Групповое тестирование жестких дисков объемом 10 Тбайт

Сегодня все самое интересное в сфере устройств хранения информации происходит с твердотельными накопителями. SSD эволюционируют настолько быстро, насколько это позволяют полупроводниковые компоненты, из которых они состоят. Пропускная способность Flash-памяти, производительность микроконтроллеров — все это пока что удается масштабировать ударными темпами. В то же время нет возможности столь же эффективно наращивать плотность записи магнитных пластин и скорость перемещения головок — параметры, которые определяют скорость передачи данных в механическом накопителе. Тем не менее HDD сохраняют неоспоримое преимущество перед SSD в удельной стоимости объема информации, а средняя емкость диска за годы существования данной технологии (а это уже ни много ни мало 60 лет) увеличивалась и продолжает увеличиваться практически линейно, невзирая на все более сложные препятствия, встающие перед инженерами.

В данный момент максимальный объем жесткого диска в форм-факторе 3,5 дюйма составляет 12 Тбайт. Но такими параметрами могут похвастаться только избранные модели для ЦОД, где ценится максимальная плотность данных в серверной стойке. С другой стороны, предыдущую планку — 10 Тбайт — уже взяли и потребительские HDD различного назначения, причем без применения так называемой черепичной записи (SMR), которая ранее рассматривалась как перспективный способ увеличения объемов, но в результате так и осталась нишевой технологией из-за связанного с ней падения скорости записи. Сегодня перед нами стоит задача выбрать те модели современных 10-терабайтников, которые лучше всего подходят для определенных сценариев использования — будь то серверное хранилище класса nearline, домашний NAS или диск настольного ПК.

⇡#Участники тестирования

В соревновании приняли участие семь накопителей, выпущенных под марками Seagate, Western Digital и HGST. Все соперники поставляются в герметичных корпусах, заполненных гелием, и содержат по семь пластин полезной емкостью 1492 Гбайт каждая. На этот раз в список не попала продукция Toshiba, которая хорошо зарекомендовала себя по результатам предыдущих сравнительных тестирований, но Toshiba не применяет гелий и поэтому не может производить HDD объемом более 8 Тбайт.

Так что список участников выглядит следующим образом:

• HGST Ultrastar He10 10 Тбайт (HUH721010ALE604);
• Seagate BarraCuda Pro 10 Тбайт (ST10000DM0004);
• Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD (Helium) 10 Тбайт (ST10000NM0086);
• Seagate IronWolf 10 Тбайт (ST10000VN0004);
• Seagate IronWolf Pro 10 Тбайт (ST10000NE0004);
• WD Gold 10 Тбайт (WD101KRYZ);
• WD Red 10 Тбайт (WD100EFAX).

HGST и WD входят в холдинг, который движется к окончательному слиянию структур двух ранее самостоятельных компаний, и антимонопольные организации уже разрешили обмен технологиями между ними. Как следствие, новейшие продукты HGST и WD производятся на базе общей аппаратной платформы HelioSeal третьего поколения, однако различаются по многим другим параметрам: скорости вращения шпинделя, поддерживаемым интерфейсам, настройкам прошивки и набору вспомогательных функций.

Для Seagate 10 Тбайт — первый рубеж, который компания покорила при помощи гелия, при этом она уже успела распространить данную технологию на свой ассортимент корпоративных и потребительских HDD. С общими свойствами этих дисков мы когда-то познакомились на примере Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD (Helium) и обнаружили, что гелиевая платформа Segate по своим конструктивным особенностям производит впечатление более современной и надежной, нежели корпуса компании HGST, которая была пионером в коммерческом применении герметичных жестких дисков. Но это еще не означает, что большеобъемные накопители HGST и WD изначально уступают конкурентам в потребительских качествах и отказоустойчивости.

В отличие от WD, Seagate давно не выпускает 3,5-дюймовых HDD со скоростью вращения шпинделя меньше 7200 об/мин, поэтому технические различия между участниками теста, представленными этой фирмой, сводятся к функциям работы в массивах и показателям отказоустойчивости.

