記得還是工作的***年，在中關(guān)村打工的我接到一個數(shù)百塊540MB硬盤的訂單，前往用戶(當(dāng)時的某PC廠商)生產(chǎn)線配合加班檢測硬盤… 近20年過去了，從40MB到TB級別，從IDE、SCSI到SATA、SAS，我一直關(guān)注著硬盤領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。希望這兩篇分享內(nèi)容能夠?qū)Υ蠹矣兴鶐椭?

 

　　玩存儲的朋友都知道，SSD固態(tài)硬盤由于使用閃存做為介質(zhì)，不會像傳統(tǒng)HDD硬盤那樣出現(xiàn)機械故障。另一方面，閃存有P/E cycle(編程/擦除周期)的限制，也就是存在著寫壽命，SLC/MLC/TLC的擦寫次數(shù)有著明顯的差別。那么機械硬盤有沒有讀寫壽命的問題呢?我覺得可能不是所有人都了解或者關(guān)注過這個問題。

　　認識不同硬盤之間工作負載和可靠性的差別，有助于我們選擇更合適的產(chǎn)品。

一款5張碟片的Nearline企業(yè)級硬盤，目前非充氦的極限密度是6張。后文中我們還會談到碟片數(shù)量與功耗、工作溫度范圍之間的關(guān)系。

 

　　橫向?qū)Ρ龋哼@么多種硬盤你能辨清嗎?目前硬盤行業(yè)總體營收受SSD沖擊開始出現(xiàn)一定下滑，但若干年內(nèi)仍將保持可觀的需求，特別是大容量型號的性價比優(yōu)勢。而且這一市場已經(jīng)由于成熟而細分，以希捷為例，僅3.5寸7200轉(zhuǎn)及以下硬盤就衍生出以下型號等。　　

注：以上規(guī)格沒有全部核對官方文檔，僅供參考，后面還會補充一個我自己整理的表格。其中紅框標(biāo)出的做為重點講解，籃框部分代表有一定疑問的參數(shù)。

 

　　上表來自我?guī)讉€月前看到的一篇國外文章，其中總結(jié)的希捷硬盤型號和規(guī)格比較全。從左到右，Archive是SMR疊瓦式磁記錄的歸檔硬盤;Desktop為普通臺式機硬盤;NAS HDD適用于小型文件服務(wù)器/網(wǎng)絡(luò)存儲;Video 3.5/2.5 HDD針對消費類DVR視頻應(yīng)用優(yōu)化;Surveillance專門用于視頻監(jiān)控;ENAS(Enterprise NAS)適合硬盤數(shù)較多、高端一些的網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備;ECAP(Enterprise Capacity，原Constellation ES系列)就是傳統(tǒng)的Nearline硬盤。

　　除此之外，企業(yè)級硬盤市場的另一家主力廠商WD-HGST也擁有比較多的產(chǎn)品線，其特點是數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品以HGST為主，像視頻/流媒體、NAS應(yīng)用這些在傳統(tǒng)WD品牌下多些。本文先用希捷進行對比分析?！　?/p>

上表繼承了前一個表格中的部分?jǐn)?shù)據(jù)、引用官方`資料，也有經(jīng)過我計算得出的。標(biāo)紅色表示該指標(biāo)優(yōu)秀。

 

　　在這個表里我增加了2個對比的產(chǎn)品系列：Constellation CS(云盤)和高轉(zhuǎn)速10K SAS，其中云盤現(xiàn)在官網(wǎng)上看不到，應(yīng)該只針對互聯(lián)網(wǎng)等大客戶出貨;萬轉(zhuǎn)硬盤的規(guī)格用于參照。

　　Constellation CS“云盤”及其衍生出的低轉(zhuǎn)速版本Terascale，其MTBF和AFR都與桌面硬盤接近。這一點正好印證了本文開頭案例中提出的疑問。

　　如果脫離用戶需求，談任何參數(shù)都沒有意義，下面先列舉幾個我遇到的實際案例。

　　案例1：備份數(shù)據(jù)量與硬盤選型去年的一天，有位互聯(lián)網(wǎng)公司的朋友向我咨詢了一個問題：他們目前服務(wù)器大部分都是戴爾PowerEdge R510和R720xd，現(xiàn)在需要采購硬盤用于數(shù)據(jù)備份。每塊硬盤平均每天會寫入不到1TB的數(shù)據(jù)。這種場景下，每天都會有大量的數(shù)據(jù)寫入、讀取，對盤的壽命影響大嗎?

