Более высокая производительность жестких дисков достигается за счет устройств, которые имеют лучшие характеристики производительности. [1] [2] Эти характеристики производительности можно разделить на две категории: время доступа и время передачи данных (или скорость). [3]
Время доступа или время отклика вращающегося диска — это мера времени, которое требуется, прежде чем диск сможет фактически передать данные . Факторы, которые контролируют это время на вращающемся диске, в основном связаны с механической природой вращающихся дисков и движущихся головок . Оно состоит из нескольких независимо измеряемых элементов, которые суммируются для получения единого значения при оценке производительности устройства хранения данных. Время доступа может значительно различаться, поэтому оно обычно указывается производителями или измеряется в тестах как среднее значение. [3] [4]
Ключевые компоненты, которые обычно складываются для получения времени доступа: [2] [5]
В случае вращающихся приводов время поиска измеряет время, которое требуется узлу головки на рычаге привода для перемещения к дорожке диска, где данные будут считываться или записываться. [5] Данные на носителе хранятся в секторах, которые расположены на параллельных круговых дорожках ( концентрических или спиральных в зависимости от типа устройства ), и есть привод с рычагом, который подвешивает головку, которая может передавать данные с этим носителем. Когда приводу необходимо считывать или записывать определенный сектор, он определяет, на какой дорожке находится сектор. [6] Затем он использует привод для перемещения головки на эту конкретную дорожку. Если начальное местоположение головки было желаемой дорожкой, то время поиска будет равно нулю. Если начальная дорожка была самым внешним краем носителя, а желаемая дорожка была самым внутренним краем, то время поиска будет максимальным для этого привода. [7] [8] Время поиска не является линейным по сравнению с пройденным расстоянием поиска из-за факторов ускорения и замедления рычага привода. [9]
Среднее время поиска вращающегося привода представляет собой среднее значение всех возможных времен поиска, что технически равно времени выполнения всех возможных поисков, деленному на количество всех возможных поисков, но на практике оно определяется статистическими методами или просто аппроксимируется как время поиска по одной трети от количества дорожек. [5] [7] [10]
Первый жесткий диск [11] имел среднее время поиска около 600 мс. [12] и к середине 1970-х годов жесткие диски были доступны со временем поиска около 25 мс. [13] Некоторые ранние ПК-приводы использовали шаговый двигатель для перемещения головок, и в результате имели время поиска всего 80–120 мс, но это было быстро улучшено с помощью привода типа звуковой катушки в 1980-х годах, сократив время поиска примерно до 20 мс. Время поиска продолжало медленно улучшаться с течением времени.
Самые быстрые на сегодняшний день серверные диски высокого класса имеют время поиска около 4 мс . [14] Некоторые мобильные устройства имеют диски со временем поиска 15 мс, при этом наиболее распространенные мобильные диски имеют время поиска около 12 мс [15] , а наиболее распространенные настольные диски обычно имеют время поиска около 9 мс.
Два других, менее часто упоминаемых измерения поиска — это измерение от дорожки к дорожке и полный ход . Измерение от дорожки к дорожке — это время, необходимое для перехода от одной дорожки к соседней. [5] Это самое короткое (быстрое) возможное время поиска. В жестких дисках это обычно от 0,2 до 0,8 мс. [16] Измерение полного хода — это время, необходимое для перехода от самой внешней дорожки к самой внутренней. Это самое длинное (медленное) возможное время поиска. [7]
Короткий ход — это термин, используемый в корпоративных средах хранения данных для описания жесткого диска, который намеренно ограничен по общей емкости, так что привод должен перемещать головки только по меньшему количеству дорожек. [17] Это ограничивает максимальное расстояние, на котором головки могут находиться от любой точки на диске, тем самым сокращая среднее время поиска, но также ограничивает общую емкость диска. Это сокращенное время поиска позволяет жесткому диску увеличить количество IOPS, доступных для диска. Стоимость и мощность на используемый байт хранилища растут по мере сокращения максимального диапазона дорожек. [18] [19]
Измеряемый в дБА , акустический шум имеет значение для определенных приложений, таких как DVR , цифровая аудиозапись и тихие компьютеры . Малошумные диски обычно используют жидкостные подшипники , более низкие скорости вращения (обычно 5400 об/мин) и уменьшают скорость поиска под нагрузкой ( AAM ), чтобы уменьшить слышимые щелчки и хрустящие звуки. Диски в меньших форм-факторах (например, 2,5 дюйма) часто тише, чем большие диски. [20]
Некоторые дисковые накопители для настольных ПК и ноутбуков позволяют пользователю выбирать между производительностью поиска и шумом привода. Например, Seagate предлагает набор функций в некоторых дисках под названием Sound Barrier Technology, которые включают в себя некоторые возможности снижения шума и вибрации, контролируемые пользователем или системой. Более короткое время поиска обычно требует большего потребления энергии для быстрого перемещения головок по пластине, что вызывает громкие шумы от подшипника поворота и более сильные вибрации устройства, поскольку головки быстро ускоряются в начале движения поиска и замедляются в конце движения поиска. Тихая работа снижает скорость движения и показатели ускорения, но за счет снижения производительности поиска. [21]
