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向大容量迈进 两款4TB硬盘年终对决

发布时间:2019-05-29 00:26 来源:未知 编辑:admin

  2010年7月诞生的业内首款3TB硬盘,就2年半之后的今天来看也仍属于大容量范畴。尽管有很多人依然认为1TB就够用,但是也应该意识到硬盘容量增速放缓这一事实;尽管单碟1TB技术的硬盘已经上市一年半之久,但是2TB仍未成为市场主流选择。有人说是市场需求未到,也有人说是成本因素受限。那么到底是需求引领产品还是技术引领产品呢?

  2011年,硬盘容量缓慢攀升至4TB,而到2012年更大容量的硬盘终于戛然而止,想想垂直记录技术商品化以来的每一年都能为我们带来惊喜,如今的情况的确让人有些失落。没有人需要5TB容量吗?非也。从目前的情况来看,西部数据有望在明年下半年推出5TB硬盘,所以4TB仍是目前的最高端选择。

  目前我们在市场上能够买到的桌面级零售版的4TB硬盘只有西部数据WD Black黑盘,日立环球存储自从被西部数据收购之后其3.5英寸桌面硬盘线归并到东芝,而如今东芝的新品尚未大量铺货。

  希捷是最早推出4TB外置硬盘的厂家,当时的GoFlex Desk 4TB(即现在的Backup Plus Desk 4TB)里内置了一块Barracuda XT 4TB硬盘,可是一直没有作为内置硬盘发布。不过现在在官网上已经可以看到一款名为Desktop HDD.15的4TB硬盘,虽然还未正式公布,但显然已经近在咫尺了。

  那么今天,我们就来在这个承前启后的时期里,通过对比西部数据WD Black 4TB和来自希捷外置硬盘Backup Plus Desk 4TB中的Barracuda XT 4TB,了解这两种硬盘在技术特性和性能定位方面的差异,同时放眼未来,回归到我们最关心的容量线页 各有各玩法:外置和内置硬盘差异

  外置硬盘和零售版的内置硬盘有什么区别呢?首先我们要知道的是现在的桌面硬盘产品线已经不比当年了,以西部数据为例,其非企业级硬盘的3.5英寸硬盘产品线居然能够分为:绿盘、蓝盘、黑盘、红盘、监控盘等等。针对不同应用环境或客户群体推出不同特性的产品,这是细分市场的一个典型实例,也是一个精妙的策略。

  值得讨论的是希捷2010年7月发布的GoFlex Desk 3TB,它内置的硬盘和后来的零售版本都叫Barracuda XT 3TB,而且产品编号也均为ST33000651AS。但是最初GoFlex内置的产品接口仅采用SATA 3Gbps,而缓存也仅为32MB,到后来的零售版本接口升级为SATA 6Gbps,缓存也增大至64MB。

  值得注意的是,这两块Barracuda XT 3TB都只采用512Byte扇区格式,因此不存在“规避过早试水4KB高级格式化”的问题。实际上,当时希捷是在准备DiscWizard v13软件以保证大于2TB容量的硬盘在老平台上的可用性。至于接口不一样只能说是产品研发周期所带来的一个差异了。

  拿到这两款4TB硬盘立刻感受到了分量十足。要说明的一点是,虽然希捷Barracuda XT和西部数据WD Black均定为桌面级硬盘,但是两款产品均具有企业级血统,这也是为什么两家均为这两大系列的硬盘提供区别于常规桌面硬盘的五年质保的原因之一。

  容量的提升是机械硬盘的宿命,笔者本不想多提过去的几年中垂直记录技术的增长,有兴趣的朋友可以查看我们的《从PMR到HAMR 机械硬盘最近的七年历程》回顾文章,其中罗列了垂直记录技术从第一代到第六代的发展历程,尽管很多人并不会刻意地去牢记每一代的划分,但是这有助于我们的分析。

  如今机械硬盘依然处于第六代垂直记录技术,2010年12月日立环球存储正式发布的7mm厚度、单碟500GB的Z5K500硬盘可以作为这一代的开端,主要数字成绩便是存储密度超过了每平方英寸636Gb。与其对应的正式商品化的第一款单碟1TB的3.5英寸硬盘也出自日立之手2011年9月登场的7K1000.D虽然已经快被遗忘,但却是标志性的。

