東芝企業(yè)級MG09 16TB HDD的參數(shù)配置

以下文章來源于存儲隨筆，作者古貓先生

一、引言

前段時間，小編結(jié)合網(wǎng)友的提問，寫了一篇關(guān)于固態(tài)硬盤SSD斷電數(shù)據(jù)保存的文章（斷電的固態(tài)硬盤數(shù)據(jù)能放多久？），一經(jīng)發(fā)布引起數(shù)碼圈的熱議，文章超過8萬+閱讀量，上百條留言討論。

小編發(fā)現(xiàn)，原來很多人都不知道固態(tài)硬盤SSD有斷電保存的風險。在這里再強調(diào)下在JEDEC存儲規(guī)范中，對固態(tài)硬盤SSD有斷電數(shù)據(jù)保持的時間要求：

消費級SSD要求在30度環(huán)境下斷電存放，數(shù)據(jù)至少保持1年

企業(yè)級SSD要求在40度環(huán)境下斷電存放，數(shù)據(jù)至少保持3個月

有同學看到這個信息，嚇得趕緊打開塵封已久的SSD，來了一波回憶殺。在這里小編再次建議：重要數(shù)據(jù)記得備份！重要數(shù)據(jù)記得備份！重要數(shù)據(jù)記得備份！

機械硬盤好像已經(jīng)遠離大家視野，組裝電腦都是拼速度，選用固態(tài)硬盤，而且現(xiàn)在PCIe 4.0/5.0的速度更是讓大家享受著速度的激情！通過這個話題，又引起了大家對機械硬盤的關(guān)注。

在這個數(shù)字宇宙膨脹的時代，機械硬盤（HDD）這位老將雖然面對固態(tài)硬盤（SSD）新秀的風馳電掣，卻依舊笑而不語，穩(wěn)坐釣魚臺。你可能會問：“在速度與激情并重的今天，慢條斯理的HDD憑什么還能占有一席之地？”

HDD以“海量不貴”的姿態(tài)傲視群雄，特別是當你需要備份整個銀河系的數(shù)據(jù)時（夸張了點，但你懂的），HDD的性價比讓你的錢包笑得比誰都燦爛。相比之下，SSD雖快，但價格就像火箭發(fā)射，讓人直呼“高攀不起”。機械硬盤的最大優(yōu)勢之一在于其單位存儲成本相對較低。隨著技術(shù)的進步，單塊HDD的容量已經(jīng)突破了20TB甚至更高，且每GB的成本遠低于同等容量的SSD。

其次，談到數(shù)據(jù)備份，HDD可是出了名的“耐得住寂寞”。它就像是個忠實的老管家，默默無聞地守護著你的陳年往事（數(shù)據(jù)），哪怕你多年后想找回那封塵封的情書，HDD依然能幫你從記憶深處挖出來。不像某些“閃存貴族”（SSD），一旦長時間斷電，數(shù)據(jù)可能就“閃”沒了。

HDD這位老兵，雖然動作慢，但在各種惡劣環(huán)境下都證明了自己的耐用性。機械硬盤通過磁記錄方式存儲數(shù)據(jù)，理論上具有更長的數(shù)據(jù)保存期限。對于需要長期歸檔的數(shù)據(jù)而言，HDD提供了更為可靠的存儲選項。如果設(shè)備遭遇不測，HDD相對更容易能找回丟失的寶藏。SSD雖然速度快，但在數(shù)據(jù)恢復方面，如果故障后想要找回數(shù)據(jù)，機會渺茫。

機械硬盤與固態(tài)硬盤的共存，就像老頑童與新潮少年的搭檔，各有千秋，相得益彰。在這個數(shù)據(jù)爆炸的年代，它們一個快如閃電，一個沉穩(wěn)如山，共同守護著我們這個數(shù)字世界的點點滴滴，讓信息的海洋既波瀾壯闊，又井然有序。

二、機械硬盤HDD推薦

今天給大家推薦兩款東芝企業(yè)級16T HDD，分別是MG08 16T（MG08ACA16T) 和MG09 16T（MG09ACA16T），東芝MG08/MG09系列16TB硬盤通過采用充氦密封設(shè)計、成熟穩(wěn)定的記錄技術(shù)、高轉(zhuǎn)速、高年寫入量等特性，在可靠性方面表現(xiàn)出色。

