记得第一年工作的时候还在打工。我在中关村工作，接到了数百个540MB硬盘的订单。40MB到TB级别，从IDE、SCSI到SATA、SAS，我一直在关注硬盘领域的技术发展。希望这两个分享的内容能够对大家有所帮助：） 玩存储的朋友都知道，SSD固态硬盘使用闪存作为介质，所以不会像传统HDD硬盘那样出现机械故障。另一方面，闪存有一个P/E周期（program/erasecycle）的限制，即有写寿命，SLC/MLC/TLC的擦写次数有明显差异。那么，机械硬盘有读写寿命的问题吗？我想不是每个人都理解或关注这个问题。 了解不同硬盘之间的工作负载和可靠性差异，将有助于我们选择更合适的产品。5盘Nearline企业级硬盘，目前非充氦的极限密度为6盘。我们也会在本文后面讨论盘片数量、功耗和工作温度范围之间的关系。 横向对比：这么多种类的硬盘，你能认出来吗？目前硬盘行业整体营收受SSD的影响开始下滑，但未来几年仍会有可观的需求，尤其是大容量机型的性价比优势。而且，这个市场已经因为成熟而被细分。以希捷为例，只有3.5寸7200转及以下的硬盘衍生出了以下型号。 注：以上规格没有对照官方文档，仅供参考，后面补上自己整理的表格。其中，红框标出重点解释，篮筐部分代表有一定疑问的参数。 上表来自我几个月前看的一篇国外文章，总结了希捷硬盘的型号和规格。从左到右，Archive是SMR叠瓦磁记录的归档硬盘；Desktop就是普通的桌面硬盘；NASHDD适用于小型文件服务器/网络存储；视频3.5/2.5HDD针对消费类DVR视频应用进行了优化；监控专用用于视频监控；ENAS（EnterpriseNAS）适用于硬盘数量多的高端网络存储设备；ECAP（EnterpriseCapacity，原ConstellationES系列）是传统的Nearline硬盘。 此外，企业级硬盘市场的另一大厂商WD-HGST也拥有比较庞大的产品线，其特点是基于HGST的数据中心产品，如视频/流媒体、NAS应用等.更多在WD品牌下。本文首先使用希捷进行对比分析。 上表继承了上表的部分数据，引用了官方资料，部分是我自己计算的。标记为红色表示该指标优良。 在这张表中，我添加了两个对比产品系列：ConstellationCS（云盘）和高速10KSAS。其中，云盘现在官网上是买不到的，应该只能发货给互联网等大客户；硬盘规格仅供参考。 ConstellationCS“云盘”及其衍生低速版Terascale，其MTBF和AFR接近台式机硬盘。这恰恰印证了本文开头案例中提出的问题。 如果脱离了用户需求，谈任何参数都是没有意义的。下面是我遇到的几个实际案例。 案例一：备份数据量和硬盘选择去年的一天，一个互联网公司的朋友问我一个问题：他们现在的服务器大多是DellPowerEdgeR510和R720xd，现在需要采购硬盘用于数据备份。平均而言，每天写入每个硬盘的数据不到1TB。在这个场景下，每天都有大量的数据写入和读取。对磁盘寿命影响大吗？ 由于是企业级应用，按365天计算，硬盘每年的读写负载约为360TB，我觉得原装配件中的Nearline硬盘更合适。那么这个结论是怎么得出的呢？ 案例2：视频监控存储可以用“云盘”吗？计算了成本，发现价格与竞争对手相比没有优势。由于对方使用的是价格相对较低的监控硬盘，公司考虑是否可以使用企业级但成本较低的“云盘”（即希捷ConstellationCS）？ 这个问题先放一边，看完这一系列的文章，相信你会有更全面的认识，再看看我遇到的另一个案例。 案例三：价格便宜——云盘故障率曾经听说国内某互联网公司用了一批“云盘”，后来遇到了故障率高的问题。“云盘”的价格仅略高于台式机硬盘，在各种细分的低速（7200rpm及以下）企业级硬盘中具有成本优势。那么，它的故障率在什么范围内才算正常呢？ Enterprisevs.Desktop:Performance,ReliabilityGap引自Intel的文档《Enterprise-class versus Desktopclass Hard Drives》，2008年4月 上图是较早前的对比资料，但机械硬盘技术的发展并没有快过年，所以还是有一定的参考价值的。其中，这里的“企业”指的是15K高速企业级硬盘；而7200转的企业级硬盘源自“桌面”，所以性能指标接近。 ***项，硬盘的延迟和寻道时间=平均寻道时间+平均旋转等待，15K由于旋转速度快，磁头臂移动速度快，所以有较大的超前；并且此项直接影响以下“TypicalI/Ospersecond”（无旋转振动的IOPS）。当然，这里的15K硬盘的319并不完全是机械结构的原因，还有上面命令队列（CQ）的作用——左边可以完全支持SCSI/SAS协议，而ATA支持上右侧有限，在高并发情况下提升较小（注：7200-rpmNearline硬盘寻道速度较快时，该值应高于77）。 1震动对硬盘的影响及预防接下来就是抵抗旋转震动的能力了。15K硬盘可达21rad/sec/sec。这里的Radian应该是弧度单位的一种。我不是这方面的专家，所以我不会在这里讨论。台式机硬盘的索引只有5-12（根据本文后面列出的数字，7200转的企业级硬盘也在这个范围内）。 正如专家所说，如果将硬盘固定在足够稳固的底座上，它就不会受到自身和外界震动的影响，能够发挥出最佳的性能和寿命。但真实环境往往不是这样。存储服务器/磁盘阵列机箱中通常有多个硬盘，同时工作时难免会发生共振。这里涉及的因素主要包括硬盘的速度、数量和结构设计。 很多朋友应该都知道，磁盘阵列的空重往往比同尺寸的服务器要大很多，采用更厚的钢板可以“吸收”一部分震动。虽然不止一家厂商声称可以混用不同速度的硬盘，但实际上并不推荐这样做。 过度的振动会影响磁头的定位，导致硬盘性能下降，甚至寿命缩短。防旋转振动基本上是伺服电路根据传感器信息补偿振动。10K、15K高速硬盘自身产生的震动更强，所以在设计上“容忍度”也更强。如上表所示，在20rad/sec/sec的旋转振动条件下，15K硬盘的IOPS仅略有下降；而台式机（7200转）硬盘的性能下降了10倍以上，可见磁头定位的难易程度。 下面的“双工模式”，SAS支持全双工，SATA是半双工，这是SCSI和ATA协议的区别。SAS硬盘驱动器提供双端口，可以同时连接到两个控制器以实现故障转移。关于可变扇区大小，我们稍后再讨论。 2可靠性前提和NL硬盘的由来我们再来看看可靠性。高速企业级硬盘的MTBF（平均故障间隔时间）约为120万小时。现在，由于技术的进一步成熟，设计/制造标准已普遍达到200万小时。而台式机硬盘还停留在70万小时左右，没有动力也不需要为此增加成本。 这里容易忽略的是MTBF的前提条件。高速企业级硬盘，环境温度45℃，7x24小时100%工作负载；而台式机硬盘在25°C的环境下，10-20%的工作负载5x8小时。 以上截图来自《Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD v5 Serial ATA Product Manual》 。同样是7200转，但是面向企业应用的Nearline（近线）硬盘要比台式机硬盘可靠得多。首先是MTBF和AFR（平均故障率）。目前大部分Nearline磁盘都可以达到140-200万小时的MTBF，这个数据是在40℃、全年7x24小时连续启动的条件下得出的。 注：后面会介绍MTBF和AFR的换算关系。这张照片来自我2004年做服务器测试时做的MaxLinePlusII近线硬盘的技术规格，7200转的ATA接口250GB在那些年也算是大容量了，硬盘的存储密度10年间增长了近20倍。当时100万小时的MTBF明显高于台式机硬盘（同期约60万小时）。照片不够好还望大家多多包涵:) 记得第一款Nearline硬盘是迈拓的MaxLine系列推出的。