⇡#HGST и Western Digital

HGST Ultrastar He10 и WD Gold — практически одинаковые устройства с конструктивной точки зрения. Обе модели демонстрируют чрезвычайно высокие скорости последовательного чтения/записи в своем классе (249 Мбайт/с), ранее доступные только серверным 2,5-дюймовым HDD со скоростью вращения шпинделя 15 000 об/мин. Заметим, что в спецификациях всех участников тестирования пустует графа «время поиска» и не заполнены прочие параметры, связанные со скоростью произвольного доступа: производители уже несколько лет как перестали раскрывать такую информацию. Помимо высокого быстродействия, два диска-близнеца характеризуются высокой отказоустойчивостью (вдвое лучше, чем у дисков потребительской категории) и подготовлены к работе в стойке, наполненной жесткими дисками, благодаря механизму, компенсирующему вращательную вибрацию.

HGST Ultrastar He10 10 Тбайт (HUH721010ALE604)

Несмотря на общие с WD Gold черты, диск HGST Ultrastar He10 предлагает системным администраторам более широкие возможности. Среди технологий, указанных в спецификациях WD Gold, можно выделить только динамический контроль высоты полета каждой головки над поверхностью шпинделя и TLER (Time-Limited Error Recovery) — отложенное восстановление дефектных данных при ошибках доступа, которое в других случаях приводит к вылету накопителя из массива, как это происходит со стандартными десктопными HDD, включенными в RAID. Но диск HGST наверняка умеет и то, и другое. Кроме того, HGST Ultrastar He10, помимо базового варианта с портом SATA 6 Гбит/с, поставляется в конфигурации SAS 12 Гбит/с и опционально — нативным доступом к разметке 4 Кбайт и настраиваемым размером сектора, который может быть расширен с 4096 до 4224 (или с 512 до 528 байт в случае эмуляции «старой» разметки) для хранения метаданных и кодов коррекции ошибок. Также отметим, что избранные модификации HGST Ultrastar He10 поддерживают полнодисковое шифрование и мгновенную очистку данных (Secure Erase).

В серверных накопителях HGST применяет так называемый media cache. Группы секторов, распределенные по поверхности пластин, используются как зоны для временного хранения. Вместо того чтобы всегда производить запись в затребованные хост-контроллером сектора, media cache позволяет сбросить данные в кеширующую зону, которая в данный моментнаходится ближе всего к головке — подобно тому, как работает динамическая адресация логических блоков в SSD. Наконец, в He10 есть функция Rebuild Assist, которая ускоряет перестройку массива за счет того, что с диска, подлежащего замене, считываются сохранные участки данных. В результате удается избежать длительной процедуры восстановления всей емкости HDD по записям четности.

WD Gold 10 Тбайт (WD101KRYZ)

В тестировании участвуют базовые модели HGST Ultrastar He10 и WD Gold, обладающие интерфейсом SATA и эмулирующие стандартную 512-байтовую разметку. Продукт HGST заметно (в полтора раза в рублевом выражении) дешевле, чем WD Gold.

Другой накопитель Western Digital, WD Red, также построен на основе HGST Ultrastar He10, но относится к потребительской категории, а это означает упрощение по множеству параметров. В WD Red (в отличие от серии Red Pro) скорость вращения шпинделя снижена с 7200 до 5400 об/мин и отсутствуют датчики вибрации, поэтому нормальную работу производитель гарантирует только в условиях компактного NAS на 1-8 отсеков (а не в забитой до предела серверной стойке). Кроме того, диск имеет меньший срок наработки на отказ и сокращенную 3-летнюю гарантию, в то время как срок бесплатного обслуживания остальных продуктов WD и HGST, выбранных для данного теста, составляет 5 лет.

WD Red 10 Тбайт (WD100EFAX)

Тем не менее WD Red отличается от десктопных HDD возможностью работы в режиме 24 × 7 и настроен таким образом, что в во время простоя по умолчанию никогда не происходит остановка шпинделя и парковка головок. Есть и вышеупомянутая функция TLER. Невзирая на все меры экономии, WD Red объемом 10 Тбайт — довольно дорогой диск, который стоит меньше, чем WD Gold, но больше, чем HGST Ultrastar He10. В защиту WD Red можно было бы сказать, что сниженная скорость вращения означает меньшее тепловыделение, но гелиевые накопители в любом случае не требуют столь интенсивного охлаждения, как их собратья в вентилируемом корпусе.