東芝的MG08系列采用了更為精準的雙讀頭(TDMR)技術(shù)，而MG09系列在此基礎(chǔ)上更引入了FC-MAMR（微波輔助磁記錄）技術(shù)。充氦密封設(shè)計減少了內(nèi)部氣流摩擦，這意味著磁頭在讀寫過程中遇到的阻力更小，可以降低能耗并提高效率。充氦密封設(shè)計允許更密集的盤片布局，從而在不增加物理尺寸的情況下提高存儲容量。

本文我們就結(jié)合這兩款盤的參數(shù)配置，深入探討下HDD性能和穩(wěn)定性的幾個關(guān)鍵因素！

1. 可靠性關(guān)鍵指標

首先，東芝MG系列是企業(yè)級HDD，可靠性相對個人客戶或監(jiān)控盤都有很大的區(qū)別。跟可靠性相關(guān)的主要參數(shù)包括MTBF、UBER（也就是不可修復錯誤率）、年化工作負載。

(1) MTBF(Mean Time Between Failures，平均無故障時間)原理

MTBF是電子產(chǎn)品可靠性的一種基本參數(shù)，在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，產(chǎn)品的總運行時間與故障總次數(shù)之比。它通常用于評估產(chǎn)品的可靠性水平。

MTBF的原理基于概率統(tǒng)計的基礎(chǔ)，它假設(shè)產(chǎn)品的故障符合指數(shù)分布，即故障率是恒定的。評估MTBF時，通常在電子產(chǎn)品“浴盆曲線”中的平穩(wěn)期，是指設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)生兩次故障之間的平均時間，通常以小時為單位。

AFR（Annual Failure Rate，年化故障率）是指一年內(nèi)設(shè)備故障的概率。它的計算公式為：AFR=總故障次數(shù)/總工作時間×100%。

將MTBF和AFR的計算公式結(jié)合起來，可以得到它們之間的換算關(guān)系：

AFR=24小時*365天*1/MTBF×100%

例如，如果一塊硬盤的MTBF為250萬小時，則它的AFR為：

AFR=24 x 365 x 1/(250萬小時) x 100%≈0.35%，表示每10000塊硬盤同時7x24小時連續(xù)工作平均每年故障35塊。

(2) UBER（Uncorrectable/UnrecoverableBit Error Rate）概念

如果文件損壞，常見可能是發(fā)生了Media Error，這就得先了解下UBER的定義。UBER是指硬盤在應(yīng)用了所有特定的錯誤糾正機制后依然無法修復的每比特讀取的數(shù)據(jù)錯誤數(shù)量占總讀取數(shù)量的比例。

UBER是表征數(shù)據(jù)讀取過程數(shù)據(jù)出錯的概率，企業(yè)級HDD UBER行業(yè)標準是1E-15，也就是說，HDD每讀取114TB的數(shù)據(jù)有可能發(fā)生一個bit的錯誤。在可靠性評估過程中，我們還會使用一個9's量級的參數(shù)來體現(xiàn)耐久性，比如HDD的UBER是1e-15，也就是在讀取10^15bit中，有一個錯誤。以4K扇區(qū)硬盤為例，換算出10^15bits/（4096bytes*8bits/byte）=3.05E+10, 我們就稱這個是10個9的耐久性

所以，由于硬件本身的特性，硬盤雖可靠性頗高，但是不可避免完全不出現(xiàn)錯誤，再次提醒大家，重要數(shù)據(jù)要記得數(shù)據(jù)備份。

當然，Media Error在企業(yè)級和消費級使用場景都是非常常見的故障模式，硬盤會有大量預留的空間用于壞塊替換，此時硬件本身并未出現(xiàn)嚴重損傷，也不必看到壞塊出現(xiàn)恐慌，類似于硬盤“偶感風寒的小感冒”。

企業(yè)級分布式存儲，通常采用多副本備份機制，確保數(shù)據(jù)在多個位置存儲，從而提高數(shù)據(jù)的可靠性和容錯能力。定期進行數(shù)據(jù)的一致性校驗，通過checksum校驗等方法檢測數(shù)據(jù)的完整性，并及時修復發(fā)現(xiàn)的問題。

此外，另外一種方式，是使用RAID卡等硬件設(shè)備，利用RAID技術(shù)提供數(shù)據(jù)冗余，當單個硬盤出現(xiàn)media error時，可以通過RAID的校驗信息進行數(shù)據(jù)恢復。

