Какие характеристики относятся к жесткому диску

Жёсткий диск в сервере — не просто «коробка для файлов». Неправильно подобранный HDD может стать бутылочным горлышком всей системы: медленные операции ввода-вывода, перегрев, преждевременный выход из строя. Разберём параметры, которые напрямую влияют на производительность и надёжность.

Жесткие диски: базовые характеристики

Ёмкость и форм-фактор — первое, на что смотрят при выборе. Но за этими двумя параметрами стоит ещё с десяток характеристик, которые определяют, как диск поведёт себя под нагрузкой и сколько проживёт в серверной стойке  

Форм – фактор

В серверах встречаются два формата: 3,5" (LFF — Large Form Factor) и 2,5" (SFF — Small Form Factor). Диски 3,5" — это классика для HDD большой ёмкости: 16–24 ТБ в одном слоте. Формат 2,5" используют и для компактных HDD, и для SSD (SATA/SAS), и для NVMe-накопителей в U.2/U.3-исполнении. Серверы с SFF-корзинами вмещают больше дисков на юнит — типичная конфигурация 1U-сервера: 10 × 2,5" против 4 × 3,5".

Форм-фактор влияет и на энергопотребление. Диск 2,5" при прочих равных потребляет меньше, чем 3,5" — это критично, когда в сервере стоят 24 накопителя и каждый ватт на счету. Бюджет мощности серверного БП конечен: его делят между процессорами, памятью, дисками и вентиляторами. Перед заказом проверяйте, хватит ли мощности блока питания на планируемую дисковую конфигурацию.

Подобрать серверное оборудование с подходящей дисковой конфигурацией можно в каталоге ittelo.ru — там же указаны поддерживаемые форм-факторы и интерфейсы для каждой модели.

Объем

Ёмкость — сколько данных поместится на диск. Для серверных HDD актуальный диапазон: 2–24 ТБ (модели вроде Seagate Exos X24 или WD Ultrastar DC HC580). Диски на 300–600 ГБ ещё встречаются, но только в формате SAS 15K — для задач, где критичен IOPS, а не объём.

Выбор ёмкости зависит от задачи. Файловое хранилище или сервер для бэкапов и хранения данных — берите диски 16–24 ТБ и считайте стоимость за терабайт. База данных с высокой нагрузкой на случайное чтение — тут HDD уступает SSD, и гнаться за объёмом бессмысленно. Прикиньте рост данных на 2–3 года вперёд и заложите запас — докупать диски в RAID на ходу не всегда тривиально. Если планируете использовать Intel VROC, изучите алгоритм настройки RAID-массива через BIOS заранее.

Вращение шпинделя

Скорость вращения шпинделя напрямую влияет на задержку доступа и пропускную способность при последовательном чтении/записи. Чем быстрее крутятся пластины — тем быстрее головка доберётся до нужного сектора. Обратная сторона: больше оборотов → больше тепла и шума.

В серверных HDD встречаются три градации: 5 400 об/мин — экономичные модели для «холодного» хранения и архивов (Seagate Archive, WD Ultrastar DC HC5x0 на пониженных оборотах). 7 200 об/мин — рабочая лошадка для NAS, файловых серверов, бэкапов. Баланс между ёмкостью, скоростью и ресурсом. 10 000–15 000 об/мин (SAS) — для нагрузок с высоким IOPS: транзакционные БД, системы с интенсивным случайным доступом. Правда, эту нишу активно вытесняют SSD — при сопоставимой цене за IOPS твердотельники выигрывают в разы.

Интерфейс подключения

Интерфейс определяет пропускную способность и набор сервисных функций. В серверах используются три типа:

SATA III (6 Гбит/с) — бюджетный вариант. Подходит для бэкап-серверов, файловых хранилищ, задач с последовательной нагрузкой. Потолок — около 550 МБ/с для SSD и ~250 МБ/с для HDD. Нет двухпортовости и полноценной очереди команд.

