Выбираем жёсткий диск
Если сравнить достижения в области развития жёстких дисков с видеокартами или центральными процессорами, то легко можно заметить, что широкая публика, в общем-то, не осведомлена о каких-либо технологиях. Рынок жёстких дисков кажется скучным, но это только на первый взгляд. На самом деле, рынок жёстких дисков постоянно движется вперёд, плотность записи и производительность продолжают увеличиваться. Впрочем, за исключением ёмкости, уследить за этим прогрессом среднему потребителю сложно. Даже эксперты иногда не могут различить два похожих жёстких диска, если бы не этикетка с характеристиками, хотя их производительность может сильно отличаться. Если сравнивать жёсткие диски со схожими техническими спецификациями, скажем, винчестеры в одной линейке, измеряемая разница всё равно есть.
Мы специально упомянули “измеряемую” разницу, поскольку вряд ли вы сможете отличить “на глаз” жёсткие диски Hitachi и Western Digital, если они работают в одинаковых системах (мы имеем в виду последние поколения). Заметные отличия существуют, скажем, между жёстким диском Western Digital Raptor на 10 000 об/мин и обычным винчестером на 7 200 об/мин, или между конфигурацией RAID 0 и одиночным жёстким диском, но между накопителями на 7 200 об/мин для массового рынка вы вряд ли ощутите какую-либо разницу по производительности, за исключением нюансов. Впрочем, другие различия, конечно, есть: разные ёмкости, разные размеры кэша, интерфейсы Serial ATA или UltraATA.
В нашей статье мы рассмотрим все параметры жёстких дисков, которые так или иначе влияют на производительность. Сюда относятся форм-фактор HDD, диаметр и число пластин, технология и плотность записи, скорость вращения и время доступа, интерфейс и объём кэш-памяти. Мы рассмотрим линейку жёстких дисков Seagate Barracuda 7200.10, сравним технически идентичные жёсткие диски с разной ёмкостью, размерами кэша и интерфейсами (Serial ATA против UltraATA). Вы, наверное, будете удивлены, узнав, что самая ёмкая модель отнюдь не является самой быстрой, да и 16 Мбайт кэша помогают не всегда.
Внутреннее строение жёсткого диска
Винчестер без крышки. Основой являются вращающиеся пластины (жёсткие диски), с которыми работают головки чтения/записи. Данная модель вышла из строя из-за нарушения герметичности корпуса и попадания влаги.
Винчестеры используют одну или больше магнитных пластин с концентрическими дорожками. Они записываются от наружной стороны к внутренней, запись производится с помощью магнитного поля, которое изменяет ориентацию мелких частиц – магнитных доменов. Перемещающийся механический привод используется для позиционирования головок чтения/записи на пластине. Если пластин несколько, то и головок чтения/записи на приводе тоже несколько (по одной на каждую сторону пластины). Привод перемещает головки подобно проигрывателю грампластинок, достигая внешних или внутренних дорожек. Для хранения данных используется как верхняя, так и нижняя сторона пластин.
Биты данных собираются в так называемые секторы, которые, в свою очередь, составляют кластеры. Кластер – это минимальная логическая единица для хранения данных. В зависимости от файловой системы (Windows использует NTFS или FAT32), размер кластера может меняться. Чем больше кластер, тем выше будет последовательная пропускная способность, но вы будете быстро терять доступную ёмкость, если средний размер файла будет намного меньше размера кластера.
Форм-фактор и высота
Снаружи самым очевидным различием между жёсткими дисками является и форм-фактор, который зависит от диаметра пластин. Настольные жёсткие диски используют 3,5″ пластины, а мобильные – 2,5″. Жёсткие диски уровня предприятия внешне могут выглядеть как 3,5″ модели, но на самом деле они могут использовать пластины меньшего диаметра, чтобы обеспечить высокую скорость вращения. Жёсткие диски для ультрапортативных устройств часто используют пластины диаметром всего 1,8″, а микро-приводы собираются на 1″ и 0,8″ пластинах.