(3) 工作負載率限制 (WRL)

工作負載率限制 (Workload Rate Limit, WRL) 是一種衡量硬盤工作強度的方法，它可以幫助判斷硬盤的工作負載是否在其設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)。如果工作負載符合設(shè)計預期，則硬盤的年度失效率 (AFR) 可以保持穩(wěn)定；反之，如果超出預期，則硬盤的故障概率會增加。

不同類型的硬盤具有不同的WRL值：

企業(yè)級硬盤：通常設(shè)計承受每年300TB至550TB的工作負載。

特殊用途硬盤（如NAS、歸檔、視頻和監(jiān)控系列）：每年的設(shè)計工作負載為180TB。

客戶端硬盤（桌面和筆記本電腦硬盤）：每年的工作負載限制為55TB。

無論是在使用的第一個月內(nèi)達到WRL還是在一年內(nèi)逐步達到，只要不超過WRL，硬盤的故障率就不會加速增長。當實際的年化工作負載超過硬盤的WRL時，硬盤的可靠性會下降，故障率也會大幅提升。

在評估硬盤可靠性時，還需考慮環(huán)境條件的影響：

如果存儲設(shè)備溫度過高，即使在WRL范圍內(nèi)運行，其故障率也會比符合制造商規(guī)格的設(shè)備更高。

在振動較大的環(huán)境中使用硬盤（例如，在高度活躍的機箱內(nèi)）也會影響硬盤的性能和可靠性。

講完前面的原理分析，大家再來看看MG09與視頻監(jiān)控盤的可靠性對比數(shù)據(jù)：

MTTF：企業(yè)級MG09是250萬小時，監(jiān)控級別盤是100萬小時，企業(yè)級是監(jiān)控級別盤的2.5倍

UBER：企業(yè)級MG09是1*10^-15, 監(jiān)控級別盤是1*10^-14，相差一個數(shù)量級。

年化工作負載：企業(yè)級MG09是550TB/年，監(jiān)控級別盤是180TB/年。

MG08/MG09可靠性數(shù)據(jù)：

傳統(tǒng)視頻監(jiān)控使用盤的可靠性數(shù)據(jù)：

從可靠性角度來看， MG08/MG09 16TB HDD作為是作為數(shù)據(jù)備份很不錯的一個選擇，因為是企業(yè)級標準，比普通的HDD可靠性要高很多。

2. 性能關(guān)鍵指標

談到HDD，性能這塊是不能跟SSD相比了，也不是HDD擅長的點。我們這個部分，重點是測試基本性能跟官網(wǎng)SPEC相比，并討論測試性能過程中要關(guān)注的幾個方面：

(1) 基本性能

首先，看下官方宣稱數(shù)據(jù)：

MG08 16T：write buffer寫緩存 512MiB，順序最大的性能262MiB/s。

MG09 16T：write buffer寫緩存同樣是512MiB，順序最大的性能268MiB/s。

針對基本性能測試（512e，F(xiàn)IO測試配置：QD=16，Write Cache寫緩存關(guān)閉）發(fā)現(xiàn)：

128K順序讀寫：相比MG08，MG09順序讀寫性能均有小幅度的提升

4K隨機讀寫：相比MG08，MG09隨機讀差異不大，隨機寫部分性能提升很大

(2) Write Cache寫緩存影響

寫緩存（Write Cache）是一種用于提高硬盤寫入性能的技術(shù)。它的工作原理是將要寫入硬盤的數(shù)據(jù)暫時存儲在一個高速緩存中，而不是立即寫入到硬盤的磁盤表面。數(shù)據(jù)在緩存中可以得到重新排序，以更順序的方式寫入到磁盤表面，這樣做的好處是可以顯著減少硬盤磁頭移動次數(shù)，加快數(shù)據(jù)處理速度。同時一定程度上也可利用硬盤空閑時間來完成寫緩存中的數(shù)據(jù)寫入磁盤的動作，以便更快的響應(yīng)主機的其它指令。

