Забег на скорости 15 000 об/мин

Рольф Ричардсон,
"Экспресс-Электроника",№11/2003

Когда Алан Шугарт (Alan Shugart), основатель компании Seagate Technology, создавал концепцию SASI (Shugart Associates Systems Interface), он мыслил индустриальными масштабами. Для того чтобы воплотить свою идею в жизнь, Шугарт подал заявку в ANSI, и уже в 1986 году появился официальный стандарт, известный в миру как SCSI (Small Computer System Interface). Число его разновидностей начало расти столь стремительно, что сегодня существует более десятка спецификаций, совместимых между собой по схеме "сверху вниз".

Главные черты интерфейса - интеллектуальность базовой логики и передовые скоростные возможности - вряд ли когда-нибудь позволят сойти концепции SCSI с арены. Сегодня позиции SCSI непоколебимы в серверном сегменте, где необходима поддержка таких функций, как горячая замена и возможность подключения большого числа устройств, в том числе удаленных от контроллера. Но даже в серверном сегменте устройства с интерфейсом SCSI станут выбором для решений среднего и, в большей степени, верхнего ценового диапазона. Важнейшей характеристикой для серверного оборудования является высокий показатель времени наработки на отказ (Mean Time Between Failure - MTBF) и малое количество циклов запуск/остановка. Так, если для IDE-винчестеров значение порядка 500 тыс. часов как время наработки на отказ, или 50 000 циклов запуск/остановка, со сроком гарантийного обслуживания не более одного года, являются отличными показателями, то для SCSI-накопителей 1-2 млн часов наработки на отказ со сроком гарантии до пяти лет не предел.

Тестирование или обзор?

Этот вопрос возникает каждый раз, когда мы беремся за исследование того или иного типа серверного оборудования. И жесткие диски с интерфейсом SCSI - не исключение. Мы уже неоднократно писали, что методики тестирования, адекватной реалиям функционирования серверного оборудования, позволяющей при этом точно оценить возможности столь сложных решений, не существует. Кроме того, нет такого тестового программного обеспечения, которое может имитировать всю полноту и разнородность нагрузок типичного сервера. Исходя из этого, мы решили делать обзор, нежели полномасштабное тестирование. Цель этого материала - выявление общего уровня быстродействия, а также определение величины прироста производительности накопителей при переходе на скорость 15 000 об/мин.

Seagate

В обзоре приняли участие два диска компании Seagate - Cheetah 15K.3 и Cheetah 10K.6. Стоит отметить, что мы уже тестировали оба накопителя, поэтому приведенные ниже результаты взяты из архива, равно как и результаты других участников обзора.

Серия дисков Cheetah 15K.3 является третьим поколением накопителей компании Seagate с частотой вращения шпинделя 15 000 об/мин. Cheetah 15K.3 имеет традиционную четырехпластинную конструкцию, плотность записи составляет 18 Гбайт на пластину. Емкость накопителей линейки Seagate Cheetah 15K.3: 18, 36 и 73 Гбайт. В нашем распоряжении был накопитель с объемом 36 Гбайт, следовательно, в нем используется четыре головки и две пластины. Согласно паспорту это устройство поддерживает интерфейсы Ultra160/320 SCSI, также существуют модели с поддержкой Fibre Channel, что позволяет позиционировать данный накопитель как компонент хранилищ данных. Объем кэш-буфера составляет 8 Мбайт, заявленное среднее время чтения 3,6 мс, а время поиска заданной дорожки - 0,2 мс.

Как не сложно догадаться по названию, Cheetah 10K.6 - представитель шестого поколения устройств с частотой вращения шпинделя 10 000 об/мин, производства компании Seagate. В данной линейке имеются устройства с емкостью 36,7; 73,4 (в нашем случае), а также 146,8 Гбайт. Протестированное нами устройство имело четыре головки и две пластины. Следовательно, плотность его записи - 36 Гбайт/пластина. Накопитель Cheetah 10K.6 имеет кэш-буфер объемом 8 Мбайт, поддерживает интерфейсы Ultra320 SCSI либо Fibre Channel. Среднее время чтения составляет 4,7 мс.