Жёсткие диски форм-фактора 3,5″ обычно имеют высоту 1″, которой хватает для установки вплоть до пяти пластин. Жёсткие диски для ноутбуков построены на дизайне с одной или двумя пластинами и имеют высоту 9,5 или 12,5 мм, хотя последние подходят далеко не для всех ноутбуков. Если взглянуть в сторону 1″ и 0,8″ жёстких дисков, то здесь заметна тенденция в направлении собственных решений и высот, поскольку накопители часто оптимизируются под нужды клиентов.
Чем больше пластин, тем больше получается ёмкость жёсткого диска, поскольку суммарная ёмкость рассчитывается умножением ёмкости пластины на число пластин. Например, плотность записи 160 Гбайт на пластину позволяет производителям получать ёмкость 640 Гбайт с четырьмя пластинами. С другой стороны, чем больше пластин, тем больше головок чтения/записи используется, что повышает риск аппаратного сбоя из-за большого числа подвижных элементов. Также увеличивается трение и энергопотребление. Что же касается цены, то один ёмкий жёсткий диск по-прежнему стоит дешевле, чем пара небольшого объёма. Единственным исключением можно считать высокопроизводительные массивы RAID в серверах, где используется несколько жёстких дисков, чтобы увеличить производительность.
Ёмкость и технологии записи
Мы уже упоминали плотность записи данных, которая выражается в гигабитах на квадратный дюйм (или сантиметр). Её не стоит напрямую сравнивать с ёмкостью пластины, поскольку производители не всегда используют для хранения данных всю пластину. Кроме того, ёмкость пластины обычно рассчитывается для 3,5″ жёсткого диска, а плотность записи данных остаётся неизменной для разных форм-факторов. Следует отметить, что плотность записи данных зависит от используемых технологий.
Перпендикулярная магнитная запись (Perpendicular Magnetic Recording, PMR) является самой современной технологией. В отличие от обычной параллельной записи, когда магнитные домены ориентированы параллельно плоскости пластины, здесь они ориентированы вертикально. Подобный механизм позволяет снизить взаимное влияние магнитных доменов друг на друга (явление суперпарамагнетизма) и увеличить число бит на единицу площади, что повышает плотность записи данных. В перспективе, благодаря внедрению перпендикулярной записи, индустрия жёстких дисков надеется десятикратно увеличить ёмкость. Вскоре на рынке должен появиться первый жёсткий диск PMR с ёмкостью 1 Тбайт, и тогда будет установлен новый рекорд ёмкости.
В будущем мы наверняка перейдём на запись Heat-Assisted Magnetic Recording (HAMR). В данной технологии лазер подогревает поверхность диска, чтобы снизить интенсивность магнитного поля, которое требуется для влияния на магнитные домены пластин. В итоге мы получим дальнейшиё рост плотности записи данных, поскольку технология нагревания позволяет более точно управлять магнитными доменами.
Конечно, чем выше плотность данных, тем лучше, поскольку при этом возрастает и скорость чтения данных. В результате современные 3,5″ жёсткие диски на 7 200 об/мин всегда обгоняют старые модели. Впрочем, время доступа от увеличения плотности записи не меняется, поскольку ускорить позиционирование головок без существенной механической нагрузки очень сложно.
Скорость вращения шпинделя
Скорость вращения шпинделя определяется в оборотах в минутах (RPM), и на сегодня это один из самых основных параметров, влияющих на производительность. Высокая скорость вращения шпинделя даёт более высокую линейную скорость головок чтения/записи, то есть через них можно проводить больше данных. Чем быстрее вращается шпиндель, тем больше данных можно считать за единицу времени. Кроме того, высокая скорость вращения шпинделя положительно сказывается на времени доступа: когда головки встанут на нужную дорожку, требуется определённое время, прежде чем подойдёт требуемый сектор. Высокая скорость вращения шпинделя позволяет уменьшить эту задержку. Впрочем, современные жёсткие диски обычно предварительно кэшируют данные, ожидая, когда головка доберётся до нужного сектора. Но даже потом жёсткий диск обычно ожидает поступления служебной дорожки, которая обозначает начало/конец дорожки с данными.
