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7f805ef1486f29f5dbd64dfb015ac276 傳統硬碟若要增加資料儲存密度,可以往增加內部碟片數量與磁錄密度著手,前者牽扯到運作廢熱與讀寫頭飛行穩定性問題,目前以填充氮氣方式獲得良好的改善,後者可以改用 SMR 疊瓦式紀錄,卻需要更多心力處理相關問題;Toshiba 推出第七代企業級容量型硬碟,以 CMR 紀錄避免寫入效能不穩定。

SMR 寫入程序繁複

在不擴建機房的前提之下,若是想要增加儲存容量,就只能從提升儲存密度著手。 SMR(Shingled Magnetic Recording)疊瓦式磁紀錄在過去數年的現場應用,已被證實為有效提升儲存密度的方法之一,透過重疊部分寫入磁軌達成更緊密的磁軌密度,相較傳統寫入方式可以提升 25% 以上的儲存資料量。

但也由於寫入時重疊部分磁軌,必須將多個磁軌組合成 1 個帶(band),若此帶部分區域需要更動,需要將整個帶的資料讀出,變更資料後再以帶為單位全部寫入。此種寫入作業對於隨機寫入延遲影響甚鉅,讓需要機械式移動操作的傳統硬碟更不適合隨機作業。目前可以利用隨機作業循序排列化,或是硬碟內部規劃一部分傳統寫入區,先行將資料寫入至 CMR 紀錄區,待空閒時再將資料移至 SMR 紀錄區等方式降低效能衝擊。

由於 SMR 的此種特性,比較適合做為 WORM(Write Once Read Many)應用或是冷儲存,若要往更高的儲存層級進攻較為困難。Toshiba 利用自家對於小型化硬碟機構的認知,推出包含 9 張碟片 18 顆讀寫頭的 MG07ACA 系列 14TB 版本,利用氦氣填充克服碟片數量增加帶來的相關挑戰,紀錄方式依然採用傳統 CMR,因此適合近線儲存應用。

Toshiba MG07ACA 14TB 規格

  • 產品型號:MG07ACA14TE
  • 外觀形式:3.5吋/半高
  • 介面速度:SATA 6Gb/s
  • 轉速:7200RPM
  • 容量:14TB
  • 磁頭載卸次數:600000
  • 年負載量:550TB
  • 不可復原讀取錯誤:<10 per 1016 bits
  • 電源需求:5 V DC +10%/-7%,12 V DC ±10 %
  • 其它:2500000hrs MTTF、氦氣填充

使用 CMR 紀錄的 14TB 填氦硬碟

MG07ACA 為 Toshiba 替資料中心近線應用所推出的第七代 3.5 吋規格產品,並推出 12TB 與 14TB 容量,其中 14TB 容量版本整合 9 片磁錄碟片,為業界首款整合如此多碟片的 3.5 吋產品。透過填充氦氣,讀寫頭在碟片上的「飛行」狀態能夠更為穩定,提升磁軌定位時的精度,同時也比一般空氣阻力小,降低運作耗電量。

而為了在 3.5 吋半高尺寸內部放入 9 張碟片,Toshiba 借鏡自家 2.5 吋產品線組裝經驗,減少碟盤厚度以及碟盤間距,因此讀寫驅動臂和印刷電路板零組件需要重新設計,金屬封裝外殼也是如此,並以高精密度組裝與雷射焊接工藝密封,避免氦氣溢出導致產品無法運作。

穩定寫入效能!傳統 CMR 紀錄 Toshiba MG07ACA 14TB 3.5 吋填氦硬碟實測
▲受測產品完整型號為 MG07ACA14TE,為整合 9 張碟片的 14TB 版本,採用 CMR 記錄方式。

穩定寫入效能!傳統 CMR 紀錄 Toshiba MG07ACA 14TB 3.5 吋填氦硬碟實測
▲硬碟外部的資訊貼紙標示,+12V 和 +5V 需要 0.75A 和 0.7A,對比非填氦傳統硬碟耗電量大幅下降,儲存格式為 512e。

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▲內部填充氦氣並以雷射焊接,側邊依然安排完整螺絲鎖孔未省略,能夠相容大多數安裝空間設計。

