Novo artigo: Teste de discos rígidos de 14 a 16 TB: não apenas maior, mas também melhor

A capacidade dos discos rígidos continua a aumentar, mas a taxa de crescimento tem diminuído constantemente nos últimos anos. Para lançar o primeiro drive com capacidade de 4 TB, após a chegada dos HDDs de 2 TB ao mercado, a indústria levou apenas dois anos; levou três anos para atingir a marca de 8 TB, e a duplicação da capacidade de um disco rígido de 3,5 polegadas ocorreu apenas após cinco anos.

O último avanço foi realizado graças a uma série de soluções inovadoras. Hoje, até mesmo conservadoras como a Toshiba, que até recentemente se recusava a usar hélio, são obrigadas a produzir discos rígidos em invólucros selados, e o número de pratos no eixo aumentou para nove — embora, por muito tempo, cinco pratos tenham sido considerados um limite razoável. Em nichos específicos, aplica-se a tecnologia chamada gravação em telhas (SMR, Shingled Magnetic Recording), na qual as trilhas dos setores em um prato se sobrepõem parcialmente. E, finalmente, para mover o limite de capacidade do disco rígido de 14 para 16 TB sem usar SMR, os fabricantes tiveram que implementar uma das tecnologias promissoras, cuja lista está sendo progressivamente reduzida, que reproduzimos em nossos artigos anuais. finais, — leitura de trilhas por várias cabeças ao mesmo tempo (TDMR, Two-Dimensional Magnetic Recording). O movimento futuro irá, cedo ou tarde, exigir mudanças mais abrangentes nas bases de funcionamento dos HDDs — como o aquecimento do prato por meio de laser ou micro-ondas (HAMR/MAMR, Heat/Microwave-Assisted Magnetic Recording) no momento em que a cabeça gravadora passa.

No entanto, é fácil notar que todas as técnicas descritas visam, em primeiro lugar, aumentar a densidade de gravação e a capacidade em um único eixo, embora muitas delas tenham o efeito colateral benéfico de aumentar a velocidade de leitura e gravação linear de dados. Nesse parâmetro, os HDDs modernos ultrapassaram a marca de 250 MB/s e já são comparáveis aos primeiros SSDs de consumo. Mas a velocidade de acesso a setores aleatórios dos discos magnéticos quase não progride, e, em termos de volume, o número de operações por segundo diminui. Ao mesmo tempo, surgem requisitos aumentados de resistência à falha, pois quanto mais dados são armazenados em um único eixo, mais importante se torna a sua preservação e mais longo é o processo de recuperação.

Mas até mesmo para esse desafio, os criadores de discos rígidos encontraram uma resposta. Pegamos três discos rígidos com capacidade de 14 a 16 TB para descobrir como as tecnologias de 64 anos se adaptam às realidades de 2019 e notamos várias tendências. Os modelos atuais campeões de discos rígidos de 3,5 polegadas, produzidos para servidores em rack e sistemas de armazenamento (SXD), têm algo em comum com os drives de estado sólido — desde os princípios de endereçamento de setores até a integração direta de chips de flash na pilha de memória local. Os modelos de consumo, por sua vez, tornaram-se mais semelhantes em suas características aos análogos de servidores, e até mesmo a descrição 'HDD de desktop' já não diz tanto sobre o desempenho e a confiabilidade do dispositivo. No entanto, o objetivo desta análise não se limita a generalidades. Pretendemos descobrir como as novas tendências no design de discos rígidos se refletem em números concretos de desempenho.

⇡#Especificações técnicas dos participantes do teste

Antes de começarmos a analisar os resultados dos testes, é importante examinar cuidadosamente as características dos dispositivos com os quais lidaremos. Desta vez, não são tantos quanto de costume em nossos testes de grupo, mas cumprimos as principais condições, sem as quais a comparação de discos rígidos não pode ser considerada completa. No teste participaram produtos de todos os três fabricantes — Seagate, Toshiba e Western Digital, e eles pertencem a diferentes categorias: de consumo e de servidor. As principais características que os unem são a capacidade de 14 ou 16 TB, o corpo hermético preenchido com hélio e a velocidade de rotação do eixo de 7200 RPM. E para comparação com os pesados, três dispositivos já conhecidos de menor capacidade (10 e 12 TB) projetados para uso em servidores, NAS domésticos ou de escritório também participaram do teste.

