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

⇡#Методика тестирования

Изолированные тесты производительности

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

1. Последовательное чтение/запись данных блоками размером 128 Кбайт с глубиной очереди запросов 32 (SATA) или 256 (SAS).
2. Произвольное чтение/запись блоков от 512 байт до 2 Мбайт с глубиной очереди запросов 32 (SATA) или 256 (SAS).
3. Смешанное чтение/запись блоков размером 128 Кбайт с глубиной очереди запросов 32 (SATA) или 256 (SAS). 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 между жесткими дисками практически нет различий.
5. Время отклика. Выполняется произвольное чтение/запись блоков размером 512 байт с глубиной очереди запросов 1.
6. Постоянство времени отклика. Выполняется произвольное чтение/запись блоков размером 4 Кбайт с глубиной очереди запросов 32 (SATA) или 256 (SAS). В ходе теста с интервалом 1 регистрируются среднее и максимальное значения времени отклика, на основе которых вычисляются: а) средние значения обоих показателей; б) стандартное отклонение среднего времени отклика.
7. Многопоточное чтение/запись. Выполняется последовательное чтение/запись блоков размером 64 Кбайт в четыре потока 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.

Эмуляция приложений

1. Эмуляция рабочих приложений в Iometer 1.1.0. Объем и скорость передачи данных указаны в бинарных единицах (1 Кбайт = 1024 байт). Границы блоков в операциях произвольной записи выровнены относительно разметки по 4 Кбайт. Глубина очереди команд равна 32 (SATA) или 256 (SAS).

2. PCMark 8 (тест Storage). На тестируемом накопителе создается единственный раздел максимального размера в файловой системе NTFS. В результатах указан итоговый балл теста.

Потребляемая мощность

Регистрируется совокупная потребляемая мощность накопителя по линиям 12 и 5 В при помощи шунтов, измерителей тока Analog Devices AD8211YRJZ-RL7 и осциллографа в различных условиях: а) диск бездействует; б) выполняется произвольное чтение блоков размером 512 байт с глубиной очереди команд 1 в программе Iometer 1.1.0.

Тестовый стенд

⇡#Участники тестирования

• Seagate BarraCuda Pro 14 Тбайт (ST14000DM001);
• Seagate Exos X10 10 Тбайт (ST10000NM0016);
• Seagate IronWolf 12 Тбайт (ST12000VN0007);
• Toshiba MG08 16 Тбайт (MG08ACA16TE);
• Toshiba S300 10 Тбайт (HDWT31AUZSVA);
• WD Ultrastar DC HC530 14 Тбайт (WUH721414ALE6L4).

⇡#Основные тесты производительности

Последовательное чтение/запись

Результаты тестов линейного чтения/записи хорошо отражают рост плотности записи на пластинах HDD, который произошел в последние несколько лет. Пропускная способность вместительных жестких дисков объемом 14–16 Тбайт перевалила за 250 Мбайт/с и достигла уровня 2,5-дюймовых винчестеров со скоростью вращения шпинделя 10 000 об/мин. Тем не менее скоростные показатели магнитных накопителей увеличиваются черепашьими шагами по сравнению со стремительным прогрессом SSD, и преимущество новейших жестких дисков перед старыми 10-терабайтными моделями не превышает 24 Мбайт/с в самом лучшем случае.

Произвольное чтение/запись

Переход от простейшего линейного доступа к более сложной нагрузке сразу выявляет существенные различия в конструкции и логике контроллера различных жестких дисков, причем большой объем уже не гарантирует выдающегося быстродействия. В тесте произвольного чтения, завязанном на механику актуатора, ведут в счете серверные модели — WD Ultrastar DC HC530, Seagate Exos X10 и Toshiba MG08, а остальные HDD (для сетевых хранилищ и десктопов) заметно отстают от группы лидеров.

Да и при записи данных по случайным адресам, когда жесткому диску помогает DRAM-буфер, мы получили схожий результат, но есть несколько важных изменений. Благодаря кеширующим зонам на поверхности пластин и небольшому массиву флеш-памяти Ultrastar DC HC530 развивает просто потрясающую скорость, хотя Toshiba MG08 тоже записывает данные в удвоенном темпе по сравнению со скоростью чтения — похоже, что Toshiba и вправду использует флеш-память не только для подстраховки на случай аварийного отключения питания. Среди оставшихся соперников лучше всего с задачей справились 10-терабайтные Exos X10 и Toshiba S300, а вот у 12-терабайтной модели IronWolf произвольное чтение явно не относится к сильным сторонам.

⇡#Расширенный анализ производительности

Время отклика

Судя по времени отклика, серверные накопители имеют лучшую механику по сравнению со своими аналогами для NAS и настольных компьютеров. При чтении коротких блоков по этому параметру лидирует Ultrastar DC HC530 с обновленным двухступенчатым актуатором, однако Exos X10 и Toshiba S300 тоже трудно перепутать с устройствами попроще.

