Домашний сервер. Часть 3: Жесткие диски

Несколько раз задавали по почте вопрос о том, какие диски лучше использовать для сетевого хранилища. Поиском ответа на этот вопрос и займемся в рамках данной статьи.

Все мировое производство жестких дисков сейчас сосредоточено в руках 4 крупных компаний: Western Digital, Seagate, Toshiba и Hitachi.

Осталось разобраться в их линейках дисков, сопоставить их друг с дружкой и сделать выводы, какие из них подходят для использования в домашних сетевых хранилищах и серверах, а какие нет.

Western Digital (WD)

Western Digital — американская компания и крупнейший в мире производитель жестких дисков на данный момент. В линейке их продукции присутствуют модели практически для всех сегментов рынка.

Для жителей России Western Digital интересна, что предоставляет собственный гарантийный сервис на территории страны. Если диск вышел из строя после окончания магазинной гарантии, но на него все еще действует расширенная гарантия производителя, то в сервисном центре WD можно бесплатно обменять его на такую же или более новую модель. Это единственный производитель жестких дисков, оказывающий подобного рода поддержку.

HGST (Hitachi)

HGST — подразделение японской финансово-промышленной группы Hitachi, занимающееся производством жестких дисков.

Фактически HGST уже давно куплено корпорацией Western Digital, но по каким-то бюрократическим причинам полного поглощения этой компании не произошло.

Поэтому HGST и по сей день продолжает выпускать линейку жестких дисков под своим собственным брендом.

Seagate

Seagate Technology — американский производитель жестких дисков и основной конкурент Western Digital в этой сфере.

Как и Western Digital, Seagate выпускает продукцию для всех сегментов рынка. А вот с технической поддержкой для российских покупателей тут все скромнее: в случае возникновения проблем с дисками Seagate придется решать все гарантийные вопросы через авторизованных дистрибьюторов.

Toshiba

Toshiba — старая и влиятельная японская корпорация, производящая технические решения в различных областях. Производство жестких дисков является одним из многочисленных сфер деятельности этой корпорации.

Из всей «большой четверки» производителей Toshiba уделяет меньше всего значения маркетинговому продвижению своих жестких дисков и не стремится занять весь рынок.

Сопоставительная таблица

Western Digital	HGST	Seagate	Toshiba
Универсальный диск	WD Blue	нет	BarraCuda	P300, E300, DT01XXXXXX
Диск для ноутбука	WD Blue Mobile, WD Black Mobile	Travelstar	BarraCuda 2,5″, FireCuda 2,5″	L200
Гибридный диск (SSHD)	WD Blue SSHD	нет	FireCuda	нет
Диск для NAS	WD Red	Deskstar NAS	IronWolf	N300
Диск для видеонаблюдения	WD Purple, WD Purple NV	нет	SkyHawk, SkyHawk AI	нет
Скоростной диск для игровых ПК и рабочих станций	WD Black	Ultrastar C10K1800, Ultrastar 7K6000	BarraCuda Pro	X300
Корпоративный класс (дата-центры, сервера и хранилища данных)	WD Gold, WD RE	Ultrastar HE, Ultrastar Hs14	Exos X, Exos E	Toshiba Enterprise HDD
Диски для корпоративных NAS	WD Red Pro	нет	IronWolf Pro	нет

Я решил не расписывать каждую линейку по отдельности — это сделало бы статью чересчур длинной и нечитаемой. Вместо этого просто свел актуальные серии жестких дисков всех четырех производителей в одну таблицу, отсортировав их по заявленной сфере применения.

Все гиперссылки в таблице ведут на описания той или иной линейки дисков непосредственно на сайтах производителей.

Какие жесткие диски надежнее всего

Интересную статистику по надежности жестких дисков предоставляет калифорнийская компания Backblaze. Эта компания предоставляет услуги облачного хранилища для бизнеса и частных лиц, и потому закупает жесткие диски в огромных, прямо-таки промышленных масштабах. Вот уже несколько лет в корпоративном блоге Backblaze публикуются квартальные отчеты по отказам используемых ими дисков.

Вот, к примеру, их свежий отчет за 3 квартал 2017 года:

А вот статистика за последние 4 года:

Подробнее можно почитать в блоге компании по этой ссылке (на английском языке).

Какие выводы можно сделать из этого отчета?

• Во-первых, у накопителей емкостью 4 Тб производства Seagate серьезные проблемы с надежностью. Причем более емкие накопители того же Seagate обладают уже нормальной, в рамках среднего по рынку, надежностью и их можно брать. А вот подыскивая жесткие диски на 4 Тб (а на текущий момент это оптимальный объем диска в плане отношения цены к емкости) лучше выбрать какого-то другого производителя.
• Во-вторых, опять же на примере Seagate и ее 8 Тб накопителей видно, что надежность жестких дисков корпоративного класса ничем не отличается от домашних моделей. Несмотря на то, что диски для корпоративного сегмента стоят дороже, имеют более длительную гарантию производителя и рассчитаны на более интенсивные нагрузки. Так что не переплачиваем за Enterprise-диски в надежде на какое-то особенное качество — его нет.
• В-третьих, если не напороться на изначально проблемную модель ( все те же Seagate на 4 Тб как пример), то шансы потерять свои данные из-за отказа конкретного экземпляра жесткого диска крайне малы даже при интенсивном использовании в коммерческих целях. Еще меньше при домашнем использовании со сравнительно небольшими нагрузками. И практически нулевые, если время от времени делать бэкапы.

Какой диск выбрать

Мое мнение — для использования в домашнем сервере или NAS подойдет практически любой диск. Главное — чтобы он был достаточного объема. И низкооборотистый, что плохо сказывается на времени отклика (но моментальный отклик нам и не нужен, сервер это не рабочая станция и не геймерский ПК), но положительно на тишине работы.

Если не хочется мучать себя выбором, то просто берите то, что сам производитель позиционирует как диски для NAS.

Это линейки дисков WD Red, HGST DeskStar NAS, Seagate IronWolf, Toshiba N300.

3,5″ или 2,5″

Компактные диски 2,5″ формата, как правило, работают тише и потребляют меньше электроэнергии.

К их достоинствам относится и более широкая область применения: 2,5″ диск можно использовать как в полноценном ПК / NAS / сервере, так и вместе с одноплатными компьютерами, мини-ПК и ноутбуками. А вот 3,5″ диск кроме как в стационарном ПК нигде больше использовать не получится.

Недостатки 2,5″ дисков — большая цена за тот же дисковый объем и меньшая максимальная емкость линейки по сравнению с 3,5″ аналогами.

Диверсификация рисков

Имеет смысл покупать диски одной емкости, но разных производителей. Или одного производителя, но из разных партий. Или по крайней мере в разных магазинах и в разные дни.

Это позволяет обезопасить себя от риска одновременного сбоя дисков из-за того, что:

а) был заводской брак в одной конкретной партии, произведенной в одну смену.
б) вся партия дисков, поставлявшаяся в магазин, была повреждена при транспортировке или приемке.

Проверенные временем модели

Не стоит покупать диски новейших моделей или максимально доступного на сегодняшний день объема.

Помимо того, что самые свежие модели всегда стоят на старте значительно больше адекватной для них цены, они еще не прошли проверку временем. Почти всегда у только вышедших на рынок продуктов (речь не только о дисках) имеются какие-то «детские болезни», которые будут выявлены и исправлены в следующих ревизиях.

Так пусть обкатку свежих моделей производят энтузиасты, а для себя лучше выбирать уже прошедшие проверку временем вещи.

Заключение

На этом заканчиваю тему выбора жестких дисков для домашнего сервера или NAS.

В следующих статьях цикла будет говориться о RAID, шифровании и других вещах.

Серверные жесткие диски

За прошедшее со времени последнего нашего тестирования (см. "BYTE/Россия" No 11'2002) время (более полутора лет) изменения в сегменте жестких SCSI-дисков были не столь значительными, как в родственном сегменте IDE-дисков. Вдвое увеличилась максимальная плотность записи, соответственно возросла и максимальная емкость дисков — до 147 Гбайт. Внутренняя скорость передачи данных (между головками чтения/записи и интерфейсным блоком) выросла почти до 90 Мбайт/с. В большинстве моделей интерфейс Ultra160 SCSI уступил место вдвое более скоростному Ultra320 SCSI. И наконец, окончательно исчезли SCSI-модели со скоростями вращения ниже 10 тыс. об./мин.

Более медленные темпы развития SCSI-дисков по сравнению с IDE обусловлены тем, что для первых требуется обеспечивать значительно более высокие показатели надежности и готовности, необходимые серверным системам и сетевым системам хранения данных — а именно это главные области применения жестких SCSI-дисков.

Однако можно предположить, что в ближайшее время отрасль SCSI-дисков получит новый импульс и начнет развиваться более динамично. Связано это с появлением новых стандартов Ultra640 SCSI и Serial Attached SCSI (SAS), хотя последний благодаря физической совместимости с Serial ATA, как это ни парадоксально, может стать "убийцей" дисков с традиционным параллельным SCSI-интерфейсом.

