Zrozumienie linii napędów SATA Western Digital (2014)

Wybieram kategoryzację linii napędów SATA Western Digital z kilku powodów. Jednym jest to, że WD jest obecnie liderem rynkowym w dziedzinie wirujących dysków twardych, co sprawia, że kategoryzacja ta jest najbardziej przydatna dla największej liczby osób. Linia „oznaczona kolorami” jest, na podstawie dowodów anegdotycznych, zdecydowanie preferowaną rodziną napędów na rynku małych firm, gdzie diagnoza jest najważniejsza, a napędy SATA wykazują największą rozbieżność cech i parametrów, co czyni ich dogłębne zrozumienie bardziej koniecznym. Choć technicznie jedyną różnicą między napędem SAS (SCSI) a SATA (ATA), a nawet Fibre Channel (FC), jest wyłącznie protokół komunikacyjny używany do komunikacji z nimi, w praktyce napędy SAS i FC są produkowane wyłącznie w określonych, wysokoniezawodnych konfiguracjach i nie wymagają takiego samego stopnia skrutacji oraz nie niosą ze sobą tak ekstremalnego ryzyka jak napędy SATA. Zrozumienie oferty napędów SATA jest ważniejsze dla praktycznych, rzeczywistych potrzeb w zakresie przechowywania danych.

WD szczególnie ułatwiło zrozumienie swojej linii napędów SATA, dodając kody kolorów do większości oferowanych napędów SATA — tych uznawanych za napędy „konsumenckie” — oraz oznaczenie „E” dla swoich korporacyjnych napędów SATA, a także jeden wyjątek: wysokowydajne napędy Velociraptor, które starają się konkurować z wydajnością popularnych napędów SAS na kontrolerach SATA. Łącznie mają siedem rodzin napędów SATA do rozważenia, obejmujących pełne spektrum parametrów napędów. Choć ta diagnoza będzie dotyczyć łatwej do zrozumienia linii WD, porównując tutejsze parametry z ofertą innych producentów napędów, można też określić przypadki użycia ich napędów.

Rozważając napędy SATA, trzy kluczowe czynniki wyróżniają się jako najistotniejsze do wzięcia pod uwagę (poza ceną, oczywiście).

Wskaźnik URE: URE, czyli Unrecoverable Read Error (nieodwracalny błąd odczytu), to zdarzenie, które z pewną regularnością występuje w elektromechanicznych nośnikach dyskowych, gdzie jeden sektor nie może zostać odczytany. W autonomicznym dysku zdarza się to od czasu do czasu, ale zazwyczaj dotyczy tylko jednego pliku, a użytkownicy zazwyczaj postrzegają to jako utracony plik (często niezauważony) lub możliwe uszkodzenie systemu plików, które może lub nie może być łatwo naprawione. W zdrowych macierzach RAID (innych niż RAID 0) system RAID zapewnia mirrorowanie i/lub parzystość, które mogą pokryć ten błąd sektora i odtworzyć dane, chroniąc nas przed problemami URE. Gdy macierz RAID jest w stanie zdegradowanym, URE ponownie staje się potencjalnym ryzykiem. W najgorszym przypadku URE na zdegradowanej macierzy parzystości może w niektórych przypadkach spowodować całkowitą utratę macierzy (wszystkie dane są utracone). Dlatego uwzględnienie URE i jego implikacji przy każdym zakupie napędu jest niezwykle ważne i jest głównym czynnikiem wpływającym na różnicę kosztów między napędami różnych typów. URE waha się od najniższego poziomu 10^14 do najwyższego 10^16. Liczby są tak duże, że zawsze zapisuje się je w notacji naukowej. Nie będę tutaj szczegółowo wyjaśniać wskaźników URE, konsekwencji i strategii łagodzenia, ale zrozumienie URE jest kluczowe dla podejmowania decyzji o zakupie napędów, szczególnie w przestrzeni dużych pojemności i niższej niezawodności napędów SATA.

