Тестирование жестких дисков объемом 14–16 Тбайт: не только больше, но и лучше

Емкость жестких дисков продолжает увеличиваться, но темпы роста в последние годы неуклонно снижаются. Так, для того, чтобы выпустить первый накопитель емкостью 4 Тбайт после того, как в продаже появились 2-терабайтные HDD, индустрия потратила всего два года, на покорение отметки в 8 Тбайт ушло три, а удвоить объем 3,5-дюймового жесткого диска еще раз удалось лишь за пять лет.

Последний рывок осуществился благодаря целому списку новаторских решений. Сегодня даже такие консерваторы, как Toshiba, которая до последнего отказывалась от гелия, вынуждены выпускать винчестеры в герметичных корпусах, а число пластин на шпинделе увеличилось до девяти штук — хотя когда-то, и долгое время, пять пластин считались разумным пределом. В специфических нишах применяется технология т. н. черепичной записи (SMR, Shingled Magnetic Recording), в рамках которой дорожки секторов на пластине частично перекрываются. И наконец, для того, чтобы сдвинуть предел емкости жесткого диска с 14 до 16 Тбайт без применения SMR, производителям пришлось внедрить одну из перспективных технологий, постепенно сжимающийся список которых мы воспроизводим в ежегодных итоговых статьях, — чтение дорожки несколькими головками одновременно (TDMR, Two-Dimensional Magnetic Recording). Дальнейшее движение рано или поздно потребует и более масштабных изменений в основах работы HDD — таких как подогрев пластины с помощью лазера или микроволн (HAMR/MAMR, Heat/Microwave-Assisted Magnetic Recording) в момент прохождения записывающей головки.

Однако легко заметить, что все описанные приемы направлены в первую очередь на рост плотности записи и увеличение объема на одном шпинделе, хотя у многих из них есть благотворный побочный эффект в виде повышенной скорости линейного чтения и записи данных. По этому параметру современные HDD пробились за границу 250 Мбайт/с и уже сравнимы с ранними потребительскими твердотельными накопителями. Но скорость доступа к случайным секторам магнитных дисков почти не прогрессирует, а в пересчете на объем количество операций за секунду становится лишь меньше. Вместе с тем возникают повышенные требования к отказоустойчивости, ведь чем больше данных хранится на одном шпинделе, тем важнее их не потерять и тем дольше восстанавливать.

Но и на этот вызов у создателей магнитных накопителей нашелся ответ. Мы взяли три жестких диска объемом от 14 до 16 Тбайт, чтобы узнать, как адаптируются технологии 64-летней давности к реалиям 2019 года, и заметили несколько тенденций. Чемпионские образцы современных 3,5-дюймовых винчестеров, произведенные для стоечных серверов и СХД, имеют нечто общее с твердотельными накопителями — от принципов адресации секторов до прямой интеграции flash-микросхем в локальный стек памяти. А потребительские модели, в свою очередь, стали ближе по своим характеристикам к серверным аналогам, и даже описание «десктопный HDD» уже не так много говорит о быстродействии и надежности устройства. Но задача этого обзора не сводится к общим словам. Мы намерены выяснить, как новые веяния в конструкции жестких дисков выражаются в твердых числах измерений производительности.

⇡#Технические характеристики участников тестирования

Перед тем как мы начнем анализ тестовых результатов, стоит внимательно изучить характеристики устройств, с которыми нам предстоит иметь дело. В этот раз их не настолько много, как обычно бывает в наших групповых тестированиях, но мы выполнили главные условия, без которых сравнение жестких дисков не может претендовать на полноту. В обзоре приняли участие продукты всех трех производителей — Seagate, Toshiba и Western Digital, и они относятся к различным категориям: потребительской и серверной. Главные характеристики, которые их объединяют, — это объем в 14 или 16 Тбайт, герметичный корпус, заполненный гелием, и скорость вращения шпинделя 7200 об/мин. А для сравнения с тяжеловесами в тестировании участвуют три уже знакомых нам устройства меньшего объема (10 и 12 Тбайт), рассчитанные на эксплуатацию в серверах, домашних или офисных NAS.

Первая модель в нашей скромной коллекции жестких дисков нескромного объема — BarraCuda Pro 14 Тбайт — является накопителем для настольных ПК и DAS, но не простым, а «профессиональным». С одной стороны, это значит, что BarraCuda Pro подвержена типичным ограничениям десктопных жестких дисков. Например, она не предназначена для объединения в RAID-массивы, т. к. для этого желательно иметь TLER (Time-Limited Error Recovery) — настройку прошивки, которая предотвращает вылетание HDD из массива из-за длительных попыток микроконтроллера считать проблемный сектор. Вдобавок к этому шасси BarraCuda Pro плохо приспособлено к работе в полке или NAS с несколькими корзинами, ведь в нем нет компенсации вращательной вибрации.