Когда этот обзор готовился к печати, произошли два события, подтверждающие наше предположение о том, что на фронте SCSI-дисков ожидаются большие перемены. Компания Seagate выпустила первый и пока единственный в мире SCSI-диск Savvio форм-фактора 2,5 дюйм со скоростью 10 тыс. об./мин, а Fujitsu объявила о выпуске новых серий MAT (10 тыс. об./мин) и MAU (15 тыс. об./мин) с увеличившейся вдвое — до 75 Гбит/дюйм2 — поверхностной плотностью записи. Таким образом, теперь самый емкий в мире SCSI-диск — это 300-Гбайт MAT3300NC/NP, а самый емкий "пятнадцатитысячник" — 147-Гбайт MAU3147NC/NP.

Технологии

Накопитель на жестких магнитных дисках состоит из четырех главных элементов, каждый из которых вносит свой вклад в его характеристики: носителя (пакета дисковых пластин, вращающихся на одной оси), головок чтения/записи, позиционера (устройства, "наводящего" головки на нужную дорожку) и контроллера, обеспечивающего согласованное управление всеми элементами диска и передачу данных между ним и компьютером по одному из стандартных интерфейсов, в нашем случае — SCSI.

Несомненно, главный параметр любого жесткого диска — его емкость, т. е. количество байт данных, которое можно на него записать. Определяющие факторы для этого параметра — поверхностная плотность записи, размер и количество дисковых пластин. Поверхностная плотность определяется размером магнитных частиц покрытия пластин и величиной зазора головки чтения/записи.

Уменьшение размеров магнитных частиц давно уже дошло до стадии перманентной войны разработчиков с так называемым сверхпарамагнитным эффектом, заставляющим микроскопический магнитный домен самопроизвольно менять направление намагниченности за счет теплового движения молекул. Чтобы избежать этого эффекта, применяются специальные многослойные покрытия с антиферромагнитной связью (AFC) и так называемые синтетические ферримагнетики (SFM). Большое внимание уделяется и покрытиям, способным обеспечить вертикальную запись на носителях, обладающих магнитооптическими свойствами (в них применяются пленки на основе сплава тербия, железа и кобальта).

Не менее важную роль в повышении поверхностной плотности играет уменьшение размеров головки чтения/записи. Большинство изготовителей жестких дисков сейчас применяют головки чтения на основе супермагниторезистивного спинового клапана (GMR-SV), причем от головок, в которых ток протекает в плоскости головки (current-in-plane, CIP), переходят к таким, где ток протекает перпендикулярно плоскости головки (current-perpendicular-plane, CPP), и туннельным магниторезистивным (TMR) структурам.

Поперечная плотность записи, т. е. количество дорожек на единицу длины радиуса диска, увеличивается за счет повышения точности позиционирования головок (применяются двухступенчатые схемы позиционирования, в которых обычный позиционер на основе "звуковой катушки" служит для грубого позиционирования, а затем подвес головки точно "доводится" пьезоэлектрическим микроактуатором). На поперечную плотность записи влияют также нерегулярные боковые биения пластин, обусловленные неидеальностью подшипников шпиндельного двигателя. Чтобы избежать этого, применяют керамические подшипники, а в последнее время все большее распространение получают двигатели с гидродинамическими подшипниками (FDB, Fluid Dynamic Bearing), в которых вместо шариков используется специальное масло. Еще один фактор, ограничивающий поперечную плотность, — точность записи на диск сервоинформации. Она записывается на дисковые пластины специальным устройством на заключительном этапе изготовления накопителя.

Отметим, что увеличение количества дисковых пластин, а следовательно, и головок чтения/записи, во-первых, удорожает диск, а во-вторых, снижает его надежность. Поэтому изготовители современных жестких дисков стараются уменьшить число пластин до 2-4, а для изделий, требующих повышенной надежности, и до одной.

Второй по значимости параметр диска — внутренняя скорость передачи данных между головкой чтения/записи и поверхностью магнитных пластин (она отличается от внешней скорости, с которой данные передаются по интерфейсу между диском и компьютером). Внутренняя скорость, как и емкость, в первую очередь определяется поверхностной плотностью записи, а во вторую — скоростью вращения. Можно возразить, что скорость вращения оказывает большее влияние на скорость передачи, однако скорости вращения растут намного медленнее, чем плотность записи. Каждый шаг в этом направлении сопряжен с массой проблем, связанных с тем, что повышаются потребление мощности, тепловыделение, шумы; возникает необходимость в увеличении механической прочности пластин, разработке новых двигателей и т. п. В то же время скорость передачи при переходе от 10 к 15 тыс. об./мин увеличивается всего на 50%, в то время как увеличение плотности записи в два раза поднимает скорость тоже вдвое. Тем не менее диски на 15 тыс. об./мин, бывшие сравнительно недавно экзотической новинкой, прочно заняли свое место в линейках продукции всех изготовителей SCSI-дисков.

Третий важный параметр любого жесткого диска — время доступа к данным. Оно определяется скоростью перемещения позиционера и расстоянием, которое ему приходится проходить (и следовательно, диаметром дисковых пластин), а также латентностью, т. е. средним временем появления нужного сектора под головкой после ее выхода на заданную дорожку. Латентность, которая считается равной времени полуоборота диска, напрямую зависит от скорости вращения и для современных дисков, вращающихся со скоростями 10 и 15 тыс. об./мин, составляет соответственно 3 и 2 мс. Полное среднее время доступа для современных SCSI-дисков высшего класса снизилось до 3-4 мс.

Четвертый параметр — объем буферной памяти (кэш-буфера) накопителя. Увеличение объема буфера позволяет увеличить внешнюю скорость передачи благодаря использованию специальных алгоритмов кэширования, в первую очередь так называемого упреждающего чтения (это предполагает чтение в буфер не только заданного сектора, но и последующих секторов дорожки, с тем чтобы дальнейшая выборка данных происходила из буфера). В подавляющем большинстве современных SCSI-дисков объем кэш-буфера составляет 8 Мбайт.

Для серверных дисков один из важнейших параметров — надежность. Мы уже упоминали такой радикальный путь повышения надежности, как уменьшение числа пластин и соответственно головок. Кроме того, изготовители принимают меры для повышения надежности, оснащая контроллер диска специальными средствами самодиагностики, обнаружения ошибок, "скрытия" дефектных секторов и т. п. Такие технологии, как S.M.A.R.T, позволяют заблаговременно прогнозировать отказ диска. Применяемая IBM технология парковки головок вне дисковых пластин повышает ударостойкость накопителя и заметно увеличивает количество допустимых циклов его включения/выключения, поскольку полностью исключает прямой контакт головок с пластинами в процессе раскручивания или остановки шпиндельного двигателя. Seagate благодаря применению комплексной технологии защиты 3D Defense System и других технологических ухищрений удалось поднять наработку на отказ своих накопителей до фантастической величины 1,2 млн ч.

Внешняя скорость передачи определяется в первую очередь пропускной способностью интерфейса накопителя. Ясно, что пропускная способность интерфейса должна быть по крайней мере не меньше внутренней скорости передачи данных с учетом кэширования в буферной памяти. Учитывая, что максимальная внутренняя скорость передачи у современных дисков приблизилась к 100 Мбайт/с, решить эту задачу даже с помощью интерфейса Ultra320 SCSI (пропускная способность до 320 Мбайт/с) в многодисковой системе не так-то просто.

Интерфейсы

Если не считать 2,5-дюйм АТА-дисков, используемых в серверах-лезвиях с высокой плотностью компоновки, интерфейс SCSI, существующий уже более 20 лет, остается основным для дисков, предназначенных для высокопроизводительных серверов и сетевых систем хранения данных, которые выполняют одновременно множество разнородных задач и оснащены большим количеством жестких дисков, нередко объединенных в RAID-массивы.

Немного истории

История интерфейса, известного нам ныне как SCSI, восходит к 1979 г., когда компания Shugart Associates, возглавляемая Аланом Шугартом (он был одним из ведущих разработчиков флоппи-диска, а впоследствии основал компанию Seagate Technologies), разработала интерфейс SASI (Shugart Associates Systems Interface). Он обладал низкой пропускной способностью (1,5 Мбайт/с) и очень ограниченным даже по сравнению с первой версией SCSI набором команд, но главное в другом — это была первая попытка создать стандартизованный программируемый интерфейс для взаимодействия малых компьютерных систем с периферийными устройствами, в первую очередь с устройствами внешней памяти.

В 1981 г. компаниям Shugart Associates и NCR удалось убедить Американский национальный институт стандартизации (ANSI) начать работу над "узаконивающим" SASI стандартом. В процессе этой работы в спецификации интерфейса было внесено множество изменений и дополнений, позволивших повысить его пропускную способность и расширить набор команд. На каком-то этапе изменилось и название — на SCSI (Small Computer System Interface); по всей вероятности, это было сделано для того, чтобы присутствие названия конкретной компании не наводило на мысль о "фирменности" интерфейса. Первый стандарт SCSI был опубликован в 1986 г., и с тех пор началась история непрерывного совершенствования этого интерфейса, продолжающаяся и по сей день.

В развитии стандартов SCSI можно выделить три больших этапа, последний из которых еще очень далек от завершения.

