Nový článok: Testovanie pevných diskov s kapacitou 14–16 TB: nielen väčšie, ale aj lepšie

Kapacita pevních disků se neustále zvyšuje, ale tempo růstu se v posledních letech neustále zpomaluje. Například k uvedení prvního úložného zařízení s kapacitou 4 TB na trh, poté co se objevily 2TB HDD, potřeboval průmysl pouhé dva roky, na překonání hranice 8 TB to trvalo tři roky a zdvojnásobení objemu 3,5palcového pevného disku bylo možné až po pěti letech.

Poslední skok se uskutečnil díky celému seznamu inovativních řešení. Dnes i takoví konzervativci, jako je Toshiba, která do poslední chvíle odmítala helium, jsou nuceni vyrábět disky v hermetických skříních, a počet ploten na vřetenu se zvýšil na devět kusů - ačkoli kdysi pět ploten bylo považováno za rozumný limit. V specifických nish se používá technologie tzv. šindelového záznamu (SMR, Shingled Magnetic Recording), v rámci níž se dráhy sektorů na plotně částečně překrývají. A nakonec, aby posunuli hranici kapacity pevného disku z 14 na 16 TB bez použití SMR, museli výrobci implementovat jednu z perspektivních technologií, jejíž seznam, který se postupně zmenšuje, reprodukujeme v každoročních závěrečných článcích, — čtení dráhy několika hlavami současně (TDMR, Two-Dimensional Magnetic Recording). Další pokrok v tomto směru dříve či později vyžaduje i zásadnější změny v základech fungování HDD — jako je ohřev plotny pomocí laseru nebo mikrovln (HAMR/MAMR, Heat/Microwave-Assisted Magnetic Recording) v okamžiku průchodu zapisovací hlavou.

Je však snadno postřehnutelné, že všechny popsané techniky jsou zaměřeny především na zvýšení hustoty záznamu a zvýšení objemu na jednom vřetenu, přičemž mnohé z nich mají blahodárný vedlejší efekt v podobě zvýšené rychlosti sekvenčního čtení a zápisu dat. V tomto parametru se moderní HDD dostaly přes hranici 250 MB/s a už jsou srovnatelné s prvotními spotřebitelskými SSD. Ale rychlost přístupu k náhodným sektorům magnetických disků téměř nikam nepokročila a v přepočtu na objem se počet operací za sekundu stává jen menším. Zároveň se zvyšují požadavky na spolehlivost, protože čím více dat je uloženo na jednom vřetenu, tím důležitější je je neztratit a tím déle trvá jejich obnova.

Ale aj na túto výzvu našli výrobcovia magnetických úložných zariadení odpoveď. Vzali sme tri pevné disky s kapacitou od 14 do 16 TB, aby sme zistili, ako sa technológie 64-ročnej histórie prispôsobujú realitám roku 2019, a všimli sme si niekoľko trendov. Preceňované vzorky moderných 3,5-palcových pevných diskov, vyrobené pre rackové servery a SAN, majú niečo spoločné s pevným stavom — od princípov adresovania sektorov po priamu integráciu flash čipov do lokálneho pamäťového stacku. Spotrebiteľské modely sa zas vo svojich vlastnostiach priblížili k serverovým analogom, a dokonca označenie „desktop HDD“ už nie je tak veľmi informujúce o výkonnosti a spoľahlivosti zariadenia. Ale cieľom tejto recenzie nie sú všeobecné slová. Mieniime zistiť, ako sa nové trendy v konštrukcii pevných diskov vyjadrujú v pevných číslach merania výkonu.

⇡#Technické špecifikácie účastníkov testovania

Predtým, ako začneme analyzovať testovacie výsledky, je potrebné dôkladne preskúmať špecifikácie zariadení, s ktorými sa budeme zaoberať. Tentokrát ich nie je až tak veľa, ako zvyčajne býva v našich skupinových testovaniach, ale splnili sme hlavné podmienky, bez ktorých porovnanie pevných diskov nemôže byť považované za kompletné. V prehľade sa zúčastnili produkty všetkých troch výrobcov — Seagate, Toshiba a Western Digital, a patria do rôznych kategórií: spotrebiteľskej a serverovej. Hlavné charakteristiky, ktoré ich spájajú, sú kapacita 14 alebo 16 TB, hermeticky uzavretý kryt vyplnený héliom a rýchlosť otáčania hriadeľa 7200 ot./min. A pre porovnanie s ťažkotonážnymi modelmi sa do testovania zapojili tri už známe zariadenia s menšou kapacitou (10 a 12 TB), určené na prevádzku na serveroch, domácich alebo kancelárskych NAS.