Prędkość obrotowa wrzeciona: Jest to jeden z największych czynników dla większości użytkowników — prędkość obrotowa wrzeciona bezpośrednio koreluje z IOPS i przepustowością. Choć pomiary prędkości napędu są w najlepszym razie dynamiczne, prędkość obrotowa wrzeciona jest najlepszym ogólnym sposobem porównania dwóch identycznych pod innymi względami napędów pod identycznym obciążeniem. Napęd 15 000 RPM dostarczy prawie dokładnie dwukrotnie więcej IOPS i przepustowości niż napęd 7200 RPM. Napędy SATA powszechnie dostępne są w wariantach 5400 RPM i 7200 RPM, z rzadkimi wysokowydajnymi napędami dostępnymi przy 10 000 RPM.

Error Recovery Control (ERC): Znany również jako TLER (Time Limited Error Recovery) w nomenklaturze WD, ERC to funkcja oprogramowania układowego napędu, która pozwala na konfigurowalne limity czasowe dla błędów odczytu lub zapisu. Może to być ważne, gdy dysk twardy jest używany w macierzy RAID, ponieważ obsługa odzyskiwania błędów często musi być realizowana na poziomie macierzy, a nie napędu. Bez ERC napęd jest bardziej podatny na błędne oznaczenie jako uszkodzony, gdy nim nie jest. Jest to najbardziej niebezpieczne w sprzętowych macierzach RAID z parzystością i ma różne stopnie skuteczności w zależności od parametrów poszczególnych kontrolerów RAID. Jest to ważna funkcja dla napędów przeznaczonych do użytku w macierzach RAID.

Oprócz tych kluczowych czynników, WD wymienia wiele innych dla swoich napędów, takich jak rozmiar pamięci podręcznej, liczba procesorów, średni czas między awariami itp. Mają one tendencję do bycia znacznie mniej ważnymi — szczególnie MTBF i inne liczby dotyczące niezawodności, gdyż mogą być łatwo zniekształcone lub błędnie interpretowane i rzadko oferują wgląd w niezawodność napędu, jakiego oczekujemy. Rozmiar pamięci podręcznej nie jest bardzo istotny dla macierzy RAID, ponieważ musi być wyłączona ze względu na integralność danych. Dlatego poza scenariuszami użytku na komputerze stacjonarnym rozmiar pamięci podręcznej dysku twardego jest generalnie uznawany za nieistotny. Liczba procesorów może być również myląca, ponieważ pojedynczy procesor może być potężniejszy niż dwa procesory, jeśli procesory nie są identyczne, a skuteczność drugiego procesora jest nieznana. Jednak WD wymienia to jako wyróżniającą cechę niektórych napędów i zakłada się, że istnieje mierzalny wzrost wydajności, najprawdopodobniej w redukcji latencji, poprzez dodanie drugiego procesora. Nadal jednak traktuję to jako trywialny czynnik, przydatny głównie jako ciekawostka, a nie czynnik decyzyjny.
Napędy.

Wszystkie napędy oznaczone kolorami (Blue, Green, Red i Black) mają jeden wspólny czynnik — mają „konsumencki” wskaźnik URE na poziomie 10^14. Konsumencki to słabe określenie, ale jest mniej więcej standardem branżowym. Lepszym opisem jest „klasa desktopowa” lub nadająca się do zastosowań RAID bez parzystości. Jedynym naprawdę nieodpowiednim zastosowaniem napędów URE 10^14 są macierze RAID z parzystością, choć nawet tam mogą mieć swoje miejsce, jeśli są właściwie rozumiane.

Blue: Napędy WD Blue to efektywnie bazowy model linii SATA. Obracają się przy „domyślnych” 7200 RPM, nie posiadają ERC/TLER i mają jeden procesor. Pamięć podręczna napędu waha się między 16 MB, 32 MB i 64 MB w zależności od konkretnego modelu. Napędy Blue są skierowane do tradycyjnego użytku na komputerach stacjonarnych — jako pojedyncze napędy o umiarkowanych charakterystykach prędkości, niezbyt odpowiednie do zastosowań serwerowych lub RAID. Napędy Blue to te, które „oczekuje się” w gotowych komputerach stacjonarnych. Napędy Blue straciły szeroko popularność i często nie są dostępne w większych rozmiarach. Napędy Black i Green w większości zastąpiły zastosowanie napędów Blue, przynajmniej w scenariuszach większych pojemności.