⇡#Seagate

Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD объемом 10 Тбайт по данным быстродействия и отказоустойчивости аналогичен HGST Ultrastar He10 и WD Gold. Однако с формальной точки зрения это устройство можно отнести к категории гибридных накопителей из-за небольшого буфера Flash-памяти, который ускоряет операции записи данных и предотвращает их потерю при внезапном прекращении питания.

Enterprise Capacity 3.5 HDD оснащен функцией активной компенсации вращательной вибрации, технологией RAID Rebuild (аналогичной Rebuild Assist у HGST), а также PowerChoice (изменение тайм-аутов перехода в энергосберегающие режимы или ручное управление соответствующими функциями) и PowerBalance. Смысл последней опции в том, что Seagate по запросу поставляет диски с повышенным соотношением производительности и потребляемой мощности, которое достигается за счет снижения собственно производительности.

Существуют модификации диска с интерфейсом SATA 6 Гбит/с либо SAS 12 Гбит/с, с аппаратным доступом к 4К-секторам либо эмуляцией 512-байтовых секторов, со встроенным шифрованием или без него. Среди участников тестирования даже в базовой модификации Enterprise Capacity 3.5 HDD (Helium) в рознице дороже остальных.

Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD (Helium) 10 Тбайт (ST10000NM0086)

Другие диски Seagate (BarraCuda Pro, IronWolf и IronWolf Pro) в 10-терабайтном семействе получены путем упрощения Enterprise Capacity 3.5 HDD. По плотности записи, количеству пластин и скорости вращения шпинделя все четыре модели идентичны, но в спецификациях потребительских HDD почему-то указана существенно меньшая скорость последовательного чтения/записи: 210­­-220 Мбайт/с против 254 Мбайт/с у Enterprise Capacity 3.5 HDD. Seagate BarraCuda Pro, будучи типичным десктопным HDD, обладает наименьшей отказоустойчивостью среди участвующих в тесте моделей Seagate и не имеет никаких фукнций для работы в массивах, однако все равно сопровождается 5-летней гарантией. После регистрации покупки владелец получает подписку на услугу восстановления данных в сервис-центре (план Rescue Data Recovery), которая действует в течение двух лет.

Seagate BarraCuda Pro 10 Тбайт (ST10000DM0004)

Диски марки IronWolf, в отличие от BarraCuda, рассчитаны на эксплуатацию в режиме 24/7. Есть функция компенсации вращательной вибрации, а пластины на шпинделе сбалансированы в двух плоскостях (последнее не заявлено в спецификациях, но наверняка относится и к Enterprise Capacity 3.5 HDD). Прошивка контроллера обеспечивает стандартную для NAS-овских дисков функцию — отложенную коррекцию ошибок, а также программный интерфейс для мониторинга параметров работы (IronWolf Health Management), который поддерживается хранилищами известных производителей (ASUS, Synology).

Seagate IronWolf 10 Тбайт (ST10000VN0004)

Различия между IronWolf и IronWolf Pro сводятся к гарантийному сроку (3 и 5 лет соответственно) и показателям отказоустойчивости. Кроме того, IronWolf предназначен для 8-дисковых NAS, в то время как IronWolf Pro способен работать в «полках» по 16 дисков. На IronWolf Pro, аналогично BarraCuda Pro, распространяется двухлетняя программа Rescue Data Recovery.

Seagate IronWolf Pro 10 Тбайт (ST10000NE0004)

⇡#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 блоков 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.

⇡#Основные тесты

Последовательное чтение/запись

• По реальному быстродействию в условиях линейного доступа к блокам диски различаются далеко не так сильно, как указано в их спецификациях. Этого и следовало ожидать, коль скоро участники теста оснащены пластинами одинаковой емкости.
• Заметным исключением является WD Red, так как среди изучаемых это единственный HDD со скоростью вращения шпинделя 5400 об/мин.
• В группе «семитысячников» не в лучшую сторону выделяется Seagate BarraCuda Pro.

Произвольное чтение/запись

• Лучшие результаты в тесте произвольного чтения продемонстрировали диски Seagate. В верних строчках графика — IronWolf Pro и Enterprise Capacity 3.5 HDD. Устройства HGST/WD существенно уступают соперникам, в особенности это касается WD Red.
• 
  С другой стороны, WD Gold и HGST Ultrastar He10 безоговорочно лидируют по скорости операций записи. По всей видимости, здесь играет роль тот самый media cache дисков HGST, которым, если судить по идентичному поведению двух моделей, может обладать и модель WD Gold.
• Неожиданно высокую позицию занял WD Red, а нижние места графика остались дискам Seagate.