Жёсткие диски формата 3,5″ для серверов и рабочих станций имеют скорость вращения 10 000 или 15 000 об/мин, в то время как настольные жёсткие диски обычно работают на 7 200 об/мин. На рынке настольных ПК только накопители Western Digital Raptor дают 10 000 об/мин. Поэтому данные модели являются идеальным вариантом для энтузиастов. Конечно, Western Digital Raptor по-прежнему имеют очень высокую стоимость хранения гигабайта, так что за 150-Гбайт Raptor придётся выложить даже больше, чем за 500-Гбайт жёсткий диск на 7 200 об/мин.
Жёсткие диски для ноутбуков вращаются на меньших оборотах: мобильные винчестеры на 4 200 об/мин недавно уступили место моделям на 5 400 об/мин даже в недорогих ноутбуках. Впрочем, есть и мобильные винчестеры на 7 200 об/мин. Одной из причин снижения скорости вращения шпинделя является высокое энергопотребление. Ноутбуки часто работают от аккумулятора, поэтому многие производители не спешат устанавливать жёсткие диски на 7 200 об/мин в популярные модели ноутбуков. Винчестеры 1,8″ и меньшего формата вращаются на 4 200 об/мин, а 1″ и 0,8″ модели работают на ещё меньших оборотах.
Новые 3,5″ жёсткие диски со скоростью вращения 7 200 об/мин дают скорость чтения с пластин до 90 Мбайт/с, а 2,5″ накопители существенно медленнее – до 30-35 Мбайт/с. 1,8″ жёсткие диски ещё медленнее.
Диаметр пластин
Если сравнивать жёсткие диски только по скорости вращения шпинделя, то можно подумать, что разные модели работают одинаково, но это не так. Конечно, высокая скорость вращения необходима для высокой производительности, но эффективная скорость, с которой головки считывают/записывают секторы, существенно разнится.
Возьмём жёсткие диски с одинаковой скоростью вращения шпинделя. Все они имеют одинаковую угловую скорость, в отличие от оптических приводов. В результате расстояние, которое за секунду проходят головки на внешних дорожках больше, чем на внутренних дорожках. На наружных дорожках 3,5″ жёстких дисков длина дорожки составляет примерно 25 см, что существенно больше, чем шесть с лишним сантиметров около шпинделя. То есть линейная скорость на внешних дорожках примерно в четыре раза больше, чем на внутренних дорожках. Поэтому скорость передачи данных на внешних дорожках выше, чем на внутренних.
Именно поэтому утилиты дефрагментации, которые собирают фрагменты файлов в единое последовательное пространство, всегда располагают файл подкачки Windows (swap) в начале жёсткого диска, где он будет быстрее всего работать. Другой вывод заключается в том, что производительность 2,5″ жёсткого диска никогда не достигнет скорости 3,5″ винчестера, поскольку линейная скорость у 2,5″ накопителя существенно меньше.
Число пластин
Если вы провели некоторое время за изучением линеек жёстких дисков, то наверняка знаете, что доступные ёмкости не всегда соответствуют заявленному производителем объёму на пластину. Например, Seagate Barracuda 7200.10 может хранить почти 200 Гбайт на пластину, то есть версии на 250 и 320 Гбайт.
Объяснение кроется в требованиях рынка. Некоторые покупатели специально заказывают жёсткие диски, скажем, на 250 Гбайт. Ценовое давление – вторая причина, почему производители предлагают разные уровни ёмкости: например, пользователь может позволить себе только 250-Гбайт винчестер, а большая ёмкость ему попросту не нужна. Вполне понятно, что производители должны предлагать так называемые “золотые середины” для разных сегментов рынка, с разными ёмкостями. Кроме того, следует учитывать и дефекты производства. Выгодно продавать как можно большее количество жёстких дисков (пусть и с урезанной ёмкостью), чем стараться всегда предлагать накопители с максимально доступной ёмкостью.