IBM

Как известно, компания IBM передала свой бизнес по производству систем хранения компании Hitachi. Таким образом, в модельном ряду Hitachi Data Systems появились SCSI-диски с 10 и 15 тыс. об/мин. Что касается последних, наиболее современного поколения этих устройств нам найти, к сожалению, не удалось. Поэтому ограничимся перечислением их технических характеристик.

Устройства линейки Ultrastar 15K73 имеют емкость 36 или 74 Гбайт, комплектуются 68/80-пиновым разъемом, либо коннектором для подключения интерфейсного кабеля Fibre Channel. Самый емкий накопитель линейки с 74 Гбайт дисковой памяти имеет десять головок чтения/записи и пять дисков, в этом устройстве применена нестандартная технология записи с плотностью 12 Гбайт/пластина. Среднее время чтения/записи для дисков этой серии составляет 3,9/4,2 мс, а время поиска нужной дорожки - 0,4/0,5 (запись) мс.

Среди дисков с 10 000 об/мин, наиболее популярной линейкой является Ultrastar хххZ10: в модельном ряду имеются устройства емкостью 18,3/36,7/73,4/146,8 Гбайт. К нам попало устройство емкостью 146 Гбайт. Плотность записи в этой модели составляет нестандартные 24,5 Гбайт/пластина. Устройство поддерживает работу с интерфейсами Fibre Channel, а также новейшей версией стандарта SCSI - Ultra 320. Паспортное среднее время чтения для этой модели составляет 4,7 мс. Наконец в этой линейке Hitachi Data Systems начала использоваться кэш-буфер объемом 8 Мбайт. Интересно, что верхняя металлическая крышка накопителя Ultrastar 146Z10 не гладкая, как во всех предыдущих моделях IBM. Видимо, таким образом инженеры решили увеличить площадь теплоотвода устройства.

Fujitsu

В обзоре представлены устройства производства компании Fujitsu со скоростью вращения 10025 об/мин и 15 000 об/мин. Напомним, что около двух лет назад компания Fujitsu полностью ориентировалась на рынок высокопроизводительных SCSI-устройств и сегодня выпускает лишь высокоскоростные (в том числе и по показателю скорости вращения шпинделя) модели SCSI-накопителей, а также ATA-устройства в форм-факторе 2,5 дюйма.

Наиболее производительная серия SCSI-накопителей Fujitsu имеет маркировку, начинающуюся с индекса MAS. По сравнению с предыдущим поколением, в устройствах этой линейки имеются два наиболее значимых нововведения: во-первых, используются пластины емкостью 18 Гбайт, во-вторых, реализована поддержка протокола Ultra320 SCSI. Диски с индексом MAM были основаны на пластинах 9 Гбайт и поддерживали только U160 SCSI. Объем кэш-буфера у дисков с индексом MAS составляет 8 Мбайт. В отношении выпуска устройств с частотой вращения 15 000 об/мин с поддержкой Fibre Channe политика компании осталась неизменной: Fujitsu не выпускает устройств с таким интерфейсом - только стандартные SCA-2 (последние буквы в маркировке - NC) и 68-pin Wide (в маркировке - NP) SCSI.