SCSI-1

Стандарт, определявший основные характеристики первых шин SCSI, в том числе допустимые длины кабелей, параметры электрических сигналов, набор команд и режимы обмена. Этот крайне примитивный по нынешним меркам стандарт задавал лишь наиболее фундаментальные функции SCSI. Соответствовавшие ему устройства могли передавать данные только по "узкой", т. е. 8-разрядной шине с максимальной скоростью 5 Мбайт/с. Данные передавались по одиночным проводам, использовалась только пассивная оконечная нагрузка.

Одной из наиболее серьезных проблем, тормозивших повсеместное внедрение стандарта, было отсутствие в нем требования реализации полного набора команд. В итоге получалось так, что разные изготовители реализовали свои, нередко несовместимые, подмножества этого набора.

Стандарт SCSI-1 достаточно давно отозван ANSI и вызывает сейчас не более чем исторический интерес. Однако отвечающие ему устройства при соблюдении определенных условий могут работать с хост-адаптерами SCSI-2 и 3, правда, при этом скорость обмена не будет превышать 5 Мбайт/с.

SCSI-2

В 1985 г., за год до официального утверждения стандарта SCSI-1, началась работа над спецификацией SCSI-2. Целью этого было повысить пропускную способность и надежность интерфейса, расширить его возможности. Но главная цель заключалась в том, чтобы формализовать и должным образом стандартизовать набор команд. Так появился набор стандартных команд для жестких дисков SCSI, который получил название Common Command Set (CCS) и лег в основу стандарта SCSI-2, утвержденного ANSI в 1994 г.

Кроме CCS, в SCSI-2 были введены несколько важных расширений SCSI-1.

Fast SCSI. Тактовая частота шины увеличивалась до 10 МГц, что позволяло поднять скорость передачи до 10 Мбайт/с при ширине шины 8 бит и до 20 Мбайт/с при ширине 16 бит.

Wide SCSI. Ширину SCSI-шины допускалось увеличивать до 16 или даже 32 бит. Это означало удвоение или учетверение скорости передачи при той же частоте шины. На практике 32-разрядная шина почти никогда не использовалась.

Большее допустимое число устройств на шине. Допускалось подключение к одной шине до 16 (вместо прежних 8) устройств.

Новые кабели и разъемы. Допускалось использование улучшенных кабелей и разъемов с более высокой плотностью контактов (по сравнению со стандартными 50-контактными).

Активные оконечные устройства. Наряду с пассивной оконечной нагрузкой (терминатором), предусмотренной стандартом SCSI-1, допускалось использование более надежного активного окончания.

Дифференциальные линии передачи сигналов. Для увеличения допустимой длины кабелей предлагалось вместо обычного однопроводного (Single Ended, SE) использовать дифференциальный метод передачи сигналов. Впоследствии он получил название "высоковольтного дифференциального" (High Voltage Differential, HVD) в отличие от широко распространившегося позднее "низковольтного" (Low Voltage Differential, LVD).

Очереди команд. Одно из серьезных преимуществ SCSI — возможность одновременного выполнения нескольких не противоречащих друг другу запросов от различных устройств на шине. В отличие от способа выполнения запросов в SCSI-1, когда устройство, получив запрос, должно выполнить его прежде, чем переходить к следующему, в SCSI-2 предусматривалась возможность запоминания устройством до 64 или даже до 256 запросов и последующего их выполнения, причем не обязательно в порядке поступления. Эти возможности получили название Command Queuing and Reordering или Tagged Command Queuing.

Новые наборы команд. В SCSI-2 были добавлены наборы команд для работы не только с жесткими дисками, но и с такими устройствами, как накопители CD-ROM, сканеры и библиотеки с автоматической сменой носителей.

SCSI-3

Работа над очередной версией стандарта SCSI, получившей название SCSI-3, началась в 1993 г., за год до официального утверждения SCSI-2. К этому времени (за восемь лет работы) документ, описывающий SCSI-2, разросся до непомерных размеров. Перед лицом огромного количества новых технологий, транспортных протоколов, наборов команд и т. п., которые необходимо было добавить в следующую версию, разработчики стандарта приняли единственно правильное решение: отказаться от единого документа и создать комплекс взаимосвязанных стандартов, охватывающий все аспекты функционирования интерфейса для различных типов периферийных устройств, с различными способами передачи сигнала, транспортными уровнями и т. д. Объединять все эти многочисленные стандарты должна была специальная структура, названная архитектурой SCSI-3. Описывающий ее документ называется архитектурной моделью SCSI (SCSI Architecture Model, SAM). Первая его версия была утверждена ANSI в 1996 г. Сейчас в работе третья версия — SAM-3. Она утверждает структуру комплекса стандартов SCSI, показанную на рис. 1.

Рис. 1. Структура стандартов SCSI.

Архитектурная модель определяет модель функционирования SCSI-систем, функциональное разделение совокупности стандартов SCSI и общие для всех реализаций SCSI требования.

Наборы команд, зависящие от типа устройства. Стандарты на реализации, определяющие конкретные типы устройств, включая модель устройства для каждого типа. Эти стандарты задают необходимые команды и поведение, характерное для данного типа устройств.

Общий набор команд. Стандарт на реализации, определяющий модель для всех типов SCSI-устройств. Он перечисляет команды и поведение, общие для всех устройств независимо от их типа.

Транспортные протоколы SCSI. Стандарты, определяющие требования к способам обмена информацией, которые позволяют взаимодействовать различным SCSI-устройствам.

Соединения. Стандарты, определяющие механизмы связи, используемые транспортными протоколами SCSI. Они описывают электрические и временны'е параметры сигналов, которые необходимы для взаимодействия SCSI-устройств, подключенных с помощью соединения определенного типа.

Набор существующих на сегодня стандартов SCSI-3 по категориям представлен в табл. 1. Даже беглого взгляда на нее достаточно, чтобы оценить многообразие реализаций того, что скрывается сегодня под скромным именем SCSI.

Таблица 1. Стандарты SCSI-3 по категориям

Полное название	Сокращенное название	Номер стандарта	Год принятия
Архитектурная модель
SCSI-3 Architecture Model	SAM	ISO/IEC 14776-411	1996
SCSI Architecture Model-2	SAM-2	ISO/IEC 14776-412	2003
SCSI Architecture Model-3	SAM-3	ISO/IEC 14776-413	Проект
Наборы команд, зависящие от типа устройства
SCSI-3 Block Commands (команды для устройств с произвольным доступом, обменивающихся блоками данных, в частности, жестких дисков)	SBC	ISO/IEC 14776-321	1998
SCSI Block Commands-2	SBC-2	ISO/IEC 14776-322	Проект
SCSI Reduced Block Commands (сокращенный набор блоковых команд)	RBC	ISO/IEC 14776-326	2000
SCSI-3 Stream Commands (команды для устройств последовательного доступа с потоковой передачей данных, например, магнитных лент)	SSC	ISO/IEC 14776-331	2000
SCSI Stream Commands-2	SSC-2	ISO/IEC 14776-332	2003
SCSI Stream Commands-3	SSC-3	ISO/IEC 14776-333	Проект
SCSI-3 Medium Changer Commands (команды для устройств с автоматической сменой носителей, например, ленточных библиотек)	SMC	ISO/IEC 14776-351	1998
SCSI Media Changer Commands-2	SMC-2	ISO/IEC 14776-352	Проект
SCSI-3 Multimedia Command Set (набор мультимедиа-команд)	MMC	ANSI X3.304	1997
SCSI Multimedia Command Set-2	MMC-2	ISO/IEC 14776-362	2000
SCSI Multimedia Command Set-3	MMC-3	ISO/IEC 14776-363	2002
SCSI Multimedia Command Set-4	MMC-4	ISO/IEC 14776-364	Проект
SCSI Multimedia Command Set-5	MMC-5	ISO/IEC 14776-365	Проект
SCSI Controller Commands-2 (команды для RAID-контроллеров)	SCC-2	ISO/IEC 14776-342	1998
SCSI-3 Enclosure Services Commands (команды управления корпусами для SCSI-устройств)	SES	ISO/IEC 14776-371	1998
SCSI Enclosure Services Commands-2	SES-2	ISO/IEC 14776-372	Проект
SCSI Specification for Optical Card Reader/Writer (команды для устройств считывания оптических карт)	OCRW	ISO/IEC 14776-381	Проект
Object-based Storage Devices Commands (команды для объектно-ориентированных устройств хранения данных)	OSD	ISO/IEC 14776-391	Проект
SCSI Management Server Commands (команды для сервера управления)	MSC	ISO/IEC 14776-511	Проект
Automation/Drive Interface Commands (команды взаимодействия между библиотеками с автоматической сменой носителей и входящими в них накопителями)	ADC	ISO/IEC 14776-356	Проект
Общий набор команд (для всех типов устройств)
SCSI-3 Primary Commands (первичные команды)	SPC	ANSI X3.301-	1997
SCSI Primary Commands-2	SPC-2	ISO/IEC 14776-452	2001
SCSI Primary Commands-3	SPC-3	ISO/IEC 14776-453	Проект
Транспортные протоколы SCSI
Automation/Drive Interface — Transport Protocol (транспортный протокол обмена между автоматическими библиотеками и входящими в них накопителями)	ADT	ISO/IEC 14776-191	Проект
Serial Storage Architecture SCSI-3 Protocol (протокол последовательной архитектуры памяти SSA)	SSA-S3P	ANSI NCITS.309	1998
Serial Storage Architecture Transport Layer 1 (транспортный уровень SSA)	SSA-TL-1	ANSI X3.295	1996
Serial Storage Architecture Transport Layer 2	SSA-TL-2	ANSI NCITS.308	1998
SCSI-3 Fibre Channel Protocol (протокол Fibre Channel)	FCP	ISO/IEC 14776-221	1996
SCSI Fibre Channel Protocol-2	FCP-2	ISO/IEC 14776-222	2003
SCSI Fibre Channel Protocol-3	FCP-3	ISO/IEC 14776-223	Проект
Serial Bus Protocol-2 (протокол обмена по шине IEEE 1394)	SBP-2	ISO/IEC 14776-232	1999
Serial Bus Protocol-3	SBP-3	ISO/IEC 14776-233	Проект
SCSI RDMA Protocol (протокол удаленного прямого доступа к памяти для работы SCSI-устройств в архитектуре InfiniBand и других кластерных архитектурах)	SRP	ISO/IEC 14776-241	Проект
SCSI RDMA Protocol-2	SRP-2	ISO/IEC 14776-242	Проект
Соединения
Fibre Channel Arbitrated Loop-2 (петля Fibre Channel с арбитражем)	FC-AL-2	ISO/IEC 14165-122	1999
Fibre Channel Physical Interfaces (физические интерфейсы Fibre Channel)	FC-PI	ISO/IEC 14165-115	2002
Fibre Channel Physical Interfaces-2	FC-PI-2	—	Проект
Fibre Channel Framing and Signaling Interface (интерфейс кадрирования и сигнализации Fibre Channel)	FC-FS	ISO/IEC 14165-251	2003
High Performance Serial Bus (высокопроизводительная последовательная шина IEEE 1394)	ANSI/IEEE 1394	1995
High Performance Serial Bus (дополнение к ANSI/IEEE 1394-1995)	ANSI/IEEE 1394a	2000
SCSI Parallel Interface-2 (параллельный интерфейс SCSI)	SPI-2	ISO/IEC 14776-112	1999
SCSI Parallel Interface-3	SPI-3	ISO/IEC 14776-113	2000
SCSI Parallel Interface-4	SPI-4	ISO/IEC 14776-114	2002
SCSI Parallel Interface-5	SPI-5	ISO/IEC 14776-115	2003
Serial Storage Architecture Physical Layer 1 (физический уровень SSA)	SSA-PH	ANSI X3.293	1996
Serial Storage Architecture Physical Layer 2	SSA-PH-2	ANSI NCITS.307	1998
Serial Attached SCSI	SAS	ISO/IEC 14776-150	2003
Serial Attached SCSI-1.1	SAS-1.1	ISO/IEC 14776-151	Проект

