فهم تشكيلة محركات SATA من Western Digital (2014)

أختار تصنيف تشكيلة محركات SATA من Western Digital لعدة أسباب. أولها أن WD هي الرائدة حالياً في سوق محركات الأقراص الدوارة مما يجعل هذا التصنيف الأكثر فائدة لأكبر عدد من الأشخاص، وخط "الترميز اللوني" هو، استناداً إلى الأدلة التجريبية، العائلة المختارة بامتياز لأقراص سوق الشركات الصغيرة حيث يكون التشخيص أكثر أهمية، كما تحتفظ محركات SATA بأكبر قدر من التباين في الميزات والعوامل مما يجعل فهمها جيداً أمراً بالغ الأهمية. فمن الناحية التقنية، الفرق الوحيد بين محرك SAS (SCSI) ومحرك SATA (ATA) أو حتى محرك Fibre Channel (FC) ليس إلا بروتوكول الاتصال المستخدم للتواصل معها، غير أنه من الناحية العملية لا تُصنَّع محركات SAS وFC إلا في تهيئات موثوقية عالية محددة ولا تستدعي نفس درجة التدقيق ولا تنطوي على المخاطر القصوى ذاتها كمحركات SATA. يُعدّ فهم عروض محركات SATA أكثر أهمية للاحتياجات التخزينية العملية في العالم الحقيقي.

جعلت WD فهم تشكيلة محركات SATA الخاصة بها أمراً سهلاً بشكل خاص من خلال إضافة رموز ألوان إلى غالبية عروض محركات SATA الخاصة بها - تلك التي تُعتبر أقراصاً "استهلاكية"، وتعيين حرف "E" على محركات SATA المخصصة للمؤسسات وعلى استثناء واحد وهو محركات Velociraptor عالية الأداء التي تسعى إلى منافسة أداء SAS الشائعة لوحدات تحكم SATA. بشكل إجمالي، لديهم سبع عائلات من محركات SATA لأخذها في الاعتبار تغطي الطيف الكامل من عوامل المحركات. وبينما سيُطبَّق هذا التشخيص على تشكيلة WD سهلة الفهم، يمكن أيضاً من خلال مقارنة العوامل هنا مع عروض صانعي المحركات الآخرين تحديد حالات الاستخدام لأقراصهم.

عند النظر في محركات SATA، تبرز ثلاثة عوامل جوهرية باعتبارها الأكثر أهمية للنظر فيها (بخلاف السعر بطبيعة الحال).

معدل URE: URE، أو خطأ القراءة غير القابل للاسترداد، هو حدث يقع بانتظام نسبي على وسائط التخزين الكهروميكانيكية القرصية حيث لا يمكن استرداد قطاع واحد. في محرك مستقل يحدث هذا من وقت لآخر لكنه يؤثر عموماً على ملف واحد فحسب ويراه المستخدمون عادةً ملفاً مفقوداً (في الغالب ملف لا يلاحظونه) أو ربما نظام ملفات تالف قد يُصحَّح بسهولة أو لا. في مصفوفات RAID السليمة (باستثناء RAID 0)، يوفر نظام RAID التعكيس و/أو التكافؤ الذي يمكنه تغطية هذا الفشل في القطاع وإعادة إنشاء البيانات مما يحمينا من مشكلات URE. عندما تكون مصفوفة RAID في حالة متدهورة تصبح URE مخاطرة محتملة مرة أخرى. في أسوأ الحالات، يمكن لـ URE على مصفوفة تكافؤ متدهورة أن تتسبب في بعض الحالات في الفقدان الكامل للمصفوفة (فقدان جميع البيانات). لذا فإن مراعاة URE وتداعياتها في أي عمليات شراء للمحركات أمر بالغ الأهمية وهو المحرك الرئيسي للتفاوت في التكلفة بين المحركات من أنواع مختلفة. يتراوح URE من الحد الأدنى 10^14 إلى الحد الأقصى 10^16. والأعداد ضخمة جداً لدرجة أنها تُكتب دائماً بالصيغة العلمية. لن أخوض هنا في شرح مفصل لمعدلات URE وتداعياتها واستراتيجيات التخفيف منها، لكن فهم URE أمر حاسم لاتخاذ القرارات المتعلقة بشراء المحركات لا سيما في مساحة محركات SATA كبيرة السعة ومنخفضة الموثوقية.