Вращательная задержка (иногда называемая задержкой вращения или просто задержкой ) — это задержка ожидания вращения диска для того, чтобы нужный сектор диска оказался под головкой чтения-записи. [22] Она зависит от скорости вращения диска (или шпиндельного двигателя ), измеряемой в оборотах в минуту (RPM). [5] [23] Для большинства приводов на основе магнитных носителей средняя задержка вращения обычно основана на эмпирическом соотношении, согласно которому средняя задержка в миллисекундах для такого привода составляет половину периода вращения. Максимальная задержка вращения — это время, необходимое для выполнения полного оборота, исключая время раскрутки (поскольку соответствующая часть диска могла только что пройти мимо головки, когда пришел запрос). [24]
Таким образом, задержка вращения и результирующее время доступа могут быть улучшены (уменьшены) путем увеличения скорости вращения дисков. [5] Это также имеет преимущество в виде улучшения (увеличения) пропускной способности (обсуждается далее в этой статье).
Скорость вращения шпиндельного двигателя может зависеть от двух типов методов вращения диска: 1) постоянная линейная скорость (CLV), используемая в основном в оптических накопителях, изменяет скорость вращения оптического диска в зависимости от положения головки, и 2) постоянная угловая скорость (CAV), используемая в жестких дисках, стандартных гибких дисководах, некоторых системах оптических дисков и виниловых аудиопластинках , вращает носитель с одной постоянной скоростью независимо от положения головки.
Другая проблема возникает в зависимости от того, постоянны ли поверхностные плотности бит. Обычно при скорости вращения CAV плотности не постоянны, так что длинные внешние дорожки имеют то же количество бит, что и более короткие внутренние дорожки. Когда плотность бит постоянна, внешние дорожки имеют больше бит, чем внутренние дорожки, и обычно сочетаются со скоростью вращения CLV. В обеих этих схемах скорости передачи смежных бит постоянны. Это не относится к другим схемам, таким как использование постоянной плотности бит со скоростью вращения CAV.
Потребление энергии становится все более важным не только для мобильных устройств, таких как ноутбуки, но и для рынков серверов и настольных компьютеров. Увеличение плотности машин в центрах обработки данных привело к проблемам с подачей достаточного количества энергии на устройства (особенно для раскрутки ) и избавлением от отработанного тепла, которое впоследствии вырабатывается, а также к проблемам с экологией и расходами на электроэнергию (см. экологичные вычисления ). Большинство жестких дисков сегодня поддерживают некоторую форму управления питанием, которая использует ряд определенных режимов питания, которые экономят энергию за счет снижения производительности. После внедрения жесткий диск будет переключаться между режимом полной мощности и одним или несколькими режимами энергосбережения в зависимости от использования диска. Восстановление из самого глубокого режима, обычно называемого спящим режимом, когда диск останавливается или замедляется , может занять несколько секунд, чтобы полностью вступить в эксплуатацию, тем самым увеличивая результирующую задержку. [25] Производители дисков также теперь производят экологичные диски , которые включают в себя некоторые дополнительные функции, которые действительно снижают мощность, но могут отрицательно влиять на задержку, включая более низкие скорости вращения шпинделя и парковочные головки вне носителя для уменьшения трения. [26]
TheВремя обработки команды илинакладные расходы команды— это время, которое требуется электронике привода для установки необходимой связи между различными компонентами устройства, чтобы оно могло считывать или записывать данные. Это составляет порядка 3мкс, что намного меньше других накладных расходов, поэтому его обычно игнорируют при бенчмаркинге оборудования.[2][27]
TheВремя установки — это время, необходимое головкам дляустановкина целевой дорожке и прекращения вибрации, чтобы они не считывали и не записывали данныес дорожки. Это время обычно очень мало, как правило, менее 100 мкс, и современные производители жестких дисков учитывают его в своих спецификациях времени поиска.[28]
Скорость передачи данных накопителя (также называемая пропускной способностью ) охватывает как внутреннюю скорость (перемещение данных между поверхностью диска и контроллером на накопителе), так и внешнюю скорость (перемещение данных между контроллером на накопителе и хост-системой). Измеримая скорость передачи данных будет меньшей (медленнее) из двух скоростей. Устойчивая скорость передачи данных или устойчивая пропускная способность накопителя будет меньшей из устойчивых внутренних и устойчивых внешних скоростей. Устойчивая скорость меньше или равна максимальной или пиковой скорости, поскольку она не имеет преимуществ какой-либо кэш-памяти или буферной памяти на накопителе. Внутренняя скорость далее определяется скоростью носителя, временем накладных расходов сектора, временем переключения головки и временем переключения цилиндра. [5] [29]
Скорость передачи данных (чтение/запись) можно измерить, записав большой файл на диск с помощью специальных инструментов-генераторов файлов, а затем считывая файл обратно.