• SCSI-3 Interlocked Protocol (SIP) описывал протокол передачи по параллельной шине.
• SCSI-3 Parallel Interface (SPI) определял физический уровень интерфейса. В нем предусматривался впервые появившийся в SCSI-2 режим Fast SCSI с частотой шины, увеличенной до 10 МГц.
• Fast-20 представлял собой дополнение к предыдущему документу, описывающее 20-МГц сигнализацию, которая обеспечивает максимальную пропускную способность шины 40 Мбайт/с.

Интерфейс, описываемый этими тремя документами, называли также Ultra SCSI (20 Мбайт/с, 8-разрядная шина) и Ultra Wide SCSI (40 Мбайт/с, 16-разрядная шина).

Еще одной важной новинкой, появившейся в SPI, были новые 68-контактные кабели типа "P" и новые разъемы. Теперь для организации "широкой" (16-разрядной) шины не требовалось двух кабелей, как раньше.

Новый стандарт SPI-2 объединил все спецификации интерфейса, которые в SPI содержались в трех различных документах. Наиболее важные новые технологии и возможности, введенные этим стандартом, перечислены ниже.

Fast-40. Новое удвоение тактовой частоты шины SCSI — с 20 до 40 МГц — обеспечило возрастание максимальной пропускной способности до 40 Мбайт/с при "узкой" (8-разрядной) и до 80 Мбайт/с при "широкой" (16-разрядной) шине.

Низковольтные дифференциальные сигналы. SPI-2 ввел новый способ передачи сигналов — низковольтный дифференциальный (Low Voltage Differential, LVD). Этот способ быстро завоевал всеобщее признание, и во всех современных жестких дисках используется именно он.

Многорежимность. SPI-2 обеспечил создание многорежимных устройств, способных работать как на LVD-, так и на обычных однопроводных (SE) шинах. Такие устройства автоматически определяют тип шины и других подключенных к ней устройств и переходят в соответствующий режим работы. Надо отметить, что при этом возможны неприятности. Предположим, например, что к 4-метровому кабелю, соединяющему хост-адаптер Ultra160 LVD с многорежимным диском Ultra160, подключили однопроводное устройство Ultra Wide. При этом все остальные устройства автоматически переходят в однопроводной режим и пытаются работать на скорости Ultra (Fast-20), для которой длина кабеля превышает максимально допустимую в режиме SE (1,5 м) почти в три раза.

Новые разъемы прямого подключения SCA-2. В SPI-2 переработана спецификация разъемов прямого подключения (Single Connector Attachment, SCA). Эти разъемы содержат, помимо интерфейсных линий SCSI, все необходимые для работы жесткого диска питающие напряжения и имеют конструкцию, которая обеспечивает безопасную горячую замену дисков в RAID-массивах. Новые разъемы рассчитаны на шину LVD.

Разъемы сверхвысокой плотности. В SPI-2 определен уменьшенный вариант стандартного 68-контактного разъема с высокой плотностью контактов. Он получил название разъема сверхвысокой плотности (Very High Density Cable Interconnect, VHDCI).

Говоря об интерфейсе, соответствующем SPI-2, часто пользуются неформальными (маркетинговыми) терминами Ultra2 SCSI или Ultra2 Wide SCSI.

В этом документе была вновь удвоена скорость передачи и появился ряд новых возможностей.

Fast-80(DT). В ответ на растущие требования к пропускной способности шины SCSI она была вновь удвоена — до 160 Мбайт/с (на "широкой" шине). Это было достигнуто не удвоением тактовой частоты (она осталась равной 40 МГц), а за счет передачи данных по обоим фронтам тактового импульса (об этом напоминает аббревиатура DT — Double Transition — в названии).

CRC. Проверка с помощью циклического избыточного кода для обеспечения целостности данных при передаче с высокими скоростями.

Domain Validation (DV). Поскольку один из основных принципов построения интерфейса SCSI — обратная совместимость, т. е. возможность совместной работы более старых устройств с более новыми, требуется определенная процедура, позволяющая устройствам разных поколений "договориться" о том, на какой скорости они будут обмениваться данными. Однако даже если устройство сообщает хост-адаптеру Ultra160 о том, что оно соответствует этой спецификации, реальная передача данных на этой скорости может происходить с ошибками или вообще оказаться невозможной из-за проблем с кабелем, оконечной нагрузкой и т. п. Поэтому потребовался еще один этап — аттестация шины (в данном случае называемой доменом). После окончания переговоров хост-адаптер посылает данные на "обговоренной" скорости в буфер устройства, а затем считывает их оттуда, чтобы удостовериться, что передача прошла без ошибок. Если это не так, адаптер повторяет процедуру на меньшей скорости, и так до тех пор, пока не дойдет до скорости, на которой надежно происходит обмен с устройством.

Quick Arbitration and Selection (QAS). Наличие на шине SCSI нескольких устройств (до 8 на "узкой" и до 16 на "широкой") предполагает возможность возникновения между ними конфликтов за использование шины в каждый конкретный момент времени. Для разрешения таких конфликтов предусмотрен механизм арбитража, т. е. выбора одного из двух или нескольких устройств, одновременно подавших "заявки" на пользование шиной, в соответствии с приоритетами участвующих в состязании устройств. Механизм ускоренного арбитража и выбора (QAS) позволяет сократить "накладные расходы", связанные с арбитражем.

Пакетизация. В традиционном варианте интерфейса SCSI различные типы информации, составляющие один запрос на передачу данных (например, команды, данные, сообщения о состоянии и т. п.) пересылаются по отдельности, создавая дополнительную нагрузку на шину. Пакетизация позволяет сгруппировать их в пакеты, или информационные единицы (information units), и пересылать как единое целое.

Главное новшество, появившееся в стандарте SPI-4, — очередное удвоение скорости передачи. Новый режим Fast-160(DT) позволил довести ее (на "широкой" шине) до 320 Мбайт/с. Физическая тактовая частота шины возросла до 80 МГц, для тактирования могут использоваться один или оба фронта тактового сигнала.

Этот последний стандарт вновь удваивает максимальную пропускную способность шины SCSI — до 640 Мбайт/с. Максимальная тактовая частота шины составляет теперь 160 МГц, самый быстрый режим передачи — Fast-320(DT). В SPI-5 два самых скоростных режима (Fast-160 и Fast-320) используют так называемую принудительную передачу (paced transfer). Для этого служит специальный сигнал P1, определяющий достоверность данных на шине во время перехода сигналов REQ или ACK из одного состояния в другое. Для "тонкой подстройки" формирователей и приемников сигналов при работе на предельных частотах принимается ряд специальных мер.