  而后,希捷在2011年11月发布了全线TB硬盘,以“The Power of One”的口号吹响了第六代垂直记录技术普及的号角。西部数据也在2012年陆续将单碟1TB引入到绿盘、蓝盘和红盘等产品线TB的硬盘已经成为主流,而12.5mm厚度1.5TB以及15mm厚度2TB也被应用于便携式硬盘当中。

  虽然是个两年前的话题,但既然本次讨论的都是4TB硬盘,所以这里仍要强调一遍。

  关于2TB容量界限,这个渊源和现有的分区形式大有关联。目前我们系统中硬盘采用的寻址方式为LBA(Logical Block Addressing,逻辑区块寻址),LBA 0存放有MBR(Master Boot Record)主引导记录分区形式,BIOS也是通过查看LBA 0的信息获知系统的引导启动方式。

  在MBR分区形式下的LBA寻址能力为32位,也就是说可以用来描述扇区地址的信息长度为32位,即4G个。以现有硬盘的一个扇区的大小为512字节来看,4G个512字节即2,199,023,255,552字节,也就是2.19TB,这只是人为叫法(也说2.2TB),按照操作系统以1KB=1024byte的计算方式来看则正好为2TB。总之就是这样一个数字,限制由此产生。

  解决MBR只能管理2TB硬盘的问题就是换用GPT(Globally Unique Identifier Partition Table Format)分区表。但此时就需要3个LBA来管理这种磁盘的信息:第一块LBA0是无用的,里面没有任何信息,第二块LBA1存放描述GPT磁盘的信息,最后一块LBA-1用来备份LBA1。

  GPT硬盘的最大好处就是支持分区超过2TB的硬盘,最大可以支持18EB。而GPT也被目前最新的64位LBA或长LBA(Long LBA)所支持,同时也是英特尔的EFI(可扩展固件接口)系统的一部分。目前所有的安腾系统和基于英特尔方案的Mac电脑支持GPT。

  容量超过2TB硬盘的应用在不同场合也有不同的要求,首先是操作系统方面,Windows XP系统的多数版本是不支持GPT分区形式的,在该系统下它会识别为保护分区,只有x64版本能够对GPT磁盘进行数据操作,可惜这个系统目前使用率少之又少。Windows Vista和Windows 7均支持GPT,但是如果要从GPT硬盘引导启动操作系统,也只有x64的版本可以做到。

  对于外置硬盘来说,只要SATA转USB控制器支持即可,即便是Windows XP系统使用也没有压力。如果作为从盘使用,使用Windows Vista和Windows 7转换为GPT即可使用。

  早期购买西部数据3TB绿盘时会附带一个HighPoint Rocket 620转接卡使用大于2TB硬盘作为系统盘是最为麻烦的事情,除了必须使用64位操作系统之外,主板芯片组也必须支持EFI BIOS,同时还要支持长LBA(Long LBA)的驱动。在2010年底很多主板芯片组还不支持的时候,购买3TB硬盘之后厂商会附带一个HighPoint Rocket 620转接卡。随着后来英特尔发布了支持长LBA的AHCI驱动之后,这个问题也就不是问题了。

  相比硬件层面的诸多限制,通过软件解决是最为省事的办法。比如希捷的DiscWizard v13软件,它是通过将不能被识别的那部分容量模拟成另外一款硬盘即可,这样老系统的用户也就不必再担心GPT和MBR之间的差异了,即便是安装Windows XP系统也可以在安装完之后再用这款软件来模拟虚拟硬盘。未来更大的硬盘出现后,这种方案能模拟更多的虚拟硬盘出来。

  值得说明的是,尽管自2011年开始业内所有新出货的桌面硬盘均采用4KB高级格式化技术,但是企业级硬盘受限应用环境目前仍停留在512 Byte(SAS设备为520、528 Byte)扇区的水平上。因此,本次拥有企业级血统的两款4TB硬盘仍停留在512 Byte扇区格式上。尽管可以通过定制固件实现4KB扇区,但是显然两家厂商并未这样做。