سرعة المغزل: هذا أحد أكبر العوامل لمعظم المستخدمين، إذ ترتبط سرعة المغزل ارتباطاً مباشراً بمعدلات IOPS والإنتاجية. بينما تُعدّ قياسات سرعة المحرك ديناميكية في أحسن الأحوال، تُعدّ سرعة المغزل أفضل طريقة شاملة لمقارنة محركَين متطابقَين في ظل نفس الحمل. فمحرك بسرعة 15,000 دورة في الدقيقة سيُقدم ما يقارب ضعف معدلات IOPS والإنتاجية مقارنة بمحرك بسرعة 7,200 دورة في الدقيقة مثلاً. تتوفر محركات SATA عادةً بسرعتَي 5,400 دورة في الدقيقة و7,200 دورة في الدقيقة مع محركات عالية الأداء نادرة متاحة بسرعة 10,000 دورة في الدقيقة.

التحكم في استرداد الأخطاء (ERC): يُعرف أيضاً بـ TLER (استرداد الخطأ المحدود زمنياً) في مصطلحات WD، وهو ميزة في البرنامج الثابت للمحرك تتيح حدوداً زمنية قابلة للتهيئة لأخطاء القراءة أو الكتابة مما قد يكون مهماً عند استخدام محرك الأقراص الصلبة في مصفوفة RAID إذ كثيراً ما يحتاج استرداد الأخطاء إلى المعالجة على مستوى المصفوفة لا مستوى المحرك. بدون ERC، يكون المحرك أكثر عرضة للتصنيف الخاطئ على أنه معطوب وهو ليس كذلك. هذا الأمر الأكثر خطورة في مصفوفات RAID التكافئية القائمة على الأجهزة وله مستويات فعالية متباينة استناداً إلى معاملات وحدة تحكم RAID الفردية. وهو ميزة مهمة للمحركات المُفترض استخدامها في مصفوفات RAID.

إضافةً إلى هذه العوامل الرئيسية، تُدرج WD كثيراً من العوامل الأخرى لمحركاتها مثل حجم ذاكرة التخزين المؤقت وعدد المعالجات ومتوسط الوقت بين الأعطال وغير ذلك. وتميل هذه إلى أن تكون أقل أهمية بكثير لا سيما MTBF وأرقام الموثوقية الأخرى إذ يمكن تحريفها أو تفسيرها تفسيراً خاطئاً بسهولة ونادراً ما تقدم نظرة ثاقبة في موثوقية المحرك كما نتوقع أو نأمل. حجم ذاكرة التخزين المؤقت ليس ذا أهمية كبيرة لمصفوفات RAID إذ يجب تعطيلها لأسباب تتعلق بتكامل البيانات. لذا خارج سيناريوهات استخدام سطح المكتب، يُعتبر حجم ذاكرة التخزين المؤقت للمحرك الصلب غير ذي صلة بشكل عام. قد يكون عدد وحدات المعالجة المركزية مضللاً أيضاً إذ قد تكون المعالجات المفردة أكثر قوة من المعالجات المزدوجة إذا لم تكن المعالجات متطابقة وكانت فعالية المعالج الثاني مجهولة. لكن WD تُدرج هذا كميزة بارزة لبعض المحركات ومن المفترض أن هناك مكسباً في الأداء قابلاً للقياس، على الأرجح في تقليل زمن الاستجابة، من خلال إضافة المعالج الثاني. ومع ذلك أستمر في التعامل مع هذا باعتباره عاملاً ثانوياً ومفيداً في الغالب كنقطة اهتمام فحسب لا كعامل تقرير
المحركات.

تشترك جميع المحركات ذات الترميز اللوني (الأزرق والأخضر والأحمر والأسود) في عامل واحد مشترك - وهو معدل URE "الاستهلاكي" 10^14. لفظ استهلاكي وصف رديء هنا لكنه، إلى حد ما، المعيار الصناعي. وصف أفضل هو "فئة سطح المكتب" أو مناسب لاستخدامات RAID غير التكافئية. التطبيق السيئ الوحيد فعلاً لمحركات URE 10^14 هو في مصفوفات RAID التكافئية وحتى هناك يمكن أن تجد مكانها إذا فُهمت بشكل صحيح.

الأزرق: تُعدّ محركات WD Blue النموذج الأساسي الفعلي لتشكيلة SATA. تدور بسرعة "افتراضية" تبلغ 7,200 دورة في الدقيقة، وتفتقر إلى ERC/TLER وتحتوي على معالج واحد. تتراوح ذاكرة التخزين المؤقت للمحرك بين 16 ميجابايت و32 ميجابايت و64 ميجابايت حسب الطراز المحدد. تستهدف المحركات الزرقاء استخدام سطح المكتب التقليدي - كمحركات منفردة ذات خصائص سرعة معتدلة غير مناسبة تماماً للخوادم أو RAID. المحركات الزرقاء هي ما "يُتوقع" العثور عليه في أجهزة سطح المكتب الجاهزة. فقدت المحركات الزرقاء شعبيتها على نطاق واسع وكثيراً ما لا تتوفر بأحجام أكبر. وقد حلّت محركات Black وGreen في الغالب محل استخدام المحركات الزرقاء لا سيما في سيناريوهات السعة الأكبر.