　　由于是企業(yè)級應(yīng)用，按照365天來計算，硬盤的全年的讀寫負載大約在360TB以內(nèi)，我認為原廠配件中的Nearline硬盤就比較合適。那么這一結(jié)論是怎么得出呢?

　　案例2：視頻監(jiān)控存儲可以用“云盤”嗎?

　　某公司接到用戶一個視頻監(jiān)控存儲的項目，一開始按照Nearline SATA企業(yè)級硬盤計算了成本，發(fā)現(xiàn)價格與競爭對手相比不占優(yōu)勢。由于對方使用了價格相對較低的監(jiān)控專用硬盤，該公司于是考慮是否可以采用也屬于企業(yè)級但成本更低的“云盤”(即希捷Constellation CS)?

　　暫時先擱置這個問題，閱讀完本系列文章相信您會有比較全面的理解，再來看看看我遇到的另一個案例。

　　案例3：便宜的代價——云盤故障率我曾經(jīng)聽說國內(nèi)某互聯(lián)網(wǎng)公司使用過一批“云盤”，但后來遇到故障率較高。“云盤”的價格僅比桌面硬盤稍高，在多種細分的低轉(zhuǎn)速(7200rpm及以下)企業(yè)級硬盤中具有成本優(yōu)勢。那么，它的故障率在什么范圍內(nèi)是正常的?

　　企業(yè)級vs.桌面：性能、可靠性差距

引用自一份來自Intel的文檔《Enterprise-class versus Desktopclass Hard Drives》，2008年4月

 

　　上圖是一份比較早的對比資料，不過這些年來機械硬盤技術(shù)發(fā)展不算快，所以仍有一定參考價值。其中“Enterprise”在這里代指15K高轉(zhuǎn)速企業(yè)級硬盤;而7200轉(zhuǎn)企業(yè)級硬盤衍生自“Desktop”，所以性能方面指標(biāo)是接近的。

　　***項，硬盤的延時和尋道時間=平均尋道時間+平均旋轉(zhuǎn)等待，15K由于轉(zhuǎn)速高、磁頭臂移動速度快而大幅領(lǐng)先;而這一項又直接影響到后面的“每秒典型I/Os”(無旋轉(zhuǎn)振動IOPS)。當(dāng)然這里15K 硬盤的319不完全是機械結(jié)構(gòu)的功勞，還有上面命令排隊(CQ)的效果——左邊由于SCSI/SAS協(xié)議能夠完整支持，而右邊的ATA支持有限在高并發(fā)情況下提升少一些(注：尋道速度較快的7200轉(zhuǎn)Nearline硬盤這一數(shù)值應(yīng)該比77要高)。

　　1振動對硬盤的影響及防范接下來著是抗旋轉(zhuǎn)振動能力。15K硬盤能夠達到21 rad/sec/sec，這里的Radian應(yīng)該是一種弧度單位，我不是這方面的專家，就不不展開討論了。而桌面硬盤該指標(biāo)只有5-12(根據(jù)本文后面列出的數(shù)字，7200轉(zhuǎn)企業(yè)級硬盤也在這一范圍內(nèi))。

　　正如有位專家所說的，如果把硬盤固定在一個足夠穩(wěn)定的基座上，它就不會受到自身以及外界產(chǎn)生振動的影響，能夠發(fā)揮出***性能和壽命。但真實環(huán)境往往不是如此，在存儲服務(wù)器/磁盤陣列機箱中通常會有多塊硬盤，同時工作時難免會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。這里面涉及的因素主要有硬盤的轉(zhuǎn)速、數(shù)量以及箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計。

　　許多朋友應(yīng)該都知道，磁盤陣列的空箱重量往往要比同等尺寸的服務(wù)器大不少，采用較厚的鋼板能夠“吸收”一部分振動。盡管不只一家廠商號稱可以混插不同轉(zhuǎn)速的硬盤，但實際上都不推薦這樣做。