Prvý model v našej skromnej zbierke pevných diskov impozantného objemu – BarraCuda Pro 14 TB – je úložisko pre stolné PC a DAS, ale nie obyčajné, ale „profesionálne“. Na jednej strane to znamená, že BarraCuda Pro sa podrobuje typickým obmedzeniam desktopových pevných diskov. Napríklad nie je určená na kombinovanie do RAID polí, pretože na to je vhodné mať TLER (Time-Limited Error Recovery) – nastavenie firmvéru, ktoré zabraňuje vypadávaniu HDD z poľa kvôli dlhým pokusom mikrokontroléra prečítať problémový sektor. Okrem toho je šasi BarraCuda Pro nevhodné na prácu v regáli alebo NAS s viacerými zásobníkmi, pretože nemá kompenzáciu otáčavej vibrácie.

Na druhej strane, na rozdiel od väčšiny ostatných desktopových pevných diskov, HDD tejto značky disponujú zvýšenou ročnou kapacitou záťaže – až do 300 TB prepísania, sú pripravené na prevádzku 24/7 a sú pokryté päťročnou zárukou. Na výkonnosť určite nebude dôvod sa sťažovať (aspoň v úlohách s prevažne lineárnym prístupom k údajom): vďaka ôsmym platniam po 1,75 TB zariadenie dosahuje stabilnú priepustnosť 250 MB/s. Okrem toho výrobca sľubuje, že rýchlosť náhodného prístupu v BarraCuda Pro by mala byť vyššia v porovnaní s bežnými diskami pre stolné počítače, zatiaľ čo spotreba energie bude oproti väčšine 3,5-palcových modelov nižšia. Avšak všetky vyhlásenia Seagate ešte preveríme.

Aby sa dosiahla taká vysoká hustota údajov v rámci štandardného kolmo zapisovania bez použitia nikovej technológie SMR (Shingled Magnetic Recording), musel Seagate zaviesť jednu z perspektívnych metód, o ktorých každoročne píšeme v našich závěrečných článcích, — tzv. dvojdimenzionálny záznam (Two-Dimensional Magnetic Recording). Napriek svojmu názvu, TDMR nie je nijako spojená s procesom zaznamenávania dát samotným a je určená na zvýšenie pomeru signál/šum v podmienkach vysokej hustoty dráh na magnetickej platni vďaka súčasnému čítaniu dráhy dvoma čítacími hlavičkami: tieto sú umiestnené tak, že pole zachytáva susedné dráhy, pričom kompenzácia interferencie sa stáva jednoduchšou. V budúcnosti by mali disky s TDMR získať ešte viac hlavičiek, a spolu s reliabilitou čítania dát sa môže zvýšiť aj ich rýchlosť, no to je zatiaľ hudba budúcnosti.

Disky BarraCuda Pro sa v mnohých ohľadoch líšia od príbuzných zariadení nižšej série bez prídavku Pro — začínajúc od toho, že všetky štandardné desktopové modely HDD od výrobcov uviazli na objeme 6–8 TB. Disk BarraCuda Pro je skôr možné opísať ako potomka serverovej vetvy Seagate, ktorý nemá funkcie súvisiace s prácou v poliach. Ale v dôsledku toho cena zariadenia stúpla na úroveň podnikových modelov alebo dokonca vyššie: v Rusku 14TB model nenačítate lacnejšie ako 34 348 rubľov, a na maloobchodných platformách USA — $549. Dokonca aj nearline modely Seagate s rovnakým objemom stoja menej — od $375 alebo 28 936 rubľov.