Black: Napędy WD Black to niewielki upgrade napędów Blue, zmieniający jedynie liczbę procesorów z jednego na dwa, aby nieznacznie poprawić wydajność, jednocześnie nie będąc tak opłacalnymi kosztowo. Podobnie jak napędy Blue, nie posiadają ERC/TLER i obracają się przy 7200 RPM. Wszystkie napędy Black mają pamięć podręczną 64 MB. Podobnie jak napędy Blue, napędy Black są najbardziej odpowiednie do tradycyjnych zastosowań desktopowych, gdzie napędy są autonomiczne.

Green: Napędy WD Green, jak sugeruje ich nazwa, są zaprojektowane do zastosowań o niskim zużyciu energii. Są najbardziej podobne do napędów Blue, ale obracają się przy wolniejszych 5400 RPM, co wymaga mniej energii i generuje mniej ciepła. Napędy Green, podobnie jak Blue i Black, są zaprojektowane przede wszystkim do autonomicznego użytku w komputerach stacjonarnych wymagających mniejszej wydajności napędu niż oczekuje się w przeciętnym komputerze stacjonarnym. Napędy Green okazały się bardzo popularne ze względu na niski koszt zakupu i eksploatacji. Zakłada się również, że napędy Green są bardziej niezawodne niż ich szybciej obracające się odpowiedniki ze względu na mniejsze zużycie wolniejszych wrzecion, choć nie jestem świadomy żadnych badań potwierdzających ten efekt.

Red: Napędy WD Red są wyjątkowe w „kolorowej” linii napędów WD, ponieważ oferują ERC/TLER i są zaprojektowane do użytku w małych macierzach RAID „dla użytku domowego” serwerów i urządzeń pamięci masowej (takich jak NAS i SAN). Pod maską napędy WD Red to napędy WD Green — wszystkie specyfikacje są takie same, w tym prędkość wrzeciona 5400 RPM — ale z włączonym TLER w oprogramowaniu układowym. Fizycznie są to te same napędy. WD oficjalnie zaleca napędy Red tylko do zastosowań konsumenckich, ale napędy Red, ze względu na niższe zużycie energii i TLER, okazały się niezwykle popularne w dużych macierzach RAID, szczególnie przy archiwizacji. Napędy Red, mające URE 10^14, są niebezpieczne do użytku w macierzach RAID z parzystością, ale doskonałe do lustrzanych macierzy RAID i naprawdę błyszczą przy archiwizacji i podobnych potrzebach przechowywania danych, gdzie kluczowa jest duża pojemność i niskie koszty operacyjne, a wydajność przechowywania nie jest zbyt ważna.

Poza napędami oznaczonymi kolorami, WD ma trzy rodziny napędów SATA, które są wszystkie uważane za korporacyjne. To, co mają wspólnego te napędy, to znacznie wyższy wskaźnik URE niż „konsumenckie” napędy oznaczone kolorami, wahający się od URE 10^15 do 10^16 w zależności od modelu. Najważniejszym wynikiem tego wskaźnika URE jest to, że te napędy są znacznie bardziej odpowiednie do użytku w macierzach RAID z parzystością (np. RAID 6).

SE: Napędy SE to podstawowe korporacyjne napędy SATA WD z wskaźnikami URE 10^15 i prędkościami wrzeciona 7200 RPM. Mają podwójne procesory i pamięć podręczną 64 MB. Co najważniejsze, napędy SE mają włączone ERC/TLER. Napędy SE są idealne do korporacyjnych macierzy RAID zarówno lustrzanych, jak i z parzystością.