  不过从前面透露的希捷Desktop HDD.15 4TB硬盘已经采用4KB扇区来看,未来纯桌面级硬盘仍将全面采用这一格式,所以在这里仍有必要做个全面的介绍。

  西部数据是第一个推出采用4KB高级格式化技术的硬盘的厂商,他们于2009年年末发布的WD10EARS是第一个吃螃蟹的产品。

  由于当时Windows 7操作系统刚刚发布,Windows Vista显得不太成功,Windows XP系统仍然是当时的绝对主流。Windows XP由于时代较老根本不支持4K扇区,因此必须使用WD Align软件进行校准、对其。很多消费者由于忽略了该步骤,导致在系统中出现性能大跌的问题。不过随着时间的迁移,Windows 7的渗透率逐渐攀高,今天4K高级格式化技术的风波已经逐渐平息。

  另外,容量的增加也使得磁密度变大,这样就造成了磁头读取时的信噪比(SNR)变大,因此在操作中就更容易出现读取错误。为了避免这样的错误发生就需要设置更多的校验区间来反复地进行校验,这同样会使可用空间进一步减少,介于校验操作的频繁也会使得性能产生下降。所以最好的解决途径就是改变扇区格式,增大扇区容量,这也就催生了4KB扇区格式的应用。

  相比之下4KB扇区格式只需要100byte的校验区间,在一定程度上降低了扇区间隙所占用的磁盘空间,据悉其幅度可在7%到11%之间。

  数据统计,没有采取任何“对齐”的对策,硬盘性能会下降30%~40%。操作系统方面,Windows XP下所有分区都不能够和4KB扇区对齐,因为其第一个分区是从LBA 63(第63个512byte扇区)开始的。简单来说,63不能整除8。而目前最新的Windows 7已经提供了对4KB扇区的支持,直接在Windows 7系统下进行格式化操作即可“对齐”。

  刚刚提到,西部数据的解决方案是利用分区校准工具WD Align进行软件模拟,这显然需要消耗额外的时间和处理步骤。而希捷提出了自己的技术 “SmartAlign”,能够在硬盘的固件内部实时、动态监测和管理“读取-修改-写入”状况,并交给系统使用,几乎不会造成任何延迟和性能损失。就是说,用户不用花费额外的时间在处理对齐的问题上了。希捷在当前所有采用4K高级格式化技术的硬盘中都采用了此项技术。

  下面我们来通过测试进一步了解两款硬盘在性能上的差异,首先是HDTune的基准持续读写测试。对于机械硬盘来说,更大的单碟容量(磁记录密度)以及更快的转速都有助于提升持续读写性能。由于磁盘盘片内外圈的扇区数量不同,因此外圈的持续读写性能总会高于内圈。HD Tune Pro 4.60是一款功能全面的硬盘测试及诊断工具,是基于数据包拷贝的测试软件,默认使用的是64KB数据包以测试硬盘的持续读写性能。通过测试曲线可以很清晰地看到硬盘从外圈到内圈的性能表现,以及随机存取和突发速率性能的情况。

  首先,西部数据的WD Black 4TB的外圈性能仅达到了150MB/s,而希捷Barracuda XT 4TB则达到了180MB/s。一般来说,在整个磁盘片各个区段磁记录密度分布相近的情况下,磁盘片外圈的持续读写速度高是因为其线速度相对内圈更高。

  显然,西部数据WD Black 4TB有意降低了磁盘片外圈的记录密度,这削减了外圈的性能但却可以拥有在更大范围中更均衡的表现,比如最外圈的1200GB几乎有着相同的持续读写速度。虽然两款硬盘内圈的速度基本一致,但外圈速度的差异早就了两者最终平均读写速度方面的差距。

  第二,西部数据WD Black 4TB的曲线显然要比希捷Barracuda XT 4TB更加平稳,后者的波动比较大。但由于HDTune的测试并非完全意义上的全盘范围,所以我们可以认为这和硬盘控制器的算法和Cache都有一定关系。只是表面上来看,西部数据的WD Black 4TB更好看一些。

  第三,一个很关键的差异在于存取时间,西部数据WD Black 4TB为16.4ms,而希捷Barracuda XT 4TB则达到了19.9ms。由于7200RPM硬盘的平均等待时间为4.16ms,所以两者的差异则在于寻道操作上。希捷有意降低了寻道时间,换来了更好的静音表现以及更低的功耗,这显然符合作为外置硬盘的设定。

