym parametrze nowoczesne HDD przekroczyły granicę 250 MB/s i już są porównywalne z wczesnymi konsumenckimi pamięciami półprzewodnikowymi. Jednak prędkość dostępu do losowych sektorów dysków magnetycznych prawie się nie poprawia, a w przeliczeniu na objętość liczba operacji na sekundę staje się jedynie mniejsza. Wzrastają także wymagania dotyczące odporności na awarie, ponieważ im więcej danych przechowuje się na jednym wrzecionie, tym ważniejsze jest ich nie utracenie i tym dłużej trwa ich przywracanie.

Jednak i na to wyzwanie twórcy dysków magnetycznych znaleźli odpowiedź. Wzięliśmy trzy dyski twarde o pojemności od 14 do 16 TB, aby zobaczyć, jak technologie sprzed 64 lat adaptują się do realiów roku 2019, i zauważyliśmy kilka trendów. Mistrzowskie modele nowoczesnych dysków 3,5-calowych, produkowane dla serwerów rackowych i macierzy dyskowych, mają wiele wspólnego z dyskami SSD — od zasad adresowania sektorów po bezpośrednią integrację chipów flash w lokalnym stosie pamięci. A modele konsumenckie zaczęły zbliżać się do swoich serwerowych odpowiedników, a nawet określenie „dysk HDD do komputerów stacjonarnych” nie mówi już tak wiele o szybkości i niezawodności urządzenia. Jednak celem tej recenzji nie są ogólne sformułowania. Zamierzamy ustalić, jak nowe trendy w konstrukcji dysków twardych przejawiają się w konkretnych liczbach pomiaru wydajności.

⇡#Specyfikacje techniczne uczestników testów

Zanim przejdziemy do analizy wyników testów, warto dokładnie przyjrzeć się specyfikacjom urządzeń, z którymi będziemy mieli do czynienia. Tym razem nie jest ich tak dużo, jak zazwyczaj w naszych testach grupowych, ale spełniliśmy główne warunki, bez których porównanie dysków twardych nie może pretendować do pełności. W przeglądzie wzięły udział produkty wszystkich trzech producentów — Seagate, Toshiba i Western Digital, i należą do różnych kategorii: konsumenckiej i serwerowej. Główne cechy, które je łączą, to pojemność 14 lub 16 TB, hermetyczna obudowa wypełniona helem oraz prędkość obrotowa talerzy 7200 obr/min. A do porównania z ciężkimi graczami w teście biorą udział trzy znane nam wcześniej urządzenia o mniejszej pojemności (10 i 12 TB), zaprojektowane do pracy w serwerach, domowych lub biurowych NAS.

Pierwszy model w naszej skromnej kolekcji dysków twardych o nieskromnej pojemności — BarraCuda Pro 14 TB — jest nośnikiem dla komputerów stacjonarnych i DAS, ale nie byle jakim, a 'profesjonalnym'. Z jednej strony oznacza to, że BarraCuda Pro podlega typowym ograniczeniom dla dysków twardych do komputerów stacjonarnych. Na przykład, nie jest przeznaczona do łączenia w macierze RAID, ponieważ do tego pożądane jest posiadanie TLER (Time-Limited Error Recovery) — ustawienia firmware, które zapobiega wykluczeniu HDD z macierzy z powodu długich prób odczytu problematycznego sektora. Dodatkowo, obudowa BarraCuda Pro jest źle przystosowana do pracy w półce lub NAS z wieloma koszami, ponieważ nie ma kompensacji wibracji obrotowej.

Z drugiej strony, w odróżnieniu od większości innych dysków stacjonarnych, HDD tej marki mają zwiększony roczny limit obciążenia — aż do 300 TB nadpisania, są gotowe do pracy w trybie 24/7 i są objęte pięcioletnią gwarancją. Na wydajność z pewnością też nie będziesz narzekać (przynajmniej w zadaniach z przeważająco liniowym dostępem do danych): dzięki ośmiu talerzom po 1,75 TB urządzenie osiąga stabilną przepustowość na poziomie 250 MB/s. Ponadto producent obiecuje, że szybkość dostępu losowego w BarraCuda Pro powinna być wyższa w porównaniu do zwykłych dysków do komputerów stacjonarnych, podczas gdy zużycie energii, wręcz przeciwnie, powinno być niższe, niż w przypadku większości modeli 3,5-calowych. Niemniej jednak, wszystkie oświadczenia Seagate jeszcze zweryfikujemy.