Но с другой стороны, в отличие от большинства других десктопных винчестеров, HDD этой марки располагают увеличенным годичным ресурсом нагрузки — вплоть до 300 Тбайт перезаписи, готовы работать в режиме 24/7 и сопровождаются пятилетней гарантией. На быстродействие наверняка тоже не придется жаловаться (по крайней мере, в задачах с преимущественно линейным доступом к данным): благодаря восьми пластинам по 1,75 Тбайт устройство достигает устойчивой пропускной способности в 250 Мбайт/с. Кроме того, производитель обещает, что и скорость произвольного доступа в BarraCuda Pro должна быть выше по сравнению с обыкновенными дисками для настольных компьютеров, а энергопотребление, напротив, ниже, чем у большинства 3,5-дюймовых моделей. Впрочем, все заявления Seagate мы еще проверим.

Для того чтобы покорить столь высокий рубеж плотности данных в рамках стандартной перпендикулярной записи без применения нишевой технологии SMR (Shingled Magnetic Recording), Seagate пришлось внедрить один из перспективных методов, о которых мы из года в год пишем в наших итоговых статьях, — т. н. двухмерную запись (Two-Dimensional Magnetic Recording). Но вопреки своему названию, TDMR никак не связана с процедурой записи данных как таковой и предназначена для увеличения пропорции сигнал/шум в условиях высокой плотности дорожек на магнитной пластине за счет одновременного чтения дорожки двумя считывающими головками: последние разнесены в пространстве таким образом, что поле захватывает соседние дорожки, и компенсировать интерференцию становится легче. В перспективе винчестеры с TDMR наберут еще больше головок, а вместе с надежностью считывания данных может увеличиться ее скорость, но это пока дело будущего.

Накопители BarraCuda Pro во многом отличаются от родственных устройств младшей серии без приставки Pro — начиная с того, что у всех производителей HDD стандартные десктопные модели застряли в объеме 6–8 Тбайт. Диск BarraCuda Pro скорее можно описать как отпрыска серверной ветки Seagate, который лишен функций, связанных с работой в массивах. Но в результате и цена устройства взлетела на уровень корпоративных моделей, а то и выше: в России 14-терабайтную модель не найти дешевле 34 348 руб., а на розничных площадках США — $549. Даже nearline-модели Seagate такого же объема стоят меньше — от $375 или 28 936 руб.

Seagate BarraCuda Pro 14 Тбайт

Следующий подопытный, 14-терабайтный диск Ultrastar DC HC530, — это накопитель класса nearline, который представлял все лучшее, на что способны инженеры Western Digital, пока не появилась новая модель объемом 16 Тбайт. А в практике 3DNews он стал первым винчестером марки Ultrastar без привычных букв HGST в названии: компания перевела все серверные модели под собственный бренд после того, как активы HGST полностью растворились в объединенной корпорации. В своих ключевых характеристиках это устройство похоже на BarraCuda Pro такого же объема: внутри герметичного корпуса Ultrastar DC HC530 тоже расположены восемь магнитных пластин полезной емкостью 1750 Гбайт, а считывание данных с плотно расположенных дорожек обеспечивает технология TDMR. Но по остальным параметрам и многообразию дополнительных функций, свойственных корпоративным HDD, Ultrastar DC HC530 нельзя поставить на одну доску с десктопными моделями, пусть BarraCuda Pro и не является типичным представителем своей категории.

Так, полезная плотность записи на пластинах BarraCuda Pro и Ultrastar DC HC530 одна и та же, как и скорость вращения шпинделя, но продукт WD гарантирует более высокую устойчивую скорость линейного чтения и записи данных — вплоть до 267 Мбайт/с (непонятно, откуда взялась разница, но тесты покажут, существует ли она на самом деле). Задержки при произвольном доступе помогает снизить двухступенчатый актуатор нового, третьего поколения и крупный буфер объемом 512 Мбайт, а главное, Media Cache — резервные зоны для быстрой записи блоков, разбросанные по поверхности пластин. Последняя особенность роднит современные nearline-диски с твердотельными накопителями, в которых тоже существует переменное соотношение между физическими секторами и логическими блоками. А начиная с 10-терабайтных моделей Ultrastar DC HC330, WD использует для кеширования операций записи еще и небольшой объем флеш-памяти. Заметим, что одновременно с (потенциально) чрезвычайно высоким по меркам магнитных накопителей быстродействием продукт WD отличается умеренной потребляемой мощностью — фактически это устройство с наименьшим энергопотреблением среди всех участников тестирования, если судить по его паспортным параметрам.

