Обзор 10-Тбайт жесткого диска Seagate Enterprise Capacity (ST10000NM0086)

Технология изготовления жестких дисков с герметичным корпусом, наполненных гелием, имеет долгую историю, уходящую корнями в 1960-е годы, и достигла широкого коммерческого внедрения в 2013 году. С тех пор гелий стал неотъемлемой чертой наиболее емких и высокопроизводительных HDD. Перед стандартной конструкцией жесткого диска, в которой проникающий воздух используется как подушка, приподнимающая головки над поверхностью пластин, применение гелия имеет такие преимущества, как снижение энергопотребления накопителя и вибраций шпиндельной сборки, повышенная точность позиционирования головок. Все это сделало применение гелия практически неизбежным для моделей максимальной емкости, не использующих SMR (Shingled Magnetic Recording), которая остается нишевой технологией, актуальной только в приложениях, не требующих сколько-нибудь частой перезаписи хранящихся данных.

Хотя Western Digital после ряда успешных продуктов в серии He6/He8/He10 под маркой HGST распространила гелий и на пользовательскую линейку своих HDD (WD Red и WD Purple), Seagate до последнего времени воздерживалась от гелия даже в серверных устройствах, отчего максимальный объем диска без SMR, который могла предложить Seagate, был ограничен 8 Тбайт. Однако такие разработки в стенах Seagate велись еще в начале 2000-х годов, параллельно с Maxtor, которая затем была поглощена Seagate, так что этот производитель не является новичком в работе с гелием.

Единственная гелиевая модель, пополнившая серию Enterprise Capacity 3.5 HDD, предоставляет наибольший объем в корпусе 3,5 дюйма, доступный на рынке в данный момент, поскольку диски с применением SMR еще не сделали ожидаемого шага вперед в плотности записи.

⇡#Технические характеристики, цена

Жесткий диск включает целых семь пластин полезной емкостью 1,43 Тбайт, вращающихся со скоростью 7200 об/мин, и буфер объемом 256 Мбайт. Кроме того, в накопителях из линейки Enterprise Capacity 3.5 HDD присутствует дополнительный объем энергонезависимой памяти (Advanced Write Caching). Seagate не сообщает, какие микросхемы применяются в новой модели, но в предыдущих HDD это была память NOR Flash объемом 2 Мбайт.

NOR Flash существует в тени своего распространенного аналога NAND Flash, она имеет более высокую по сравнению с ним скорость чтения и поддерживает произвольный доступ к данным (в отличие от страничного доступа в NAND Flash), но этот тип памяти медленнее выполняет запись и чрезвычайно медленно — очистку ячеек. Кроме того, NOR Flash обеспечивает меньший процент ошибок при выполнении операций.

Небольшие объемы энергонезависимой памяти появились в жестких дисках с распространением разметки пластин секторами по 4 Кбайт, которая при эмуляции 512-байтовых секторов требует выполнять операцию read-modify-write для записи блоков меньшего размера, чем размер сектора. Если это происходит в буфере DRAM, то сбой питания диска может привести к потере данных. Но у NOR Flash-памяти в Enterprise Capacity 3.5 HDD есть и другая функция. Корпоративные HDD зачастую используют, отключив кеширование записи в DRAM (опять же для обеспечения надежности), но компактный энергонезависимый кеш позволяет обойти это требование и повысить быстродействие произвольной записи на максимальные 20% (по данным Seagate).

Линейка Enterprise Capacity 3.5 HDD позиционируется как Nearline Storage, что означает компромисс в производительности между «холодным» и «горячим» хранилищем, и обладает всеми характерными чертами корпоративных накопителей. Существуют модификации диска с интерфейсом SATA 6 Гбит/с либо SAS 12 Гбит/с, аппаратным доступом к 4К-секторам либо эмуляцией 512-байтовых секторов, встроенным шифрованием (в том числе стандарта FIPS) либо без такового.

