Нова стаття: Тестування жорстких дисків об'ємом 14–16 Тбайт: не тільки більше, а й краще

Місткість жорстких дисків продовжує збільшуватися, але темпи зростання останніми роками неухильно знижуються. Так, для того, щоб випустити перший накопичувач ємністю 4 Тбайт після того, як у продажу з'явилися 2-терабайтні HDD, індустрія витратила всього два роки, на підкорення позначки 8 Тбайт пішло три, а подвоїти об'єм 3,5-дюймового жорсткого диска ще разів вдалося лише за п'ять років.

Останній ривок здійснився завдяки списку новаторських рішень. Сьогодні навіть такі консерватори, як Toshiba, яка до останнього відмовлялася від гелію, змушені випускати вінчестери в герметичних корпусах, а кількість пластин на шпинделі збільшилася до дев'яти штук — хоча колись і довгий час п'ять пластин вважалися розумною межею. У специфічних нішах використовується технологія т.з. черепичного запису (SMR, Shingled Magnetic Recording), у межах якого доріжки секторів на пластині частково перекриваються. І нарешті, для того, щоб зрушити межу ємності жорсткого диска з 14 до 16 Тбайт без застосування SMR, виробникам довелося впровадити одну з перспективних технологій, список яких, що поступово стискається, ми відтворюємо в щорічних. підсумкових статтях, - Читання доріжки кількома головками одночасно (TDMR, Two-Dimensional Magnetic Recording). Подальший рух рано чи пізно вимагатиме і масштабніших змін в основах роботи HDD — таких як підігрів пластини за допомогою лазера або мікрохвиль (HAMR/MAMR, Heat/Microwave-Assisted Magnetic Recording) у момент проходження записуючої голівки.

Однак легко помітити, що всі описані прийоми спрямовані в першу чергу на зростання щільності запису та збільшення об'єму на одному шпинделі, хоча у багатьох є благотворний побічний ефект у вигляді підвищеної швидкості лінійного читання і запису даних. За цим параметром сучасні HDD пробилися за кордон 250 Мбайт/с і вже можна порівняти з ранніми споживчими твердотілими накопичувачами. Але швидкість доступу до випадкових секторів магнітних дисків майже не прогресує, а в перерахунку на обсяг кількість операцій за секунду стає меншою. Водночас виникають підвищені вимоги до стійкості до відмов, адже чим більше даних зберігається на одному шпинделі, тим важливіше їх не втратити і тим довше відновлювати.

Але і на цей виклик у творців магнітних накопичувачів знайшлася відповідь. Ми взяли три жорсткі диски об'ємом від 14 до 16 Тбайт, щоб дізнатися, як адаптуються технології 64-річної давності до реалій 2019 року, і помітили кілька тенденцій. Чемпіонські зразки сучасних 3,5-дюймових вінчестерів, виготовлені для стійкових серверів і СГД, мають щось спільне з твердотілими накопичувачами - від принципів адресації секторів до прямої інтеграції flash-мікросхем у локальний стек пам'яті. А споживчі моделі, у свою чергу, стали ближчими за своїми характеристиками до серверних аналогів, і навіть опис «десктопний HDD» вже не так багато говорить про швидкодію та надійність пристрою. Але завдання цього огляду не зводиться до загальних слів. Ми маємо намір з'ясувати, як нові віяння у конструкції жорстких дисків виражаються у твердих числах вимірювань продуктивності.

⇡#Технічні характеристики учасників тестування

Перед тим як ми почнемо аналіз тестових результатів, варто уважно вивчити характеристики пристроїв, з якими ми повинні мати справу. Цього разу їх не так багато, як зазвичай буває у наших групових тестуваннях, але ми виконали головні умови, без яких порівняння жорстких дисків не може претендувати на повноту. В огляді взяли участь продукти всіх трьох виробників – Seagate, Toshiba та Western Digital, і вони відносяться до різних категорій: споживчої та серверної. Головні характеристики, які їх поєднують, - це об'єм 14 або 16 Тбайт, герметичний корпус, заповнений гелієм, і швидкість обертання шпинделя 7200 об/хв. А для порівняння з важкоатлетами в тестуванні беруть участь три вже знайомі нам пристрої меншого обсягу (10 і 12 Тбайт), розраховані на експлуатацію в серверах, домашніх або офісних NAS.