Aby osiągnąć tak wysoki poziom gęstości danych w standardowym zapisie prostopadłym bez zastosowania niszowej technologii SMR (Shingled Magnetic Recording), Seagate musiał wdrożyć jedną z obiecujących metod, o których piszemy rok w rok w naszych podsumowujących artykułach, znaną jako dwuwymiarowy zapis (Two-Dimensional Magnetic Recording). Jednak wbrew swojej nazwie, TDMR nie ma nic wspólnego z procedurą zapisywania danych jako taką i ma na celu zwiększenie stosunku sygnału do szumów w warunkach wysokiej gęstości ścieżek na talerzu magnetycznym poprzez jednoczesne odczytywanie ścieżki przez dwie głowice odczytujące: te ostatnie są rozmieszczone w przestrzeni w taki sposób, że pole obejmuje sąsiednie ścieżki, co ułatwia kompensację interferencji. W przyszłości dyski twarde z TDMR będą miały jeszcze więcej głowic, a wraz z niezawodnością odczytu danych może wzrosnąć ich prędkość, ale to na razie kwestia przyszłości.

Dyski BarraCuda Pro różnią się znacząco od pokrewnych urządzeń z niższej serii bez przydomka Pro — zaczynając od tego, że wszystkie standardowe modele HDD stacjonarnych utknęły w pojemności 6–8 TB. Dysk BarraCuda Pro można raczej opisać jako potomka serii serwerowej Seagate, który pozbawiony jest funkcji związanych z pracą w macierzach. W rezultacie cena urządzenia wzrosła do poziomu modeli korporacyjnych, a nawet wyżej: w Rosji model 14-terabajtowy można znaleźć w cenie nie niższej niż 34 348 rubli, a na detalicznych rynku w USA — za 549 dolarów. Nawet modele nearline Seagate o tej samej pojemności kosztują mniej — od 375 dolarów lub 28 936 rubli.

Następny dysk testowy, 14-terabajtowy Ultrastar DC HC530, to nośnik klasy nearline, który reprezentował wszystko, co najlepsze, na co mogli sobie pozwolić inżynierowie Western Digital, zanim pojawił się nowy model o pojemności 16 TB. W praktyce 3DNews stał się pierwszym dyskiem marki Ultrastar bez znajomych liter HGST w nazwie: firma przeniosła wszystkie modele serwerowe pod własną markę po tym, jak aktywa HGST całkowicie zniknęły w połączonej korporacji. W swoich kluczowych cechach to urządzenie podobne jest do BarraCuda Pro o tej samej pojemności: wewnątrz hermetycznej obudowy Ultrastar DC HC530 znajdują się również osiem talerzy magnetycznych o pojemności użytecznej 1750 GB, a odczyt danych z gęsto rozmieszczonych ścieżek zapewnia technologia TDMR. Jednak ze względu na inne parametry i różnorodność dodatkowych funkcji charakterystycznych dla dysków HDD dla przedsiębiorstw, Ultrastar DC HC530 nie można porównać do modeli desktopowych, mimo że BarraCuda Pro nie jest typowym przedstawicielem swojej kategorii.