Заметим, что серийных жестких дисков и хост-адаптеров с этим интерфейсом промышленность пока не выпускает.

Характеристики параллельных интерфейсов SCSI

В табл. 2 и 3 сведены основные характеристики различных вариантов параллельных интерфейсов SCSI, а также применяемых для них разъемов и кабелей. На рис. 2 и 3 показаны современный LVD-кабель, применяемый для подключения дисков с интерфейсом Ultra320 SCSI, и все основные виды SCSI-разъемов.

Рис. 2. Современный внутренний LVD-кабель с терминатором.

Рис. 3. Виды разъемов SCSI (сверху вниз: внутренний 2, внутренний 3, внешний 4; обозначения соответствуют номерам "альтернатив" из табл. 3).

Таблица 2. Основные характеристики параллельных интерфейсов SCSI

Режим передачи	Стандарт	Ширина шины, бит	Частота шины, МГц	Пропуск-ная способ-ность, Мбайт/с	Специ-альные возмож-ности	Число контактов в кабеле	Способ передачи сигналов	Макс. число устройств на шине	Макс. длина кабеля, м
Обычный SCSI (SCSI-1)	SCSI-1	8	5	5	50	SE HVD	8 8	6 25
Wide SCSI	SCSI-2	16	5	10	68	SE HVD	16 16	6 25
Fast SCSI	SCSI-2	8	10	10	50	SE HVD	8 8	3 25
Fast Wide SCSI	SCSI-2	16	10	20	68	SE HVD	16 16	3 25
Ultra SCSI	SCSI-3/SPI	8	20	20	50	SE

Таблица 3. Варианты разъемов и кабелей SCSI

Тип кабеля	"Альтернатива" разъема	Тип разъема	Число контактов	Название кабеля
Внешний	1	Высокой плотности	50	Внешний кабель "A" высокой плотности
	2	Centronics	50	Внешний кабель "A" Centronics
	3	Высокой плотности	68	Внешний кабель "P" высокой плотности
	4	VHDCI	68	Внешний кабель "P" сверхвысокой плотности
Внутренний	1	Высокой плотности	50	Внутренний кабель "A" высокой плотности
	2	Обычной плотности	50	Внутренний кабель "A" обычной плотности
	3	Высокой плотности	68	Внутренний кабель "P" высокой плотности
	4	SCA, SCA-2	80	Без кабеля

Хотя подавляющее большинство серверных жестких дисков имеет параллельный интерфейс SCSI (в последних моделях это, как правило, Ultra320 SCSI), у всех изготовителей есть и варианты с интерфейсом Fibre Channel Arbitrated Loop (FC-AL) или пришедшим ему на смену FC-AL-2. Этот последовательный интерфейс первоначально был разработан для передачи данных по оптоволоконному кабелю, но затем адаптирован и для обычного медного кабеля.

Основным назначением Fibre Channel было создание сетей хранения данных (Storage Area Network, SAN) на основе сети коммутаторов (switching fabric), позволяющей организовать виртуальное соединение любого устройства хранения данных с любым другим подобным устройством или потребителем данных. Главное преимущество SAN на основе Fibre Channel заключается в том, что при использовании оптоволокна данные могут передаваться на расстояния до 10 км! Поэтому решения на основе Fibre Channel часто используются для организации катастрофоустойчивых сетей хранения данных, но они чрезвычайно дороги в реализации.

FC-AL представляет собой сравнительно дешевый вариант реализации SAN Fibre Channel, позволяющий обойтись без коммутаторов. Вместо них используется модель кольца с арбитражем, обеспечивающая подключение небольшого числа устройств, характерного для SCSI. Современные хост-адаптеры FC-AL-2 полностью "изолируют" интерфейсный уровень Fibre Channel от системы, в которой установлены. С точки зрения этой системы они выглядят как обычные контроллеры SPI, скажем, Ultra320 SCSI, что позволяет избежать дополнительных затрат на создание драйверов.

Наконец, самый последний "писк" SCSI-моды — последовательный интерфейс Serial Attached SCSI (SAS). Несмотря на крайнюю "молодость" (ему нет еще и трех лет), вышла уже вторая редакция проекта стандарта — SAS 1.1. Стандарт задает требования к физическому соединению SAS, идентичному шине Serial ATA (SATA), и определяет три транспортных протокола: Serial SCSI Protocol (SSP) для передачи SCSI-команд; Serial Management Protocol (SMP) для передачи вспомогательной информации, необходимой для управления интерфейсом; и Serial ATA Tunneled Protocol (STP) для передачи SATA-команд нескольким SATA-устройствам.

Интереснее всего здесь, конечно, последний протокол. Его появление знаменует немыслимое прежде сближение интерфейсов SCSI и ATA. Мало того, что они будут теперь использовать одно и то же физическое соединение, — SAS-контроллер сможет управлять SATA-дисками, причем, в отличие от принятой в SATA модели, когда один канал контроллера работает только с одним устройством, STP позволяет одному порту SAS-контроллера работать с несколькими SATA-устройствами. Таким образом, SATA становится практически частным случаем SAS.

Благодаря идентичности физического интерфейса SAS сможет работать на скорости как первой версии SATA (1,5 Мбит/с), так и SATA II (3 Мбит/с).

Отметим, что серийные контроллеры и диски с интерфейсом Serial Attached SCSI пока не выпускаются.

Тестирование

Мы получили на тестирование девять моделей SCSI-накопителей всех четырех компаний, выпускающих такие диски, — Fujitsu, Hitachi, Maxtor и Seagate. Из них семь имели скорость вращения 10 тыс. об./мин и четыре — 15 тыс. об./мин. Все диски были оснащены параллельным SCSI-интерфейсом, причем только в трех моделях использован Ultra160 SCSI, во всех остальных — Ultra320 SCSI. Все диски имели традиционный форм-фактор — 3,5 дюйм. Не участвовали в тестировании имеющиеся на рынке диски Hitachi семейств Ultrastar 15K73 (15 тыс. об./мин) и Ultrastar DK32EJ/DJ (10 тыс. об./мин). Мы также не стали включать в обзор диски Maxtor Atlas 10K III, поскольку представитель этой серии уже рассматривался в нашем обзоре 2002 г. Характеристики протестированных дисков приведены в табл. 4.

По внешнему виду и конструкции все современные жесткие диски одного форм-фактора очень похожи друг на друга, поэтому в отзывах о каждой модели мы будем говорить только о показанных в тестах производительности результатах, отличительных чертах и заложенных в накопители фирменных технологиях. Полные результаты тестирования можно найти здесь.

Методика тестирования

Для измерения быстродействия дисковых накопителей мы применяли синтетические тесты из пакета HD Tach 2.70: тест на скорость последовательного чтения данных (регистрируется график зависимости скорости чтения данных от их расположения в логическом адресном пространстве носителя, рассчитываются средняя Read Speed Average, максимальная Read Speed Maximum и минимальная Read Speed Minimum скорости чтения), на скорость передачи данных по шине в burst-режиме (Read Burst Speed), на скорость последовательной записи (регистрируется график зависимости скорости записи данных от их расположения в логическом адресном пространстве, рассчитываются средняя Write Speed Average, максимальная Write Speed Maximum и минимальная Write Speed Minimum скорости записи), на скорость случайного доступа к данным (Random Access Time) и на загрузку процессора во время выполнения дисковых операций (CPU Utilization).

Кроме того, мы проверяли быстродействие накопителей при помощи дисковых тестов из пакета PC Magazine WinBench 99 Version 2.0 (High-End Disk WinMark 99, Disk Access Time, Disk Transfer Rate).

Для оценки производительности накопителей при работе в серверных системах с большим количеством одновременно поступающих запросов на ввод-вывод мы использовали тест Iometer-2003.12.16.win32.

Все тесты выполнялись под управлением ОС Microsoft Windows XP Professional Build 2600 с Service Pack 1, файловой системой NTFS и Microsoft DirectX 9.0a в видеорежиме с разрешением 1024×768 и глубиной цвета 32 бит.

Диски со скоростью вращения 15 000 об./мин

Fujitsu MAS3367NP

Выпустив серию жестких дисков MAS3 NC/NP, компания Fujitsu подтвердила свои лидирующие позиции в отрасли. Серия состоит из трех моделей — емкостью 18, 37 и 73 Гбайт. Мы тестировали "среднюю", 37-Гбайт, модель. Она оказалась безоговорочным лидером почти во всех наших тестах, за исключением только теста High-End Disk WinMark, где этот диск немного уступил своему ближайшему "преследователю" — Maxtor 8C036L0. Чуть выше оказалась у него и стоимость 1 Гбайт емкости, но разница невелика — всего 3%. Зато эта модель лидирует по такому важному для энергоемких многодисковых серверных систем и систем памяти параметру, как потребляемая мощность.

Еще одно важное для серверного диска достоинство — хорошая способность "держать" многочисленные одновременные запросы ввода-вывода, выявившаяся по результатам теста Iometer.