Что касается диска, побывавшего у нас, модель Fujitsu MAS3735NР имеет емкость 73,5 Гбайт (в линейке также присутствуют устройства объемом 18 и 36 Гбайт). Накопитель Fujitsu MAS3735NР построен на четырехпластинном дизайне и имеет восемь головок. При этом среднее время чтения составляет по заявлениям производителя 3,3 мс, а записи - 3,8 мс. Устройства с частотой вращения шпинделя 10 000 об/мин, как и предыдущая линейка, легко узнаваемы по наличию боковых вертикальных ребер теплоотвода, дополнительной функцией которых является увеличение прочности конструкции. Устройство способно функционировать с контроллерами стандарта Ultra320. Кроме того, они обладают самым высоким показателем удельной плотности записи - 36 Гбайт/пластина. Жесткие диски Fujitsu серии MAP имеют кэш-буфер объемом 8 Мбайт и весьма низкую заявленную величину средней скорости чтения - 4,5 мс. Побывавшее в нашей редакции устройство имеет емкость 73 Гбайт.

Maxtor

Устройство четвертого поколения с частотой вращения шпинделя 10 000 об/мин производства компании Maxtor, наконец, доехало до нашей редакции! Новые винчестеры Maxtor Atlas 10K IV обладают средним временем позиционирования 4,4 мс. Они выпускаются в вариантах емкостью 36, 73 и 146 Гбайт, с кэш-буфером объемом 8 Мбайт. Новые винчестеры выпускаются с интерфейсом Ultra320 SCSI и поддержкой собственной технологии преодоления паразитных емкостей проводников шлейфа (Adaptive Active Compensation).

Если обратиться к более производительным устройствам с частотой вращения 15 000 об/мин, то представитель этой линейки также побывал в наших руках. Диски серии Maxtor Atlas 15K выпускаются в версиях емкостью 18, 36 и 73 Гбайт, с объемом кеш-буфера 8 Мбайт, среднее время позиционирования у этих моделей составляет 3,4 мс. Устройство, попавшее к нам, создано по однодисковой топологии, имеет объем 18 Гбайт и 2 головки чтения/записи. Среднее время чтения составляет 3,2 мс.

Western Digital

Модель WD360GD Raptor интересна тем, что является попыткой компании Western Digital вернуться на рынок высокоуровневых накопителей. Она позиционируется как высокоскоростной винчестер для рабочих станций, обладающий аналогичными показателями надежности и быстродействия при меньшей стоимости, а также с частотой вращения шпинделя 10 000 об/мин с использованием АТА-интерфейса.

Само же устройство выглядит как стандартный SCSI-накопитель. Впрочем, его принадлежность к классу АТА-устройств выдает стандартный четырехконтактный разъем питания, а также группы сигнальных и питающих штекеров Serial ATA. Характеристики накопителя таковы: скорость вращения шпинделя - 10000 об/мин, емкость - 36 Гбайт (используется одна пластина и две головки), емкость кеш-буфера - 8 Мбайт. Параметр MTBF для данного накопителя соответствует лучшим представителям SCSI-устройств и составляет 1 200 000 часов. Заявленное среднее время чтения/записи также весьма мало и составляет 5,2 мс, тогда как, например, у Seagate Barracuda SATA V оно равно 9,4 мс. Впрочем, преемственность интерфейса SCSI в этом устройстве имеет и отрицательную сторону: так, количество циклов старт/стоп снижено до 20 000, против 50 000 для стандартных настольных решений. Снижение этого показателя никоим образом не скажется на привлекательности накопителя WD360GD Raptor для рынка серверных систем, но вряд ли понравится пользователю обычного ПК.

Тестовая система

• материнская плата - EPoX EP-3PTA;
• процессор - Intel Pentium III 1,2 ГГц;
• память - 320 Мбайт SDRAM NCP PC133;
• Ultra320 SCSI-адаптер Adaptec 39320D-R;
• Serial ATA-контроллер SiliconImage SiI CP3112SATA150 на чипе SiI 3112 (BIOS 4.1.50; Drivers 1.0.0.41) с поддержкой RAID;
• жесткий диск с операционной системой и тестовыми программами - WD400BB;
• операционная система - Windows XP Professional SP1;
• для тестов, требующих наличия файловой системы, производилось форматирование в NTFS5 под Windows XP.