Tak, użyteczna gęstość zapisu na talerzach BarraCuda Pro i Ultrastar DC HC530 jest taka sama, jak i prędkość obrotowa talerza, ale produkt WD gwarantuje wyższą stabilną prędkość liniowego odczytu i zapisu danych — aż do 267 MB/s (nie wiadomo, skąd wzięła się różnica, ale testy pokażą, czy rzeczywiście istnieje). Opóźnienia w dostępie losowym pomagają zmniejszyć dwustopniowy aktuator nowej, trzeciej generacji i duży bufor o pojemności 512 MB, a co najważniejsze, Media Cache — strefy zapasowe dla szybkiego zapisu bloków, rozmieszczone na powierzchni talerzy. Ostatnia cecha łączy nowoczesne dyski nearline z dyskami półprzewodnikowymi, w których również istnieje zmienne proporcje między fizycznymi sektorami a blokami logicznymi. A począwszy od modeli 10-terabajtowych Ultrastar DC HC330, WD używa do buforowania operacji zapisu również niewielkiej objętości pamięci flash. Zauważmy, że równocześnie z (potencjalnie) niezwykle wysoką wydajnością jak na dyski magnetyczne, produkt WD charakteryzuje się umiarkowanym poborem mocy — faktycznie jest to urządzenie o najniższym zużyciu energii spośród wszystkich uczestników testów, jeśli ocenić to według jego specyfikacji.

Dyski tej klasy są zaprojektowane do ciągłej pracy w warunkach serwerowych: dwustronne mocowanie wrzeciona, kompensacja wibracji obrotowych – te i inne cechy konstrukcyjne Ultrastar DC HC530 pozwoliły zwiększyć projektowe obciążenie dysku do 550 TB/rok, a czas pracy do awarii wynosi typowe dla modeli nearline 2,5 miliona godzin. W przypadku mało prawdopodobnej awarii podczas aktualizacji oprogramowania, na płycie kontrolera znajduje się zapasowy układ scalony. Dysk jest dostępny w wersjach z natywnym dostępem do partycji 4 KB lub emulacją sektorów 512-bajtowych, z interfejsem SATA lub SAS. W przypadku SAS dostępna jest również opcja pełnego szyfrowania danych.

Ceny detaliczne WD Ultrastar DC HC530 w konfiguracji z portem SATA i emulacją dziedziczonej partycji 512-bajtowej odpowiadają najnowocześniejszym specyfikacjom i technologiom tego urządzenia: od 27 495 rubli w rosyjskich sklepach internetowych i 439 USD na Amazonie.

Zebranie kolekcji dysków twardych o pojemności 14 TB do testów porównawczych nie było proste, a odpowiednie urządzenie od trzeciego producenta – Toshiba – tak naprawdę nam umknęło. Zamiast tego otrzymaliśmy model już następnej generacji, 16 TB. Obecnie wszystkie trzy firmy produkujące dyski twarde oferują nośniki o podobnej pojemności, ale produkt Toshiby z serii MG08 był wśród nich pierwszym. Rekord japońskiej firmy opiera się na talerzach o podobnej, jeśli nie dokładnie tej samej gęstości zapisu jak w dyskach BarraCuda Pro i Ultrastar o pojemności 14 TB, ale Toshiba jako pierwsza zdołała umieścić dziewięć „płatków” w standardowej obudowie 3,5-cala. Nie zabrakło również technologii TDMR, która stała się nieodłącznym warunkiem zdobycia nowych granic pojemności. Przepustowość Toshiba MG08 w operacjach liniowego odczytu/zapisu powinna być na poziomie WD Ultrastar DC HC530, chociaż, co dziwne, producent nie ujawnia żadnych szczegółów dotyczących wydajności urządzenia.

Jednak wiadomo, że Toshiba również podjęła kroki w celu zwiększenia niezawodności i jednoczesnego skrócenia opóźnienia operacji zapisu: układ pamięci flash na pokładzie MG08 w przypadku awaryjnego odłączenia zasilania pozwala chronić dane, wysłane przez kontroler hosta do zapisu, ale, sądząc po wynikach testów, także pełni funkcję drugiego poziomu pamięci podręcznej po buforze DRAM. Jednak ta technologia (Persistent Write Cache) występuje tylko w specyfikacjach dysków z emulacją 512-bajtowego podziału, która stanowi dodatkowe źródło zagrożenia podczas awarii zasilania (i w pewnym stopniu kradnie wydajność) z powodu konieczności wykonania operacji read-modify-write przy każdym zapisie logicznych bloków, które nie pokrywają się z granicami fizycznych sektorów. A seria MG08 obejmuje również modele z natywnym dostępem do 4-kilobajtowych sektorów. Czy to oznacza, że ostatnie są całkowicie pozbawione pamięci flash, czy tylko usunięto funkcję kopii zapasowej, nie wiemy. Niemniej jednak, niezależnie od PWC, Toshiba MG08 oraz inne nośniki tej firmy wykorzystują algorytmy Dynamic Cache, które, jak twierdzi producent, optymalnie rozdzielają przestrzeń bufora między operacjami odczytu i zapisu. Nie posiadamy również żadnych szczegółowych informacji na ich temat.