Не приходится сомневаться, что Fujitsu MAS3367NP, удостоившийся знака "Выбор редакции BYTE/Россия", — это диск для тех, кто хочет получить от дисковой подсистемы своего сервера или рабочей станции наивысшую производительность.

Hitachi IC35L036UWPR15

Этот 37-Гбайт накопитель принадлежит к тому же семейству Ultrastar 36Z15 (состоящему из моделей всего двух емкостей), 18-Гбайт представителя которого мы тестировали полтора года назад. Неудивительно поэтому, что данной модели трудно было на равных конкурировать с более новыми дисками других изготовителей. Если учесть еще, что IC35L036UWPR15 имеет вдвое меньший, чем у конкурентов, объем кэш-буфера, становится понятным, почему он "вчистую" проиграл им все тесты. Внимательный читатель, вероятно, заметит, что этот диск имеет еще и вдвое более медленный интерфейс Ultra160 SCSI, однако на результатах наших тестов это сказаться не могло — пропускная способность даже этого интерфейса (160 Мбайт/с) в однодисковой системе значительно превосходит внутреннюю скорость передачи данных накопителя.

Это единственный из протестированных накопителей, в технических данных которого указывается, быть может, не столь уж важный для серверных дисков (которые рассчитаны на круглосуточную непрерывную работу), но все же полезный параметр, как гарантированное число циклов включения-выключения — 50 тыс.

Безоговорочным лидером в своем классе этот диск стал только по стоимости 1 Гбайт емкости. Учитывая традиционно высокую надежность разработанных подразделением систем хранения данных IBM дисков Hitachi, которая обеспечивается такими фирменными технологиями, как IBM Drive Fitness Test (диагностика состояния устройства), IBM Drive-TIP (мониторинг рабочей температуры накопителя) и IBM Load/Unload (парковка головок чтения/записи за пределами магнитных пластин), не стоит сбрасывать серию Ultrastar 36Z15 со счетов, если стоимость дисковой подсистемы играет для вас не последнюю роль.

Maxtor 8C036L0

Компания Maxtor называет диски серии Atlas 15K, в которой, кроме 8C036L0, есть еще модели емкостью 18 и 73 Гбайт, "самыми быстрыми жесткими дисками в мире". К сожалению, это утверждение не прошло проверки нашими испытаниями: в подавляющем большинстве тестов 8C036L0 уступил модели Fujitsu MAS3367NP, а в некоторых — и Seagate ST336753LW. Выиграл он только тест PC Magazine High-End Disk WinMark 99, причем и в некоторых из составляющих этот тест приложений диск Fujitsu показывал более высокие результаты.

Диски Atlas 15K оснащены интерфейсом Ultra320 SCSI второго поколения со средствами адаптивной активной фильтрации MaxAdapt, снижающими частоту битовых ошибок, облегчающими установку диска в существующие SCSI-системы и повышающими эффективность работы шины.

По стоимости 1 Гбайт емкости 8C036L0 опережает своих ближайших конкурентов Fujitsu и Seagate, но с минимальным отрывом — примерно 3%.

Seagate ST336753LW

Гепард (именно так переводится название серий SCSI-дисков Seagate) — очень быстрое и выносливое животное. Диски Cheetah уже много лет работают в огромном количестве серверов и рабочих станций, доказав, что по скорости и надежности вполне заслуживают столь гордое имя. Новая серия Cheetah 15K.3, состоящая из моделей 18, 37 и 73 Гбайт, не стала исключением. 37-Гбайт модель ST336753LW, участвовавшая в наших испытаниях, продемонстрировала превосходную производительность, уступив в тестах HD Tach лишь победителю — Fujitsu MAS3367NP. В других тестах диск выступил с переменным успехом, но результаты его были близки к результатам ближайшего соперника — Maxtor 8C036L0.

В серии Cheetah 15K.3 применяется система защиты накопителя 3D Defense System, состоящая из трех компонентов — Drive Defense, Data Defense и Diagnostic Defense. Корпус SeaShell надежно предохраняет диск от ударов. Технология SAMS (Seagate Advanced Multidrive System) повышает производительность диска при одновременной работе нескольких накопителей, а JIT (Just-In-Time) снижает выбросы по питанию, вибрацию и акустические шумы, связанные с быстрыми перемещениями позиционера.

Наконец, нельзя не упомянуть об очень высоком показателе надежности диска — его наработка на отказ составляет 1,2 млн ч.

Диски со скоростью вращения 10 000 об./мин

Fujitsu MAP3735NP

Жесткий диск Fujitsu MAP3735NP принадлежит к серии MAP3 NP, включающей, кроме него, модели емкостью 18, 37 и 147 Гбайт. В отличие от своего "пятнадцатитысячного" собрата из серии MAS3, ставшего победителем почти всех наших тестов, эта модель показала лучшие результаты только в тестах скорости последовательного чтения HD Tach и в некоторых приложениях теста PC Magazine Disk WinMark. Однако у этого диска есть немаловажное преимущество — самая низкая среди протестированных "десятитысячников" стоимость 1 Гбайт емкости.

Еще одно достоинство этой модели — низкая рабочая температура и минимальная потребляемая мощность, причем по последнему параметру она опережает многих конкурентов почти в два раза. Благодаря тому, что диск почти не нагревается во время работы, его можно успешно использовать в компьютерах и дисковых массивах без мощного охлаждения и с ограниченным свободным пространством.

Hitachi IC35L073UWDY10, IC35L146UWDY10

Мы протестировали две модели из семейства Hitachi Ultrastar 146Z10 — емкостью 73 и 147 Гбайт (кроме того, в нем есть модели 18 и 37 Гбайт). В этих накопителях используется несколько оригинальных технологий IBM, в том числе технологии низкоуровневого форматирования жестких дисков No-ID Sector Format, мониторинга температуры и защиты накопителя от перегрева Drive-TIP, диагностики состояния Drive Fitness Test и парковки головок чтения/записи Load/Unload.

По результатам тестов эти диски были на среднем уровне, ненамного отставая от лидеров. По стоимости 1 Гбайт емкости и потребляемой мощности, а следовательно, и тепловыделению, 73,4-Гбайт модель IC35L073UWDY10 составила серьезную конкуренцию лидирующему по этим характеристикам диску Fujitsu MAP3735NP. Самая же емкая модель серии, IC35L146UWDY10, при практически одинаковой с аналогичной моделью Seagate стоимости 1 Гбайт опережает ее по потребляемой мощности — правда, всего на 6%.

Maxtor 8B073L0

Этот накопитель принадлежит к серии Atlas 10K IV, содержащей также модели емкостью 37 и 147 Гбайт. Утверждение компании-изготовителя, что это "самый быстрый в мире диск на 10 тыс. об./мин", оказалось намного ближе к действительности, чем в отношении "пятнадцатитысячной" модели Maxtor 8C036L0. Этот жесткий диск показал лучшие результаты почти во всех тестах, уступив Seagate ST3146807LW только в тестах скорости чтения и записи HD Tach.

Диски Atlas 10K IV оснащены интерфейсом Ultra320 SCSI второго поколения со средствами адаптивной активной фильтрации MaxAdapt, снижающими частоту битовых ошибок, облегчающими установку диска в существующие SCSI-системы и повышающими эффективность работы шины. Лучший результат этого диска в тесте пакетного чтения, отражающем скорость работы интерфейсной части накопителя, отчасти подтверждает превосходство нового интерфейса Maxtor.

По стоимости 1 Гбайт емкости 8B073L0 отстает от 73-Гбайт конкурентов — моделей Fujitsu и Hitachi.

Seagate ST3146807LW

Этот накопитель — старшая модель серии Cheetah 10K.6, в которую входят также жесткие диски емкостью 37 и 73 Гбайт. По производительности он стал одним из лидеров наших испытаний, о чем свидетельствуют лучшие результаты в тестах последовательного чтения и записи HD Tach и вторые-третьи результаты в остальных тестах. Особо следует остановиться на результатах, показанных этим диском в тесте Iometer. Оставаясь "в тени" при малом количестве одновременно поступающих запросов на ввод-вывод, он заметно вырывается вперед при увеличении числа запросов, а значит, можно предположить, что, работая в нагруженном сервере с большим количеством одновременно поступающих запросов, этот накопитель покажет более высокую производительность, чем конкуренты. Учитывая все сказанное выше, мы решили отметить именно этот диск знаком отличия "Выбор редакции BYTE/Россия".

В серии Cheetah 10K.6 применяется система защиты накопителя 3D Defense System, состоящая из трех компонентов — Drive Defense, Data Defense и Diagnostic Defense. Корпус SeaShell надежно предохраняет диск от ударов. Технология SAMS (Seagate Advanced Multidrive System) повышает производительность диска при одновременной работе нескольких накопителей, а JIT (Just-In-Time) снижает выбросы по питанию, вибрацию и акустические шумы, связанные с быстрыми перемещениями позиционера. Наработка на отказ у этого накопителя, как и у "пятнадцатитысячного" собрата, составляет 1,2 млн ч.

Благодарности

Авторы статьи выражают особую признательность компании "Пирит" (тел. (095) 785-5554, 974-3210, http://www.pirit.ru), за оборудование, предоставленное для проведения тестирования.