Методика тестирования

В качестве SCSI-контроллера использовался один из самых распространенных Ultra320 SCSI-адаптеров Adaptec 39320D-R, способный работать в том числе и на настольной версии шины PCI (для адаптера был загружен драйвер версии 1.1). Понятно, что в режиме стандартной шины PCI скоростные (пиковые) преимущества спецификации Ultra320 SCSI реализованы не будут, однако ограничения, накладываемые шириной канала стандартной шины PCI из-за того, что контроллер может обслуживать только один накопитель, также не проявятся. Это позволило нам, с одной стороны, обойтись без использования "тяжелых" серверных плат, а с другой - не менять тестовую платформу.

Напомним, теоретическая пропускная способность 32-битной шины PCI с частотой 33 МГц составляет 133 Мбайт/с, и для того чтобы загрузить ее полностью, жесткий диск должен показать аналогичную пиковую производительность, а это на данном этапе развития магнитных систем хранения информации невозможно. Следовательно, пропускная способность интерфейса Ultra320 SCSI (320 Мбайт/с) в случае использования одного диска будет избыточной.

И еще одно замечание о тестовой методике. На этот раз мы отказались от проведения измерений при помощи пакета HDTach 2.61. Мы уже неоднократно писали, что рост процессорной мощи, равно как и увеличение кэш-буфера жестких дисков не всегда адекватно воспринимаются тестом HDTach. Вот и теперь некоторые весьма скоростные участники тестирования продемонстрировали, по данным HDTach, то удручающую, то, наоборот, сверхвысокую производительность. В результате мы исключили его из тестовой программы.

Тестирование и комментарии к его результатам

Наше тестирование можно разделить на две части. В первой мы исследовали производительность решений в реальных приложениях настольной ориентации. Для этого использовался тестовый пакет Winbench 99, подтест High-End Disk WinMark 99, который дает возможность оценить производительность в так называемых тяжелых приложениях, активно использующих дисковую подсистему. Как видно, безоговорочным лидером данного тестирования стал Seagate Cheetah 15K.3 с частотой вращения 15 000 об/мин. Что касается прочих "пятнадцатитысячников" - Maxtor Atlas 15K и Fujitsu MAS3735NР, разница между этими накопителями незначительна. Впрочем, интересно другое - превосходство группы дисков с частотой вращения шпинделя 15 000 об/мин над "десятитысячниками" составляет достаточно ощутимую величину, которую даже на глазок легко заметить в приложениях, интенсивно использующих дисковую подсистему. Тот же вывод не трудно сделать о системах на базе дополняющих RAID-массивов, где использование более "оборотистых" накопителей может вылиться в достаточно сильное превосходство.

Из интересных наблюдений следует отметить, что лидерство, как в классе накопителей с частотой вращения шпинделя 15 000 об/мин, так и в классе "десятитысячников" возглавляют продукты компании Seagate. И хотя это превосходство невелико, отметить его все же стоит, хотя бы потому, что в стане настольных систем продукты Seagate последнее время демонстрируют не лучшие результаты. В стане "десятитысячников" отметим неплохой результат диска Maxtor Atlas 10K IV. Как видно, его результат ближе всех подобрался к лидеру данного испытания - Seagate Cheetah 10K.6. Впрочем, данный результат можно назвать прогнозируемым, ведь Maxtor Atlas 10K IV - наиболее новое устройство на рынке.

Отметим результат диска WD360GD, который еще раз подтверждает - не все решается грубой силой. Напомним, одна из функций типичных SCSI-контроллеров, не характерная для их IDE-собратьев, - буферизация команд (Command Queuing) с возможным изменением порядка их исполнения, а также оптимизация хода головок накопителя на уровне firmware. Иными словами, когда контроллеру приходят команды на чтение/запись секторов с линейными номерами 5555, 6666, 7777, он исполнит их в той последовательности, которая наиболее удобна при текущем положении головок (например, 5555, 6666, 7777). Насколько эта функция эффективна, косвенно продемонстрировало тестирование.

