Эссе о жестких дисках компании Seagate

Вряд ли кто станет отрицать, что производительность и надежность компьютера теснейшим образом связаны с производительностью и надежностью его магнитных дисков (НЖМД). В связи с этим мы решили немного отойти от "архитектурного пуризма", характерного для нашей рубрики, и взглянуть, что творится на рынке НЖМД. А посмотреть есть на что: если долгое время мы радовались быстрому развитию микропроцессоров, темпы роста производительности которых опережали темпы роста производительности НЖМД, то сегодня стали свидетелями революционных изменений в технологиях НЖМД. Это связано, в частности, с быстрым распространением новых интерфейсов UltraSCSI, SSA и Fibre Channel, и соответствующих НЖМД. Крупнейший мировой производитель НЖМД - компания Seagate. И дело не только в объемах производства. Компания - один из технологических лидеров, быстро внедряющих в жизнь последние новинки. Так, например, она уже поставляет не только UltraSCSI, но и накопители на Fibre Channel. Рассмотрим детальнее лишь наиболее "продвинутые" семейства НЖМД компании Seagate - Elite, Barracuda и Cheetah.

Прежде чем обсуждать собственно НЖМД, позволю себе напомнить читателю о некоторых особенностях применяемых интерфейсов. В рассматриваемых моделях НЖМД применяются три типа интерфейсов - Fast SCSI-2, UltraSCSI и Fibre Channel. Наиболее важные для пользователя характеристики этих интерфейсов сведены в таблице 1. Следует подчеркнуть, что UltraSCSI и Fibre Channel - это не будущее, а уже настоящее. UltraSCSI-НЖМД можно установить даже в персональный компьютер. Поддержка UltraSCSI входит в "джентльменский набор" для современных рабочих станций RISC-архитектуры.

Таблица 1.
Основные характеристики дисковых интерфейсов.
Интерфейс
Макс. скорость передачи, Мбайт/с
Макс. число устройств
Макс. длина кабеля, м
SCSI-2, Fast
10
7
6/25(*)
SCSI-2, F&W
20
15
6/25(*)
UltraSCSI
20/40(**)
7/15
3/25(*)
Fibre Channel
100
126
30(***)
***Максимальное расстояние между НЖМД при использовании коаксиальног кабеля.

Использование интерфейса UltraSCSI, вдвое повышающего пропускную способность шины (см. таблицу 1), целесообразно, в частности, при работе с большими графическими изображениями (например в медицине), с современными приложениями Internet и т.д.

Если переход к UltraSCSI можно назвать эволюционным путем развития, то Fibre Channel (FC) - это кардинально новая технология. Строго говоря, то, что мы будем рассматривать ниже, называется Fibre Channel-Arbitration Loop (FC-AL). Кольцевая структура FC-AL, в отличие от шины SCSI, позволяет осуществлять горячую замену НЖМД, а расстояния между внешними устройствами при использовании коаксиальных кабелей могут составлять до 30 м. При использовании же действительно волоконно-оптического кабеля в одномодовом режиме расстояние от хоста до внешнего устройства может составлять до 10 км!

Кроме решения "больной" для SCSI проблемы расстояния (это реально так, поскольку большинство внешних устройств подсоединяется в однопроводном режиме - см. таблицу 1), FC-AL позволяет преодолеть и проблему ограничения числа внешних устройств на шине SCSI. Хотя F&W (т. е. 16-разрядный) SCSI-2 дает возможность иметь на шине до 15 устройств, подсоединение уже 3 четырехгигабайтных НЖМД Seagate Barracuda со скоростью передачи до 9 Мбайт/с (см. таблицу 2) способно "съесть" всю пропускную способность SCSI-шины. Аналогичная ситуация возникает и с UltarSCSI при использовании НЖМД Cheetah с пиковой скоростью передачи до 22 Мбайт/с. FC-AL имеет пиковую пропускную способность 100 Мбайт/с и позволяет подключать до 126 ВУ.