При записи опять-таки определяющее значение имеет работа с буфером. Тут вне конкуренции модели Ultrastar DC HC530 и Toshiba MG08, а между остальными дисками (включая Exos X10) столь значительных различий уже нет.

Зависимость пропускной способности от длины очереди команд

Все шесть накопителей продемонстрировали практически линейную зависимость между скоростью произвольного чтения и длиной очереди команд. Дистанция между группой серверных HDD и их потребительскими коллегами присутствует не только при высокой нагрузке, но и при типичной десктопной очереди в 1–4 команды и всех промежуточных ситуациях. А если приложение способно насытить очередь из 32 команд, допустимую в интерфейсе SATA, то его пользователь уже в любом случае должен прийти к выводу, что пора переходить на SSD.

Смешанное чтение/запись

Нагрузка, состоящая из случайной смеси операций последовательного чтения и последовательной записи в различных пропорциях, является бенчмарком (одним из двух) в нашей тестовой методике, который то и дело преподносит непредсказуемые результаты — так много в нем зависит не от механики и емкости буфера, а от прошивки микроконтроллера HDD.

Быстродействие любых жестких дисков страдает, когда приходится чередовать чтение и запись, но в различной степени. Так, винчестер BarraCuda Pro объемом 14 Тбайт, который не отличился выдающимися результатами ни в одном из предыдущих тестов, внезапно оказался лучше всех, включая серверные винчестеры. IronWolf тоже выступил на уровне nearline-моделей Exos X10 и Ultrastar DC HC530. А вот у Toshiba MG08 смешанная нагрузка оказалась ахиллесовой пятой, хотя Toshiba S300 переживает ее с еще большими трудностями.

Многопоточное чтение/запись

Вот еще один комплексный тест, результаты которого невозможно предугадать по предыдущим изолированным бенчмаркам. При произвольном чтении в несколько потоков логика микроконтроллера HDD следует одному из двух типичных паттернов. Жесткий диск может отдать приоритет единственному потоку, сбросив скорость остальных до минимума, либо равномерно распределить действия актуатора между потоками команд. Все участники тестирования относятся ко второму типу, но достоинства и недостатки алгоритмов контроллера вызывают громадные различия в совокупной производительности различных HDD.

Лидерское место, причем с немаленьким отрывом от ближайших конкурентов, в очередной раз завоевал Ultrastar DC HC530, а следом — и снова совершенно неожиданно — идет BarraCuda Pro. Диск Toshiba MG08 справился с тестом значительно хуже двух моделей WD и Seagate, но все же оторвался на почтительное расстояние от группы аутсайдеров (в которую попал и Exos X10).

Тест многопоточной записи ставит жесткие диски в аналогичную ситуацию, но распределять между несколькими задачами приходится не только и не столько операции актуатора, сколько обращения к DRAM-буферу. Позиции участников тестирования здесь вновь перемешались: BarraCuda Pro, Exos X10 и IronWolf сформировали группу лидеров, а Toshiba MG08 опустился на нижнюю позицию графика.

Постоянство времени отклика

Серверные накопители Exos X10 и Ultrastar DC HC530 отличаются от остальных участников сравнения наиболее консистентными параметрами времени отклика при чтении данных, а если судить по максимальной латентности, то проще выделить отстающих — это IronWolf и Toshiba MG08.

При записи блоков различия между жесткими дисками выражены гораздо сильнее. Благодаря продвинутым функциям кеширования Ultrastar DC HC530 и Toshiba MG08 продемонстрировали чрезвычайно низкий разброс времени доступа к данным по сравнению с другими накопителями, однако Exos X10 тоже подтвердил свою принадлежность к серверному классу. IronWolf неплохо отработал в этом тесте, а замыкает список BarraCuda Pro вместе с Toshiba S300.

⇡#Эмуляция рабочих приложений

В скриптах Iometer, воспроизводящих нагрузку типичных серверных приложений и ПО рабочей станции, преобладают операции чтения и операции с произвольным доступом. Поэтому совершенно не удивительно, что высшую оценку заслужили те жесткие диски, которые ранее лучше всех выполнили соответствующие изолированные тесты, — Ultrastar DC HC530, Toshiba MG08 и Exos X10.

BarraCuda Pro и IronWolf сопоставимы по уровню быстродействия и занимают промежуточную позицию на графиках. В тесте рабочей станции они довольно близки к серверным моделям, а в тесте веб-сервера, наоборот, оказались на последних местах — все это вполне соответствует рыночному позиционированию двух дисков Seagate.

Toshiba S300 во всех задачах — опять-таки за исключением веб-сервера — получил прискорбно низкую оценку. Устройство Toshiba явно теряется в условиях смешанной нагрузки, чередующей операции чтения и записи, как раньше мы уже удостоверились в специализированном тесте.

⇡#PCMark 8

Следующий синтетический бенчмарк, эмулирующий работу живых приложений — только в этот раз десктопных, а не серверных, тоже расставил жесткие диски сообразно их основному предназначению. BarraCuda Pro и IronWolf заслужили в PCMark высокую оценку (но, кстати, Exos 10 тоже). Серверные накопители Ultrastar DC HC530 и в особенности Toshiba MG08 отступили с высоких позиций, которые они занимали в серверных задачах. И наконец, Toshiba S300 — по всей видимости, из-за своей аллергии на смешанную нагрузку — опустился в самый низ.

