Современный рынок компьютерных комплектующих предлагает множество разнообразных моделей жестких дисков, заточенных для решения определенных задач. Но чем, к примеру, накопители для ПК отличаются от винчестеров для систем видеонаблюдения? Попробуем разобраться на примере продукции Western Digital.
WD Blue: накопители начального уровня для офисных и домашних ПК
Первое, что необходимо сделать прежде, чем пытаться систематизировать те или иные сущности, — выбрать точку отсчета. Отправным пунктом для нашего материала станут жесткие диски WD Blue, на примере которых мы познакомимся с основными техническими характеристиками винчестеров.
WD Blue предназначены для офисных и домашних компьютеров начального уровня. Такие диски используются для хранения разнообразных файлов (документов, фото, музыки, видео), отличаются малым энергопотреблением и тепловыделением. Чтобы понять, как этого удалось добиться, разберем один из самых важных параметров, определяющих производительность винчестера, — скорость вращения шпинделя .
Здесь все довольно просто: чем быстрее вращаются магнитные пластины, тем быстрее блок головок находит нужный трек, чтобы считать или записать информацию, и тем выше быстродействие жесткого диска. Однако, если мы хотим сделать HDD более производительным, нам понадобится мощный электромотор, который будет потреблять большое количество электроэнергии. Помимо этого, такие диски будут сильно нагреваться, поскольку с увеличением скорости магнитных пластин возрастет и сопротивление газовой среды внутри гермозоны накопителя, что приведет к увеличению тепловыделения.
Скорость вращения шпинделя у жестких дисков WD Blue составляет 5400 оборотов в минуту, что позволяет добиться устойчивой скорости передачи данных от 150 до 180 МБ/с. Этого более чем достаточно для решения повседневных задач, включая даже трансляцию нескольких потоков видео в качестве 4K/60FPS, ведь в среднем битрейт такой записи составляет 10–15 МБ/с.
С загрузкой файлов из сети у вас также не возникнет проблем. Если вы используете канал передачи данных 100 Мбит/с, то сможете полностью его утилизировать, ведь в пересчете на мегабайты скорость вашего интернета будет составлять всего 12 МБ/с, что почти в 10 раз меньше по сравнению с пропускной способностью WD Blue. На практике это означает, что вы сможете поставить на загрузку сразу несколько торрент-раздач и это никак не скажется на производительности вашего ПК (разумеется, при наличии достаточно мощного процессора).
При этом WD Blue отличаются рекордно низким энергопотреблением (от 0,4 Вт в режиме простоя до 5,3 Вт в операциях чтения/записи), а уровень производимого ими шума не превышает 30 акустических децибел (дБА). Насколько это много или мало, поможет оценить следующая шкала.
Как видите, звук, издаваемый накопителями WD Blue, сопоставим с фоновым шумом в читальном зале, а значит, вы практически не будете его замечать, ведь даже самый тихий кулер работает куда громче.
WD Black: самые быстрые винчестеры для игровых компьютеров и рабочих станций
При разработке линейки WD Black основная ставка делалась на максимальную производительность. Скорость вращения шпинделя таких дисков составляет уже 7200 об/мин, а флагманская модель емкостью 10 терабайт может похвастаться устойчивой скоростью передачи данных 263 МБ/с, что соответствует показателям накопителей корпоративного класса. Такие HDD предназначены для ситуаций, когда пользователю требуется максимально возможная производительность: для работы с файлами большого объема, рендера видео в высоком качестве, параллельной обработки нескольких потоков информации (запись и трансляция стримов, создание резервных копий дистрибутивов Steam, загрузка торрентов и т. д.) и других аналогичных задач. От своих младших собратьев WD Black отличаются и большим объемом буферной памяти — вплоть до 256 МБ, что обеспечивает стабильную скорость передачи данных в многопоточном режиме.
Расплатой за быстродействие стали прожорливость и шумность накопителей. Давайте сравним два HDD емкостью 4 терабайта из линеек WD Blue и WD Black.