Nasledujúci testovaný kúsok, 14TB disk Ultrastar DC HC530, je úložisko triedy nearline, ktoré reprezentovalo všetko najlepšie, čo mohli inžinieri Western Digital vyrobiť, kým sa neobjavil nový model s objemom 16 TB. A v praxi 3DNews sa stal prvým diskom značky Ultrastar bez obvyklých písmen HGST v názve: spoločnosť presunula všetky serverové modely pod vlastnú značku po tom, čo sa aktíva HGST úplne rozplynuli v zlúčenom koncerne. V svojich kľúčových vlastnostiach je toto zariadenie podobné BarraCuda Pro rovnakého objemu: vo vnútri hermeticky uzavretého puzdra Ultrastar DC HC530 sú tiež umiestnené osem magnetických platní s užitočnou kapacitou 1750 GB, pričom čítanie dát z úzko umiestnených dráh zabezpečuje technológia TDMR. Ale z hľadiska ostatných parametrov a rôznorodosti dodatočných funkcií charakteristických pre podnikové HDD, Ultrastar DC HC530 sa nedá postaviť na rovnakú úroveň s desktopovými modelmi, aj keď BarraCuda Pro nie je typickým zástupcom svojej kategórie.

Takže, užitočná hustota zápisu na doskách BarraCuda Pro a Ultrastar DC HC530 je rovnaká ako aj rýchlosť otáčania spindle, ale produkt WD zaručuje vyššiu stabilnú rýchlosť lineárneho čítania a zápisu dát — až do 267 MB/s (nejasné, odkiaľ vznikol rozdiel, ale testy ukážu, či naozaj existuje). Omeškania pri náhodnom prístupe pomáha znížiť dvojstupňový aktuátor novej, tretej generácie a veľká vyrovnávacia pamäť s objemom 512 MB, a najmä Media Cache — rezervné zóny pre rýchly zápis blokov, rozmiestnené po povrchu platní. Posledná funkcia spája moderné nearline disky s pevným pamäťovým diskami, v ktorých tiež existuje premenlivý pomer medzi fyzickými sektormi a logickými blokmi. A od 10-terabajtových modelov Ultrastar DC HC330 WD využíva na vyrovnávanie zápisových operácií aj malý objem flash pamäte. Všimneme si, že súčasne s (potenciálne) mimoriadne vysokým výkonom z pohľadu magnetických úložísk, produkt WD sa vyznačuje miernou spotrebou energie — v skutočnosti je to zariadenie s najnižšou spotrebou energie medzi všetkými účastníkmi testovania, ak súdime podľa jeho technických parametrov.

Úložiská tejto triedy sú postavené s ohľadom na nepretržitú prevádzku v podmienkach serverovej stojanovej: dvojstranné upevnenie spindla, kompenzácia rotačnej vibrácie — tieto a ďalšie konštrukčné vlastnosti Ultrastar DC HC530 umožnili zvýšiť projektovanú záťaž disku na 550 TB/rok, a čas na narodenie porúch je typický pre nearline modely 2,5 milióna hodín. Na prípad maloverej havárie pri aktualizácii firmvéru na doske kontroléra je spájaná náhradná mikročip. Disk je dodávaný v modifikáciách s natívnym prístupom k rozloženiu po 4 KB alebo emuláciou 512-bytových sektorov, s rozhraním SATA alebo SAS. V poslednom prípade je tiež k dispozícii možnosť priebežného šifrovania dát.

Cena WD Ultrastar DC HC530 v konfigurácii s portom SATA a emuláciou dedičnej 512-byte rozloženia zodpovedá pokročilým charakteristikám a technológiam tohto zariadenia: od 27 495 rubľov v ruských internetových obchodoch a $439 na 'Amazon'.

Zostaviť kolekciu pevných diskov s objemom 14 TB pre porovnávacie testovanie nebolo jednoduché a vhodné zariadenie od tretieho výrobcu — Toshiba — sa nám nepodarilo získať. Namiesto toho sme dostali model už nasledujúcej generácie, s kapacitou 16 TB. V súčasnosti všetky tri spoločnosti vyrábajúce pevné disky ponúkajú úložiská podobného objemu, ale práve produkt Toshiba zo série MG08 bol medzi nimi najprv. Rekord japonskej spoločnosti spočíva na platniach s približne, ak nie presne rovnakej fyzickej hustote zápisu, akú majú pevné disky BarraCuda Pro a Ultrastar s kapacitou 14 TB, no Toshiba sa po prvýkrát podarilo zabaliť až deväť "plátkov" do štandardného 3,5-palcového puzdra. Neobišlo sa to ani bez technológie TDMR, ktorá sa stala neoddeliteľnou podmienkou pre prekročenie nových hraníc kapacity. Prechodová kapacita Toshiba MG08 pri operáciách lineárneho čítania/zápisu by mala byť na úrovni WD Ultrastar DC HC530, ale, paradoxne, výrobca nezverejňuje žiadne podrobnosti o výkonnosti zariadenia.