Диск оснащен функцией активной компенсации внешних вибраций, технологией RAID Rebuild (позволяет ускорить восстановление массива за счет передачи сохранных данных прямо с подлежащего замене диска вместо восстановления по данным четности), а также PowerChoice (изменение тайм-аутов перехода в энергосберегающие режимы или ручное управление соответствующими функциями) и PowerBalance (Seagate по запросу поставляет диски с повышенным соотношением производительности и потребляемой мощности, достигаемым снижением собственно производительности).

Гелиевая модель обладает более низким весом и показателями энергопотребления по сравнению с остальной линейкой Enterprise Capacity 3.5 HDD и характеризуется повышенным на 500 тыс. часов временем наработки на отказ. Гарантия на устройство составляет 5 лет.

* По данным «Яндекс.Маркета» на 07.07.2016

⇡#Конструкция

Технические решения, которые применяет Seagate при изготовлении HDD на гелиевой платформе, во многих аспектах отличают их от конкурирующих продуктов HGST и WD.

• Во-первых, Seagate формирует корпус ковкой, что обеспечивает равномерную плотность материала. В то же время у HGST корпус литой, а значит, в материале есть поры, которые потенциально могут вызвать микротрещины вследствие температурных колебаний, особенно опасные в месте, где крышка корпуса приваривается к выступающей «губе», поэтому HGST вынуждена дополнительно уплотнять корпус эпоксидной смолой.

• HGST приваривает крышку пульсирующим лазером, из-за чего сварной шов имеет ширину в половину «губы». Шов, полученный непрерывным лазером на фабрике Seagate, имеет полную ширину (1 мм у обоих производителей).

• HGST соединяет плату контроллера с электроникой HSA (Head Stack Assembly), находящейся в корпусе, посредством штырьков, пропущенных через стеклянную заливку. Последняя на этапе сборки застывает в стальной пластине, которая припаивается к корпусу HDD. Прочность биметаллического соединения также страдает от температурных колебаний. Напротив, Seagate использует для герметизации керамическую втулку, которая обжигается в сборе с проводниками и приклеивается к корпусу эпоксидной смолой. Помимо температурной устойчивости, такой метод позволяет увеличить число контактов, что требуется для высокопроизводительных головок, и использовать более надежный компрессионный разъем, в котором подпружиненные лепестки прижимаются к контактным площадкам на плате.

• Помимо термистора для регистрации температуры в корпусе, гелиевый диск HGST не имеет каких-либо внутренних датчиков. В диске Seagate установлены цифровые микроэлектромеханические (MEMS) датчики, измеряющие температуру, давление и относительную влажность среды, которые позволяют прецизионно контролировать зазор между головками и поверхностью пластин, а также следить за качеством герметизации корпуса.

У нас нет объективных данных о проценте отказов в дисках HGST, а Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD (Helium) только появился на рынке, поэтому о практических преимуществах того или иного продукта мы судить не можем. Однако Seagate убедительно объяснила, почему методы, которые она применяет в производстве HDD с гелиевым наполнением, способствуют повышенной надежности по сравнению с продуктами конкурента.

⇡#Методика тестирования

⇡#Изолированные тесты производительности

Выполняются с помощью Iometer 1.1.0. Объем и скорость передачи данных указывается в бинарных единицах (1 Кбайт = 1024 байт). Границы блоков выровнены относительно разметки по 4 Кбайт.

1. Последовательное чтение/запись данных блоками размером 128 Кбайт с глубиной очереди запросов 256.

2. Произвольное чтение/запись блоков от 512 байт до 2 Мбайт с глубиной очереди запросов 256.

3. Смешанное чтение/запись блоков размером 128 Кбайт с глубиной очереди запросов 256. Доля операций чтения и записи варьирует от 0 до 100% с шагом 10%.

4. Зависимость пропускной способности от глубины очереди запросов. Выполняется чтение блоков размером 4 Кбайт, глубина очереди запросов варьирует от 1 до 256 с шагом степени двойки. Аналогичный тест на запись блоков не проводится, т. к. по этому параметру жесткие диски не различаются.