　　超標(biāo)的振動會影響磁頭定位，導(dǎo)致硬盤性能下降乃至壽命降低?？剐D(zhuǎn)振動大致就是伺服電路根據(jù)傳感器信息對振動進行相應(yīng)的補償，10K、15K高轉(zhuǎn)速硬盤由于自身產(chǎn)生的振動大一些，因此在設(shè)計上“耐受力”也更強。如上表，在旋轉(zhuǎn)振動20 rad/sec/sec的條件下，15K硬盤IOPS只有少量下降;而桌面(7200轉(zhuǎn))硬盤的性能則下降了10倍以上，可見磁頭定位困難的程度。

　　下面一項“雙工模式”， SAS支持全雙工，SATA是半雙工，這就在于SCSI和ATA協(xié)議之間的差別。SAS硬盤提供雙端口可同時連接到2個控制器，實現(xiàn)故障切換。關(guān)于可變扇區(qū)大小，我們在后文中會有討論。

　　2可靠性前提條件和NL硬盤的由來再來看看可靠性。當(dāng)年的高轉(zhuǎn)速企業(yè)級硬盤的MTBF(平均無故障時間)為120萬小時左右，現(xiàn)在由于工藝進一步成熟，設(shè)計/制造標(biāo)準(zhǔn)普遍已達到200萬小時。而桌面硬盤還停留在70萬小時左右，沒有動力也不需要為此而增加成本。

　　這里容易被忽視的還有MTBF的先決條件。高轉(zhuǎn)速企業(yè)級硬盤是在45℃的環(huán)境溫度下，7x24小時100%工作負載;而桌面硬盤則是25℃環(huán)境，5x8小時10-20%工作負載?！　?/p>

上圖截自《Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD v5 Serial ATA Product Manual》

 

　　同樣為7200轉(zhuǎn)速，但定位企業(yè)級應(yīng)用的Nearline(近線)硬盤比桌面硬盤的可靠性要強不少。首先是MTBF和AFR(平均故障率)，目前Nearline盤大都能達到140-200萬小時MTBF，并且這個數(shù)字是在40℃、7x24小時全年連續(xù)開機條件下得出。

　　注：我們會在后文中介紹MTBF與AFR的換算關(guān)系。

這張照片來自2004年我做服務(wù)器測試工作時，制作的MaxLine Plus II近線硬盤技術(shù)規(guī)格書，7200轉(zhuǎn)ATA接口250GB在當(dāng)年算大容量了，10年間硬盤的存儲密度提升了近20倍。當(dāng)時100萬小時的MTBF已經(jīng)明顯高于桌面硬盤(同期大約60萬小時)。照片效果不夠好請大家包涵：)

 

　　記得***家推出Nearline硬盤的，是Maxtor(邁拓)的MaxLine系列。當(dāng)時根據(jù)經(jīng)驗提出近線硬盤建議不超過20%工作負載的說法，超過這一水平故障率會超標(biāo)。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，硬盤廠商們經(jīng)過大量分析統(tǒng)計工作，認為讀寫數(shù)據(jù)量是個更合適，并且容易量化的指標(biāo)。根據(jù)本文開頭那兩個表格，目前業(yè)界統(tǒng)一遵從Nearline硬盤工作負載為550TB/年，如果明顯超出則故障率會上升。

　　小知識：硬盤讀寫負載與SSD擦寫壽命關(guān)于這一點，除了硬盤是個建議值而SSD存在“硬指標(biāo)”之外，一方面SSD只是擦寫次數(shù)有限而不限制讀，硬盤則不分讀寫都要考慮;另一方面，SSD壽命源自每個閃存單元的特點，在其它條件同等情況下其可寫入數(shù)據(jù)量與容量成正比;而硬盤卻不是容量越大這方面就越好，因為磁頭的老化與它讀寫數(shù)據(jù)量的相關(guān)性更強。