Как видно, хотя скорость вращения шпинделя у WD Black возросла на 25%, уровень энергопотребления жесткого диска увеличился практически вдвое, при этом винчестер стал на 36% «громче» своего младшего брата. Другой побочный эффект, которым приходится расплачиваться за скорость, — возросший уровень вибрации, генерируемой приводом шпинделя и магнитными пластинами. Помимо того, что вибрация негативно сказывается на интенсивности износа механических компонентов HDD, она также способна приводить к снижению его производительности на величину от 20% до 70% в ситуациях, когда несколько жестких дисков расположены близко друг к другу и вступают в резонанс. Все дело в том, что под действием сильной вибрации головки чтения/записи «промахиваются» при поиске нужного трека, смещаясь за пределы рабочей области, и контроллер HDD повторно инициирует процедуру позиционирования, что отнимает дополнительное время.
В WD Black защиту от вибрации обеспечивает технология StableTrac . Запатентованный метод двухстороннего крепления вала электродвигателя позволяет стабилизировать шпиндель при раскрутке и минимизировать колебания магнитных пластин относительно горизонтальной плоскости, за счет чего и достигается более точное позиционирование блока головок. В качестве же дополнительной меры защиты такие накопители рекомендуется устанавливать в корзины, оснащенные резиновыми или силиконовыми демпферами и активной системой охлаждения, ведь высокопроизводительные винчестеры склонны к нагреву под нагрузкой, что, как и вибрация, является следствием высокой скорости вращения шпинделя.
К счастью, подобными корзинами оснащаются практически все корпуса для игровых ПК и мощных рабочих станций, так что вам даже не придется отдельно искать их в продаже.
WD Red Plus: оптимальный выбор для сетевых хранилищ данных
Сетевые хранилища (NAS — Network Attached Storage) предназначены для хранения данных, обеспечения их доступности в домашней сети и интернете, а также для автоматизации рутинных процессов. Так, например, NAS можно настроить для создания бэкапов по расписанию, сделать из него мультимедийный сервер, который будет транслировать видео на ПК, смартфон, планшет или Smart TV, или превратить в персональное облако, с помощью которого вы сможете получить доступ к нужным файлам из любой точки планеты и синхронизировать данные на разных девайсах.
Подобные устройства должны функционировать в режиме 24/7 (в противном случае большую часть сценариев их использования будет невозможно реализовать), что предъявляет серьезные требования к надежности и экономичности профильных накопителей. Поскольку сама концепция NAS предполагает высокую плотность хранения информации, HDD обязаны быть достаточно «холодными» и эффективно противостоять ротационной вибрации, которая, как мы выяснили выше, негативно отражается на их производительности. Наконец, винчестеры для сетевых хранилищ должны адекватно работать в составе дисковых массивов (RAID), на что неспособны обычные потребительские жесткие диски.
Рассмотрим, чем винчестеры для NAS отличаются от обычных, на примере линейки WD Red Plus, ориентированной на использование в составе домашних сетевых хранилищ и решений для малых офисов.
Данная серия включает в себя 10 моделей емкостью от 1 до 14 ТБ, производительность которых варьируется в пределах от 150 МБ/с у терабайтных накопителей до 215 МБ/с у флагманских устройств. Это выглядит вполне логично: для типичных сценариев, в которых обычно используются NAS (создание бэкапов, загрузка файлов, стриминг видео), пропускной способности 150 МБ/с на диск более чем достаточно. Ну а если вы приобретаете винчестер на 14 терабайт, то, очевидно, собираетесь использовать его для хранения и передачи больших объемов информации либо планируете установить в NAS, обслуживающий множество клиентских устройств, поэтому по производительности такие накопители закономерно приближаются к топовым HDD. Еще одна отличительная особенность флагмана: рекордный объем буферной памяти — 512 МБ, что вдвое больше, чем даже у самых производительных WD Black. Однако и это легко объяснить: вместительный буфер позволяет такому диску эффективнее обрабатывать глубокие очереди запросов.