По этим причинам многие жёсткие диски не всегда используют полную доступную ёмкость. У них, чаще всего, не используются медленные внутренние дорожки, а соотношение максимальной ёмкости пластины, числа пластин и суммарной ёмкости оказывается весьма странным. Конечно, при этом теряется ёмкость, зато и минимальные скорости передачи оказываются выше.
Кэш 8 или 16 Мбайт
Хотя сегодня можно найти много моделей с кэшем 2 Мбайт, стандартом для настольных жёстких дисков для массового рынка можно считать 8 Мбайт. Появляется немало моделей и на 16 Мбайт. Увеличение объёма кэша разумно не только с учётом того, что цены на DRAM падают, но и с технической точки зрения. Жёсткие диски используют алгоритмы для предварительного кэширования данных или оставляют определённые данные в кэше на случай того, что они будут запрошены повторно. Жёсткие диски Serial ATA также требуют определённого объёма памяти, чтобы хранить входящие команды, поскольку многие винчестеры способны менять порядок команд, дабы обрабатывать их максимально эффективно, с минимальным физическим перемещением головок. Эта функция называется “родной” очередью команд (Native Command Queuing, NCQ), она тоже требует определённого объёма памяти для своей работы, хотя и небольшого.
Мы хотели проверить, насколько велика разница в производительности между жёсткими дисками с 8 и 16 Мбайт памяти. Поскольку в нашу лабораторию поступила почти полная линейка жёстких дисков Seagate Barracuda 7200.10, мы смогли отобрать четыре разные модели на 500 Гбайт, позволяющие ответить на этот вопрос. Все из них используют три пластины и различаются только интерфейсами (SATA/300 или UltraATA/100) и размером кэша.
Сравнительная таблица 500-Гбайт моделей Seagate Barracuda 7200.10 | ||||
Производитель | Seagate | Seagate | Seagate | Seagate |
Продукт | Barracuda 7200.10 | Barracuda 7200.10 | Barracuda 7200.10 | Barracuda 7200.10 |
Модель | ST3500630A | ST3500630AS | ST3500830A | ST3500830AS |
Ёмкость | 500 Гбайт | 500 Гбайт | 500 Гбайт | 500 Гбайт |
Скорость вращения шпинделя | 7 200 об/мин | 7 200 об/мин | 7 200 об/мин | 7 200 об/мин |
Число пластин | 3 | 3 | 3 | 3 |
Кэш | 16 Мбайт | 16 Мбайт | 8 Мбайт | 8 Мбайт |
“Родная” очередь команд (NCQ) | Нет | Да | Нет | Да |
Интерфейс | UltraATA/100 | SATA/300 | UltraATA/100 | SATA/300 |
Тестовая конфигурация
Системное аппаратное обеспечение | |
Процессоры | 2x Intel Xeon (ядро Nocona), 3,6 ГГц, FSB800, кэш L2 1 Мбайт |
Платформа | Asus NCL-DS (Socket 604), чипсет Intel E7520, BIOS 1005 |
Память | Corsair CM72DD512AR-400 (DDR2-400 ECC, reg.), 2x 512 Мбайт, задержки CL3-3-3-10 |
Системный жёсткий диск | Western Digital Caviar WD1200JB, 120 Гбайт, 7 200 об/мин, кэш 8 Мбайт, UltraATA/100 |
Контроллеры накопителей | Intel 82801EB UltraATA/100 (ICH5) Silicon Image Sil3124, PCI-X |
Сеть | Встроенный контроллер Broadcom BCM5721 Gigabit Ethernet |
Видеокарта | Встроенная ATi RageXL, 8 Мбайт |
Тесты и настройки | |
Тесты производительности | c’t h2benchw 3.6 |
Тесты ввода/вывода | IOMeter 2003.05.10 Fileserver-Benchmark Webserver-Benchmark Database-Benchmark Workstation-Benchmark |
Системное ПО | |
ОС | Microsoft Windows Server 2003 Enterprise Edition, Service Pack 1 |
Драйвер платформы | Intel Chipset Installation Utility 7.0.0.1025 |
Графический драйвер | Default Windows Graphics Driver |
Результаты тестов: 8 Мбайт против 16 Мбайт
Время доступа
Производительность интерфейса
Скорость чтения
Скорость записи
Производительность ввода/вывода
Производительность приложений: запуск Windows XP
Производительность приложений: запись файла
Сравнение Barracuda: 250, 320, 400, 500, 750 Гбайт
Мы уже говорили о том, что производители урезают доступную ёмкость, чтобы предложить модели “золотой середины”. Давайте посмотрим, какова разница между самой ёмкой и самой маленькой моделями Barracuda 7200.10. Как можно будет видеть, самая ёмкая модель не всегда является самой быстрой.