الأسود: محركات WD Black هي ترقية طفيفة على المحركات الزرقاء لا تغير شيئاً إلا الترقية من معالج واحد إلى معالجَين لتحسين الأداء قليلاً دون أن تكون فعّالة من حيث التكلفة بنفس القدر. مثل المحركات الزرقاء تفتقر إلى ERC/TLER وتدور بسرعة 7,200 دورة في الدقيقة. جميع محركات Black تحتوي على ذاكرة تخزين مؤقت بحجم 64 ميجابايت. وكما هو الحال مع المحركات الزرقاء، تُعدّ المحركات السوداء الأنسب لتطبيقات سطح المكتب التقليدية حيث تكون المحركات مستقلة.

الأخضر: محركات WD Green، كما يوحي اسمها اسمياً، مصممة لتطبيقات استهلاك الطاقة المنخفض. وهي الأشبه بالمحركات الزرقاء لكنها تدور بسرعة أبطأ تبلغ 5,400 دورة في الدقيقة مما يتطلب طاقة أقل ويُولّد حرارة أقل. المحركات الخضراء مثل المحركات الزرقاء والسوداء مصممة للاستخدام المستقل بشكل أساسي في أجهزة سطح المكتب التي تحتاج إلى أداء محرك أقل مما هو متوقع في سطح مكتب متوسط. أثبتت المحركات الخضراء شعبية كبيرة بسبب انخفاض تكلفة اقتنائها وتشغيلها. ويُفترض أيضاً أن المحركات الخضراء أكثر موثوقية من نظيراتها الأسرع دوراناً بسبب الاهتراء الأقل للمغازل الأبطأ وإن لم أكن على علم بأي دراسة تُثبت ذلك.

الأحمر: تتميز محركات WD Red في تشكيلة WD ذات الترميز اللوني بأنها تقدم ERC/TLER ومصممة للاستخدام في مصفوفات RAID الخادمية "للاستخدام المنزلي" الصغيرة وأجهزة التخزين (مثل NAS وSAN). تحت الغطاء، محركات WD Red هي محركات WD Green، جميع المواصفات متطابقة بما في ذلك سرعة المغزل 5,400 دورة في الدقيقة، لكن مع تمكين TLER في البرنامج الثابت. هي محركات متطابقة مادياً. توصي WD رسمياً بمحركات Red للتطبيقات الاستهلاكية فحسب، لكن المحركات الحمراء بفضل استهلاكها المنخفض للطاقة وخاصية TLER أثبتت شعبية هائلة في مصفوفات RAID الكبيرة لا سيما عند استخدامها للأرشفة. المحركات الحمراء بمعدل URE 10^14 خطرة الاستخدام في مصفوفات RAID التكافئية لكنها ممتازة لمصفوفات RAID المرآوية وتتألق حقاً في الأرشفة واحتياجات التخزين المماثلة حيث تكون السعة الكبيرة وانخفاض التكاليف التشغيلية أساسيين وأداء التخزين ليس مهماً جداً.

خارج نطاق المحركات ذات الترميز اللوني، لدى WD ثلاث عائلات من محركات SATA تُعدّ جميعها مؤسسية. ما تشترك فيه هذه المحركات هو أن معدل URE الخاص بها أعلى بكثير من معدل المحركات ذات الترميز اللوني "الاستهلاكية". يتراوح من URE 10^15 إلى 10^16 حسب الطراز. أهم نتيجة لهذا المعدل هي أن هذه المحركات أكثر قابلية للتطبيق بكثير في مصفوفات RAID التكافئية (مثل RAID 6).

SE: محركات SE هي محركات SATA المؤسسية الأساسية من WD بمعدلات URE 10^15 وسرعات مغزل 7,200 دورة في الدقيقة. تحتوي على معالجَين وذاكرة تخزين مؤقت 64 ميجابايت. والأهم من ذلك أن محركات SE تحتوي على ERC/TLER مُفعَّلة. تُعدّ محركات SE مثالية لمصفوفات RAID المؤسسية سواء المرآوية أو التكافئية.