А вот что может удивить, так это скорость вращения шпинделя. У WD Red Plus на 1–6 терабайт таковая составляет 5400 об/мин: данный показатель обеспечивает должный уровень производительности, и в то же время винчестеры остаются достаточно экономичными (по уровню энергопотребления они практически идентичны WD Blue). В устройствах же емкостью 8–14 терабайт скорость вращения шпинделя достигает уже 7200 об/мин, что, хотя и обеспечивает заметный прирост производительности, должно негативно сказаться на температуре жестких дисков и, как следствие, на их надежности и стабильности работы, особенно с учетом высокой емкости, для увеличения которой внутрь HDD были установлены дополнительные магнитные пластины. Неужели инженеры допустили ошибку или пошли на сомнительный компромисс? Вовсе нет.
Секрет кроется в уникальной технологии HelioSeal . Внутренние полости жестких дисков высокой емкости заполнены не воздухом, как у моделей потребительского класса, а разреженным гелием, который имеет в 7 раз меньшую плотность и отличается лучшей теплопроводностью. Переход на гелиевую платформу обеспечил целый ряд чрезвычайно важных преимуществ:
- уменьшение сопротивления газовой среды внутри диска позволило использовать более тонкие магнитные пластины, располагая их ближе друг к другу, за счет чего внутри корпуса появилось место для дополнительных «блинов», что и помогло увеличить емкость HDD;
- снижение турбулентности в гермозоне помогло сократить зазор между магнитными пластинами и пишущими головками, уменьшить физические размеры последних и повысить точность их позиционирования, за счет чего удалось добиться повышения плотности записи и быстродействия HDD на 21%;
- снижение силы трения сделало диски на 4–5°C холоднее и практически на 49% экономичнее в расчете на единицу емкости, даже несмотря на увеличение скорости вращения шпинделя.
Для борьбы с пагубным действием вибрации в дополнение к двустороннему креплению шпинделя StableTrac при производстве дисков «красной» серии применяется метод тонкой балансировки магнитных пластин в двух плоскостях 3D Active Balance Plus . Высокоточное выравнивание «блинов» позволяет минимизировать амплитуду их колебаний при раскрутке, благодаря чему повышается точность позиционирования магнитных головок.
Главной же «фишкой» WD Red Plus является фирменная прошивка NASware 3.0 , включающая в себя комплекс улучшений, призванных оптимизировать работу жестких дисков в составе NAS. Одним из них является отключение парковки блока головок . Параметры ATM и standby (spindown) timeout имеют значение «0», то есть парковка блока головок и остановка привода магнитных пластин в рабочем режиме полностью запрещены, тогда как в «гражданских» моделях это происходит автоматически через заданное время после прекращения чтения/записи. Такой подход позволяет дополнительно продлить срок службы винчестеров: время наработки на отказ (Mean Time Between Failures, MTBF) жестких дисков «красной» серии достигает 1 миллиона часов, а расчетная среднегодовая рабочая нагрузка (Workload Rate Limit, WRL) — 180 терабайт перезаписи. Отключение парковки в простое также помогает сделать HDD более отзывчивыми: поскольку время на раскрутку шпинделя не тратится, накопители реагируют на запросы NAS с минимальной задержкой.
Помимо этого, NASware 3.0 включает в себя механизм контроля устранения ошибок записи Time Limited Error Recovery (TLER) , что позволяет использовать накопители линейки WD Red Plus в составе RAID-массивов. TLER работает следующим образом. При обнаружении сбойных секторов на одном из дисков — участников массива, запускается процедура коррекции ошибок, длительность которой ограничена 7 секундами. Если в течение этого периода накопитель не успевает завершить процесс, RAID-контроллер получает от него соответствующий сигнал и процедура коррекции откладывается до момента простоя системы. Обычный диск в такой ситуации попросту перестает отвечать на команды RAID-контроллера и исключается из массива как вышедший из строя.
⚠ Лайфхак ⚠ Геймерские материнские платы верхнего ценового сегмента, а также двухпроцессорные платы для высокопроизводительных рабочих станций оснащаются встроенными RAID-контроллерами, что позволяет собирать полноценные дисковые массивы. С учетом этого, WD Red Plus станут оптимальным выбором для установки в подобные системы.