Производитель | Seagate | Seagate | Seagate | Seagate | Seagate |
Линейка | Barracuda 7200.10 | Barracuda 7200.10 | Barracuda 7200.10 | Barracuda 7200.10 | Barracuda 7200.10 |
Модель | ST3250820A | ST3250820AS | ST3320820A | ST3320820AS | ST3400620AS |
Ёмкость | 250 Гбайт | 250 Гбайт | 320 Гбайт | 320 Гбайт | 400 Гбайт |
Скорость вращения шпинделя | 7200 об/мин | 7200 об/мин | 7200 об/мин | 7200 об/мин | 7200 об/мин |
Число пластин | 2 | 2 | 2 | 2 | 3 |
Объём кэша | 8 Мбайт | 8 Мбайт | 8 Мбайт | 8 Мбайт | 16 Мбайт |
“Родная” очередь команд (NCQ) | Нет | Да | Нет | Да | Да |
Интерфейс | Ultra ATA/100 | SATA/300 | Ultra ATA/100 | SATA/300 | SATA/300 |
Производитель | Seagate | Seagate | Seagate | Seagate | Seagate |
Линейка | Barracuda 7200.10 | Barracuda 7200.10 | Barracuda 7200.10 | Barracuda 7200.10 | Barracuda 7200.10 |
Модель | ST3400820A | ST3400820AS | ST3500630A | ST3500630AS | ST3500830A |
Ёмкость | 400 Гбайт | 400 Гбайт | 500 Гбайт | 500 Гбайт | 500 Гбайт |
Скорость вращения шпинделя | 7200 об/мин | 7200 об/мин | 7200 об/мин | 7200 об/мин | 7200 об/мин |
Число пластин | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
Кэш | 8 Мбайт | 8 Мбайт | 16 Мбайт | 16 Мбайт | 8 Мбайт |
“Родная” очередь команд (NCQ) | Нет | Да | Нет | Да | Нет |
Интерфейс | Ultra ATA/100 | SATA/300 | Ultra ATA/100 | SATA/300 | Ultra ATA/100 |
Производитель | Seagate | Seagate | Seagate | Seagate | |
Линейка | Barracuda 7200.10 | Barracuda 7200.10 | Barracuda 7200.10 | Barracuda 7200.10 | |
Модель | ST3500830AS | ST3750640A | ST3750840A | ST3750640AS | |
Ёмкость | 500 Гбайт | 750 Гбайт | 750 Гбайт | 750 Гбайт | |
Скорость вращения | 7200 об/мин | 7200 об/мин | 7200 об/мин | 7200 об/мин | |
Число пластин | 3 | 4 | 4 | 4 | |
Кэш | 8 Мбайт | 16 Мбайт | 8 Мбайт | 16 Мбайт | |
“Родная” очередь команд (NCQ) | Да | Нет | Нет | Да | |
Интерфейс | SATA/300 | Ultra ATA/100 | Ultra ATA/100 | SATA/300 |
Версии на 250 и 320 Гбайт построены на двух пластинах, винчестеры на 400 и 500 Гбайт – на трёх, а 750-Гбайт топовая модель тоже имеет три пластины. Только 750-Гбайт топовая модель поддерживает максимальную ёмкость на пластину более 190 Гбайт. В следующей таблице приведена потерянная ёмкость для каждой из модели.