O primeiro modelo em nossa modesta coleção de discos rígidos de grande capacidade — BarraCuda Pro 14 TB — é um armazenamento para PCs de mesa e DAS, mas não é qualquer um, e sim 'profissional'. Por um lado, isso significa que a BarraCuda Pro está sujeita às limitações típicas dos discos rígidos de desktop. Por exemplo, não é projetada para ser integrada em matrizes RAID, pois para isso é desejável ter TLER (Time-Limited Error Recovery) — uma configuração de firmware que evita que o HDD seja removido do array devido a longas tentativas do microcontrolador de ler um setor problemático. Além disso, o chassi da BarraCuda Pro não é bem adaptado para funcionar em prateleiras ou NAS com múltiplas baias, já que não possui compensação para vibrações rotativas.

Mas, por outro lado, ao contrário da maioria dos outros HDs de desktop, os HDDs desta marca possuem um maior recurso anual de carga — até 300 TB de reescrita, estão prontos para operar em modo 24/7 e vêm com uma garantia de cinco anos. A velocidade também não deve ser uma reclamação (pelo menos, em tarefas com acesso predominantemente linear aos dados): graças a oito pratos de 1,75 TB, o dispositivo atinge uma taxa de transferência estável de 250 MB/s. Além disso, o fabricante promete que a velocidade de acesso aleatório na BarraCuda Pro deve ser superior em comparação com os discos comuns de desktop, enquanto o consumo de energia, por sua vez, é inferior ao da maioria dos modelos de 3,5 polegadas. No entanto, todas as declarações da Seagate ainda vamos verificar.

Para alcançar um tão alto nível de densidade de dados dentro da gravação perpendicular padrão sem o uso de tecnologias de nicho como SMR (Shingled Magnetic Recording), a Seagate teve que implementar um dos métodos promissores que discutimos ano após ano. finais, — a chamada gravação magnética bidimensional (Two-Dimensional Magnetic Recording). No entanto, ao contrário do que seu nome sugere, TDMR não está relacionada ao processo de gravação de dados propriamente dito e é destinada a aumentar a proporção sinal/ruído em condições de alta densidade de pistas em um disco magnético, através da leitura simultânea de uma pista por duas cabeças de leitura: estas são espaçadas de tal forma que o campo captura pistas adjacentes, facilitando a compensação da interferência. No futuro, hard drives com TDMR terão ainda mais cabeças, e juntamente com a confiabilidade na leitura de dados, sua velocidade pode aumentar, mas isso ainda é um assunto do futuro.

Os drives BarraCuda Pro diferem em muitos aspectos dos dispositivos da série mais básica sem o sufixo Pro — começando pelo fato de que todos os fabricantes de HDD têm modelos padrão de desktop que estagnaram em capacidade de 6 a 8 TB. O disco BarraCuda Pro pode ser descrito como um desdobramento da linha de servidores da Seagate, que não possui funcionalidades relacionadas a trabalhar em arrays. Mas, como resultado, o preço do dispositivo disparou para o nível de modelos corporativos, ou até mais: na Rússia, um modelo de 14 terabytes não pode ser encontrado por menos de 34.348 rublos, enquanto nas plataformas de varejo dos EUA está a $549. Mesmo os modelos nearline da Seagate com a mesma capacidade custam menos — a partir de $375 ou 28.936 rublos.

O próximo sujeito de testes, o disco de 14 terabytes Ultrastar DC HC530, é um dispositivo da classe nearline, que apresentou o melhor que os engenheiros da Western Digital podiam oferecer, até que um novo modelo de 16 terabytes fosse lançado. Na prática da 3DNews, ele se tornou o primeiro hard drive da marca Ultrastar sem as famosas letras HGST no nome: a empresa transferiu todos os modelos de servidor para sua própria marca depois que os ativos da HGST se fundiram na corporação. Em suas características principais, este dispositivo é semelhante ao BarraCuda Pro de mesma capacidade: dentro do corpo selado do Ultrastar DC HC530 também estão localizadas oito platinas magnéticas com capacidade útil de 1750 GB, e a leitura de dados de pistas densamente espaçadas é garantida pela tecnologia TDMR. Mas em outros parâmetros e na variedade de funções adicionais típicas dos HDDs corporativos, o Ultrastar DC HC530 não pode ser classificado ao lado dos modelos de desktop, mesmo que o BarraCuda Pro não seja um representante típico de sua categoria.

Assim, a densidade útil de gravação nos discos BarraCuda Pro e Ultrastar DC HC530 é a mesma, assim como a velocidade de rotação do eixo, mas o produto WD garante uma maior velocidade estável de leitura e gravação linear de dados — chegando até 267 MB/s (não está claro de onde vem a diferença, mas os testes mostrarão se ela realmente existe). As latências de acesso aleatório são mitigadas pelo atuador de segunda geração e um grande buffer de 512 MB, e o principal, o Media Cache — zonas de reserva para gravação rápida de blocos, distribuídas pela superfície dos discos. Esta última característica aproxima os discos nearline modernos dos drives de estado sólido, que também apresentam uma relação variável entre setores físicos e blocos lógicos. E a partir dos modelos de 10 terabytes Ultrastar DC HC330, a WD utiliza uma pequena quantidade de memória flash para o cache das operações de gravação. É importante notar que, juntamente com um desempenho (potencialmente) extremamente alto para discos magnéticos, o produto WD apresenta um consumo de energia moderado — de fato, é o dispositivo com o menor consumo entre todos os testados, segundo suas especificações.