WD Purple: жесткие диски, адаптированные для систем видеонаблюдения
Если сравнивать диски «пурпурной» и «красной» серий, можно заметить, что они во многом похожи. Здесь мы можем видеть примерно идентичное соотношение емкости и производительности, применение платформы HelioSeal при производстве устройств большого объема, идентичные методы борьбы с ротационной вибрацией (StableTrac и 3D Active Balance Plus), а также поддержку работы в составе RAID-массивов. Тем не менее отличия между этими линейками есть, и довольно существенные, что связано со спецификой отрасли видеонаблюдения.
Поскольку системы безопасности должны осуществлять непрерывную видеофиксацию событий, на функционирующие в их составе накопители приходится куда большая нагрузка, если сравнивать с теми же сетевыми хранилищами. Именно поэтому WD Purple отличаются расширенными показателями MTBF (до 1,5 млн часов) и WRL (до 360 ТБ перезаписи в год), то есть оказываются практически в два раза выносливее по сравнению с винчестерами для NAS.
Впрочем, высокая нагрузка на накопители — отнюдь не единственная отличительная черта систем видеонаблюдения. Главная их особенность заключается в том, что видеокамеры генерируют потоки данных в режиме реального времени. И если жесткий диск, который обслуживает сразу несколько таких устройств, не сможет их вовремя обработать, часть информации будет необратимо утрачена, что обернется появлением графических артефактов, «рассыпанием» изображения на пиксели и даже выпадением отдельных кадров или их последовательностей. В силу непредсказуемых изменений качества записи эффективность такой системы будет стремиться к нулю, так как вероятность упустить из виду важные детали, будь то лицо злоумышленника или автомобильный номер, многократно повысится.
В специализированных накопителях WD Purple данная проблема была решена благодаря фирменной прошивке AllFrame AI . В отличие от обычных моделей, жесткие диски пурпурной серии поддерживают опциональный набор команд Streaming Feature Set, входящих в спецификацию протокола ATA и необходимых для эффективного управления видеопотоками. Главной из них является CONFIGURE STREAM, при помощи которой система сообщает жесткому диску, сколько видеопотоков тот должен одновременно обрабатывать, определяет их приоритет и задает предельные ограничения по времени операций чтения/записи.
Не менее важную роль играют и команды семейства READ/WRITE (DMA) STREAM EXT, позволяющие тонко управлять процессами чтения и записи файлов:
- FLUSH — сообщает диску о том, что указанные данные должны быть немедленно перенесены из кэш-памяти на магнитную пластину.
- NOT SEQUENTIAL — с помощью этой команды система информирует диск о том, что данные записаны непоследовательно и считывать следующий логический блок на текущей дорожке не нужно. Это помогает бороться с переполнением буферной памяти, вызванным работой механизмов префетчинга (предварительной загрузки в кэш нескольких последовательных блоков, следующих за текущим).
- READ/WRITE CONTINUOUS — позволяет принудительно продолжить процесс записи, даже если в полученных данных были обнаружены ошибки. Если контроллер HDD не успевает скорректировать выявленную ошибку за отведенное время, поврежденные данные будут записаны на диск «как есть», а в журнале событий появится соответствующая отметка. Это позволяет поддерживать стабильный уровень производительности системы и исключает потерю еще большего количества информации при сбоях.
Перечисленные команды обрабатываются микропрограммой AllFrame AI, которая непосредственно отвечает за оптимизацию использования кэша и управление приоритетом операций чтения/записи. Набор интеллектуальных алгоритмов, входящих в состав прошивки, обеспечивает возможность одновременной обработки вплоть до 64 видеопотоков от камер высокой четкости, также позволяя выделить до 32 дополнительных потоков данных для нужд видеоаналитики и машинного обучения. Благодаря перечисленным особенностям, WD Purple оказываются оптимальным выбором для эксплуатации в составе высоконагруженных охранных систем.