В настоящее время широко распространенным стандартом для интерфейса «буфер-компьютер» является SATA 3,0 Гбит/с, который позволяет передавать около 300 мегабайт/с (10-битное кодирование) из буфера в компьютер и, таким образом, все еще значительно опережает сегодняшние скорости передачи данных с диска в буфер.
Твердотельные накопители не имеют таких же внутренних ограничений, как жесткие диски, поэтому их внутренняя и внешняя скорость передачи данных часто максимально используют возможности интерфейса «накопитель-хост».
Скорость передачи данных может зависеть от фрагментации файловой системы и расположения файлов. Дефрагментация — это процедура, используемая для минимизации задержки при извлечении данных путем перемещения связанных элементов в физически близкие области на диске. [34] Некоторые операционные системы компьютеров выполняют дефрагментацию автоматически. Хотя автоматическая дефрагментация предназначена для сокращения задержек доступа, процедура может замедлить отклик, если выполняется во время использования компьютера. [35]
Скорость передачи данных HDD зависит от скорости вращения дисков и плотности записи данных. Поскольку тепло и вибрация ограничивают скорость вращения, увеличение плотности стало основным методом улучшения скорости последовательной передачи. [36] Плотность записи (количество бит, которые могут быть сохранены в определенной области диска) со временем увеличивалась за счет увеличения как количества дорожек на диске, так и количества секторов на дорожку. Последнее увеличит скорость передачи данных для данной скорости RPM. Улучшение производительности скорости передачи данных коррелирует с плотностью записи только за счет увеличения линейной поверхностной плотности бит дорожки (секторов на дорожку). Простое увеличение количества дорожек на диске может повлиять на время поиска, но не на общую скорость передачи. По данным отраслевых наблюдателей и аналитиков за 2011–2016 годы, [37] [38] «Текущая дорожная карта прогнозирует не более 20%-ное улучшение плотности бит в год». [39] Время поиска не поспевает за ростом пропускной способности, который сам по себе не поспевает за ростом плотности бит и емкости хранилища.
Секторное чередование — это в основном устаревшая характеристика устройства, связанная со скоростью передачи данных, которая появилась еще тогда, когда компьютеры были слишком медленными, чтобы считывать большие непрерывные потоки данных. Чередование создавало промежутки между секторами данных, чтобы дать медленному оборудованию время подготовиться к считыванию следующего блока данных. Без чередования следующий логический сектор прибывал на головку чтения/записи до того, как оборудование было готово, что требовало от системы ожидания еще одного полного оборота диска, прежде чем можно было выполнить считывание.
Однако, поскольку чередование вносит преднамеренные физические задержки между блоками данных, тем самым снижая скорость передачи данных, установка соотношения, превышающего требуемое, приводит к ненужным задержкам для оборудования, которое имеет производительность, необходимую для более быстрого чтения секторов. Поэтому соотношение чередования обычно выбирается конечным пользователем в соответствии с производительностью его конкретной компьютерной системы, когда диск был впервые установлен в его системе.
Современные технологии позволяют считывать данные с такой же скоростью, с какой они поступают с вращающихся пластин, поэтому чередование больше не используется.
Потребление энергии становится все более важным не только для мобильных устройств, таких как ноутбуки, но и для рынков серверов и настольных компьютеров. Увеличение плотности машин в центрах обработки данных привело к проблемам с подачей достаточного количества энергии на устройства (особенно для раскрутки) и избавлением от отработанного тепла, которое впоследствии вырабатывается, а также к проблемам с экологией и расходами на электроэнергию (см. зеленые вычисления ). Рассеивание тепла напрямую связано с потреблением энергии, и по мере старения дисков частота отказов дисков увеличивается при более высоких температурах дисков. [40] Аналогичные проблемы существуют для крупных компаний с тысячами настольных ПК. Диски меньшего форм-фактора часто потребляют меньше энергии, чем диски большего размера. Одной из интересных разработок в этой области является активное управление скоростью поиска, так что головка прибывает в пункт назначения как раз вовремя, чтобы прочитать сектор, а не прибывает как можно быстрее и затем вынуждена ждать, пока сектор придет в себя (т. е. задержка вращения). [41] Многие компании, производящие жесткие диски, теперь производят зеленые диски, которые требуют гораздо меньше энергии и охлаждения. Многие из этих Green Drive вращаются медленнее (<5400 об/мин по сравнению с 7200, 10000 или 15000 об/мин), тем самым выделяя меньше тепла. Потребление энергии также можно снизить, паркуя головки привода, когда диск не используется, уменьшая трение, регулируя скорость вращения [42] и отключая внутренние компоненты, когда они не используются. [43]
Приводы потребляют больше энергии, кратковременно, при запуске (раскрутке). Хотя это не оказывает прямого влияния на общее потребление энергии, максимальная мощность, требуемая от источника питания, и, следовательно, его требуемый номинал, могут быть снижены в системах с несколькими приводами путем управления моментом их раскрутки.
Большинство жестких дисков сегодня поддерживают некоторую форму управления питанием, которая использует ряд определенных режимов питания, которые экономят энергию за счет снижения производительности. При внедрении HDD будет переключаться между режимом полной мощности и одним или несколькими режимами энергосбережения в зависимости от использования диска. Восстановление из самого глубокого режима, обычно называемого Sleep, может занять несколько секунд. [45]
Ударопрочность особенно важна для мобильных устройств. Некоторые ноутбуки теперь включают активную защиту жесткого диска , которая паркует головки диска, если машина падает, желательно до удара, чтобы обеспечить максимально возможный шанс выживания в таком случае. Максимальная ударопрочность на сегодняшний день составляет 350 г для рабочего и 1000 г для нерабочего состояния. [46]
Жесткие диски, использующие черепичную магнитную запись (SMR), значительно отличаются по характеристикам производительности записи от обычных дисков (CMR). В частности, устойчивая случайная запись значительно медленнее на дисках SMR. [47] Поскольку технология SMR приводит к ухудшению производительности записи, некоторые новые жесткие диски с гибридной технологией SMR (позволяющей динамически регулировать соотношение частей SMR и CMR) могут иметь различные характеристики при разных соотношениях SMR/CMR. [48]
Твердотельные устройства (SSD) не имеют движущихся частей. Большинство атрибутов, связанных с движением механических компонентов , неприменимы при измерении их производительности, но на них влияют некоторые электрические элементы, которые вызывают измеримую задержку доступа. [49]
Измерение времени поиска — это всего лишь тестирование электронных схем, подготавливающих определенное место в памяти устройства хранения. Типичные SSD будут иметь время поиска от 0,08 до 0,16 мс. [16]
SSD на основе флэш-памяти не нуждаются в дефрагментации. Однако, поскольку файловые системы записывают страницы данных , которые меньше (2K, 4K, 8K или 16K), чем блоки данных, управляемые SSD (от 256 КБ до 4 МБ, следовательно, от 128 до 256 страниц на блок), [50] со временем производительность записи SSD может ухудшиться, поскольку диск заполняется страницами, которые частично или больше не нужны файловой системе. Это можно улучшить с помощью команды TRIM из системы или внутренней сборки мусора . Флэш-память изнашивается со временем, поскольку на нее многократно записывается; записи, требуемые дефрагментацией, изнашивают диск без какого-либо преимущества в скорости. [51]
зеленый дисковод.
{{cite web}}
: CS1 maint: местоположение ( ссылка )