Жесткие диски для подготовки обзора были предоставлены компаниями Asbis (http://www.asbis.ru), East Side Consulting, Millenium Distribution (http://www.mdgroup.ru), "Пирит" (http://www.pirit.ru), "Сетевая Лаборатория" (http://www.netlab.ru).

Другие статьи из раздела

• Момент истины
• Шипы и розы Santa Rosa
• Многофункциональный минимализм
• Новогоднее чудо: ASUS Eee PC
• Лазерные краски осени

Chloride
Демонстрация Chloride Trinergy
Впервые в России компания Chloride Rus провела демонстрацию системы бесперебойного электропитания Chloride Trinergy®, а также ИБП Chloride 80-NET™, NXC и NX для своих партнеров и заказчиков.

NEC Нева Коммуникационные Системы
Завершена реорганизация двух дочерних предприятий NEC Corporation в России
С 1 декабря 2010 года Генеральным директором ЗАО «NEC Нева Коммуникационные Системы» назначен Раймонд Армес, занимавший ранее пост Президента Shyam …

компания «Гротек»
С 17 по 19 ноября 2010 в Москве, в КВЦ «Сокольники», состоялась VII Международная выставка InfoSecurity Russia. StorageExpo. Documation’2010.
Новейшие решения защиты информации, хранения данных и документооборота и защиты персональных данных представили 104 организации. 4 019 руководителей …

МФУ Panasonic DP-MB545RU с возможностью печати в формате А3
Хотите повысить эффективность работы в офисе? Вам поможет новое МФУ #Panasonic DP-MB545RU. Устройство осуществляет

Adaptec by PMC
RAID-контроллеры Adaptec Series 5Z с безбатарейной защитой кэша
Опытные сетевые администраторы знают, что задействование в работе кэш-памяти RAID-контроллера дает серьезные преимущества в производительности …

Chloride
Трехфазный ИБП Chloride от 200 до 1200 кВт: Trinergy
Trinergy — новое решение на рынке ИБП, впервые с динамическим режимом работы, масштабируемостью до 9.6 МВт и КПД до 99%. Уникальное сочетание …

Накопители SSD для сервера

Не секрет, что дни накопителей на жестких магнитных дисках (HDD) сочтены, хотя нельзя сказать, что переход на твердотельные накопители SSD произойдет очень быстро. Здесь ситуация примерно такая же, как с электромобилями – всем они нравятся, у них много преимуществ, но всем также известны и их недостатки и ограничения. Поэтому переход на электромобиль – процесс длительный, как и переход с HDD на SSD.

Сравнение SSD и HDD имеет много общих черт со сравнением электромобиля и автомобиля на топливе. Как и автомобиль на топливе, так и HDD, — это вершина инженерного искусства по части точной механики. Напротив, как электромобили, так и SSD, довольно просты по внутреннему устройству, если говорить о механике.

Выгоды от использования накопителей SSD в серверах общеизвестны, однако напомним их еще раз.

Преимущества SSD

• Высокая скорость записи-чтения, которая у SSD в несколько раз быстрее, чем у HDD, даже самых быстрых, со скоростью вращения 20 тыс. оборотов в минуту. Это очень полезно при записи и чтении больших массивов данных.
• Число одиночных операций записи-чтения в секунду у SSD гораздо больше за счет возможности выполнения нескольких операций одновременно. В HDD такое невозможно, поскольку для каждой операции нужно перемещать головку записи-считывания.
• Полное отсутствие шума от накопителя SSD за счет отсутствия движущихся частей. Поэтому сервер с SSD шумит меньше и единственным источником шума в нем остается вентилятор процессора.
• Стойкость к механическим воздействиям. Например, диск SSD не боится падений на жесткий пол, что для HDD является фатальным событием.
• Низкое энергопотребление, поскольку в SSD не тратится энергия на вращение шпинделя HDD.
• Независимость скорости чтения от фрагментации файла. Если файл на HDD сильно дефрагментирован, это заметно влияет на скорость считывания. В SSD такое не наблюдается.
• Меньшие габариты и вес. Часто можно увидеть, что установочные размеры дисков, как SSD, так и HDD, — одинаковы, однако это объясняется исключительно стандартизацией размеров слотов в серверах. SSD могут быть конструктивно выполнены в корпусах гораздо меньших размеров, чем HDD.

Сравнение размеров HDD и SSD

Несмотря на такие заметные преимущества, у SSD есть и недостатки.

Недостатки SSD

Основных недостатков SSD всего два, но они часто являются аргументами в пользу выбора HDD.

• Низкое число циклов перезаписи по сравнению с HDD.
• Высокая стоимость.

Хотя эти недостатки довольно существенны, очевидно, что решение этих проблем – лишь вопрос времени.

Использование SSD в серверах

Наиболее предпочтительные области для SSD в серверах следующие:

• Базы данных, с которыми работает большое количество пользователей, например сервер 1C, сервер SQL, CRM, ERP.
• Хранение и работа с наиболее востребованными данными.
• Приложения, где требуется высокое быстродействие, низкая задержка передачи данных, например приложения AR/VR, промышленные системы автоматизации и роботизации и т.п.
• Приложения, работающие на границе сети (Edge Computing), например виртуальные BBU для базовых станций мобильной сети (vRAN).
• Вычисления в памяти (In-memory Computing).
• Обработка очень больших объемов потоковых данных в режиме реального времени.
• Приложения онлайн-трейдинга, где очень важно время реакции на изменения в биржевой ситуации.

Можно назвать и другие области, где применение SSD в серверах гораздо предпочтительное, нежели HDD.

Память класса хранения SCM (Storage Class Memory)

В компьютерной терминологии понятие «память» (memory) относится к оперативной памяти, с быстрым обменом данными с процессором компьютера, данные в которой сохраняются только при наличии электропитания. При выключении компьютера данные в оперативной памяти стираются.

Напротив, понятие «хранение», т. е. система хранения данных, СХД (storage), означает устройство для долговременного хранения данных, где информация сохраняется при выключенном питании. Именно к этому классу устройств относятся как HDD, так и SSD.

SCM (Storage Class Memory) – это нечто среднее между памятью и СХД. Это разновидность SSD, выполненная по технологии NVMe (Non-Volatile Memory express). Сервер может рассматривать эту память как оперативную динамическую память (DRAM). Доступ к данным в памяти SCM происходит гораздо быстрее, чем даже к обычному накопителю SSD, не говоря уже об HDD.

Обычная архитектура процессора, памяти и СХД и архитектура с памятью класса хранения SCM (Storage Class Memory)

Существует несколько технологий SCM, как с требованием наличия постоянного питания, так и без него. Скорость доступа к данным в некоторых типах SCM приближается к оперативной памяти DRAM.

Сравнение задержки считывания в разных типах памяти и СХД, цены на единицу емкости

Параметры TBW и DWPD

Это важные параметры, характеризующие надежность и долговечность диска SSD:

• TBW (Total Bytes Written): допустимое количество терабайт, которое можно записать на накопитель, стирая и записывая информацию заново. Чем TBW выше, тем более живуч накопитель SSD и тем дольше он сможет проработать без сбоев.
• DWPD (Drive Writes Per Day): допустимое количество перезаписей полного объема SSD в сутки. Чем выше этот показатель, тем лучше отказоустойчивость твердотельного накопителя. Чем выше требования к интенсивности обмена данными с накопителем при работе сервера, тем выше должен быть данный показатель. DWPD можно вычислить так:

DWPD = TBW / СTB * 365 * 5, где:

• СTB – объем накопителя в терабайтах;
• 365 – количество дней в году;
• 5 – количество лет гарантии.

Показатель DWPD более объективен, потому что при расчете учитывается время гарантии. Для памяти SCM (NVMe SSD) число циклов перезаписи много выше, чем для обычного SSD SATA.

Клиентские и серверные SSD

При использовании в серверах, различают клиентские (потребительские) и серверные SSD. Грубо говоря, клиентский SSD – это обычная флешка, установленная в компьютер. Сложно найти пользователя, который был бы озабочен числом циклов перезаписи, который выдерживает его SSD-диск в компьютере. Никакой пользователь не израсходует допустимое число циклов перезаписи обычного потребительского SSD, не только за все время работы на данном компьютере, но и за всю свою оставшуюся жизнь.

Напротив, в серверных SSD в дата-центрах, в особенности, для использования SSD в физическом сервере, на котором работают виртуальные серверы, количество циклов полной перезаписи диска SSD может приближаться к показателю DWPD. А это уже чревато ранним выходом накопителя SSD из строя.

Поэтому клиентские SSD не рекомендуется использовать в серверах (в особенности в дата-центрах). Серверные SSD, предназначенные для дата-центров, можно использовать и в качестве клиентских, но это нецелесообразно экономически.

Есть желающие использовать клиентские (потребительские) SSD в серверах, поскольку, как они считают, что если производительность SSD высокая, то и в сервере они будут работать так же хорошо, как и в обычном клиентском компьютере. Поначалу будут, но долго не проработают.

Клиентский компьютер и сервер – вещи разные.

Клиентский SSD предполагает обслуживание одного пользователя, даже если одновременно запущены несколько приложений. Нагрузка на SSD в клиентском компьютере – периодическая и большую часть времени диск будет простаивать. Если на запрос пользователя ответ от SDD придет с небольшой задержкой, то это либо просто незаметно, либо не критично.