Накопители такого класса построены с расчетом на непрерывную эксплуатацию в условиях серверной стойки: двухстороннее крепление шпинделя, компенсация вращательной вибрации — эти и другие конструкционные особенности Ultrastar DC HC530 позволили довести проектную нагрузку диска до 550 Тбайт/год, а время наработки на отказ составляет типичные для nearline-моделей 2,5 млн часов. На случай маловероятного сбоя при обновлении прошивки на плате контроллера распаяна запасная микросхема. Диск поставляется в модификациях с нативным доступом к разметке по 4 Кбайт или эмуляцией 512-байтовых секторов, с интерфейсом SATA или SAS. В последнем случае также доступна опция сквозного шифрования данных.

Розничные цены WD Ultrastar DC HC530 в конфигурации с портом SATA и эмуляцией наследственной 512-байтовой разметки соответствуют передовым характеристикам и технологиям этого устройства: от 27 495 руб. в российских интернет-магазинах и $439 на «Амазоне».

WD Ultrastar DC HC530

Собрать коллекцию винчестеров объемом 14 Тбайт для сравнительного тестирования было непросто, и подходящее устройство третьего производителя — Toshiba — мы так и не смогли заполучить. Зато вместо него нам досталась модель уже следующего поколения, на 16 Тбайт. Сейчас все три компании, производящие жесткие диски, предлагают накопители подобного объема, но именно продукт Toshiba серии MG08 был среди них самым первым. Рекорд японской компании опирается на пластины с примерно, если не в точности такой же физической плотностью записи, как в жестких дисках BarraCuda Pro и Ultrastar на 14 Тбайт, но Toshiba впервые смогла упаковать сразу девять «блинов» в стандартный 3,5-дюймовый корпус. Не обошлось и без технологии TDMR, которая стала неотъемлемым условием для покорения новых рубежей емкости. Пропускная способность Toshiba MG08 в операциях линейного чтения/записи должна быть на уровне WD Ultrastar DC HC530, но, как ни странно, производитель не раскрывает никаких подробностей о быстродействии устройства.

Зато известно, что Toshiba тоже приняла меры для того, чтобы увеличить надежность и одновременно сократить латентность операций записи: микросхема флеш-памяти на борту MG08 в случае аварийного отключения питания позволяет уберечь данные, отправленные хост-контроллером на запись, но, судя по результатам тестов, еще и выполняет функцию второго уровня кеш-памяти после буфера DRAM. Однако эта технология (Persistent Write Cache) фигурирует только в спецификациях дисков с эмуляцией 512-байтовой разметки, которая является дополнительным источником опасности при сбое питания (и в какой-то степени крадет производительность) в силу необходимости выполнять операцию read-modify-write при каждой записи логических блоков, не совпадающих с границами физических секторов. А ведь серия MG08 также включает модели с нативным доступом к 4-килобайтовым секторам. Значит ли это, что последние вовсе лишены флеш-памяти, или с нее всего лишь сняли функцию резервного копирования, нам неизвестно. Но независимо от PWC, Toshiba MG08, да и другие накопители этой фирмы, использует алгоритмы Dynamic Cache, которые, как утверждает производитель, оптимальным образом распределяют пространство буфера между операциями чтения и записи. Какой-либо подробной информацией о них мы тоже не располагаем.

Другими источниками повышенной отказоустойчивости в конструкции Toshiba MG08 выступают крепление шпинделя с двух сторон и датчики вращательной вибрации. Эти диски рассчитаны на запись 550 Тбайт данных в год, обладают стандартным для корпоративных устройств временем наработки на отказ в 2,5 млн часов и пятилетним гарантийным сроком. Для заказа доступны несколько различных конфигураций диска с интерфейсом SATA или SAS и необязательной функцией сквозного шифрования. Однако по цене мы вас сориентировать не можем: 16-терабайтный диск Toshiba был представлен еще в январе, но это по прежнему редкий зверь в розничной продаже.

Toshiba MG08 16 Тбайт

Теперь, когда мы познакомились с тремя главными участниками тестирования, посмотрим на жесткие диски меньшего объема, с которыми нам предстоит сравнить новые 14-16-терабайтные модели. Один из них, Exos X10 объемом 10 Тбайт, представляет собой nearline-накопитель, содержащий семь магнитных пластин в герметичном корпусе. И хотя с тех пор, как полезная емкость пластины выросла с 1429 до 1750 Гбайт и более, скорость последовательного доступа в жестких дисках тоже должна увеличиться, по этому параметру Exos X10 практически не уступает той же BarraCuda Pro на 14 Тбайт согласно спецификациям обоих накопителей. Что-то явно не сходится в спецификациях жестких дисков Seagate, но у нас есть возможность все узнать на практике.