Je známe, že Toshiba tiež prijala opatrenia na zvýšenie spoľahlivosti a zároveň zníženie latencie operácií zápisu: čip flash pamäte na palube MG08 v prípade náhleho vypnutia napájania chráni dáta poslané hostiteľským ovládačom na zápis, ale súdiac podľa výsledkov testov, plní aj funkciu druhej úrovne vyrovnávacej pamäte po DRAM. Táto technológia (Persistent Write Cache) sa však objavuje iba v špecifikáciách diskov s emuláciou 512-bajtovej segmentácie, ktorá predstavuje dodatočný zdroj rizika pri výpadku napájania (a do určitej miery ukradne výkon) vzhľadom na potrebu vykonať operáciu read-modify-write pri každom zápise logických blokov, ktoré nezodpovedajú hraniciam fyzických sektorov. A séria MG08 zahŕňa aj modely s natívnym prístupom k 4-kilobajtovým sektorom. Znamená to, že tieto posledné sú úplne zbavené flash pamäte, alebo bolo len odstránené zálohovanie, nevieme. Ale nezávisle na PWC, Toshiba MG08, ako aj iné pamäťové zariadenia tejto firmy, využíva algoritmy Dynamic Cache, ktoré, ako tvrdí výrobca, optimálne rozdeľujú priestor vyrovnávacej pamäte medzi operáciami čítania a zápisu. O nich tiež nemáme žiadne podrobné informácie.

Ďalšími zdrojmi zvýšenej odolnosti voči zlyhaniu v konštrukcii Toshiba MG08 sú upevnenie vretienka z dvoch strán a senzorové detektory otáčavej vibrácie. Tieto disky sú navrhnuté na zápis 550 TB dát ročne, majú štandardnú prevádzkovú dobu na zlyhanie 2,5 milióna hodín a päťročnú záruku. K dispozícii je niekoľko rôznych konfigurácií disku s rozhraním SATA alebo SAS a voliteľnou funkciou end-to-end šifrovania. Po cene vás však nemôžeme informovať: 16-terabajtový disk Toshiba bol predstavený ešte v januári, ale stále je to vzácny úlovok v maloobchodnom predaji.

Toshiba MG08 16 TB

Teraz, keď sme sa zoznámili s tromi hlavnými účastníkmi testovania, pozrieme sa na pevné disky menšieho objemu, s ktorými budeme porovnávať nové 14-16 terabajtové modely. Jedným z nich je Exos X10 s kapacitou 10 TB, ktorý je nearline úložiskom a obsahuje sedem magnetických platní vo vzduchotesnom puzdre. A aj keď od tej doby, čo sa užitočná kapacita platne zvýšila z 1429 na 1750 GB a viac, rýchlosť sekvenčného prístupu v pevných diskoch by sa mala tiež zvýšiť, Exos X10 v tomto parametri prakticky nezaostáva za rovnakou BarraCuda Pro s 14 TB podľa špecifikácií oboch úložísk. Niečo zjavne nesedí v špecifikáciách pevných diskov Seagate, ale máme možnosť to zistiť v praxi.

Aby sa zvýšila rýchlosť operácií s náhodným prístupom, v sérii Exos existuje rozvinutý mechanizmus cachovania zápisu AWC (Advanced Write Caching), ktorý znižuje čas odozvy. V rámci AWC sú operácie zápisu skupinované v DRAM pamäti, ako je to v každom inom pevnom disku, avšak buffer uchováva kópiu dát po tom, čo boli zaznamenané na platne, a obsah zrkadlového bufferu môže byť okamžite prečítaný hostiteľským kontrolórom. V serverových pevných diskoch Seagate 2,5-palcového formátu AWC zahŕňa ďalšiu rýchlostnú úroveň — vyhradené oblasti na povrchu platní, kde sa dáta z DRAM zapisujú v sekvenčnom poradí (Media Cache), ako aj malý objem energicky nezávislej pamäte na záchranu dát z bufferu pri havarijnom vypnutí napájania. Avšak v Exos X10 chýba flash pamäť, a možno aj Media Cache spolu s ňou.