当时根据经验，建议近线硬盘不要超过工作负载的20%。如果故障率超过这个水平，故障率就会超标。经过十多年的发展，硬盘厂商做了大量的分析和统计工作，认为读写数据量是一个比较合适和容易量化的指标。根据本文开头的两个表格，目前业界一致认为Nearline硬盘的工作负载为550TB/年。如果明显超过，故障率会增加。 小知识：硬盘读写负载与SSD擦写寿命关于这一点，除了硬盘是一个推荐值，SSD有一个“硬指标”外，一方面，SSD只有有限的擦写次数次数和不限制读取，同时硬盘不读写是必须要考虑的；另一方面，SSD的寿命来自于每个闪存单元的特性，相同条件下可写入的数据量与容量成正比；而硬盘并不是容量越大越好，因为磁头的老化与其读写的数据量有更强的相关性。 当然，10K/15K高速硬盘在质保期内没有这些限制，所以档次不同，每盘容量和单位容量的价格也有明显的差距。 3环境规格——温湿度范围上图引用自《HGST Hard Disk Drive Specification - Ultrastar 7K6000》 这里是一份HGST硬盘资料中的环境规格。有两个相似的梯形（右边不是直线）嵌套在一起，大面积是硬盘的非工作温度和湿度范围，里面的小面积是工作温度和湿度。可以看出在5-31°C之间可以支持90%的相对湿度，但是在60°C时只能支持10%的相对湿度。 只有少数低速（10K以下）企业级硬盘带有湿度传感器。本文包括数据中心的三个系列：归档、ENAS和企业容量。 4MTBF不是虚标：年平均故障率可用性换算，除了Video3.5的AFR值，其他列出的都是MTBF。使用MTBF计算AFR的公式如下： 年平均故障率AFR=1/(MTBF/365/24) MTBF看起来很高，上表最长200万小时（8TB机型，目前希捷6TB及以下Nearline硬盘为140万小时）相当于228年，最短的75万小时为85年。其实它们的设计寿命并没有那么长（一般是8-10年），从温彻斯特硬盘的发明到现在没有那么多年。这些可靠性不是针对单个硬盘，而是在保修期内根据大量样品进行计算和统计的。记得十多年前，我所在的公司有一位孙老师。她主持的10万小时PCMTBF测试是在多台设备上进行的。根据上面的公式计算出EnterpriseCapacity的AFR为0.44%，也就是说100个磁盘平均每年损坏0.44个磁盘，如果10000个磁盘损坏就是44个磁盘。 读写负载、使用率、支持盘数，台式机硬盘最好。除了表中的以外，都支持7x24连续开机，桌面硬盘官方建议只配置1-2块盘。换句话说，它没有针对抗旋转振动进行优化。如果您实际使用超过3个磁盘进行RAID，您可能会遇到性能下降和寿命缩短的问题。 EnterpriseCapacity（ES）年读写负载550TB，ENAS300TB，其余4款180TB——远高于桌面硬盘的55TB。可能这些数字不够直观，后面我们会用到它们来简单计算每天和每秒的平均读写负载。 至于机箱支持的硬盘数量，直接关系到另外两个规格——旋转振动传感器和抗旋转振动耐受性。例如，没有RAFFSensor、NAS、Video3.5硬盘的台式机支持小系统规模；监控和归档硬盘驱动器具有RAFF传感器和5弧度/秒/秒的抗振指数。根据***资料，他们可以支持8个以上的配置；然而，在12.5弧度/秒/秒的高振动环境中，它们的性能可能不如ENAS和EnterpriseCapacity。我将在本文后面列出更多引用。 关于硬盘转速，两款7200转的表现都比较不错；希捷目前主流的台式机硬盘应该都是7200转的，早期的低速BarracudaLP应该已经退出市场；Video3.5由原来的PipelineHD发展而来，一直是5900转；监控盘是从7200转的SV35发展过来的，现在4TB及以下应该降到5900转，5-8TB的型号降到7200转。