　　當(dāng)然，10K/15K高轉(zhuǎn)速硬盤在質(zhì)保期內(nèi)沒有這些限制，所以說它們的等級不同，單盤容量、單位容量的價格也有著顯著差距。

　　3環(huán)境規(guī)格——溫濕度范圍

上圖引用自《HGST Hard Disk Drive Specification - Ultrastar 7K6000》

 

　　這里引用一份HGST硬盤資料中的環(huán)境規(guī)格。其中有兩個類似梯形(右邊不是直線)嵌套在一起，大的范圍是硬盤的非操作溫濕度范圍，而里面的小塊區(qū)域則是工作溫濕度?？梢钥闯鲈?-31℃之間可以支持90%相對濕度，而到60℃時只能支持到10%的濕度了。

　　只有少數(shù)的低轉(zhuǎn)速(10K以下)企業(yè)級硬盤帶有濕度傳感器，本文中包括歸檔、ENAS和Enterprise Capacity三個針對數(shù)據(jù)中心的系列。

　　4MTBF不是虛標(biāo)：換算出年均故障率可用性一項，除了Video 3.5是AFR數(shù)值之外，其它列出的都是MTBF。利用MTBF來計算AFR的公式如下：

　　年平均故障率AFR=1 / (MTBF / 365 / 24)

　　MTBF看上去很高，前面表格中最長的200萬小時(8TB型號，目前希捷6TB及以下Nearline硬盤為140萬小時)折合228年，最短的75萬小時也有85年，其實它們的設(shè)計壽命都沒有那么長(通常為8-10年)，從溫徹斯特硬盤發(fā)明到現(xiàn)在也沒有這么多年。這些可靠性不是針對單一硬盤，而是根據(jù)質(zhì)保期內(nèi)大量樣本計算和統(tǒng)計出來的。記得十多年前，我當(dāng)時就職的公司有一位孫老師，她主持的10萬小時PC MTBF測試就是拿若干套設(shè)備集中進行的。根據(jù)上面公式，Enterprise Capacity的AFR計算得出0.44%，也就是說100塊盤每年平均損壞0.44塊，如果10,000塊盤就是44塊。

　　讀寫負載、使用率和支持盤位數(shù)量，桌面硬盤都是***，表格中除此之外都支持7x24連續(xù)開機，并且桌面硬盤官方只建議部署1-2塊。也就是說它沒有抗旋轉(zhuǎn)振動方面的優(yōu)化，如果您實際使用3塊盤以上做RAID，可能會遇到性能降低、壽命下降的問題。

　　Enterprise Capacity(ES)的年讀寫負載在這里***為550TB，ENAS為300TB，余下4款都是180TB——也比桌面硬盤的55TB高不少?；蛟S這些數(shù)字還不夠直觀，后面我們還會用它們簡單計算出平均每天、每秒的讀寫負載。

　　至于一個機箱中支持的硬盤數(shù)量，與另外兩項規(guī)格——旋轉(zhuǎn)振動傳感器和抗旋轉(zhuǎn)振動容忍度直接相關(guān)。比如沒有RAFF Sensor的桌面、NAS和Video 3.5硬盤支持的系統(tǒng)規(guī)模都較小;監(jiān)控和歸檔硬盤具備RAFF Sensor且抗振指標(biāo)為5 rad/sec/sec，根據(jù)***資料都能支持8塊以上的配置;不過它們在高振動環(huán)境下的性能表現(xiàn)可能不如12.5 rad/sec/sec的ENAS和Enterprise Capacity。后文中我還會列出更多的引證資料。

　　關(guān)于硬盤轉(zhuǎn)速，兩款7200轉(zhuǎn)/分鐘的性能相對較好;希捷目前主流的桌面硬盤應(yīng)該都是7200轉(zhuǎn)，早期低轉(zhuǎn)速的Barracuda LP應(yīng)該已經(jīng)退出市場;Video 3.5由原來的Pipeline HD發(fā)展而來，一直是5900轉(zhuǎn);監(jiān)控盤由7200轉(zhuǎn)的SV35發(fā)展而來，不過現(xiàn)在4TB及以下應(yīng)該都降到5900轉(zhuǎn)，5-8TB型號為7200轉(zhuǎn)。