MG07ACA 系列封裝 9 張碟片版本,每張碟片厚度縮減至 0.635mm,前一代則是採用 0.8mm 厚度,同時縮減碟片間距離,達成整合 9 張碟片的目標。與此同時,填充氦氣和高精度組裝也可以帶來降低耗電量的效果,對比前代,每 TB 耗電量下降 40%,對於高密度佈建的資料中心而言可省下 1 筆不小的持續運作成本。

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▲傳輸速度相容 SATA 6Gb/s、3Gb/s、1.5Gb/s,介面雖然採用 SATA 3.3 規範,並未在第三接腳安排 PWDIS 功能,因而相容過往的電源供應器或是抽取盒。

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▲電路板反裝,避免意外碰觸外露晶片導致損毀。

對於一般消費者而言,MG07ACA 同時在一般 3C 通路銷售,能夠以簡便的方式享受新一代技術,特別是那些需要高容量硬碟卻不想為 SMR 煩心的玩家。該系列擁有 250 萬小時的 MTTF、讀寫磁頭載卸次數高達 60 萬次、不可復原讀取錯誤為企業級規格、待機噪音僅為 20dB,除了企業近線應用,家庭使用者也能夠作為資料儲存碟、高效能 NAS 硬碟等。

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▲拆下電路板,主要控制晶片以及馬達控制晶片加裝導熱墊,利用金屬外殼散去廢熱,其餘空間安排海綿填充。

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▲電路板使用常見的 L 型設計。

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▲Avaga DT02S2 控制晶片,採用裸晶方式封裝。

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▲快取緩衝記憶體為 256MB,使用 SK Hynix H5TQ2G63GFR,最高支援 DDR3-1866。

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▲馬達控制晶片為 STMicroelectronics Smooth L7291。

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▲電路板多處設置震動感應器,將感測資料交由控制晶片修正,避免高密度佈建的震動影響存取效能。

穩定寫入效能!傳統 CMR 紀錄 Toshiba MG07ACA 14TB 3.5 吋填氦硬碟實測
▲MG07ACA 企業級容量型硬碟規格,具備 4Kn 和 512e 磁區紀錄格式,以及 SIE(Sanitize Instant Erase)功能可供選擇。

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▲一般運作溫度可達 38℃(室溫 24℃,裸機無加裝風扇),另外支援 APM 進階電源管理。

讀寫超越 270MB/s,寫入快取有感

CrystalDiskMark 6.0.0 歷經重大改版,最新版本變成較為適合測試 SSD,但我們還是將它納入傳統硬碟的測試之中,大致上先行檢視硬碟的能耐,MG07ACA14TE 連續讀寫均可達 270MB/s左右,而廠商表定規格則為 248MiB/s 左右,實測速度高出不少。

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▲CrystalDiskMark 連續讀寫均為 270MB/s 左右。

接著利用 ATTO Disk Benchmark 量測在不同的傳輸區塊大小之下,這款硬碟的傳輸速度。首先是 Overlapped I/O 傳輸模式,並手動將佇列深度調整至 8,大約在 4KB 傳輸區塊即可達到最大讀取速度,而寫入則是要等到 8KB 左右,兩者最高約為 280MB/s 以及 276MB/s。Neither 模式則是需要加大至 64KB 區塊大小,最高擁有 279MB/s 和 276MB/s 的讀寫效能。

穩定寫入效能!傳統 CMR 紀錄 Toshiba MG07ACA 14TB 3.5 吋填氦硬碟實測
▲ATTO Disk Benchmark Overlapped I/O 佇列深度 8,最高傳輸速度可以來到 280MB/s 左右。

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▲ATTO Disk Benchmark Neither 模式,最高讀寫速度約為 279MB/s 和 276MB/s。

老牌測試軟體 HD Tune Pro 內建多種測試方式,多數均瞄準傳統硬碟特性,能夠給予相當完整的效能評估。硬碟碟盤全空間讀取與寫入測試,外圈讀寫可達 265.7MB/s 以及 260.1MB/s,內圈則為 115.3MB/s 和 114.7MB/s,平均值突破 200MB/s 來到 206.3MB/s 以及 204.4MB/s。隨機寫入存取時間則受到快取機制影響,平均值為相當低的 0.197ms,讀取則是表現不錯的 12.4ms。