RE: Napędy RE to wysokiej klasy standardowe korporacyjne napędy SATA WD, z identycznymi specyfikacjami jak napędy SE, ale z jeszcze lepszym wskaźnikiem URE 10^16. Napędy RE są głównymi graczami w strategii napędów RAID WD, będąc doskonałymi dla macierzy o bardzo dużej pojemności, nawet gdy są używane w macierzach z parzystością. Napędy RE są dostępne zarówno w konfiguracjach SATA, jak i SAS, ale z tą samą mechaniką napędu.

Velociraptor: WD Velociraptor to nieco dziwny członek kategorii SATA. Z URE 10^16 i prędkością wrzeciona 10 000 RPM, Velociraptor jest zarówno wysoce niezawodny, jak i bardzo szybki jak na napęd SATA, konkurując z popularnymi, głównymi napędami SAS. Co zaskakujące, Velociraptor ma tylko jeden procesor i, co jeszcze bardziej zaskakujące, brakuje mu ERC/TLER, co czyni go problematycznym do użytku w macierzach RAID. Bez ERC, użycie w RAID można rozważać indywidualnie, w zależności od tego, jak system RAID współdziała z timingiem napędu. Dzięki doskonałemu wskaźnikowi URE, Velociraptor byłby doskonałym wyborem dla dużych, wydajniejszych macierzy RAID z parzystością, ale tylko wtedy, gdy macierz obsługuje timing błędów w elegancki sposób — w przeciwnym razie ryzyko oznaczenia napędu jako uszkodzonego jest nie do zaakceptowania wysoko dla macierzy tak kosztownej jak ta. Należy zauważyć, że napędy Velociraptor nie są dostępne w pojemnościach porównywalnych z innymi ofertami napędów SATA — są znacznie mniejsze.

Oczywiście ostatecznym porównaniem, które należy wykonać, jest cena. Przy rozważaniu zakupów napędów, szczególnie w przypadku dużych macierzy RAID lub innych potrzeb masowego przechowywania danych, koszt na napęd jest często głównym, jeśli nie decydującym, czynnikiem. Użycie wolniejszych, mniej niezawodnych napędów w bardziej niezawodnym poziomie RAID (takich jak napędy Red w RAID 10) w porównaniu z szybszymi, bardziej niezawodnymi napędami w mniej niezawodnym poziomie RAID (takich jak napędy RE w RAID 6) często zapewnia lepsze połączenie niezawodności, wydajności, pojemności i kosztu. Rzeczywiste ceny napędów odgrywają znaczący czynnik w tych decyzjach. Ceny te, w przeciwieństwie do specyfikacji napędów, mogą wahać się z dnia na dzień i zmieniać decyzje planistyczne w różnych kierunkach, ale ogólnie pozostają względnie stabilne w porównaniu ze sobą.

W czasie pisania tego artykułu, pod koniec 2013 roku, szybki przegląd cen napędów 3TB od WD daje następujące przybliżone zestawienie:

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

Jak widać, skok ceny następuje przede wszystkim między napędami konsumenckimi lub desktopowymi a napędami korporacyjnymi z ich lepszymi wskaźnikami URE, przy czym napędy Red i RE, oba z ERC/TLER, mają stosunek cen prawie dokładnie 2:1, co przy równej pojemności sprawia, że korzystniejsze jest wybranie większej liczby napędów Red w RAID 10 niż mniejszej liczby napędów RE w RAID 6. Dlatego porównanie wielu czynników wraz z aktualnymi rzeczywistymi cenami jest kluczowe dla podejmowania wielu decyzji zakupowych.

Nowsze napędy, właśnie wchodzące na rynek, zaczynają widzieć redukcje wbudowanej pamięci podręcznej napędu dokładnie z tych powodów, które podaliśmy powyżej — napędy zaprojektowane z myślą o użytku w RAID mają mały lub żaden sens posiadania wbudowanej pamięci podręcznej, ponieważ musi być ona wyłączona ze względu na integralność danych.

Producenci napędów oferują dziś szeroką gamę tradycyjnych opcji napędów opartych na wrzecionach, aby sprostać wielu różnym potrzebom. Zrozumienie ich może prowadzić do lepszej niezawodności i bardziej opłacalnych zakupów oraz przedłuży użyteczność tradycyjnych technologii napędów w nadchodzących latach.