⇡#Расширенный анализ

Устоявшееся время отклика

• В данном тесте время отклика при чтении в наибольшей степени зависит от фундаментальных свойств механики диска — скорости вращения шпинделя и перемещения актуатора. На время отклика при записи — из-за столь крупного буфера, каким оснащаются современые HDD — заметное влияние оказывает и кеширующий механизм контроллера.
• По результатам замеров устройства распределились сообразной своей категории: серверные диски существенно превосходят своих коллег для настольных ПК и домашних NAS.

Зависимость пропускной способности от длины очереди команд

• Верхние точки кривых соответствуют позициям, которые соперники заняли в «простом» тесте скорости произвольного чтения. Однако при меньших значениях длины очереди команд разница между дисками стремительно сокращается. В условиях сниженной нагрузки, характерной для нормального режима эксплуатации файлового сервера, лучший результат по-прежнему принадлежит IronWolf Pro и Enterprise Capacity 3.5 HDD, а IronWolf и BarraCuda опустились до уровня WD Red.

Смешанное чтение/запись

• Все диски, за исключением WD Gold, работают хуже всего, когда в смешаной нагрузке преобладают операции записи. В противном случае, наоборот, устройства Seagate обладают более высокой производительностью.

Многопоточное чтение/запись

• Этот тест оценивает в первую очередь логику контроллера HDD, и его результаты невозможно предсказать по паспортным данным устройства. При одновременном чтении из четырех непересекающихся адресных пространств диск либо равномерно распределяет операции актуатора между несколькими потоками команд (что дает наименьшее совокупное быстродействие), либо выбирает один-два приоритетных потока и жертвует тремя остальными (максимальный совокупный результат). Лишь редкие модели при многопоточной записи задействуют NCQ и в результате достигают высокой скорости во всех потоках одновременно.
• Среди всех участников тестирования только HGST Ultrastar He10 обеспечил высокую производительность всех четырех потоков. У остальных HDD суммарная пропускная способность в несколько раз ниже, чем при однопоточном чтении, но по отдельным потокам она распределена в равных пропорциях.

• При многопоточной записи ведущую роль играет объем и эффективность буфера DRAM. Здесь диски Seagate имеют выраженное преимущество, в особенности выделяются IronWolf Pro и Enterprise Capacity 3.5 HDD.

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 (а следовательно, постановкой в предельно длинную очередь) и получением результата велико настолько, чтобы разница между его средним значением и пиковым была наиболее выраженной, как и разброс времени отклика.
• При сопоставимых значениях среднего времени отклика среди участников теста наименьшие «выбросы» демонстрируют устройства Seagate, причем лучше всех выступили самые простые модели — BarraCuda Pro и IronWolf. В стане HGST/WD также сложилась парадоксальная конфигурация: WD Red по максимальному времени отклика оказался лучше, чем WD Gold и HGST Ultrastar He10.
• Наименьший разброс времени отклика при чтении имеют диски Seagate, причем лучше всех (и с большим отрывом) оказался IronWolf Pro. Устройства HGST, которые заняли нижние срочки графика, примерно одинаковы по этому параметру.

• При записи диски ранжируются в одинаковой последовательности по трем признакам — среднему и максимальному времени отклика, а также о разбросу времени отклика. Здесь все продукты HGST/WD превосходят конкурентов, а лидерство принадлежит WD Gold и HGST Ultrastar He10. Диски Seagate слабо различаются между собой по среднему и максимальному времени отклика, зато есть большая разница по разбросу, которая играет в пользу двух серверных HDD (IronWolf Pro и Enterprise Capacity 3.5 HDD) и против двух домашних (BarraCuda Pro и IronWolf).

⇡#Эмулированная нагрузка

• В тестах «База даных» и «Файловый сервер» лучше всего себя проявил WD Gold, а вот результат почти идентичного победителю диска HGST Ultrastar He10 существенно хуже.
• Следующие по производительности модели — Seagate IronWolf Pro и Enterprise Capacity 3.5 HDD.
• WD Red также занял крепкую позицию, опередив Seagate IronWolf и BarraCuda.