Серверы и СХД предназначены для одновременного обслуживания множества пользователей, поэтому даже небольшая задержка ответа на запрос от серверного SSD сделает работу с сервером затрудненной, а если пользователей – сотни, то даже неприемлемой. Поэтому для серверных SSD задаются параметры, рассчитанные на одновременное обслуживание большого количества пользователей.

Не вдаваясь в технические подробности, скажем, что в серверных SSD доступ к ячейкам памяти может производиться через 8–16 каналов, каждый из которых может иметь от 16 до 64 подканалов. В клиентских SSD имеются лишь 2–4 канала с 4–8 подканалами.

Малое количество каналов и подканалов у клиентских SSD до некоторой степени компенсируется кэшированием. Однако после наполнения небольшого по объему кэша происходит деградация производительности клиентского SSD, после чего она определяется количеством каналов, которое у клиентских дисков небольшое.

Именно поэтому производительность клиентских SSD в многопользовательской среде сильно падает. А цены серверных SSD гораздо выше, чем клиентских.

Например, потребительский накопитель Micron M500DC емкостью 800 ГБ имеет показатель TBW 2500 ТБ. Это означает, что такой накопитель позволяет перезаписать свой полный объем в 800 ГБ примерно три тысячи раз. Для накопителей потребительского класса это вполне нормально. Редко какой пользователь выберет этот объем перезаписи за весь срок службы компьютера. А вот в корпоративном сервере CRM, к которому обращается множество пользователей, объем перезаписи в 2500 ТБ будет выбран за несколько дней, а возможно и часов.

Что произойдет дальше? Дальше потребительский SSD, на который взвалили такую огромную нагрузку, перейдет в режим чтения Read Only. То есть записать в него информацию станет невозможно.

Технологии SSD для серверов

Если кому-то интересно разобраться в технологиях SSD (а их есть много разных), применяемых в серверах, можно прочитать этот раздел. Если неинтересно, можно пропустить.

SLC, MLC, TLC, QLC

Первые SSD создавались на основе транзисторных накопителей, в которых одна ячейка хранит один бит, закодированный при помощи двух уровней заряда – заряжено или разряжено. Такая технология была названа SLC (Single level cell) — одноуровневая ячейка.

Такая технология предполагала, что чип памяти SSD – планарный, одноуровневый, как и большинство чипов для других микросхем. SLC позволяет производить на каждой ячейке до 100 тысяч операций записи-стирания.

Технологии SSD (изображение: Micron)

Затем, по мере уплотнения емкости в чипах SSD, появилась технология с многоуровневыми ячейками MLC (Multi Level Cell). Хотя уровней в ней было всего два, а не «много». Соответственно, в такой ячейке можно разместить два бита. Распознаваемых уровней заряда в MLC – четыре (00, 01, 10, 11). То есть MLC дала возможность вдвое повысить емкость. Однако число циклов перезаписи в такой структуре сократилось на порядок – со 100 до 10 тыс. циклов. Но и удельная стоимость на гигабайт в MLC также значительно уменьшилась.

Следующим шагом была технология TLC (Triple Level Cell), где в ячейке можно различать 8 уровней заряда или 3 бита (тремя битами можно закодировать цифры от 0 до 7, т. е. восемь цифр). Это дало возможность увеличить рост емкости чипа на 50 %. Однако и допустимое число циклов перезаписи сократилось до трех тысяч.

Затем была изобретена технология 3D NAND, т. е. планарную, двумерную структуру 2D NAND SSD решили сделать трехмерной.

Сравнение 2D NAND и 3D NAND (изображение: NVMdurance.com)

Это позволило перейти к следующему этапу – технологии QLC, которая позволяет размещать в ячейке до 4 битов, то есть распознавать 16 уровней заряда. Это дало возможность повысить емкость чипа еще на 33 %, однако число циклов перезаписи сократилось до одной тысячи, что для серверных SSD корпоративного класса совершенно неприемлемо. Средний сервер организации съест ресурс циклов перезаписи ячеек очень быстро, после этого память нужно будет менять.

Причем по технологии 3D NAND можно изготавливать как чипы TLC, так и QLC.

Усложнение внутренней структуры QLC, по сравнению с TLC, привело к росту количества ошибок чтения данных. Поэтому стали использовать алгоритмы кодов коррекции ошибок ECC (Error correction code). С их помощью контроллер SSD, который имеется в каждой микросхеме SSD, может исправить почти все ошибки чтения. Разработка эффективных алгоритмов коррекции — одна из сложнейших задач при создании чипов QLC SSD, поскольку требуется не только обеспечить высокую эффективность коррекции, но и как можно меньше обращаться к ячейкам памяти, чтобы сэкономить ресурс TBW.

Форм-факторы SSD: SATA, M.2, NVMe и PCI-E

Практически у всех материнских плат компьютеров есть физический интерфейс для накопителя SATA. (см. рисунок ниже). Но не на всех имеется разъем под компактный SSD-накопитель M.2, который сейчас стал появляться даже у ноутбуков.

Форм-факторы SATA, mSATA и M.2

В чем различия M.2 SATA и M.2 NVMe

M.2 — это форм-фактор. Накопители M.2 могут быть в версиях SATA и NVMe. Энергонезависимая память (Non-Volatile Memory) NVMe (NVM Express) — это открытый стандарт, который позволяет модулям SSD работать с максимальной скоростью чтения-записи, на которую способен их чип NAND.

Это дает SSD работать непосредственно через интерфейс PCIe, а не через SATA, который начинает устаревать. То есть NVMe — это описание шины подключения, а не новый тип флэш-памяти. Он также не связан с форм-фактором, поэтому накопители NVMe могут иметь форм-факторы M.2 или PCIe.

Жесткий диск HDD с интерфейсом SATA и скоростью 7200 об/мин обеспечивает скорость около 100 МБ/с в зависимости от возраста, состояния и степени фрагментации. SSD с интерфейсом SATA III обеспечивает максимальную пропускную способностью 600 МБ/с, SATA II — 300 МБ/с.

SSD NVMe обеспечивает скорость записи до 3500 МБ/с, то есть почти в 6 раз больше, чем у SATA III.

3D XPoint

Отдельного рассказа заслуживают накопители Intel Optane. Технология SSD 3D XPoint была анонсирована корпорациями Intel и Micron в июле 2015 года. Устройства компании Intel, использующие данную технологию, выпускаются под торговой маркой Optane, а устройства Micron будут использовать марку QuantX.

Накопитель Intel Optane с технологией 3D XPoint

Технология 3D XPoint может обеспечить практически неограниченный ресурс циклов перезаписи, по крайней мере, очень высокое значение этого показателя. Это достигается за счет особой технологии: изменения фазового состояния вещества, когда материал ячейки памяти при нагреве током меняет свое состояние из аморфного (высокое сопротивление) в кристаллическое (низкое сопротивление) и обратно. Это совершенно новый принцип, не связанный с хранением заряда в ячейке, как у предыдущих поколений SSD NAND.

Чипы 3D XPoint емкостью 16 Гбайт обеспечивают плотность памяти в 0,62 Гбит/мм 2 . Для сравнения, плотность памяти в микросхемах 3D NAND TLC достигает 2,5 Гбит/мм 2 . По емкости эта память проигрывает 3D NAND для SSD.

Однако преимуществами 3D XPoint являются неограниченность ресурса циклов записи-перезаписи и скорость доступа почти как у DRAM. При использовании в режиме SCM (рис. 2), память 3D XPoint выигрывает по плотности памяти у DRAM: в 4,5 раза по сравнению с 20-нм DRAM Micron и в 3,5 раза по сравнению с 18-нм DRAM Samsung.

Очевидно, что использование 3D XPoint в виде модулей памяти SCM весьма перспективно для подсистем памяти серверов.

Преимущества 3D XPoint можно увидеть в такой инфографике:

Преимущества SSD 3D XPoint (источник: gagadget.com)

Заключение

Выбор подходящего SSD для определенного сервера в определенном развертывании может быть сложной задачей, поскольку существует множество моделей SSD корпоративного класса, с разными показателями производительности, форм-факторами, ресурсами и емкостью. С другой стороны, есть много разных серверов для разных приложений. Поэтому задача выбора серверного SSD является очень многофакторной.

При оценке пригодности серверных SSD для конкретного использования сервера не следует ограничиваться только значениями IOPS или пропускной способности. Необходимо учесть также показатель качества обслуживания конечных пользователей, чтобы гарантировать выполнение соглашений SLA для приложений, производительность для реальных рабочих нагрузок, а также вид форм-фактора, обеспечивающего «горячую» замену в отказоустойчивых архитектурах.

Поэтому при выборе SSD для сервера желательно воспользоваться консультациями предметных специалистов, хорошо разбирающихся в технологиях памяти и СХД, а также в приложениях серверов.

Источник https://dmitrysnotes.ru/domashnij-server-chast-3-zhestkie-diski

Источник https://www.bytemag.ru/articles/detail.php?ID=8844

Источник https://itelon.ru/blog/nakopiteli-ssd-dlya-servera/