5. Устоявшееся время отклика. Выполняется произвольное чтение/запись блоков размером 512 байт с глубиной очереди запросов 1. Тест продолжается в течение 10 мин.

6. Постоянство времени отклика. Выполняется произвольное чтение/запись блоков размером 4 Кбайт с глубиной очереди запросов 256. Для каждого отрезка теста продолжительностью 1 с записывается среднее и максимальное значение времени отклика, на основании которых вычисляются: а) средние значения обоих показателей; б) стандартное отклонение среднего времени отклика.

7. Многопоточное чтение/запись. Создаются четыре потока, выполняющие последовательное чтение/запись блоков размером 64 Кбайт с глубиной очереди запросов 1. Потоки имеют доступ к непересекающимся адресным пространствам объемом 100 Гбайт, которые расположены в объеме диска вплотную друг к другу, начиная с нулевого сектора. Измеряется совокупная пропускная способность всех потоков, а также каждого из них в отдельности.

⇡#Тесты с эмулированной нагрузкой

1. В Iometer 1.1.0. Объем и скорость передачи данных указывается в бинарных единицах (1 Кбайт = 1024 байт). Границы блоков выровнены относительно разметки по 4 Кбайт. Глубина очереди команд – 256.

2. PCMark 7 (Secondary Storage). На тестируемом накопителе создается единственный раздел в файловой системе NTFS на весь доступный объем. В результатах учитывается: а) итоговый балл теста; б) пропускная способность в отдельных субтестах.

⇡#Тестовый стенд

Тестируемый накопитель подключается к контроллеру, встроенному в чипсет материнской платы, и работает в режиме AHCI.

⇡#Участники тестирования

Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD (Helium) мы протестировали в модификации с интерфейсом SATA и эмуляцией 512-байтовых секторов. Для сравнения в обзоре участвует диск HGST Ultrastar He8, относящийся к предыдущему поколению гелиевой платформы HGST, а также несколько устройств из нашего группового теста HDD объемом 6 Тбайт.

• Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD (Helium) 10 Тбайт (ST10000NM0086);
• HGST Ultrastar 7K6000 6 Тбайт (HUS726060ALE614);
• HGST Ultrastar He8 8 Тбайт (HUH728080ALE600);
• Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD 6 Тбайт (ST6000NM0024);
• Seagate Enterprise NAS HDD 6 Тбайт (ST6000VN0001);
• Seagate NAS HDD 8 Тбайт (ST8000VN0002);
• WD Red 6 Тбайт (WD60EFRX);
• WD Green 6 Тбайт (WD60EZRX);
• WD Purple 6 Тбайт (WD60PURX).

⇡#Последовательное чтение/запись

По скорости линейного чтения/записи гелиевый Seagate лидирует, достигая показателей, которые мы наблюдали у дисков со скоростью вращения шпинделя 10 тыс. об/мин в прошлогоднем тесте HDD с интерфейсом SAS.

Произвольное чтение/запись

• По скорости произвольного чтения ST10000NM0086 также оказался быстрейшим накопителем. Среди всех HDD со скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин особенно выражена разница лидера с Ultrastar He8.
• В тесте на чтение новинка превзошла результаты других дисков Seagate своего класса, но конкуренты от HGST здесь недосягаемы благодаря media cache — распределенным по пластинам участкам, которые позволяют выполнить запрос на произвольное чтение, сбросив данные в ближайший к головке сегмент дискового кеша, вместо того чтобы искать отдаленный целевой сектор. В удобные моменты HDD затем перенесет данные туда, куда они были направлены хост-контроллером.