Вторую часть тестирования открывают тесты логики накопителей. Как видно на обеих диаграммах теста IOMeter, результаты получились довольно "кучные", и группы участников с разной частотой вращения и интерфейсом можно дифференцировать, не заглядывая в "легенду" диаграмм. Однако оба паттерна IOMeter продемонстрировали несколько интересных результатов, на чем следует остановиться дополнительно.

Диаграмма паттерна Workstation, характеризующая производительность систем в достаточно сложных условиях, имитирующих функционирование дисковой подсистемы типичных рабочих станций в стане "пятнадцатитысячников", однозначного лидера тестирования не выявила. Итак, наилучшие результаты при малом числе запросов демонстрирует диск Fujitsu MAS3735NР, хотя при усилившейся нагрузке он становится аутсайдером. Совершенно противоположная картина характерна для диска Seagate Cheetah 15K.3, который при малом числе запросов показал не лучшие результаты, но при увеличении их числа реабилитировался, продемонстрировав свое превосходство над соперниками.

В группе накопителей с частотой вращения 10 000 об/мин лидировал новый диск компании Maxtor. Что касается накопителя Ultrastar 146Z10, его результат вряд ли можно признать неудачным. Все-таки это достаточно старый продукт, и небольшое отставание от группы лидеров при большом числе запросов вряд ли стоить принимать всерьез. Следует обратить внимание хотя бы на то, как сильно он опережает по скорости обработки команд ввода/вывода продукт компании WD. С другой стороны, отставание Ultrastar 146Z10 от группы лидеров, как по скорости обработки запросов, так и по техническим характеристикам вселяет надежду, что в скором времени у Ultrastar 146Z10 появится приемник, правда уже под логотипом компании Hitachi. Еще одна интересная особенность паттерна Workstation заключается в том, что в нем отрыв более производительных решений от менее скоростных ощущается особенно сильно на самой сложной нагрузке (16 запросов). Это заметно по углу наклона кривых, построенных по опорным точкам результатов тестирования. Как видно, наклон кривой Seagate Cheetah 15K.3 значительно больше, чем у WD360GD.

Переходя к рассмотрению результатов паттерна Fileserver, сразу обращаем внимание на завал кривых, демонстрируемых обоими дисками компании Seagate на отметке 64 запроса. Следовательно, логика у этих дисков более чем схожа. В остальном паттерн Fileserver повторяет результаты паттерна Workstation, вот только накопитель IBM/Hitachi отстает от конкурентов не столь сильно, как в предыдущем случае, а опережение конкурентов новинкой рынка - Maxtor Atlas 10K IV, - более уверенно. Также отметим великолепное соответствие логики диска Maxtor Atlas 15K под нужды файл-серверов.

Winbench 99 - High-End Disk WinMark 99 - Kбайт/сек

IOMeter - Workstation, IOps

IOMeter - Fileserver, IOps

Заключение

В заключение мы откажемся от обычного "выбора редакции" и ограничимся несколькими выводами общего характера. Первый, напрашивающийся по результатам тестирования вывод касается прироста быстродействия от внедрения более скоростной механики накопителей. Как видно, ускорение частоты вращения шпинделя на 50% привносит прирост быстродействия в среднем около 15%. Причем это касается не только тестов, в основу которых положены реальные приложения, но и "синтетического" пакета IOMeter, где полоса разброса результатов несколько шире. В любом случае первый вывод очевиден - на сегодня увеличение скорости вращения шпинделя в жестких дисках является, пожалуй, наиболее действенным способом повышения их производительности. Но и о совершенствовании логики забывать не стоит. Последняя, как показали результаты теста, будучи недостаточно интеллектуальной, может странным образом отнять у некоторых дисков лидерскую позицию (накопители Seagate), а также запросто отодвинуть на задворки, казалось бы, аналогичные по техническим характеристикам решения (WD360D).