穩定寫入效能!傳統 CMR 紀錄 Toshiba MG07ACA 14TB 3.5 吋填氦硬碟實測
▲HD Tune Pro 全空間讀取測試,外圈最快達 265.7MB/s,隨機存取時間為 12.4 ms。

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▲HD Tune Pro 全空間寫入測試,外圈最快為 260.1MB/s,隨機存取則因為寫入快取的緣故,延遲時間是相當優秀的 0.197ms。

不同傳輸區塊大小的隨機存取時間,512Byte、4K、64K 讀取 IOPS 均為 12.5ms/80IOPS 左右,而隨機任意大小則為 17ms/58IOPS。寫入傳輸區塊 64KB 以下均可享受快取加速,存取時間在 1ms 以下,IOPS 表現則是 1883IOPS~4594IOPS 不等。本次受測的 512e 版本導入 Persistent Write Cache 技術,意外斷電時利用馬達剩餘的旋轉慣性電動勢,將還在快取內部的資料寫入至非揮發性記憶體當中。

穩定寫入效能!傳統 CMR 紀錄 Toshiba MG07ACA 14TB 3.5 吋填氦硬碟實測
▲不同區塊大小的隨機讀取約為 12.5ms/80IOPS 左右。

穩定寫入效能!傳統 CMR 紀錄 Toshiba MG07ACA 14TB 3.5 吋填氦硬碟實測
▲受惠於寫入快取機制,傳輸區塊 64KB 以下的隨機寫入時間平均不到 1ms。

若是使用固定 4KB 大小,讀取與寫入指令分別占去 70% 與 30%,量測佇列深度對於隨機存取 IOPS 的影響,於佇列深度 32(AHCI 規範最大深度)表現為 202.994IOPS,並依據佇列深度變淺而往下遞減,佇列深度為 1 的表現為 108.482IOPS。

穩定寫入效能!傳統 CMR 紀錄 Toshiba MG07ACA 14TB 3.5 吋填氦硬碟實測
▲MG07ACA14TE 在佇列深度 32 時,讀寫比例各佔 70% 與 30% 的 4K 隨機讀寫表現為 202.994IOPS。

穩定寫入效能!傳統 CMR 紀錄 Toshiba MG07ACA 14TB 3.5 吋填氦硬碟實測
▲各種佇列深度的 4K 隨機讀寫 70/30 實際 IOPS 數據。

大容量的非 SMR 硬碟

透過 SMR 紀錄形式確實能夠增加儲存密度,倘若遇到隨機寫入較為頻繁的工作類型,則會受限於 SMR 寫入方式而讓效能變得不可預期。因此傳統硬碟若是遇到工作負載包含較多的隨機寫入,還是選擇傳統的 CMR 紀錄方式硬碟為佳。

透過填充氦氣以及 Toshiba 自身的設計組裝經驗,於 3.5 吋機身之內塞入 9 張碟片達成 14TB 容量,讓 CMR 記錄方式也能夠追上 SMR 的容量密度,不會讓管理人員顧此失彼。企業級耐用規格以及 5 年保固,以及在市面上能夠輕易買到的方便性,除了企業用途之外,一般消費者也能夠輕易地入手。

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廠商資訊

台灣東芝電子零組件?http://www.sdd.toshiba.com.tw

產品資訊

MG07ACAxxx 系列 https://toshiba.semicon-storage.com/tw/product/storage-products/enterprise-hdd/mg07acaxxx.html

測試平台

  • 處理器:Intel Core i7-8700K
  • 散熱器:Cooler Master X6
  • 主機板:Asus ROG STRIX Z370-I GAMING
  • 記憶體:Team T-FORCE NIGHT HAWK DDR4 3200 16GB Kit @2666MHz
  • 系統碟:Plextor M9Pe(G)
  • 作業系統:Microsoft Windows 10 Pro 64bit 1709

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