Barracuda 7200.10 | Теоретическая максимальная ёмкость | Потеря в Гбайт | Потеря в % |
250 Гбайт, 2 пластины | 332 Гбайт | 82 Гбайт | 25% |
320 Гбайт, 2 пластины | 332 Гбайт | 12 Гбайт | 3% |
400 Гбайт, 3 пластины | 570 Гбайт | 170 Гбайт | 30% |
500 Гбайт, 3 пластины | 570 Гбайт | 70 Гбайт | 12% |
750 Гбайт, 4 пластины | 750+ Гбайт | – | 0% |
Результаты тестов
Для нашего проекта мы взяли жёсткие диски Serial ATA и UltraATA, поэтому ниже приведены единичные графики.
Диаграммы передачи данных
Мы построили диаграммы передачи данных с помощью результатов всех жёстких дисков с одинаковым интерфейсом. Поэтому мы отображаем производительность не только одного жёсткого диска, а всех жёстких дисков, с минимальными и максимальными значениями между ёмкостями 250 и 750 Гбайт.
Скорость передачи данных
Результаты очень близки. Да, между накопителями Serial ATA и UltraATA есть разница, но она мизерная. Можно заметить, что жёсткие диски SATA с меньшими потерями доступной ёмкости на пластину дают более высокую скорость передачи в целом.
Производительность интерфейса
Как и предполагалось, интерфейс Serial ATA имеет существенное преимущество по пропускной способности по сравнению с UltraATA. Впрочем, в повседневной жизни разница невелика, поскольку жёсткие диски так и не подбираются к пиковой пропускной способности UltraATA/100 85 Мбайт/с в случае 7200.10. SATA/300 позволяет передавать почти 200 Мбайт/с, но это отражает только производительность, с которой данные передаются из кэш-памяти жёсткого диска, но не с пластин.
Время доступа
Результаты очевидны: жёсткие диски с максимальной потерей ёмкости отличаются самым быстрым временем доступа, поскольку головки чтения/записи проходят минимальное расстояние из-за неиспользованных внутренних областей. Впрочем, эта тенденция с накопителями UltraATA не прослеживается, там время доступа чуть больше у всех моделей линейки.
Производительность приложений
Производительность ввода/вывода
Тесты производительности ввода/вывода показывают, что жёсткие диски, которые не используют полный потенциал ёмкости, дают большее число операций ввода/вывода в секунду, чем более эффективные по ёмкости модели.
Заключение
Мы рассмотрели несколько моделей Seagate Barracuda 7200.10, чтобы оценить разницу в производительности. И обнаружили, что если два жёстких диска отличаются только размером кэша, то разница между ними практически нулевая: 16 Мбайт кэша не дают ощутимого преимущества по сравнению с 8 Мбайт в наших тестах. Это относится как к жёстким дискам Serial ATA, так и UltraATA. Вообще, мы ожидали, что жёсткие диски SATA будут иметь определённое преимущество, но в случае линейки 7200.10 16 Мбайт кэша окажутся пустой тратой денег по сравнению с 8-Мбайт альтернативами. В то же время, 16 Мбайт кэша не повредят, если цена равная…
Учитывая, что между разными моделями одной линейки жёстких дисков есть различия, можно сделать более грамотный выбор покупки. Жёсткие диски, которые не используют максимально возможную ёмкость исходя из максимальной ёмкости пластин, демонстрируют немного более быстрое время доступа, поскольку рабочая область диска уменьшается, хотя винчестеры, которые используют полную ёмкость, обеспечивают немного лучшую скорость передачи данных.
Впрочем, следует отметить, что разница между самым быстрым и самым медленным жёстким диском в пределах одной линейки явно меньше, чем разница между разными поколениями. По нашему опыту, продукт нового поколения всегда обгоняет старый.