RE: محركات RE هي محركات SATA المؤسسية القياسية عالية المستوى من WD بمواصفات متطابقة للمحركات SE لكن بمعدل URE 10^16 الأفضل. تُعدّ محركات RE اللاعبين النجوم في استراتيجية محركات RAID من WD كونها مثالية لمصفوفات السعة الكبيرة للغاية حتى عند استخدامها في مصفوفات تكافئية. تتوفر محركات RE في تهيئتَي SATA وSAS لكن بنفس الميكانيكا الداخلية للمحرك.

Velociraptor: Velociraptor من WD عضو غريب بعض الشيء في فئة SATA. بمعدل URE 10^16 وسرعة مغزل 10,000 دورة في الدقيقة، تتميز Velociraptor بموثوقية عالية وسرعة كبيرة لمحرك SATA ينافس محركات SAS الرئيسية الشائعة. بشكل مفاجئ، لا تحتوي Velociraptor إلا على معالج واحد والأكثر إثارة للدهشة أنها تفتقر إلى ERC/TLER مما يجعل استخدامها في مصفوفات RAID أمراً مثيراً للتساؤل. بدون ERC يمكن النظر في استخدامها في RAID على أساس كل تطبيق على حدة حسب كيفية تعامل نظام RAID مع توقيت المحرك. مع تصنيف URE الممتاز، ستكون Velociraptor خياراً ممتازاً لمصفوفات RAID التكافئية الكبيرة عالية الأداء لكن فقط إذا تعاملت المصفوفة مع توقيت الأخطاء بطريقة سلسة، وإلا فإن خطر قيام المصفوفة بتصنيف المحرك على أنه معطوب مرتفع بشكل غير مقبول لمصفوفة بهذه التكلفة. تجدر الإشارة إلى أن محركات Velociraptor لا تأتي بسعات مماثلة لعروض محركات SATA الأخرى - فهي أصغر بكثير.

بالطبع المقارنة الأخيرة التي يجب إجراؤها هي في السعر. عند النظر في شراء المحركات لا سيما حيث تكون مصفوفات RAID الكبيرة معنية أو لاحتياجات التخزين الضخمة الأخرى، كثيراً ما تكون تكلفة المحرك الواحد عاملاً رئيسياً إن لم يكن العامل الحاسم. غالباً ما يوفر استخدام محركات أبطأ وأقل موثوقية في مستوى RAID أكثر موثوقية (كمحركات Red في RAID 10) مقابل محركات أسرع وأكثر موثوقية في مستوى RAID أقل موثوقية (كمحركات RE في RAID 6) مزيجاً أفضل من الموثوقية والأداء والسعة والتكلفة. تلعب أسعار المحركات الفعلية في العالم الحقيقي دوراً مهماً في هذه القرارات. هذه الأسعار، خلافاً لمواصفات المحركات، يمكن أن تتقلب يوماً بعد يوم وتُأثر في قرارات التخطيط بشكل مختلف لكنها بشكل عام تبقى مستقرة نسبياً في مقارنتها ببعضها البعض.

وقت كتابة هذا المقال في نهاية عام 2013، استطلاع سريع لأسعار محركات 3TB من WD يعطي هذا التوزيع التقريبي:

Green 120$
Red 135$
Black 155$
SE 204$
RE 265$

كما يتضح، يأتي القفز الرئيسي في الأسعار بشكل أساسي بين محركات الفئة الاستهلاكية أو فئة سطح المكتب ومحركات المؤسسات ذات معدلات URE الأفضل، مع وجود محركات Red وRE، كليهما مع ERC/TLER، في نسبة سعرية تقارب 2:1 تجعل لنفس السعة اختيار عدد أكبر من محركات Red في RAID 10 أفضل من عدد أقل من محركات RE في RAID 6 مثلاً. لذا فإن مقارنة عدد من العوامل جنباً إلى جنب مع الأسعار الفعلية الحالية في العالم الحقيقي أمر حاسم لاتخاذ كثير من قرارات الشراء.

المحركات الأحدث التي تُطلق للتو تبدأ في رؤية تخفيضات في ذاكرة التخزين المؤقت الداخلية للمحرك للأسباب ذاتها التي ذكرناها أعلاه - المحركات المصممة للاستخدام مع RAID لا غرض يُذكر لها من وجود ذاكرة تخزين مؤقت داخلية إذ يجب تعطيلها لأغراض تكامل البيانات.

يقدم صانعو المحركات اليوم مجموعة واسعة من خيارات المحركات التقليدية القائمة على المغزل لتلبية احتياجات مختلفة كثيرة. إن فهم هذه الخيارات يمكن أن يؤدي إلى موثوقية أفضل وشراء أكثر فعالية من حيث التكلفة وسيمد من نفعية تقنيات المحركات التقليدية في السنوات القادمة.