SAS-4 (22,5 Гбит/с на порт) — стандарт для серверных HDD и SSD с требованиями к надёжности. Двухпортовое подключение (failover без потери доступа), глубокая очередь команд, расширенная диагностика SMART. SAS-контроллер принимает и SATA-диски — но не наоборот, SATA-бэкплейн SAS-диск не увидит.

NVMe (PCIe 5.0) — прямое подключение к шине PCIe без промежуточного контроллера. Пропускная способность одного порта x4 — до 32 ГТ/с (PCIe 5.0), задержки на уровне микросекунд. Это территория SSD: U.2, U.3, E1.S/E3.S-форм-факторы. Если Ваша задача — базы данных, виртуализация, высоконагруженный кэш — NVMe уже не опция, а необходимость.

Объем буфера

Кэш-буфер — это микросхема оперативной памяти прямо на плате диска. Она хранит часто запрашиваемые данные и служит промежуточным звеном между пластинами и интерфейсом. У серверных HDD объём буфера — от 64 до 512 МБ (например, 256 МБ у большинства моделей Exos и Ultrastar).

На практике размер кэша заметен при всплесках мелких случайных операций: диск «отвечает» из буфера, пока головка ищет следующий сектор. Но переоценивать эту характеристику не стоит — прирост производительности от 256 МБ к 512 МБ в реальных серверных сценариях минимален. Куда сильнее на скорость влияют обороты шпинделя и интерфейс.  

Наработка на отказ

MTBF (Mean Time Between Failures — среднее время наработки на отказ) — статистическая оценка надёжности. Не путайте с гарантией: MTBF 2 млн часов не значит, что диск проработает 228 лет. Это вероятностный показатель для партии дисков.

Для серверных HDD корпоративного класса (Exos, Ultrastar, Toshiba MG-серия) MTBF — 2–2,5 млн часов. Десктопные модели — около 1 млн часов. Разница — не маркетинг: корпоративные диски рассчитаны на режим 24/7 и нагрузку до 550 ТБ/год (workload rating). Десктопный диск в серверной стойке с такой нагрузкой может не дожить до конца гарантии.

Среднее время ожидания

Время, которое понадобится, чтобы головка переместилась к нужному сектору после того, как достигнет определенной дорожки. Измеряется это в миллисекундах. Универсальные модели имеют среднее время ожидания от 7 до 14 МС.

Если увеличивать частоту вращения диска, то и ожидание будет уменьшаться ровно настолько, насколько увеличили частоту. Фактор, который определяет скорость записи и чтения и называется средним временем ожидания.

Тепловыделение и энергопотребление

Энергопотребление HDD — от 5 до 12 Вт в активном режиме (зависит от оборотов и количества пластин). Кажется мелочью, но умножьте на 24 диска в полке — и получите до 288 Вт только от накопителей. Это тепло, которое нужно отводить, и ватты, которые сжирают бюджет БП.

Если сервер подключён к ИБП (а он должен быть подключён), каждый лишний ватт сокращает время автономной работы. Диски с функцией энергосбережения (APM, вроде WD Idle3) паркуют головки и снижают обороты при простое — для архивных хранилищ это разумный выбор.

Записи данных: используемые технологии

Своей деятельностью жесткий диск напоминает магнитофон. Головка стоит неподвижно, поверхность диска перемещается. Когда ведется запись, катушка образует магнитное переменное поле. Но поскольку на головке есть зазор, это поле действует на диск и меняет направление намагниченного вектора. Все это напрямую зависит от размера сигнала.  Когда идет считывание, домены перемещаются и в магнитопроводе головки изменяется магнитный поток. От этого зарождается переменный электросигнал в катушке.  

Но это было раньше. Теперь же на жестких дисках устанавливают головки, и пользуются магниторезистивным эффектом для считывания. Тогда магнитное поле вокруг головки изменяется и меняет ее сопротивление.  

Геометрия магнитного диска

Это набор параметров, секторов, головок, количества цилиндров.