  而西部数据的WD Black 4TB的表现则更像是一个正常的“桌面级硬盘”,16.4ms看起来不是很快也不是很慢。实际上,它的同门兄弟RE 4TB可以做到13ms左右。这意味着,虽然WD Black作为西部数据桌面级硬盘的旗舰型号,但是也并非盲目追求性能,它仍考虑了桌面应用环境为降低噪音做了一定的取舍。此前2TB黑盘也有相同的特点,这再一次可以说黑盘更像是企业级硬盘的桌面版本。而在希捷方面,当前的产品划分也决定了它也有相同的差异。

  HDTune软件设有专门的随机存取性能测试,这部分我们可以沿用前面的观点。我们知道机械硬盘的随机响应时间基本上等于“平均寻道时间”与“平均潜伏期”之和,两个部分分别由主轴马达和音圈马达控制,分别决定了硬盘的转速和寻道表现。两者之间没有必然的关系,不能说转速快的硬盘寻道就一定快。

  尽管HDTune软件的此项IOPS性能测试只基于单线程,无法体现开启AHCI启动NCQ的效能,单以机械硬盘本身只是“单通道”运作的方式来看,NCQ带来的效果实在有限。

  作为已经采用4KB扇区格式的两款硬盘来说,我们自然更加关心4KB数据块下的IOPS表现。由于希捷的Barracuda XT 4TB在寻道方面做了一定的取舍,所以此项测试自然略落后于西部数据WD Black 4TB。其中,前者达到了50 IOPS,而后者则为61 IOPS。

  由于文件基准测试必须在实际的分区下测试,所以必须要综合考虑文件系统、缓存等方面的影响。我们使用Windows 7下NTFS文件系统进行测试。同时在传输速度项目上,将文件长度从默认的500MB调整为4096MB。

  通过4GB范围内的两个曲线我们可以更加清晰地看到两款硬盘之间的差异。西部数据WD Black 4TB有很频繁的振幅比较小的波动,而希捷Barracuda XT 4TB则是比较大的但是相对缓和波动。基本上可以作为前面基准测试的放大版。但这些在实际应用中并不会有太大差异,不能一概而论。

  在这里的4KB随机读写的测试中,除了单线KB随机读取项目之外,希捷Barracuda XT 4TB获得了完胜。特别是在多线程环境下的随机操作中的表现尤其优秀,这说明希捷这款硬盘对NCQ的优化十分到位。

  相对于理论的连续读写测试和随机读写测试,PCMark的测试项目更加偏重于实际环境,测试中会有大量的对不同长度数据块的持续读写、随机读写操作,所以它可以更加出色地体现出不同硬盘在真正系统应用中所达到的性能。此时不能再单纯地以硬盘在一些基础项目中的表现来衡量了。这里我们分别使用了PCMark Vantage和PCMark 7两款软件进行跑分测试。

  以往,我们仅仅是简单地、循规蹈矩地对硬盘进行流水线似的测试,然后总结一下几个关键的基准性能指标。而这一次我们通过对比两款硬盘,细细地品味它们之间的差异。虽然只使用了HDTune和PCMark两款软件,但是却也能够基本摸透两者之间的特性。

  如今磁记录密度的年复合增长率已经不足20%,本以为发展到第六代的垂直记录技术就要到终点的时候,日本昭和电工已经表示还会继续将垂直记录技术推向深入,今年就会进入第七代,并会带来650GB容量的2.5英寸碟片,但是未透露3.5英寸碟片的进度。

  不过很显然,此时磁记录密度将达到每平方英寸800Gb的水平,进一步接近业内预计的1Tb极限水平。根据昭和电工的路线GB的碟片时,将导入叠瓦式磁记录技术(SMR),到发展到1TB时,将采用热辅助磁记录技术(HAMR),时间至少要等到2014年。

  西部数据已经表示将在今年晚些时候发布5TB硬盘,而这有可能会是一款充氦硬盘(Helium-filled HDD)。由于氦比空气轻,分子量较小,化学性质不活跃,因此一般认为氦可以提高硬盘寻道臂的速度,通过加快硬盘旋转速度来提高硬盘性能,同时可以消除噪音、振动和扰流等机械问题。氦的导热性优于空气,因此也可以使盘片表面的温度更加均匀以提高质量,并可以保护硬盘磁头及磁盘的涂层,从而延长硬盘的寿命。

  利用这种硬盘技术,西部数据有望快速提升自己的优势,尽管希捷和东芝也有相应的技术,但可能一时难以赶上西部数据。当然,各家的混合硬盘产品也将在今年纷至沓来。

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