Виробник	Seagate			Toshiba		Western Digital
Серія	BarraCuda Pro	Exos X10	IronWolf	MG08	S300	Ultrastar DC HC530
Модельний номер	ST14000DM001	ST10000NM0016	ST12000VN0008	MG08ACA16TE	HDWT31AUZSVA	WUH721414ALE6L4
Форм-фактор	3,5 дюйма	3,5 дюйма	3,5 дюйма	3,5 дюйма	3,5 дюйма	3,5 дюйма
Інтерфейс	SATA 6 Гбіт/с	SATA 6 Гбіт/с	SATA 6 Гбіт/с	SATA 6 Гбіт/с	SATA 6 Гбіт/с	SATA 6 Гбіт/с
Ємність, Гбайт	14 000	10 000	12 000	16 000	10 000	14 000
Конфігурація
Швидкість обертання шпинделя, об/хв	7 200	7 200	7 200	7 200	7 200	7 200
Корисна щільність запису даних, Гбайт/пластину	1 750	1 429	1 500	1 778	1 429	1 750
Число пластин/головок	8/16	7/14	8/16	9/18	7/14	8/16
Розмір сектора, байт	4096 (емуляція 512 байт)	4096 (емуляція 512 байт)	4096 (емуляція 512 байт)	4096 (емуляція 512 байт)	4096 (емуляція 512 байт)	4096 (емуляція 512 байт)
Об'єм буфера, Мбайт	256	256	256	512	256	512
Продуктивність
Макс. стійка швидкість послідовного читання, Мбайт/с	250	249	210	НД	248	267
Макс. стійка швидкість послідовного запису, Мбайт/с	250	249	210	НД	248	267
Середній час пошуку: читання/запис, мс	НД	НД	НД	НД	НД	7,5/НД
Відмовостійкість
Розрахункове навантаження, Тбайт/г	300	НД	180	550	180	550
Непереборні помилки читання, кількість випадків на обсяг даних (біт)	1/10^15	1/10^15	1/10^15	10/10^16	10/10^14	1/10^15
MTBF (середній час напрацювання на відмову), год	НД	2 500 000	1 000 000	2 500 000	1 000 000	2 500 000
AFR (імовірність відмови за рік), %	НД	0,35	НД	НД	НД	0,35
Число циклів паркування головок	300 000	600 000	600 000	600 000	600 000	600 000
Фізичні характеристики
Потужність: бездіяльність/читання-запис, Вт	4,9/6,9	4,5/8,4	5,0/7,8	НД	7,15/9,48	5,5/6,0
Рівень шуму: бездіяльність/пошук, Б	НД	НД	1,8/2,8	2,0/НД	3,4/НД	2,0/3,6
Максимальна температура, °C: диск увімкнено/диск вимкнено	60/70	60/НД	70/70	55/70	70/70	60/70
Удароміцність: диск увімкнено /диск вимкнено	НД	40 g (2 мс)/250 g (2 мс)	70 g (2 мс)/250 g (2 мс)	70 g (2 мс)/250 g (2 мс)	70 g (2 мс)/250 g (2 мс)	70 g (2 мс)/300 g (2 мс)
Габаритні розміри: Д × В × Г, мм	147 × 101,9 × 26,1	147 × 101,9 × 26,1	147 × 101,9 × 26,1	147 × 101,9 × 26,1	147 × 101,9 × 26,1	147 × 101,6 × 26,1
Маса, г	690	650	690	720	770	690
Гарантійний термін, років	5	5	3	5	3	5
Роздрібна ціна (США, без податку), $	Від 549 (newegg.com)	Від 289 (newegg.com)	Від 351 (newegg.com)	НД	Від 301 (newegg.com)	Від 439 (amazon.com)
Роздрібна ціна (Росія), руб.	Від 34 (market.yandex.ru)	Від 17 (market.yandex.ru)	Від 26 (market.yandex.ru)	НД	Від 19 (market.yandex.ru)	Від 27 (market.yandex.ru)