Для того чтобы увеличить скорость операций с произвольным доступом, в серии Exos существует развитый механизм кеширования записи AWC (Advanced Write Caching), снижающий время отклика. В рамках AWC операции записи группируются в буфере DRAM, как происходит в любом другом жестком диске, однако буфер сохраняет копию данных после того, как они сброшены на пластину, и содержимое зеркального буфера может быть немедленно считано хост-контроллером. В серверных жестких дисках Seagate 2,5-дюймового форм-фактора AWC включает следующую по скорости ступень — зарезервированные участки на поверхности пластин, куда данные из DRAM записываются в последовательном порядке (Media Cache), а также небольшой объем энергонезависимой памяти для спасения данных из буфера при аварийном отключении питания. Но в Exos X10 флеш-память отсутствует, а может и Media Cache вместе с ней.

От потребительских винчестеров для настольных компьютеров и NAS диски серии Exos отличаются высокими показателями времени наработки на отказ (2,5 млн часов) и расчетной нагрузки (550 Тбайт/год), возможностью эксплуатации в серверной стойке без ограничения на количество корзин, а также пятилетним сроком гарантийного обслуживания. Жесткий диск с модельным номером ST10000NM0016, доставшийся нам на тест, вдобавок относится к Hyperscale-модификациям, которые обладают пониженным энергопотреблением по сравнению с прочими представителями семейства Exos, но выпускаются только с интерфейсом SATA и эмуляцией 512-байтовых секторов. В конфигурациях с разъемом SAS среди моделей Exos есть варианты и с нативным доступом к 4-килобайтным секторам, а также функцией сквозного полнодискового шифрования.

Seagate Exos X10 10 Тбайт

Жесткий диск Seagate IronWolf не так давно фигурировал в нашем обзоре новых представителей этой марки вместе с твердотельным накопителем Seagate для сетевых хранилищ. 12-терабайтная модель IronWolf, по всей видимости, комплектуется пластинами с такой же физической плотностью разметки, как у Exos X10, только здесь их на одну больше. Однако Seagate оценивает быстродействие своего детища в операциях последовательного чтения и записи намного ниже — всего-навсего в 210 Мбайт/с. И никаких изощренных технологий, направленных на то, чтобы компенсировать высокую латентность отклика, присущую магнитным накопителям, здесь тоже нет.

Зато все жесткие диски IronWolf, начиная с объема в 4 Тбайт, позаимствовали у серии Exos ряд аппаратных особенностей, способствующих повышенной отказоустойчивости. Блок магнитных пластин каждого винчестера сбалансирован в двух плоскостях, а датчики вращательной вибрации обеспечивают стабильную работу в стоечной СХД или отдельно стоящем NAS с числом дисковых корзин вплоть до восьми. IronWolf рассчитан на умеренный режим эксплуатации с проектной нагрузкой 180 Тбайт/год и характеризуется временем наработки на отказ в 1 млн часов. Как следствие, и срок гарантийного обслуживания у IronWolf не такой длинный, как у более серьезных моделей в каталоге Seagate, — три года.

Seagate IronWolf 12 Тбайт

Под маркой S300 японская компания Toshiba выпустила серию накопителей для систем видеонаблюдения — этим винчестерам тоже посвящен собственный обзор на страницах 3DNews. За счет расширения протокола передачи данных ATA Streaming Command Set старшие модели Toshiba S300 гарантируют одновременную запись видео с 64 камер наблюдения, но в своей основе являются типичными накопителями для NAS и DAS с возможностью эксплуатации 24/7 и приличным ресурсом наработки на отказ: как и у IronWolf, он составляет 1 млн часов, а гарантийный срок — те же три года. Благодаря конструктивным достоинствам шасси S300 — креплению шпинделя с двух сторон и активной компенсации вращательной вибрации — допускается установка более чем восьми таких устройств в одну стоечную полку или отдельно стоящий NAS.

Модель S300, избранная для сравнения с новинками объемом 14–16 Тбайт, построена на базе аппаратного шасси серверных дисков MD06ACA-V и содержит семь магнитных пластин, а в спецификациях устройства указана типичная для современных большеобъемных HDD скорость произвольного чтения/записи в 248 Мбайт/с. Но из тех приемов, которые применяются в серверных винчестерах Toshiba для снижения латентности, у S300 осталась только функция Dynamic Cache.

В отличие от всех остальных участников тестирования, S300 даже при плотном стеке из семи пластин обходится без гелия и выполнен в стандартном вентилируемом корпусе. Похоже, именно по этой причине 10-терабайтной модели принадлежит самое высокое значение потребляемой мощности в сводной таблице спецификаций участников тестирования, а этот параметр, хоть сам по себе важен лишь для администраторов дата-центров, непосредственно определяет температуру HDD. Реальное энергопотребление S300 мы еще проверим самостоятельно, но пока возьмем этот пункт на заметку.

Toshiba S300 10 Тбайт