Discos dessa categoria são projetados para operação contínua em condições de servidor: fixação dupla do eixo, compensação de vibrações rotacionais — estas e outras características construtivas do Ultrastar DC HC530 permitiram aumentar a carga projetada do disco para 550 TB/ano, e o tempo médio até falha é de 2,5 milhões de horas, típico para modelos nearline. Em caso de falha improvável durante a atualização do firmware, um chip extra é soldado na placa do controlador. O disco está disponível em variantes com acesso nativo à formatação de 4 KB ou emulação de setores de 512 bytes, com interface SATA ou SAS. Neste último caso, também está disponível a opção de criptografia de dados em linha.

Os preços de varejo do WD Ultrastar DC HC530 na configuração com porta SATA e emulação do formato legado de 512 bytes correspondem às características avançadas e tecnologias deste dispositivo: a partir de 27.495 RUB em lojas de internet russas e $439 na 'Amazon'.

Coletar uma coleção de discos rígidos com capacidade de 14 TB para testes comparativos não foi fácil, e não conseguimos adquirir o dispositivo de um terceiro fabricante — Toshiba. Em vez disso, recebemos um modelo da geração seguinte, com 16 TB. Atualmente, as três empresas que fabricam discos rígidos oferecem unidades com essa capacidade, mas o produto da Toshiba da série MG08 foi o primeiro entre eles. O recorde da empresa japonesa baseia-se em pratos com uma densidade de gravação física aproximadamente, se não exatamente, igual à dos discos rígidos BarraCuda Pro e Ultrastar de 14 TB, mas a Toshiba foi a primeira a conseguir empacotar nove

Sabe-se que a Toshiba também tomou medidas para aumentar a confiabilidade e, ao mesmo tempo, reduzir a latência das operações de gravação: o chip de memória flash a bordo do MG08, em caso de desligamento acidental, permite proteger os dados enviados pelo controlador host para gravação, mas, segundo os resultados dos testes, também desempenha a função de segundo nível de cache após o buffer DRAM. No entanto, essa tecnologia (Persistent Write Cache) aparece apenas nas especificações dos discos com emulação de partição de 512 bytes, que representam uma fonte adicional de risco em caso de falha de energia (e, de certa forma, consome desempenho) devido à necessidade de realizar a operação read-modify-write a cada gravação de blocos lógicos que não coincidam com os limites dos setores físicos. E a série MG08 também inclui modelos com acesso nativo a setores de 4 kilobytes. Isso significa que os últimos estão completamente desprovidos de memória flash, ou apenas tiveram a função de backup removida, não sabemos. Mas, independentemente do PWC, o Toshiba MG08, assim como outros dispositivos desta empresa, utiliza algoritmos de Cache Dinâmico, que, segundo o fabricante, distribuem de forma ideal o espaço do buffer entre as operações de leitura e gravação. Também não temos informações detalhadas sobre eles.

Outras fontes de alta disponibilidade na construção do Toshiba MG08 incluem a fixação do eixo do motor em ambos os lados e sensores de vibração rotacional. Esses discos são projetados para gravar 550 TB de dados por ano, possuem um tempo médio entre falhas de 2,5 milhões de horas, que é padrão para dispositivos corporativos, e uma garantia de cinco anos. Estão disponíveis para encomenda várias configurações de disco com interface SATA ou SAS, com a função opcional de criptografia em trânsito. Contudo, não podemos informar sobre os preços: o disco Toshiba de 16 terabytes foi apresentado em janeiro, mas ainda é uma raridade à venda no varejo.

Toshiba MG08 16 TB

Agora que conhecemos os três principais participantes do teste, vamos analisar os discos rígidos de menor capacidade com os quais teremos que comparar os novos modelos de 14-16 terabytes. Um deles, o Exos X10 com capacidade de 10 TB, é um armazenamento nearline que contém sete discos magnéticos dentro de um invólucro hermético. E embora a capacidade útil do disco tenha aumentado de 1429 para 1750 GB ou mais, a velocidade de acesso sequencial nos discos rígidos também deveria ter aumentado; nesse aspecto, o Exos X10 praticamente não fica atrás do BarraCuda Pro de 14 TB de acordo com as especificações de ambos os dispositivos. Algo claramente não se encaixa nas especificações dos discos rígidos da Seagate, mas temos a oportunidade de descobrir tudo isso na prática.