Перша модель у нашій скромній колекції жорстких дисків нескромного об'єму – BarraCuda Pro 14 Тбайт – є накопичувачем для настільних ПК та DAS, але не простим, а «професійним». З одного боку, це означає, що BarraCuda Pro схильна до типових обмежень десктопних жорстких дисків. Наприклад, вона не призначена для об'єднання в RAID-масиви, тому для цього бажано мати TLER (Time-Limited Error Recovery) - налаштування прошивки, яка запобігає вилітанню HDD з масиву через тривалі спроби мікроконтролера вважати проблемний сектор. На додачу до цього шасі BarraCuda Pro погано пристосовано до роботи в полиці або NAS з кількома кошиками, адже в ньому немає компенсації обертальної вібрації.

Але з іншого боку, на відміну від більшості інших десктопних вінчестерів, HDD цієї марки мають у своєму розпорядженні збільшений річний ресурс навантаження — аж до 300 Тбайт перезапису, готові працювати в режимі 24/7 і супроводжуються п'ятирічною гарантією. На швидкодію, напевно, теж не доведеться скаржитися (принаймні, у завданнях з переважно лінійним доступом до даних): завдяки восьми пластинам по 1,75 Тбайт пристрій досягає стійкої пропускної здатності 250 Мбайт/с. Крім того, виробник обіцяє, що і швидкість довільного доступу в BarraCuda Pro повинна бути вищою в порівнянні зі звичайними дисками для настільних комп'ютерів, а енергоспоживання, навпаки, нижче, ніж у більшості 3,5-дюймових моделей. Втім, усі заяви Seagate ми ще перевіримо.

Для того, щоб підкорити такий високий рубіж щільності даних у рамках стандартного перпендикулярного запису без застосування нішевої технології SMR (Shingled Magnetic Recording), Seagate довелося впровадити один з перспективних методів, про які ми з року в рік пишемо в наших підсумкових статтях, - Т. зв. двомірний запис (Two-Dimensional Magnetic Recording). Але всупереч своїй назві, TDMR ніяк не пов'язана з процедурою запису даних як такої і призначена для збільшення пропорції сигнал/шум в умовах високої щільності доріжок на магнітній пластині за рахунок одночасного читання доріжки двома головками, що зчитують: останні рознесені в просторі таким чином, що поле захоплює сусідні доріжки і компенсувати інтерференцію стає легше. У перспективі вінчестери з TDMR наберуть ще більше головок, а разом із надійністю зчитування даних може збільшитися її швидкість, але це поки що справа майбутнього.

Накопичувачі BarraCuda Pro багато в чому відрізняються від споріднених пристроїв молодшої серії без приставки Pro — починаючи з того, що у всіх виробників HDD стандартні десктопні моделі застрягли об'ємом 6–8 Тбайт. Диск BarraCuda Pro швидше можна описати як сина серверної гілки Seagate, який позбавлений функцій, пов'язаних із роботою в масивах. Але в результаті і ціна пристрою злетіла на рівень корпоративних моделей, а то й вище: в Росії 14-терабайтну модель не знайти дешевше 34 руб., А на роздрібних майданчиках США - $348. Навіть nearline-моделі Seagate такого ж обсягу коштують менше – від $549 або 375 28 руб.