Таблица 2.
Основные характеристики НЖМД Seagrate.
Характеристика
Elite
Barracuda
Cheetah
Формфактор
5.25"
3.5"
3,5"
RPM
5400
7200
10033
Среднее Тз, мс
556
4.17
2.99
Емкость, Мбайт
9090
23200
4294
9100
9100
Кэш-память, Кбайт
1024
2048
1024
512.2048
1024(FC)
Внутр. скорость передачи, Мбит/с
44-65
86-124
47.5-72
80-124
122-177
Переход с дорожки на дорожку (R/W), мс
0.9/1.7
1.1/2.1
0.6/0.9
0.6/1.1
0.78/1.04
Среднее Ty (R/W), мс
11/12
13/14
8/9
8.8/9.9
7.5/8.5
8/9
Макс. Ty (R/W0, мс
23/24
28
17/19
19/20
18 (US); 19(FC)
Число пластин
14
14
11
10
4
8
Число головок R/W
27
28
21
20
8
16
Число секторов
17755614
45416616
н/д
н/д
8890080
17839344
Число цилиндров
4925
6882
3711
5274
6582
6582
Число сервоголовок
1
В
1
В
В
В
Метод записи
RLL(1,7)
PRML(0,4,4)
RLL(1,7)
PRML(0,4,4)
PRML(0,4,4)
MTFB, млн час
0.5
0.5
0.8
1
1
Интерфейсы
$(8,16)
US(8,16), FC
$(8,16), FC
US(8,16), FC
US(8,16), FC
$, US - Fast SCSI-2 и UltraSCSI соответственно (в скобках дана разрядность), А - чтение, W - запись, В - сервоголовки встроены. Остальные сокращения объяснены в тексте.

FC-AL целесообразно применять для обработки графической и видеоинформации, в файл-серверах, при построении дисковых массивов и в суперкомпьютерных приложениях. Из современных многопроцессорных суперкомпьютерных серверов, которые поддерживают протокол FC-AL, можно упомянуть, например, SGI Origin 2000.

Архитектура НЖМД Seagate

Архитектура ASA (Advanced SCSI Architecture) была предложена Seagate с целью повышения производительности работы ее НЖМД, особенно в многозадачном окружении. Seagate, справедливо посчитав, что у имеющегося (тогда) Fast SCSI-2 есть внутренние резервы и можно "подтянуть" производительность, не выходя за его рамки, разработала "стандарт" ASA для собственных НЖМД, включающий целый ряд интересных особенностей. В качестве примера устройств, поддерживающих ASA-II, можно назвать широко распространенные НЖМД Barracuda 2 (емкостью 2 Гбайт). Дальнейшее расширение ASA, ASA-II, ориентировано в первую очередь для применения при обработке аудио- и видеоинформации, в сетевых серверах и рабочих станциях. Применение ASA-II позволяет существенно увеличить производительность, однако это не отражается на формальных характеристиках НЖМД типа представленных в таблице 2. Поэтому остановимся на особенностях ASA-II подробнее.

Основная идея ASA-II связана с применением обработчика прерываний. В многозадачном окружении ВУ, поддерживающее ASA-II, во время выполнения "механических" операций типа установки головок способно одновременно выполнять некоторые другие операции. Такие возможности определяются тем, что время выполнения механических операций измеряется миллисекундами (мс), а электроника способна выполнять операции даже в наносекундном диапазоне. Поэтому во время механической операции ВУ может, например, декодировать следующую поступившую к нему команду (напомним, что SCSI-ВУ имеет встроенный контроллер).

Напомню, что в случае, если данные не находятся в кэш-памяти НЖМД, выполнение операции ввода-вывода включает, грубо говоря, три основные стадии: установку (seek) головок на нужный цилиндр, затем подвод под головку в процессе вращения нужного сектора и, наконец, передачу данных. Соответственно, основными характеристиками производительности НЖМД являются среднее время установки Ту (оно, естественно, зависит от числа цилиндров и т.п.), время задержки (подвода сектора) Тз и собственно (внутренняя) скорость передачи данных. Чем выше скорость вращения, измеряемая в RPM (оборотах в минуту), тем меньше Тз. В течение Ту и Тз электроника НЖМД с архитектурой ASA-II выполняет определенные "фоновые операции". Для этого поддерживаются очереди команд. Пожалуй, наиболее яркий пример такого подхода - сортировка установок. Пусть мне надо последовательно выполнить 3 операции чтения, скажем, с 1-го, 1024-го и 53-го цилиндров. НЖМД с ASA-II отсортирует эти операции, и чтение с 53-го цилиндра будет проделано до чтения с 1024-го, что существенно ускоряет обработку запросов.

Другой пример задач, решаемых электроникой в фоновом режиме - управление кэшем НЖМД. ASA-II поддерживает адаптивное кэширование, включающее динамическое определение размера сегмента кэша. Если выясняется, что ВУ может обрабатывать запросы более эффективно, разделив доступную кэш-память на более маленькие разделы, НЖМД сделает это. Затем, при необходимости, может быть выполнено дальнейшее порционирование сегментов кэша или, наоборот, их "укрупнение" и т.д. Для поддержания этой функции НЖМД проверяет "историю" запросов, для чего используется другая особенность ASA-II - протоколирование событий.