Write Cache打開狀態(tài)：

當寫緩存打開時，數(shù)據(jù)首先被寫入到緩存中，隨后再異步地寫入到磁盤。這種方法大大提高了寫入性能，因為緩存的速度遠高于磁盤寫入的速度。

缺點是如果在數(shù)據(jù)完全寫入磁盤之前發(fā)生電源故障，可能會導致數(shù)據(jù)丟失。

Write Cache關(guān)閉狀態(tài)：

在寫緩存關(guān)閉的情況下，每次寫入請求都會直接寫入磁盤，這保證了數(shù)據(jù)的安全性，因為即使發(fā)生電源故障，數(shù)據(jù)也不會丟失。

缺點是寫入性能較低，尤其是對于頻繁的小文件寫入操作，每次寫入都需要等待磁頭移動到位，增加了延遲時間。

不過，東芝HDD有個優(yōu)勢就是，盤內(nèi)部采用了Persistent Write Cache Technology（持久寫緩存技術(shù)），在寫緩存關(guān)閉的情況下也可最大限度的實現(xiàn)和寫緩存打開狀態(tài)下相當?shù)膶懭胄阅堋?/p>

通常，在測試過程中，Write Cache寫緩存的打開或者關(guān)閉，對HDD隨機寫性能產(chǎn)生較大影響，如下實際測試對比分析發(fā)現(xiàn)，東芝這兩個盤MG08/MG09 Write Cache寫緩存的打開或者關(guān)閉，對隨機寫影響很小，說明東芝在這部分有相應(yīng)的優(yōu)化，最大限度抹平了關(guān)閉寫緩存對性能的影響。

(3) 測試范圍對讀寫性能的影響

在使用FIO測試過程，通常有一項關(guān)于測試范圍（--size）的設(shè)置，比如這個以下fio測試中size設(shè)置10G，也就是代表在10G范圍進行隨機讀。

[global]
ioengine=libaio    # 使用異步 I/O 引擎
direct=1           # 直接 I/O，繞過操作系統(tǒng)緩存
numjobs=1          # 并發(fā)任務(wù)數(shù)量
iodepth=16         # I/O 深度
runtime=300        # 測試運行時間（秒）
time_based         # 基于時間的測試
randrepeat=0       # 不重復隨機種子
bs=4k#數(shù)據(jù)塊大小
rw=randread        # 隨機讀操作
size=10G           # 文件大小
filename=/mnt/testfile # 測試文件路徑
group_reporting    # 以組的形式報告結(jié)果
name=random_read   # fio測試名稱

在HDD性能測試中，這個測試范圍對性能也有很大的性能影響，需要重點關(guān)注。根據(jù)實際測試對比數(shù)據(jù)如下：

4K隨機寫（WCD寫緩存關(guān)閉）：測試范圍影響差異不是很大

4K隨機讀：測試范圍影響非常明顯，比如MG09全盤隨機讀IOPS=170，在10%范圍的隨機讀IOPS可以達到306，性能測試超過80%。

這個影響的原理是HDD尋道時間的影響。HDD 尋道時間，即磁頭移動到正確磁道所需的時間。

在全盤范圍內(nèi)進行隨機讀寫時，磁頭需要頻繁地從磁盤的一端移動到另一端，這會導致較高的尋道時間。

相比之下，當只測試硬盤的10%時，磁頭的移動范圍大大減小，這減少了尋道時間。

(4)4K測試對齊的性能影響

當前市面主流的硬盤格式為512e, 即硬盤的邏輯扇區(qū)大小為512字節(jié)，但物理扇區(qū)大小為4k字節(jié)，如果文件系統(tǒng)或分區(qū)未進行4K對齊，則每次讀寫操作可能跨越多個物理扇區(qū)，導致不必要的額外讀寫操作，降低了效率。4K對齊可以減少硬盤尋道時間和等待時間，從而改善整體響應(yīng)時間，使系統(tǒng)啟動和應(yīng)用程序運行更快。

如下實際測試數(shù)據(jù)分析對比數(shù)據(jù)顯示：

隨機寫：對于MG08/MG09兩款盤，影響基本差不多。非4K對齊時，隨機寫性能影響非常大，比如MG09，4K對齊時，4K隨機寫IOPS=473，非4K對齊場景，4K隨機寫IOPS只有258，基本跌了45%

隨機讀：從MG08/MG09兩款盤測試來看，非4K對齊對隨機讀基本沒有太大影響

綜上所述，無論是從可靠性還是性能的角度來看，MG08和MG09系列硬盤都是值得信賴的選擇。