В этом случае цилиндр является совокупностью дорожек, которые находятся на равном расстоянии от центра. Все головки диска перемещаются в одинаковое время и этим осуществляют подход к таким же цилиндрам с одинаковыми номерами. Определенную дорожку на самом цилиндре задает номер головки.

Области применения

Производители выпускают HDD с прицелом на конкретные сценарии, и маркировка — не просто цвет наклейки:

• NAS / файловый сервер — WD Red Plus/Pro, Seagate IronWolf Pro. Оптимизированы под RAID: прошивка умеет обрабатывать вибрацию от соседних дисков (RV-сенсоры), workload до 300 ТБ/год.
• Корпоративные хранилища и СХД — WD Ultrastar, Seagate Exos, Toshiba MG. Режим 24/7, workload 550 ТБ/год, 5 лет гарантии. Стоят дороже, но экономия на замене вышедших из строя дисков окупает разницу. О том, какие ошибки при выборе СХД приводят к финансовым потерям, мы разбирали отдельно.
• Видеонаблюдение — Seagate SkyHawk, WD Purple. Заточены под последовательную запись множества потоков, с пониженным энергопотреблением.
• Высоконагруженные СУБД, OLTP — SAS 15K (Seagate Exos 15E900) или — всё чаще — NVMe SSD, которые в этой нише практически вытеснили механику.

Собрать сервер под конкретную задачу поможет онлайн-конфигуратор на ittelo.ru — там подбираются совместимые компоненты, включая тип и количество дисковых слотов.     

Продольная магнитная запись

Здесь происходит намагничивание головкой множества доменов. Вектор, который показывает степень намагниченности этих миллионов доменов, находится над диском, параллельно ему. И любая из таких областей, завися от намагниченности, становится единицей или нулем. Так происходит магнитная продольная запись.   

Но такой метод заменили перпендикулярной записью и он практически не применяется.

Перпендикулярная магнитная запись

Это другая технология, когда информационные биты находятся в вертикальных доменах. Из-за этого можно применять магнитные поля мощнее, а площадь материала уменьшить (для записи одного бита).

Уже с 2005 г. жесткие диски продают с перпендикулярной записью.

Черепичная магнитная запись

При такого рода магнитной записи на магнитном диске дорожки располагаются друг над другом (как черепица на крыше). Из-за этого можно увеличить плотность записи.  

Но вместе с удобством появились и проблемы. Если приходится перезаписывать некоторые данные, то неизбежно портится нижняя дорожка. А значит придется переписывать весь диск. Но чтобы такого не случалось, дорожки объединили в ленты. Теперь, когда меняется часть ленты, она остается в памяти, данные модернизируются и снова записываются на диск.    

Перспективные методы записи

Чаще рассматриваются 3 основных направления:

• путем эволюционного совершенствования планарных технологий развивать наноэлектронику;
• усовершенствование планарной технологии;
• создание электроники нового поколения на базе «некремниевых» устройств.

Блок электроники

Обрабатывает, хранит и передает данные в электронной форме. Сюда входят: память, микропроцессоры, интерфейсы связи и некоторые другие составляющие. Работает блок за счет электрических сигналов и различных логических действий. Информация поступает на микросхему, там и происходят обработка и анализ, в которых участвует встроенное программное обеспечение.  

Адресация данных

Адресацией данных называют процесс использования уникальных систем, подключенных к сети. Эти устройства обмениваются информацией и отыскивают друг друга в сетях.

Адресации могут быть различные - IP-адресация, MAC-адресация  и другие.

Уровень шума

При работе сервер издает шум. Как правило, если он исправен, уровень шума не превышает 10-25 дБ. При открытом корпусе шум может достигать 35 дБ. Но такая характеристика не считается обычной .

Если после прочтения остались вопросы по подбору дисков под Вашу задачу — инженеры ittelo.ru помогут подобрать конфигурацию с учётом нагрузки, бюджета и планов по масштабированию.