ASA-II может также адаптироваться к случайным установкам путем отключения функции предварительного чтения вперед (read look-ahead). Последняя осуществляет "спекулятивное" чтение вперед, даже если соответствующего запроса еще не было. Такой подход годится при последовательном чтении, но при этом требует много места в кэше НЖМД, и при случайном чтении ее целесообразно отключать. (Все рассматриваемые в статье НЖМД имеют мультисегментный кэш.)

Функция протоколирования событий ASA-II дает возможность запоминания информации об ошибках и других аномальных ситуациях. Хост может затем запросить эту информацию. Выполнение этой функции в фоновом режиме также повышает производительность.

С целью экономии на Тз НЖМД, поддерживающие ASA-II, начинают чтение данных с дорожки в кэш сразу после того, как завершилась установка, не дожидаясь подвода нужного сектора. Тогда, если понадобятся другие сектора данной дорожки (что вероятно при последовательном чтении), они могут уже оказаться в кэше НЖМД.

Другая важная особенность ASA-II - высокая скорость обработки соединений на шине SCSI. Несколько фаз, начиная от соединения до передачи команды и отсоединения от шины, для многих НЖМД требуют порядка 350 мкс, а для Seagate ASA-II - только 25 мкс. По утверждению специалистов компании, это самый лучший показатель в мире НЖМД.

Для поддержания эффективности работы в многозадачной среде в ASA-II предусмотрены дуальные "порты" (sequencer) НЖМД. Дисковый порт управляет передачей данных между диском (средой) и контроллером, а командный порт воспринимает команды от хоста. Дисковый порт может быть, например, занят передачей данных, а командный порт может при этом принять команду от хоста и начать ее предварительную обработку.

Растущая плотность записи привела к усложнению современных сервосистем, занятых позиционированием головок. От сервосистем требуется очень точное позиционирование, на которое влияют термические условия. При изменении последних требуется рекалибровка системы позиционирования. Это вызывает задержки, которые крайне нежелательны в мультимедийных приложениях, где необходима высокая поддерживаемая пропускная способность. Для решения этой проблемы в ASA-II НЖМД может отложить процесс термической калибровки для обработки запросов на передачу данных, а затем вернуться к выполнению калибровки.

Самые быстрые диски Seagate

Что касается собственно НЖМД, мы воспользуемся примером древнегреческих геометров, рисовавших чертеж и вместо доказательства произносивших - "смотри". Наш "чертеж" - это таблица 2; из нее все и явствует. Приведем некоторые общие данные, отсутствующие в таблице 2. Все диски имеют 512-байтные сектора, могут работать при температуре от 5 до 50?C (Elite емкостью 9 Гбайт - от 10 до 45?C) и дают в среднем 10 корректируемых ошибок на 1011 переданных битов данных, 10 некорректируемых ошибок на 1014 переданных битов и 10 ошибок установки на 108 установок. Срок гарантии на НЖМД - 5 лет. Рекомендую обратить особое внимание на среднее время между сбоями (MTBF), характеризующее надежность НЖМД.

Если диски серии Elite традиционно были нацелены на достижение максимальной емкости (сегодняшний рекорд - 23 Гбайт!), то популярные НЖМД Barracuda, имеющие 7200 оборотов в минуту, ориентированы на достижение максимальной производительности. Новейшая серия НЖМД Cheetah, имеющих скорость вращения уже свыше 10 000 RPM, стала сегодня лидером в области производительности. Поставки НЖМД Cheetah и устройств с интерфейсом FC намечены на этот год.

Пожалуй, известен только один минус НЖМД Barracuda - высокая рабочая температура. Из-за этого их нельзя было использовать в качестве внутренних в компьютерах, имеющих недостаточное для этого охлаждение, например, в рабочих станциях SGI Indy. При работе сразу нескольких таких дисков в общем внешнем корпусе, не обеспечивающем необходимое охлаждение, они подчас выходили из строя из-за перегрева. В более новых моделях НЖМД Barracuda тепловыделение было снижено.

Хорошие потребительские качества НЖМД Seagate снискали этой фирме заслуженное признание не только за рубежом, но и у наших пользователей. Кстати, взгляните - что за диск стоит в вашем компьютере?

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями