Výkonové charakteristiky pevného disku - Hard disk drive performance characteristics
Vyšší výkon na pevných discích pochází ze zařízení, která mají lepší výkonové charakteristiky. Tyto výkonnostní charakteristiky lze seskupit do dvou kategorií: doba přístupu a doba (nebo rychlost) přenosu dat .
Čas přístupu
Přístupová doba nebo doba odezvy z rotujícího disku je měřítkem času to trvá, než se pohon může ve skutečnosti přenášet data . Faktory, které řídí tentokrát na rotujícím pohonu, většinou souvisejí s mechanickou povahou rotujících disků a pohybujících se hlav . Skládá se z několika nezávisle měřitelných prvků, které se sečtou, aby při hodnocení výkonu paměťového zařízení byla získána jedna hodnota. Přístupová doba se může výrazně lišit, takže ji obvykle poskytují výrobci nebo se měří v průměru jako průměr.
Klíčové komponenty, které se obvykle sčítají za účelem získání přístupového času, jsou:
Hledejte čas
U rotujících pohonů doba hledání měří čas, který trvá sestavě hlavy na ramenu akčního členu k cestě na dráhu disku, kde se budou data číst nebo zapisovat. Data na médiu jsou uložena v sektorech, které jsou uspořádány v rovnoběžných kruhových drahách ( soustředné nebo spirálové v závislosti na typu zařízení ) a je zde pohon s ramenem, které zavěšuje hlavu, která může přenášet data s tímto médiem. Když disk potřebuje číst nebo zapisovat určitý sektor, určuje, ve které stopě se sektor nachází. Poté pomocí ovladače přesune hlavu na konkrétní stopu. Pokud by počáteční poloha hlavy byla požadovaná stopa, pak by doba hledání byla nulová. Pokud by počáteční stopa byla nejzazším okrajem média a požadovaná stopa byla na nejvnitřnějším okraji, pak by doba hledání byla pro danou jednotku maximální. Časy hledání nejsou lineární ve srovnání s ujetou vzdáleností hledání kvůli faktorům zrychlení a zpomalení ramene pohonu.
Průměrná doba hledání rotující jednotky je průměrem všech možných časů hledání, což je technicky čas na všechna možná hledání dělený počtem všech možných hledání, ale v praxi je určen statistickými metodami nebo jednoduše aproximován jako čas hledat více než jednu třetinu počtu skladeb.
Hledejte časy a vlastnosti
První pevný disk měl průměrnou dobu hledání přibližně 600 ms. a v polovině 70. let byly k dispozici pevné disky s dobou hledání přibližně 25 ms. Některé rané počítačové jednotky používaly k pohybu hlav krokový motor a v důsledku toho měly vyhledávací časy tak pomalé jako 80–120 ms, ale to bylo rychle zlepšeno ovládáním typu kmitací cívky v 80. letech minulého století, což zkrátilo doby hledání na přibližně 20 ms. Čas hledání se postupem času pomalu zlepšoval.
Nejrychlejší high-end serverové disky dnes mají dobu hledání kolem 4 ms . Některá mobilní zařízení mají disky s délkou 15 ms, přičemž nejběžnější mobilní disky mají přibližně 12 ms a nejběžnější stolní disky obvykle kolem 9 ms.
Další dvě méně často odkazovaná vyhledávací měření jsou track-to-track a plný zdvih . Měření track-to-track je čas potřebný k přechodu z jedné stopy na sousední stopu. Toto je nejkratší (nejrychlejší) možná doba hledání. Na pevných discích je to obvykle mezi 0,2 a 0,8 ms. Měření plného zdvihu je čas potřebný k přesunu z nejvzdálenější stopy do nejvnitřnější stopy. Toto je nejdelší (nejpomalejší) možná doba hledání.
Krátké hladení
Krátké tahání je termín používaný v prostředích podnikového úložiště k popisu pevného disku, který je záměrně omezen celkovou kapacitou, takže aktuátor musí pouze pohybovat hlavami po menším počtu celkových stop. To omezuje maximální vzdálenost, ve které mohou být hlavy od jakéhokoli bodu na disku, čímž se snižuje jeho průměrná doba hledání, ale také se omezuje celková kapacita disku. Tato zkrácená doba hledání umožňuje HDD zvýšit počet IOPS dostupných z disku. Náklady a výkon na využitelný bajt úložiště rostou, protože se snižuje maximální dosah stopy.
Účinek slyšitelné kontroly hluku a vibrací
Měřený v dBA je slyšitelný šum významný pro určité aplikace, jako jsou DVR , digitální záznam zvuku a tiché počítače . Disky s nízkou hlučností obvykle používají tekutá ložiska , nižší otáčky (obvykle 5400 ot / min) a snižují rychlost hledání při zatížení ( AAM ), aby se omezily slyšitelné cvakání a křupavé zvuky. Disky v menších formátech (např. 2,5 palce) jsou často tišší než větší disky.
Některé diskové jednotky třídy stolních a přenosných počítačů umožňují uživateli provést kompromis mezi hledaným výkonem a hlukem disku. Například společnost Seagate nabízí v některých jednotkách sadu funkcí zvaných Sound Barrier Technology, které zahrnují některé možnosti ovládání hluku a vibrací řízené uživatelem nebo systémem. Kratší doby hledání obvykle vyžadují větší spotřebu energie k rychlému pohybu hlav přes talíř, což způsobuje hlasité zvuky od čepového ložiska a větší vibrace zařízení, protože hlavy se rychle zrychlují na začátku pohybu hledání a zpomalují na konci pohybu hledání . Tichý provoz snižuje rychlost pohybu a zrychlení, ale za cenu sníženého výkonu vyhledávání.
Rotační latence
Rychlost vřetena pevného disku [ot / min] |
Průměrná rotační latence [ms] |
|---|---|
| 4 200 | 7.14 |
| 5 400 | 5,56 |
| 7200 | 4.17 |
| 10 000 | 3.00 |
| 15 000 | 2,00 |
Rotační latence (někdy nazývaná rotační zpoždění nebo jen latence ) je zpoždění čekající na otočení disku, aby se požadovaný sektor disku dostal pod čtecí a zapisovací hlavu. Záleží na rychlosti otáčení disku (nebo vřetenového motoru ), měřené v otáčkách za minutu (RPM). U většiny pohonů založených na magnetických médiích je průměrná latence rotace obvykle založena na empirickém vztahu, že průměrná latence v milisekundách pro takovou jednotku je polovina doby rotace. Maximální latence otáčení je doba potřebná k úplnému otočení bez jakéhokoli času roztočení (protože příslušná část disku mohla právě projít hlavou, když požadavek dorazil).
- Maximální latence = 60/ot./min
- Průměrná latence = 0,5*Maximální latence
Proto lze latenci otáčení a výslednou dobu přístupu zlepšit (snížit) zvýšením rychlosti otáčení disků. To má také výhodu ve zlepšení (zvýšení) propustnosti (popsáno dále v tomto článku).
Rychlost motoru vřetena může používat jeden ze dvou typů metod otáčení disku: 1) konstantní lineární rychlost (CLV), používaná hlavně v optickém úložišti, mění rychlost otáčení optického disku v závislosti na poloze hlavy a 2) konstantní úhlová rychlost (CAV), používaná u pevných disků, standardních FDD, několika systémů optických disků a vinylových zvukových záznamů , roztočí médium jednou konstantní rychlostí bez ohledu na to, kde je hlava umístěna.
K dalšímu vrásnění dochází v závislosti na tom, zda jsou povrchové hustoty bitů konstantní. Obvykle při rychlosti odstřeďování CAV nejsou hustoty konstantní, takže dlouhé vnější stopy mají stejný počet bitů jako kratší vnitřní stopy. Když je bitová hustota konstantní, vnější stopy mají více bitů než vnitřní stopy a jsou obvykle kombinovány s rychlostí odstřeďování CLV. V obou těchto schématech jsou souvislé přenosové rychlosti bitů konstantní. To není případ jiných schémat, jako je použití konstantní bitové hustoty s rychlostí otáčení CAV.
Vliv snížené spotřeby energie
Spotřeba energie je stále důležitější, a to nejen v mobilních zařízeních, jako jsou notebooky, ale také na trzích se servery a stolními počítači. Zvýšení hustoty strojů v datových centrech vedlo k problémům s dodávkou dostatečného výkonu zařízením (zejména pro roztočení ) a zbavování se následně produkovaného odpadního tepla a také k obavám z ekologických a elektrických nákladů (viz zelené počítače ). Většina pevných disků dnes podporuje nějakou formu řízení spotřeby, která využívá řadu konkrétních režimů napájení, které šetří energii snížením výkonu. Po implementaci se pevný disk přepne mezi režimem plného výkonu do jednoho nebo více režimů úspory energie v závislosti na využití disku. Obnovení z nejhlubšího režimu, obvykle nazývaného Spánek, kde je disk zastaven nebo roztočen , může trvat několik sekund, než bude plně funkční, čímž se zvýší výsledná latence. Výrobci pohonů nyní také vyrábějí zelené disky, které obsahují některé další funkce, které snižují výkon, ale mohou nepříznivě ovlivnit latenci, včetně nižších otáček vřetena a parkovacích hlav mimo médium, aby se snížilo tření.
jiný
The doba zpracování příkazu neborežie příkazuje doba, za kterou elektronika pohonu nastaví potřebnou komunikaci mezi různými součástmi v zařízení, aby mohla číst nebo zapisovat data. To je řádově 3μs, což je mnohem méně než u jiných režijních časů, takže se to při srovnávání hardwaru obvykle ignoruje.
The settle time je doba, po kterou se hlavyusadína cílové stopě a přestanou vibrovat, aby nečetly neboneodepisovaly stopu. Tato doba je obvykle velmi malá, obvykle kratší než 100 μs, a moderní výrobci pevných disků to zohledňují ve svých specifikacích doby hledání.
Rychlost přenosu dat
Rychlost přenosu dat disku (nazývaná také propustnost ) pokrývá jak vnitřní rychlost (přesun dat mezi povrchem disku a řadičem na jednotce), tak i externí rychlost (přesun dat mezi řadičem na jednotce a hostitelském systému). Měřitelná rychlost přenosu dat bude nižší (pomalejší) ze dvou rychlostí. Rychlost trvalého přenosu dat nebo trvalá propustnost disku bude nižší z trvalých interních a trvalých externích sazeb. Trvalá rychlost je menší nebo rovna maximální nebo dávkové rychlosti, protože nemá výhodu žádné mezipaměti ani vyrovnávací paměti v jednotce. Vnitřní rychlost je dále určena rychlostí média, dobou režie sektoru, časem přepnutí hlavy a časem přepnutí válce.
- Mediální sazba
- Rychlost, při které může jednotka číst bity z povrchu média.
- Odvětvová režijní doba
- Další čas (bajty mezi sektory) potřebný pro řídicí struktury a další informace nezbytné ke správě disku, vyhledání a ověření dat a provádění dalších podpůrných funkcí.
- Čas přepnutí hlavy
- Další čas potřebný k elektrickému přepnutí z jedné hlavy do druhé, opětovné zarovnání hlavy se stopou a zahájení čtení; platí pouze pro vícehlavý pohon a je přibližně 1 až 2 ms.
- Čas přepnutí válce
- Další čas potřebný k přesunu na první stopu dalšího válce a zahájení čtení; používá se název válce, protože obvykle se před přesunem pohonu přečtou všechny stopy pohonu s více než jednou hlavou nebo datovým povrchem. Tato doba je obvykle asi dvakrát delší než doba hledání track-to-track. V roce 2001 to bylo asi 2 až 3 ms.
Rychlost přenosu dat (čtení/zápis) lze měřit zápisem velkého souboru na disk pomocí speciálních nástrojů pro generování souborů a následným čtením souboru.
- Podle specifikací dodavatele jsou k dispozici trvalé přenosové rychlosti až 204 MB/s. Od roku 2010 má typický stolní pevný disk s rychlostí 7200 ot/min rychlost přenosu dat „disk-to- buffer “ až 1030 Mbit/s. Tato sazba závisí na umístění stopy, takže bude vyšší ve vnějších zónách (kde je více datových sektorů na stopu) a nižší ve vnitřních zónách (kde je méně datových sektorů na stopu); a je obecně o něco vyšší u disků 10 000 ot / min.
- Disketové jednotky mají rychlosti přenosu dat „disk-to- buffer “, které jsou o jeden nebo dva řády nižší než u pevných disků.
- Trvalé přenosové rychlosti dat „disk na vyrovnávací paměť “ se liší mezi rodinami optických diskových jednotek s nejpomalejšími 1 × CD při rychlosti 1,23 Mbit/s disketové, zatímco vysoce výkonná 12x jednotka Blu-ray rychlostí 432 Mbit/s se blíží výkonu HDD.
Aktuálně široce používaným standardem pro rozhraní „buffer-to-computer“ je SATA 3,0 Gbit/s, které dokáže z vyrovnávací paměti do počítače odeslat přibližně 300 megabajtů/s (10bitové kódování), a je tak stále pohodlně před dnešní přenosové rychlosti z disku na vyrovnávací paměť.
SSD nemají stejné interní limity jako HDD, takže jejich interní a externí přenosové rychlosti často maximalizují možnosti rozhraní drive-to-host.
Vliv systému souborů
Přenosovou rychlost lze ovlivnit fragmentací systému souborů a rozložením souborů. Defragmentace je postup používaný k minimalizaci zpoždění při načítání dat přesunutím souvisejících položek do fyzicky blízkých oblastí na disku. Některé operační systémy počítače provádějí defragmentaci automaticky. Přestože je automatická defragmentace určena ke snížení zpoždění přístupu, postup může zpomalit odezvu při provádění, když je počítač používán.
Vliv plošné hustoty
Rychlost přenosu dat z pevného disku závisí na rychlosti otáčení disků a hustotě záznamu dat. Protože teplo a vibrace omezují rychlost otáčení, stala se rostoucí hustota hlavní metodou pro zlepšení sekvenčních přenosových rychlostí. Plošná hustota (počet bitů, které lze uložit do určité oblasti disku) se v průběhu času zvyšovala zvýšením počtu stop na disku a počtu sektorů na stopu. Ten druhý zvýší rychlost přenosu dat pro danou rychlost RPM. Zlepšení výkonu rychlosti přenosu dat koreluje s plošnou hustotou pouze zvýšením lineární povrchové bitové hustoty stopy (sektorů na stopu). Jednoduché zvýšení počtu skladeb na disku může ovlivnit časy hledání, ale ne hrubé přenosové rychlosti. Podle průmyslových pozorovatelů a analytiků na roky 2011 až 2016 „Současný plán předpovídá ne více než 20%/rok zlepšení bitové hustoty“. Doby hledání nedržely krok s nárůstem propustnosti, který sám neudržel krok s růstem bitové hustoty a úložné kapacity.
Prokládat
Sektorové prokládání je většinou zastaralá charakteristika zařízení související s datovou rychlostí, sahající až do doby, kdy byly počítače příliš pomalé na to, aby dokázaly číst velké souvislé datové toky. Prokládání zavedlo mezery mezi datovými sektory, aby měl pomalý přístroj čas se připravit na čtení dalšího bloku dat. Bez prokládání by další logický sektor dorazil na čtecí/zapisovací hlavu dříve, než by bylo zařízení připraveno, což by vyžadovalo, aby systém počkal na další úplnou revoluci disku, než bude možné čtení provést.
Protože však prokládání zavádí záměrná fyzická zpoždění mezi bloky dat, čímž se snižuje rychlost přenosu dat, nastavení prokládání na vyšší poměr, než je požadováno, způsobuje zbytečné zpoždění u zařízení, která mají výkon potřebný k rychlejšímu čtení sektorů. Poměr prokládání byl proto obvykle zvolen koncovým uživatelem, aby vyhovoval výkonnostním schopnostem jeho konkrétního počítačového systému při první instalaci disku do jejich systému.
Moderní technologie je schopna číst data tak rychle, jak je lze získat ze spřádacích talířů, takže pevné disky mají obvykle poměr prokládání pevného sektoru 1: 1, což ve skutečnosti žádné prokládání nepoužívá.
Spotřeba energie
Spotřeba energie je stále důležitější, a to nejen v mobilních zařízeních, jako jsou notebooky, ale také na trzích se servery a stolními počítači. Zvýšení hustoty strojů v datových centrech vedlo k problémům s dodávkou dostatečného výkonu zařízením (zejména pro roztočení) a zbavování se následně produkovaného odpadního tepla, jakož i k obavám z ekologických a elektrických nákladů (viz zelené počítače ). Odvod tepla je svázán přímo se spotřebou energie a s postupným stárnutím disků se při vyšších teplotách disku zvyšuje míra selhání disku. Podobné problémy existují u velkých společností s tisíci stolních počítačů. Menší disky mají často nižší spotřebu než větší disky. Jedním zajímavým vývojem v této oblasti je aktivní řízení rychlosti vyhledávání, aby hlava dorazila na místo určení pouze včas, aby si sektor přečetla, než aby dorazila co nejrychleji a poté musela čekat, až se sektor objeví (tj. rotační latence). Mnoho společností s pevnými disky nyní vyrábí zelené disky, které vyžadují mnohem méně energie a chlazení. Mnoho z těchto zelených pohonů se otáčí pomaleji (<5 400 ot / min ve srovnání s 7 200, 10 000 nebo 15 000 ot / min), čímž generuje méně tepla. Spotřebu energie lze také snížit zaparkováním hlav pohonů, když se disk nepoužívá, což sníží tření, upraví otáčky a deaktivuje vnitřní součásti, když se nepoužívají.
Pohony využívají při spouštění (roztočení) krátkodobě více energie. Ačkoli to má malý přímý vliv na celkovou spotřebu energie, maximální požadovaný výkon z napájecího zdroje, a tedy i jeho požadované hodnocení, lze v systémech s několika pohony snížit řízením jejich roztočení.
- U jednotek SCSI s pevným diskem může řadič SCSI přímo řídit otáčení a otáčení jednotek.
- Některé pevné disky Parallel ATA (PATA) a Serial ATA (SATA) podporují zapnutí v pohotovostním režimu (PUIS): každá jednotka se neroztočí, dokud ovladač nebo systém BIOS nevydá konkrétní příkaz. To umožňuje, aby byl systém nastaven tak, aby rozložil spouštění disku a omezil maximální spotřebu energie při zapnutí.
- Některé pevné disky SATA II a novější podporují střídavé roztočení , což umožňuje počítači postupně roztočit jednotky, aby se snížilo zatížení napájecího zdroje při spouštění.
Většina pevných disků dnes podporuje nějakou formu řízení spotřeby, která využívá řadu konkrétních režimů napájení, které šetří energii snížením výkonu. Při implementaci se HDD přepne mezi režimem plného výkonu do jednoho nebo více režimů úspory energie v závislosti na využití disku. Obnova z nejhlubšího režimu, obvykle nazývaného Spánek, může trvat až několik sekund.
Odolnost proti otřesům
Odolnost proti otřesům je obzvláště důležitá pro mobilní zařízení. Některé notebooky nyní obsahují aktivní ochranu pevného disku, která zaparkuje hlavy disků, pokud stroj spadne, doufejme, že před nárazem, aby poskytl co největší šanci na přežití v takové události. Dosavadní maximální tolerance rázů je 350 g u provozních a 1 000 g u neprovozních.
Pohony SMR
Pevné disky, které používají šindelový magnetický záznam (SMR), se výrazně liší charakteristikami výkonu zápisu od konvenčních (CMR) disků. Zejména trvalé náhodné zápisy jsou na jednotkách SMR výrazně pomalejší.
Porovnání s jednotkou SSD
Polovodičová zařízení (SSD) nemají pohyblivé části. Většina atributů souvisejících s pohybem mechanických součástí není použitelná při měření jejich výkonu, ale jsou ovlivněna některými elektricky založenými prvky, které způsobují měřitelné zpoždění přístupu.
Měření doby hledání je pouze testování elektronických obvodů připravujících konkrétní umístění v paměti v úložném zařízení. Typické SSD budou mít dobu hledání mezi 0,08 a 0,16 ms.
Jednotky SSD založené na paměti Flash nepotřebují defragmentaci. Protože však souborové systémy zapisují stránky s daty, která jsou menší (2K, 4K, 8K nebo 16K) než bloky dat spravované jednotkou SSD (od 256 kB do 4 MB, tedy 128 až 256 stránek na blok), v průběhu času Zápisový výkon disku SSD se může snížit, protože se disk zaplní stránkami, které jsou částečné nebo je souborový systém již nepotřebuje. To lze zlepšit příkazem TRIM ze systému nebo interní sběr odpadu . Flash paměť se časem opotřebovává, protože je opakovaně zapisována; zápisy požadované defragmentací opotřebovávají pohon bez rychlosti.