Наступний піддослідний, 14-терабайтний диск Ultrastar DC HC530 - це накопичувач класу nearline, який представляв все найкраще, на що здатні інженери Western Digital, поки не з'явилася нова модель об'ємом 16 Тбайт. А на практиці 3DNews він став першим вінчестером марки Ultrastar без звичних літер HGST у назві: компанія перевела всі серверні моделі під власний бренд після того, як активи HGST повністю розчинилися в об'єднаній корпорації. У своїх ключових характеристиках цей пристрій схожий на BarraCuda Pro такого ж об'єму: усередині герметичного корпусу Ultrastar DC HC530 теж розташовані вісім магнітних пластин корисною ємністю 1750 Гбайт, а зчитування даних із щільно доріжок забезпечує технологія TDMR. Але за іншими параметрами та різноманітністю додаткових функцій, властивих корпоративним HDD, Ultrastar DC HC530 не можна поставити на одну дошку з десктопними моделями, нехай BarraCuda Pro і не є типовим представником своєї категорії.

Так, корисна щільність запису на пластинах BarraCuda Pro та Ultrastar DC HC530 одна й та сама, як і швидкість обертання шпинделя, але продукт WD гарантує більш високу стійку швидкість лінійного читання та запису даних – аж до 267 Мбайт/с (незрозуміло, звідки взялася різниця , Але тести покажуть, чи існує вона насправді). Затримки при довільному доступі допомагає знизити двоступінчастий актуатор нового, третього покоління та великий буфер об'ємом 512 Мбайт, а головне Media Cache - резервні зони для швидкого запису блоків, розкидані по поверхні пластин. Остання особливість ріднить сучасні nearline-диски з твердотілими накопичувачами, в яких також існує змінне співвідношення між фізичними секторами та логічними блоками. А починаючи з 10-терабайтних моделей Ultrastar DC HC330 WD використовує для кешування операцій запису ще й невеликий обсяг флеш-пам'яті. Зауважимо, що одночасно з (потенційно) надзвичайно високою за мірками магнітних накопичувачів швидкодією продукт WD відрізняється помірною потужністю, що споживається — фактично це пристрій з найменшим енергоспоживанням серед усіх учасників тестування, якщо судити за його паспортними параметрами.

Накопичувачі такого класу побудовані з розрахунком на безперервну експлуатацію в умовах серверної стійки: двостороннє кріплення шпинделя, компенсація обертальної вібрації - ці та інші конструкційні особливості Ultrastar DC HC530 дозволили довести проектне навантаження диска до 550 Тбайт/рік, а час напрацювання на відмову становить типові -моделей 2,5 млн. годин. На випадок малоймовірного збою при оновленні прошивки на платі контролера розпаяно запасну мікросхему. Диск поставляється в модифікаціях з нативним доступом до розмітки по 4 Кбайт або емуляцією 512-байтових секторів з інтерфейсом SATA або SAS. У разі також доступна опція наскрізного шифрування даних.

Роздрібні ціни WD Ultrastar DC HC530 у конфігурації з портом SATA та емуляцією спадкової 512-байтової розмітки відповідають передовим характеристикам та технологіям цього пристрою: від 27 495 руб. у російських інтернет-магазинах та $439 на «Амазоні».

Зібрати колекцію вінчестерів об'ємом 14 Тбайт для порівняльного тестування було непросто, і відповідний пристрій третього виробника Toshiba ми так і не змогли отримати. Проте замість нього нам дісталася модель вже наступного покоління, на 16 Тбайт. Зараз усі три компанії, що виробляють жорсткі диски, пропонують накопичувачі такого обсягу, але саме продукт Toshiba серії MG08 був серед них найпершим. Рекорд японської компанії спирається на пластини з приблизно, якщо не точно такою ж фізичною щільністю запису, як у жорстких дисках BarraCuda Pro і Ultrastar на 14 Тбайт, але Toshiba вперше змогла упаковати відразу дев'ять «млинців» у стандартний 3,5-дюймовий корпус. Не обійшлося і без технології TDMR, яка стала невід'ємною умовою для підкорення нових рубежів ємності. Пропускна здатність Toshiba MG08 в операціях лінійного читання/запису повинна бути на рівні WD Ultrastar DC HC530, але, як не дивно, виробник не розкриває жодних подробиць швидкодії пристрою.

Натомість відомо, що Toshiba теж вжила заходів для того, щоб збільшити надійність і одночасно скоротити латентність операцій запису: мікросхема флеш-пам'яті на борту MG08 у разі аварійного відключення живлення дозволяє зберегти дані, відправлені хост-контролером на запис, але, судячи з результатів тестів ще виконує функцію другого рівня кеш-пам'яті після буфера DRAM. Однак ця технологія (Persistent Write Cache) фігурує тільки в специфікаціях дисків з емуляцією 512-байтової розмітки, яка є додатковим джерелом небезпеки при збої живлення (і певною мірою краде продуктивність) через необхідність виконувати операцію read-modify-write при кожній записи логічних блоків, які збігаються з межами фізичних секторів. Адже серія MG08 також включає моделі з нативним доступом до 4-кілобайтових секторів. Чи означає це, що останні зовсім позбавлені флеш-пам'яті, чи з неї лише зняли функцію резервного копіювання, нам невідомо. Але незалежно від PWC, Toshiba MG08, та й інші накопичувачі цієї фірми, використовує алгоритми Dynamic Cache, які, як стверджує виробник, оптимально розподіляють простір буфера між операціями читання та запису. Якоїсь детальної інформації про них ми теж не маємо.

Іншими джерелами підвищеної стійкості до відмов у конструкції Toshiba MG08 виступають кріплення шпинделя з двох сторін і датчики обертальної вібрації. Ці диски розраховані на запис 550 Тбайт даних на рік, мають стандартний для корпоративних пристроїв час напрацювання на відмову в 2,5 млн годин і п'ятирічний гарантійний термін. Для замовлення доступні декілька різних конфігурацій диска з інтерфейсом SATA або SAS та необов'язковою функцією наскрізного шифрування. Однак за ціною ми вас зорієнтувати не можемо: 16-терабайтний диск Toshiba був представлений ще в січні, але це, як і раніше, рідкісний звір у роздрібному продажу.

Toshiba MG08 16 Тбайт

Тепер, коли ми познайомилися з трьома головними учасниками тестування, подивимося на жорсткі диски меншого обсягу, з якими ми маємо порівняти нові 14-16-терабайтні моделі. Один з них, Exos X10 об'ємом 10 Тбайт, є nearline-накопичувач, що містить сім магнітних пластин у герметичному корпусі. І хоча відколи корисна ємність пластини зросла з 1429 до 1750 Гбайт і більше, швидкість послідовного доступу в жорстких дисках теж повинна збільшитися, за цим параметром Exos X10 практично не поступається тієї ж BarraCuda Pro на 14 Тбайт відповідно до специфікацій обох накопичувачів. Щось явно не сходиться у специфікаціях жорстких дисків Seagate, але ми маємо можливість все дізнатися на практиці.

Для того, щоб збільшити швидкість операцій з довільним доступом, у серії Exos існує розвинений механізм кешування запису AWC (Advanced Write Caching), що знижує час відгуку. В рамках AWC операції записи групуються в буфері DRAM, як відбувається в будь-якому іншому жорсткому диску, однак буфер зберігає копію даних після того, як вони скинуті на пластину, і вміст дзеркального буфера може бути негайно хост-контролером. У серверних жорстких дисках Seagate 2,5-дюймовий форм-фактор AWC включає наступний за швидкістю ступінь — зарезервовані ділянки на поверхні пластин, куди дані з DRAM записуються в послідовному порядку (Media Cache), а також невеликий обсяг енергонезалежної пам'яті для порятунку даних з буфера при аварійному відключенні живлення. Але в Exos X10 флеш-пам'ять відсутня, а може й Media Cache разом із нею.

Від споживчих вінчестерів для настільних комп'ютерів та NAS диски серії Exos відрізняються високими показниками часу напрацювання на відмову (2,5 млн годин) та розрахункового навантаження (550 Тбайт/рік), можливістю експлуатації у серверній стійці без обмеження на кількість кошиків, а також п'ятирічний термін гарантійне обслуговування. Жорсткий диск з модельним номером ST10000NM0016, що дістався нам на тест, також відноситься до Hyperscale-модифікацій, які мають знижене енергоспоживання в порівнянні з іншими представниками сімейства Exos, але випускаються тільки з інтерфейсом SATA і емуляцією 512-. У конфігураціях з роз'ємом SAS серед моделей Exos є варіанти з нативним доступом до 4-кілобайтних секторів, а також функцією наскрізного повнодискового шифрування.

Жорсткий диск Seagate IronWolf нещодавно фігурував у нашому огляді нових представників цієї марки разом із твердотілим накопичувачем Seagate для мережевих сховищ. 12-терабайтна модель IronWolf, мабуть, комплектується пластинами з такою ж фізичною щільністю розмітки, як у Exos X10, тільки тут їх на одну більше. Однак Seagate оцінює швидкодію свого дітища в операціях послідовного читання і запису набагато нижче - всього лише в 210 Мбайт/с. І жодних витончених технологій, спрямованих на те, щоб компенсувати високу латентність відгуку, властиву магнітним накопичувачам, тут також немає.

Зате всі жорсткі диски IronWolf, починаючи з об'єму 4 Тбайт, запозичили у серії Exos ряд апаратних особливостей, що сприяють підвищеній стійкості до відмов. Блок магнітних пластин кожного вінчестера збалансований у двох площинах, а датчики обертальної вібрації забезпечують стабільну роботу в стійковій СХД або окремому NAS з числом дискових кошиків аж до восьми. IronWolf розрахований на помірний режим експлуатації з проектним навантаженням 180 Тбайт/рік і характеризується часом напрацювання на відмову 1 млн годин. Як наслідок, і термін гарантійного обслуговування IronWolf не такий довгий, як у більш серйозних моделей в каталозі Seagate, — три роки.

Під маркою S300 японська компанія Toshiba випустила серію накопичувачів для систем відеоспостереження – цим вінчестерам також присвячений власний огляд на сторінках 3DNews. За рахунок розширення протоколу передачі даних ATA Streaming Command Set старші моделі Toshiba S300 гарантують одночасний запис відео з 64 камер спостереження, але у своїй основі є типовими накопичувачами для NAS та DAS з можливістю експлуатації 24/7 та пристойним ресурсом напрацювання на відмову: як і у IronWolf, він становить 1 млн годин, а гарантійний термін - ті ж три роки. Завдяки конструктивним перевагам шасі S300 - кріпленню шпинделя з двох сторін і активної компенсації обертальної вібрації - допускається встановлення більш ніж восьми таких пристроїв в одну стійкову полицю або NAS, що окремо стоїть.

Модель S300, обрана для порівняння з новинками об'ємом 14-16 Тбайт, побудована на базі апаратного шасі серверних дисків MD06ACA-V і містить сім магнітних пластин, а в специфікаціях пристрою вказана типова для сучасних більшоб'ємних HDD швидкість довільного читання/запису в 248 . Але з тих прийомів, які застосовуються в серверних вінчестерах Toshiba для зниження латентності, S300 залишилася тільки функція Dynamic Cache.

На відміну від решти учасників тестування, S300 навіть при щільному стеку з семи пластин обходиться без гелію і виконаний у стандартному вентильованому корпусі. Схоже, саме з цієї причини 10-терабайтної моделі належить найвище значення споживаної потужності в зведеній таблиці специфікацій учасників тестування, а цей параметр, хоч сам собою важливий лише для адміністраторів дата-центрів, безпосередньо визначає температуру HDD. Реальне енергоспоживання S300 ми ще перевіримо самостійно, але поки що візьмемо цей пункт на замітку.

Джерело: 3dnews.ru