Innymi źródłami zwiększonej odporności na awarie w konstrukcji Toshiba MG08 są mocowanie wrzeciona z dwóch stron i czujniki wibracji rotacyjnej. Te dyski są zaprojektowane do zapisu 550 TB danych rocznie, mają standardowy dla urządzeń korporacyjnych czas pracy do awarii wynoszący 2,5 miliona godzin oraz pięcioletnią gwarancję. Do zamówienia dostępnych jest kilka różnych konfiguracji dysku z interfejsem SATA lub SAS oraz opcjonalną funkcją pełnego szyfrowania. Jednak nie możemy podać orientacyjnej ceny: 16-terabajtowy dysk Toshiba został zaprezentowany jeszcze w styczniu, ale nadal jest rzadkością w sprzedaży detalicznej.

Toshiba MG08 16 TB

Teraz, gdy poznaliśmy trzech głównych uczestników testów, przyjrzyjmy się dyskom twardym o mniejszej pojemności, których będziemy porównywać z nowymi modelami o pojemności 14-16 TB. Jednym z nich jest Exos X10 o pojemności 10 TB, będący pamięcią nearline, zawierająca siedem talerzy magnetycznych w hermetycznej obudowie. Mimo że od tego czasu użyteczna pojemność talerza wzrosła z 1429 do 1750 GB i więcej, szybkość dostępu sekwencyjnego w dyskach twardych również powinna wzrosnąć, w tej kwestii Exos X10 praktycznie nie ustępuje tej samej BarraCuda Pro o pojemności 14 TB według specyfikacji obu nośników. Coś wyraźnie nie zgadza się w specyfikacjach dysków twardych Seagate, ale mamy możliwość wszystko zweryfikować w praktyce.

Aby zwiększyć szybkość operacji z dostępem losowym, seria Exos wyposażona jest w rozwinięty mechanizm buforowania zapisu AWC (Advanced Write Caching), który skraca czas reakcji. W ramach AWC operacje zapisu są grupowane w buforze DRAM, jak ma to miejsce w każdym innym dysku twardym, jednak bufor zachowuje kopię danych po ich zapisaniu na talerzu, a zawartość buforu lustrzanego może być natychmiast odczytana przez kontroler hosta. W dyskach twardych Seagate dla serwerów 2,5-calowy format AWC obejmuje następny krok prędkości — zarezerwowane obszary na powierzchni talerzy, do których dane z DRAM są zapisywane w kolejności sekwencyjnej (Media Cache), a także niewielką ilość pamięci nieulotnej do ratowania danych z bufora w przypadku awaryjnego wyłączenia zasilania. Jednak w Exos X10 brakuje pamięci flash, a może i Media Cache wraz z nią.

Dyski serii Exos różnią się od konsumenckich dysków twardych dla komputerów stacjonarnych i NAS wysokimi wskaźnikami czasu pracy do awarii (2,5 mln godzin) oraz obliczeniowym obciążeniem (550 TB/rok), możliwością użytkowania w obudowach serwerowych bez ograniczeń co do liczby koszyków, a także pięcioletnią gwarancją. Testowany przez nas dysk twardy model ST10000NM0016 należy dodatkowo do modyfikacji Hyperscale, które charakteryzują się niższym zużyciem energii w porównaniu do innych przedstawicieli rodziny Exos, ale są dostępne tylko z interfejsem SATA i emulacją sektorów 512-bajtowych. W konfiguracjach z gniazdem SAS wśród modeli Exos dostępne są także opcje z natywnym dostępem do sektorów 4-kilobajtowych oraz funkcją pełnego szyfrowania dysku.