Disky série Exos se od spotřebitelských pevných disků pro stolní počítače a NAS se vyznačují vysokými hodnotami průměrné doby mezi poruchami (2,5 milionu hodin) a provozní zátěží (550 TB/rok), možností použití v serverových rackách bez omezení počtu šachet a také pětiletou zárukou. Pevný disk s modelovým číslem ST10000NM0016, který jsme testovali, navíc patří mezi hyperscale modifikace, které mají nižší spotřebu energie než ostatní modely rodiny Exos, ale jsou k dispozici pouze s rozhraním SATA a emulací 512-bytových sektorů. V konfiguracích s rozhraním SAS jsou mezi modely Exos k dispozici také varianty s nativním přístupem k 4-kilobajtovým sektorům a funkcí plného šifrování disku na úrovni jednotky.

Pevný disk Seagate IronWolf byl nedávno zmíněn v našom prehľade nových modelech této značky spolu s SSD Seagate pro síťová úložiště. 12TB model IronWolf je pravděpodobně vybaven disky se stejnou fyzickou hustotou jako Exos X10, jenže jich je o jeden více. Nicméně, Seagate hodnotí výkon svého produktu při sekvenčním čtení a zápisu značně níže — pouhých 210 MB/s. A žádné sofistikované technologie na kompenzaci vysoké latence, která je vlastní magnetickým uložištím, zde také není.

Naopak, všechny pevné disky IronWolf od kapacity 4 TB převzaly od série Exos řadu hardwarových funkcí, které zvyšují spolehlivost. Hlava magnetických disků každého pevného disku je vyvážena ve dvou rovinách a senzory otřesů zajišťují stabilní provoz v rackových SDS nebo samostatném NAS s počtem šachet až do osmi. IronWolf je navržen pro mírný provoz s projektovanou zátěží 180 TB/rok a má dobu mezi poruchami 1 milion hodin. V důsledku toho je i záruka u IronWolf kratší než u vážnějších modelů v nabídce Seagate — tři roky.

Pod značkou S300 uvedla japonská společnost Toshiba na trh řadu disků pro systémy videodohledu — těmto pevným diskům je také věnována samostatná prehľad Na stránkach 3DNews. Rozšírením protokolu prenosu dát ATA Streaming Command Set zabezpečujú vyššie modely Toshiba S300 súčasné nahrávanie videa zo 64 kamerových systémov, no v podstate ide o typické úložiská pre NAS a DAS s možnosťou prevádzky 24/7 a slušným zdrojom životnosti: rovnako ako pri IronWolf, ten dosahuje 1 milión hodín, pričom záručná doba je tri roky. Vďaka konštrukčným výhodám šasi S300 – upevneniu vretienka z oboch strán a aktívnej kompenzácii rotačnej vibrácie – je povolené inštalovanie viac než ôsmich takýchto zariadení do jedného stojanu alebo samostatného NAS.

Model S300, vybraný na porovnanie s novinkami s objemom 14–16 TB, je postavený na základe hardvérového šasi serverových diskov MD06ACA-V a obsahuje sedem magnetických platní, pričom v špecifikáciách zariadenia je uvedená pre moderné veľkoobjemové HDD typická rýchlosť náhodného čítania/zápisu 248 MB/s. Z techník, ktoré sa v serverových diskoch Toshiba používajú na zníženie latencie, ostala S300 len funkcia Dynamic Cache.

Na rozdiel od všetkých ostatných účastníkov testovania, S300 aj pri hustej zásobníku zo siedmich platní zvládne bez hélia a je vyrobený v štandardnom vetranom puzdre. Zdá sa, že presne z tohto dôvodu patrí 10-terabajtovému modelu najvyššia hodnota spotrebovanej energie v súhrnnej tabuľke špecifikácií účastníkov testovania, pričom tento parameter, hoci je dôležitý predovšetkým pre administrátorov dátových centier, priamo určuje teplotu HDD. Skutočnú spotrebu energie S300 ešte preveríme sami, ale zatiaľ si tento bod vezmeme na vedomie.

Zdroj: 3dnews.ru