⇡#Потребляемая мощность

Энергопотребление HDD в состоянии бездействия определяется массой стека пластин и мощностью мотора, который приводит их в движение. В этом 14-терабайтные модели Ultrastar DC HC530 и BarraCuda Pro не слишком отличаются от одного из своих предшественников — IronWolf объемом 12 Тбайт, но Exos X10 тут вне конкуренции. Как ни крути, чем меньше пластин в «банке», тем ниже мощность и, как следствие, нагрев. Но не всегда — взгляните, какое энергопотребление у Toshiba S300. Несмотря на большой объем, это жесткий диск без гелия, а значит, двигателю шпинделя приходится работать против сопротивления более плотных газов, из которых состоит обычный воздух.

Под нагрузкой наименьшую мощность развивают жесткие диски Seagate — новая BarraCuda Pro и 12-терабайтный IronWolf. Все остальные потребляют больше электричества, но в абсолютных числах разница не так уж велика, если, опять-таки, не брать в расчет Toshiba S300.

⇡#Выводы

Три передовых накопителя, которые нам удалось получить для сравнения, не охватывают всего многообразия 14- и 16-терабайтных моделей, распространившихся за пределы серверной ниши, где зарождаются самые емкие HDD. Но их достаточно, чтобы понять, как изменились рабочие параметры жестких дисков за последние несколько лет, когда даже грозный некогда рубеж в 10 Тбайт 3,5-дюймовые магнитные накопители оставили далеко позади. Пусть быстродействие жестких дисков развивается черепашьими темпами по сравнению с SSD, но три компании, выжившие на этом рынке, уже пришли к тому, что нужно применять специальные технологии для того, чтобы соотношение между объемом и количеством операций в секунду по меньшей мере удерживалось на прежнем уровне, а в итоге даже возрастало. Да и сохранность данных требует повышенной заботы, когда так много яиц можно положить в одну дисковую корзину. Обеих целей позволяет достигнуть многоярусная иерархия кеша: стандартный буфер DRAM-памяти, небольшой объем flash и, наконец, система резервных зон на поверхности магнитных пластин (Media Cache). Все три производителя винчестеров сегодня применяют в том или ином виде эту схему: либо флеш-память, либо Media Cache, либо и то и другое вместе. Но пока лишь только в серверных моделях, которые по совокупности рабочих характеристик в итоге стали сильно отличаться от своих потребительских аналогов.

Два из трех толстяков, побывавших в лаборатории 3DNews, — 14-терабайтный WD Ultrastar DC HC530 и 16-терабайтный Toshiba MG08 — относятся к категории nearline, и это хорошо заметно по тестам быстродействия. Вдобавок к скорости линейного доступа на уровне 2,5-дюймовых HDD со скоростью вращения шпинделя 10 000 об/мин, которую дала повышенная плотность записи, эти модели отличает совершенная механика и развитые методы кеширования — благодаря последним скорость произвольной записи возрастает чрезвычайно сильно. Их смело можно применять не только для хранения «прохладных» данных и резервного копирования, но и в высоконагруженных системах, когда SSD или быстрые 2,5-дюймовые HDD не подходят из-за дороговизны или ограниченного объема. Однако наши тесты показали, что у Toshiba MG08 есть специфический изъян, от которого избавлен WD Ultrastar DC HC530, — продукт японской фирмы плохо переваривает нагрузку, в которой активно перемешаны операции чтения и записи. Зато в модификациях Toshiba MG08 с эмуляцией 512-байтовых секторов твердотельный кеш нужен не только для снижения латентности, но и как дополнительная страховка данных от сбоев питания, что особенно важно при столь большом объеме.

Третий диск, 14-терабайтная BarraCuda Pro, ориентирован на рабочие станции, однодисковые серверы или DAS, и профиль быстродействия этой модели полностью соответствует ее предназначению. BarraCuda Pro лучше всего проявляет себя в преимущественно линейном чтении и записи. И пусть диск Seagate не отличается выдающимися показателями времени отклика, он отлично справляется со смешанной нагрузкой, а также чтением/записью в несколько потоков — то что надо для видеомонтажа и подобных задач. По энергопотреблению BarraCuda Pro отличается в лучшую сторону от своих серверных коллег, а по расчетной нагрузке 300 Тбайт/год превосходит диски начального уровня для сетевых хранилищ и готов работать в режиме 24/7, хоть и не подходит для эксплуатации в составе RAID. Но главная претензия к этому винчестеру, которая ставит под вопрос его достоинства, касается его цены. Даже серверные HDD такого же объема, причем тоже от Seagate, можно купить за меньшие деньги, а параметры отказоустойчивости у них заведомо выше, чем у десктопных накопителей — «профессиональных» или нет.