Dysk twardy Seagate IronWolf niedawno był w naszym przeglądzie nowych przedstawicieli tej marki obok dysku SSD Seagate dla sieciowych systemów storage. Model IronWolf o pojemności 12 terabajtów wydaje się wyposażony w talerze o takiej samej fizycznej gęstości zapisu jak Exos X10, tylko tutaj jest ich o jeden więcej. Jednak Seagate ocenia wydajność swojego dzieła w operacjach sekwencyjnego odczytu i zapisu znacznie niżej — zaledwie 210 MB/s. Nie ma też wyrafinowanych technologii mających na celu zrekompensowanie wysokiej latencji odpowiedzi charakterystycznej dla dysków magnetycznych.

Z kolei wszystkie dyski twarde IronWolf, zaczynając od pojemności 4 TB, przejęły od serii Exos szereg cech sprzętowych, które zwiększają odporność na awarie. Układ talerzy magnetycznych każdego z dysków jest zbalansowany w dwóch płaszczyznach, a czujniki wibracji obrotowej zapewniają stabilną pracę w macierzach dyskowych lub samodzielnych NAS z liczbą koszyków dyskowych do ośmiu. IronWolf jest zaprojektowany do umiarkowanego eksploatacji z obliczeniowym obciążeniem na poziomie 180 TB/rok i charakteryzuje się czasem pracy do awarii wynoszącym 1 mln godzin. W rezultacie, okres gwarancji dla IronWolf nie jest tak długi jak w przypadku poważniejszych modeli w katalogu Seagate — trzy lata.

Pod marką S300 japońska firma Toshiba wyprodukowała serię nośników dla systemów monitoringu wideo — tym dyskom również poświęcono osobny przegląd Na stronach 3DNews. Dzięki rozszerzeniu protokołu przesyłania danych ATA Streaming Command Set, wyższe modele Toshiba S300 gwarantują jednoczesne nagrywanie wideo z 64 kamer monitorujących, ale w swojej istocie są typowymi nośnikami dla NAS i DAS z możliwością pracy 24/7 oraz przyzwoitym czasem życia na awarię: podobnie jak w przypadku IronWolf, wynosi on 1 mln godzin, a okres gwarancyjny to również trzy lata. Dzięki zaletom konstrukcyjnym obudowy S300 — mocowaniu wrzeciona z dwóch stron i aktywnej kompensacji wibracji obrotowych — możliwe jest zainstalowanie więcej niż ośmiu takich urządzeń w jednej szafce serwerowej lub osobno stojącym NAS.

Model S300, wybrany do porównania z nowościami o pojemności 14–16 TB, oparty jest na sprzętowej obudowie dysków serwerowych MD06ACA-V i zawiera siedem talerzy magnetycznych, a w specyfikacjach urządzenia podano typową dla współczesnych dużych HDD prędkość losowego odczytu/zapisu wynoszącą 248 MB/s. Jednak z tych metod, które stosowane są w serwerowych dyskach Toshiba w celu zmniejszenia latencji, w S300 pozostała tylko funkcja Dynamic Cache.

W przeciwieństwie do wszystkich pozostałych uczestników testu, S300 nawet przy gęstym stosie z siedmiu talerzy obywa się bez helu i wykonany jest w standardowej wentylowanej obudowie. Wygląda na to, że właśnie z tego powodu model dziesięcio terabajtowy ma najwyższą wartość poboru mocy w zebranej tabeli specyfikacji uczestników testu, a ten parametr, chociaż sam w sobie ważny jest tylko dla administratorów centrów danych, bezpośrednio wpływa na temperaturę HDD. Rzeczywiste zużycie energii S300 sprawdzimy jeszcze samodzielnie, ale na razie zanotujemy ten punkt.

Źródło: 3dnews.ru