⇡#Производительность, расширенный анализ

Устоявшееся время отклика

• В тесте на чтение 512-байтовых блоков с единичной глубиной очереди запросов результаты зависят прежде всего от механики HDD, а не от логики. Здесь все Nearline-диски сходны между собой и выделяются среди своих коллег для десктопа и NAS.
• В тесте на запись большую роль играет эффективный буфер, и ST10000NM0086 вместе с корпоративными дисками HGST одинаково хорош в этой задаче.

Смешанное чтение/запись

Новинка весьма эффективно справляется c нагрузкой при смешанных запросах на чтение/запись, уступая по этому параметру только Seagate NAS HDD.

⇡#Зависимость пропускной способности от длины очереди команд

Среди участников теста ST10000NM0086 наиболее эффективно работает при длинной очереди команд. При более скромных значениях QD, свойственных типичным серверным нагрузкам, диск теряет преимущество перед 6-терабайтными HDD из линеек Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD и HGST Utrastar 7K6000, но сохраняет отрыв от HGST He8 и других соперников.

Многопоточное чтение/запись

Судя по результатам этого теста, диск пытается честно двигать головками между четырьмя областями адресного пространства, с которыми работают отдельные worker’ы программы Iometer, не пытаясь выстроить запросы в эффективную для исполнения цепочку. Такое поведение характерно для большинства корпоративных приводов. Однако в силу большей плотности записи четыре области по 100 Гбайт занимают на пластинах ST10000NM0086 меньше места, чем в менее емких соперниках, работающих по такой же логике, отчего его общее быстродействие выше.

⇡#Постоянство времени отклика

• В этом тесте длинная очередь запросов позволяет максимизировать пропускную способность диска по операциям в секунду, но одновременно создает ситуацию, когда время отклика между отправкой запроса с хост-контроллера и получением результата велико настолько, чтобы разница между его средним значением и пиковым была наиболее выраженной, как и разброс времени отклика.
• В тесте на чтение ST10000NM0086 обладает наименьшей средней латентностью среди соперников, отличным показателем максимальной латентности и наименьшим ее разбросом.

При записи дискам HGST снова помогает media cache, однако ST10000NM0086 является лучшим HDD в тесте, не обладающим этой технологией.

⇡#Производительность, эмулированная нагрузка

ST10000NM0086 превосходит HGST He8 во всех типах нагрузки, однако во всех тестах, кроме эмуляции веб-сервера, уступает первенство HGST 7K6000.

PCMark 7

Бенчмарк, эмулирующий десктопные задачи, отдает предпочтение дискам Seagate для NAS, из которых Seagate NAS HDD практически не уступает ST10000NM0086, а Seagate Enterprise NAS HDD превосходит новинку. Соперники производства HGST, столь грозные в синтетических тестах Iometer и эмуляции серверных приложений, сдали свои позиции в PCMark 7.

⇡#Выводы

Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD (Helium) объемом 10 Тбайт воплощает в себе лучшие технологии, которыми Seagate располагает в сегменте жестких дисков форм-фактора 3,5 дюйма, — это наиболее высокая плотность записи, высокопроизводительная механика, большой буфер и конструкция герметичного корпуса, благодаря которой накопитель производит впечатление гелиевого HDD нового поколения по сравнению с тем, что было выпущено до него. По основным метрикам быстродействия диск принадлежит к высшей категории среди корпоративных накопителей класса Nearline. Прибавьте к этому сниженное благодаря гелию энергопотребление и высокие показатели отказоустойчивости.

К сожалению, у нас не было конкурирующих продуктов такого же объема, которые мы могли бы сравнить с новинкой, но по совокупности бенчмарков Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD (Helium) по меньшей мере не уступает Ultrastar He8 (гелиевый HDD предыдущей итерации от HGST) и Ultrastar 7K6000 (самый емкий и быстрый диск, которые HGST делает без гелия). Наличие у последних технологии media cache вносит большую разницу в результаты и дает HGST преимущество в задачах с активной произвольной записью данных, но при произвольном чтении и линейном чтении/записи Seagate лидирует, а эмулированные сценарии нагрузки основных серверных приложений сводят разницу между соперниками до минимума.