Para aumentar a velocidade das operações de acesso aleatório, a série Exos possui um avançado mecanismo de cache de gravação AWC (Advanced Write Caching) que reduz o tempo de resposta. No âmbito do AWC, as operações de gravação são agrupadas no buffer DRAM, como acontece em qualquer outro disco rígido, no entanto, o buffer mantém uma cópia dos dados após serem gravados no disco, e o conteúdo do buffer espelho pode ser imediatamente lido pelo controlador host. Em discos rígidos para servidores da Seagate o formato de 2,5 polegadas AWC inclui o próximo nível de velocidade — áreas reservadas na superfície dos discos, onde os dados da DRAM são gravados em ordem sequencial (Media Cache), além de um pequeno volume de memória não volátil para salvar os dados do buffer em caso de falha de energia. Mas no Exos X10 não há memória flash, e talvez nem o Media Cache.

Os discos da série Exos se destacam em relação aos discos rígidos para desktops e NAS, apresentando altos índices de tempo de operação sem falhas (2,5 milhões de horas) e carga calculada (550 TB/ano), com capacidade de operação em rack de servidores sem limitações no número de baias e uma garantia de cinco anos. O disco rígido com o número de modelo ST10000NM0016, que temos para teste, também pertence às modificações Hyperscale, que apresentam menor consumo de energia em comparação a outros modelos da família Exos, mas são disponibilizados apenas com interface SATA e emulação de setores de 512 bytes. Nas configurações com conector SAS, há opções entre os modelos Exos que oferecem acesso nativo a setores de 4 kilobytes, além de suporte para criptografia de disco completo.

O disco rígido Seagate IronWolf foi recentemente mencionado em revista novos lançamentos dessa marca junto com o SSD Seagate para armazenamento em rede. O modelo de 12 terabytes do IronWolf parece ser equipado com pratos que têm a mesma densidade de gravação física que o Exos X10, mas aqui há um a mais. No entanto, a Seagate avalia o desempenho de seu produto em operações de leitura e gravação sequencial muito abaixo — apenas 210 MB/s. E não há tecnologias sofisticadas para compensar a alta latência de resposta, típica dos dispositivos magnéticos.

Todos os discos rígidos IronWolf, começando com a capacidade de 4 TB, incorporaram da série Exos várias características de hardware que contribuem para uma maior resistência à falha. O bloco de pratos magnéticos de cada disco rígido é equilibrado em dois planos, e os sensores de vibração rotacional garantem um funcionamento estável em um sistema de armazenamento em rede ou NAS independente com até oito baias de disco. O IronWolf é projetado para operação moderada com uma carga nominal de 180 TB/ano e apresenta um tempo de operação sem falhas de 1 milhão de horas. Como resultado, a garantia do IronWolf não é tão longa quanto a das modelos mais robustos no catálogo da Seagate — três anos.

Sob a marca S300, a empresa japonesa Toshiba lançou uma série de unidades para sistemas de videovigilância — esses discos rígidos também têm sua própria análise nas páginas do 3DNews. Graças à expansão do protocolo de transmissão de dados ATA Streaming Command Set, os modelos mais sofisticados Toshiba S300 garantem gravação de vídeo simultânea de 64 câmeras de vigilância, mas, em sua essência, são unidades de armazenamento típicas para NAS e DAS, com possibilidade de operação 24/7 e uma vida útil razoável: assim como o IronWolf, é de 1 milhão de horas, e o período de garantia também é de três anos. Graças às vantagens construtivas do chassi S300 – o suporte do eixo de duas maneiras e a compensação ativa da vibração rotacional – é permitido instalar mais de oito dessas unidades em um único rack ou em um NAS independente.

O modelo S300, escolhido para comparação com as novidades de 14-16 TB, é baseado no chassi de discos de servidor MD06ACA-V e contém sete pratos magnéticos, enquanto nas especificações do dispositivo é indicada a velocidade típica de leitura/gravação aleatória de 248 MB/s encontrada em HDDs de maior capacidade. Porém, das técnicas aplicadas nos discos rígidos Toshiba para reduzir a latência, o S300 manteve apenas a função Dynamic Cache.

Ao contrário de todos os outros participantes do teste, o S300 mesmo com um pacote denso de sete pratos funciona sem hélio e é construído em um gabinete ventilado padrão. Parece que, exatamente por essa razão, o modelo de 10 terabytes possui o maior valor de consumo de energia na tabela resumida de especificações dos testados, e esse parâmetro, embora por si só seja importante apenas para administradores de data centers, define diretamente a temperatura do HDD. Vamos verificar o consumo real de energia do S300 por conta própria, mas por enquanto vamos anotar esse ponto.

Fonte: 3dnews.ru