• В тесте «Рабочая станция», где большую роль играет последовательный доступ к данным, различия между соперниками сглаживаются. Из общей массы выделились только WD Gold и HGST Ultrastar He10.

• «Веб-сервер» не отдает предпочтения какому-либо из производителей в целом. Так, лучшие результаты принадлежат Seagate IronWolf Pro и Enterprise Capacity 3.5 HDD, однако BarraCuda и IronWolf от них ощутимо отстают, пропуская на третью строчку диски других производителей.
• Группу с более низким быстродействием образовали HGST Ultrastar He10, Seagate BarraCuda Pro и WD Gold.
• Хуже всех для данного сценария использования подходят WD Red и Seagate IronWolf.

⇡#PCMark 7

• Результаты теста, эмулирующего десктопную среду, в значительной степени определила скорость произвольного чтения, которая выше всего у дисков Seagate, однако соотношение в группе чемпионов PCMark 7 иное, нежели в изолированном тесте произвольного чтения: лидируют IronWolf и BarraCuda Pro.
• Среди накопителей HGST/WD WD Red выступил лучше, нежели серверные модели.

⇡#Выводы

10-терабайтные жесткие диски находятся на переднем крае борьбы за объем магнитного хранилища, поэтому большинство участников теста похожи по своим техническими характеристиками (исключение составляет WD Red со скоростью вращения шпинделя 5400 об/мин). А коль скоро все они не предназначены для использования в составе высоконагруженных сервисов (эта функция уже давно отошла к SSD), разница в быстродействии между отдельными моделями не имеет большого практического значения. Тем не менее покупателям, которые хотят выбрать диск, наиболее подходящий для той или иной задачи, стоит обратить внимание на особенности протестированных устройств.

В целом среди рассмотренных моделей диски Seagate имеют выраженное преимущество в скорости произвольного чтения данных, а HGST/WD, наоборот, в скорости записи. Но вне зависимости от того, какой из двух параметров считать приоритетным, чемпионом быстродействия по совокупности изолированных тестов и эмуляции распространенных приложений мы признаем серверный накопитель WD Gold, который одновременно является и самым дорогим из участников теста в российской рознице. Неудивительно, что и другие корпоративные модели (HGST Ultrastar He10, Enterprise Capacity 3.5 HDD и примкнувший к ним Seagate IronWolf Pro) заметно отличаются от своих потребительских аналогов (Seagate IronWolf, BarraCuda Pro и WD Red).

Для применения в серверах и стоечных NAS выбор в пользу HGST Ultrastar He10 или Enterprise Capacity 3.5 HDD неоспорим благодаря поддержке интерфейса SAS (которой лишен WD Gold) и ряда специфических функций. Здесь диск HGST предлагает наиболее гибкий набор возможностей, включая полнодисковое шифрование и настраиваемый размер сектора. Seagate IronWolf Pro, доступный только в варианте SATA, представляет полноценную альтернативу по быстродействию и возможности работы в стойке, но не гарантирует сопоставимой с серверными HDD отказоустойчивости.

Что касается домашних NAS и DAS, то, по задумке производителей, покупателям нужно сделать выбор между WD Red и Seagate IronWolf. В этой паре, несмотря на сниженную скорость вращения шпинделя, WD Red по совокупности тестов не так уж отличается от соперника. Однако если IronWolf по текущим ценам является одним из самых доступных дисков данного объема, то цены WD Red достигают уровня серверных моделей. BarraCuda Pro, с другой стороны, тоже относительно дешев, но не предназначен для непрерывной эксплуатации и установки в RAID. Однако самое интересное, что цены на базовую версию HGST Ultrastar He10 сегодня опустились до уровня BarraCuda Pro и IronWolf, но, в отличие от последних, He10 — диск с пятилетней гарантией, совершенно иными возможностями и уровнем отказоустойчивости.

В любом случае современные HDD достигли такой скорости линейного доступа к данным, что при покупке домашнего NAS стоит принять в расчет пропускную способность сети и LAN-интерфейса хранилища. Ни гигабитный Ethernet, ни гигабитный Wi-Fi (1300 Мбит/с в адаптерах MIMO 3 × 3) не раскроют возможностей диска и тем более дискового массива. Проблема решается агрегацией двух линий GigE, 10-гигабитным каналом или подключением к ПК напрямую по высокоскоростному интерфейсу — USB 3.1 Gen 1/2 или Thunderbolt.