Заметки по дисковому вопросу

Эссе о жестких дисках компании Seagate

Вряд ли кто станет отрицать, что производительность и надежность компьютера теснейшим образом связаны с производительностью и надежностью его магнитных дисков (НЖМД). В связи с этим мы решили немного отойти от "архитектурного пуризма", характерного для нашей рубрики, и взглянуть, что творится на рынке НЖМД. А посмотреть есть на что: если долгое время мы радовались быстрому развитию микропроцессоров, темпы роста производительности которых опережали темпы роста производительности НЖМД, то сегодня стали свидетелями революционных изменений в технологиях НЖМД. Это связано, в частности, с быстрым распространением новых интерфейсов UltraSCSI, SSA и Fibre Channel, и соответствующих НЖМД. Крупнейший мировой производитель НЖМД - компания Seagate. И дело не только в объемах производства. Компания - один из технологических лидеров, быстро внедряющих в жизнь последние новинки. Так, например, она уже поставляет не только UltraSCSI, но и накопители на Fibre Channel. Рассмотрим детальнее лишь наиболее "продвинутые" семейства НЖМД компании Seagate - Elite, Barracuda и Cheetah.

Прежде чем обсуждать собственно НЖМД, позволю себе напомнить читателю о некоторых особенностях применяемых интерфейсов. В рассматриваемых моделях НЖМД применяются три типа интерфейсов - Fast SCSI-2, UltraSCSI и Fibre Channel. Наиболее важные для пользователя характеристики этих интерфейсов сведены в таблице 1. Следует подчеркнуть, что UltraSCSI и Fibre Channel - это не будущее, а уже настоящее. UltraSCSI-НЖМД можно установить даже в персональный компьютер. Поддержка UltraSCSI входит в "джентльменский набор" для современных рабочих станций RISC-архитектуры.

Использование интерфейса UltraSCSI, вдвое повышающего пропускную способность шины (см. таблицу 1), целесообразно, в частности, при работе с большими графическими изображениями (например в медицине), с современными приложениями Internet и т.д.

Если переход к UltraSCSI можно назвать эволюционным путем развития, то Fibre Channel (FC) - это кардинально новая технология. Строго говоря, то, что мы будем рассматривать ниже, называется Fibre Channel-Arbitration Loop (FC-AL). Кольцевая структура FC-AL, в отличие от шины SCSI, позволяет осуществлять горячую замену НЖМД, а расстояния между внешними устройствами при использовании коаксиальных кабелей могут составлять до 30 м. При использовании же действительно волоконно-оптического кабеля в одномодовом режиме расстояние от хоста до внешнего устройства может составлять до 10 км!

Кроме решения "больной" для SCSI проблемы расстояния (это реально так, поскольку большинство внешних устройств подсоединяется в однопроводном режиме - см. таблицу 1), FC-AL позволяет преодолеть и проблему ограничения числа внешних устройств на шине SCSI. Хотя F&W (т. е. 16-разрядный) SCSI-2 дает возможность иметь на шине до 15 устройств, подсоединение уже 3 четырехгигабайтных НЖМД Seagate Barracuda со скоростью передачи до 9 Мбайт/с (см. таблицу 2) способно "съесть" всю пропускную способность SCSI-шины. Аналогичная ситуация возникает и с UltarSCSI при использовании НЖМД Cheetah с пиковой скоростью передачи до 22 Мбайт/с. FC-AL имеет пиковую пропускную способность 100 Мбайт/с и позволяет подключать до 126 ВУ.

FC-AL целесообразно применять для обработки графической и видеоинформации, в файл-серверах, при построении дисковых массивов и в суперкомпьютерных приложениях. Из современных многопроцессорных суперкомпьютерных серверов, которые поддерживают протокол FC-AL, можно упомянуть, например, SGI Origin 2000.

Архитектура НЖМД Seagate

Архитектура ASA (Advanced SCSI Architecture) была предложена Seagate с целью повышения производительности работы ее НЖМД, особенно в многозадачном окружении. Seagate, справедливо посчитав, что у имеющегося (тогда) Fast SCSI-2 есть внутренние резервы и можно "подтянуть" производительность, не выходя за его рамки, разработала "стандарт" ASA для собственных НЖМД, включающий целый ряд интересных особенностей. В качестве примера устройств, поддерживающих ASA-II, можно назвать широко распространенные НЖМД Barracuda 2 (емкостью 2 Гбайт). Дальнейшее расширение ASA, ASA-II, ориентировано в первую очередь для применения при обработке аудио- и видеоинформации, в сетевых серверах и рабочих станциях. Применение ASA-II позволяет существенно увеличить производительность, однако это не отражается на формальных характеристиках НЖМД типа представленных в таблице 2. Поэтому остановимся на особенностях ASA-II подробнее.

Основная идея ASA-II связана с применением обработчика прерываний. В многозадачном окружении ВУ, поддерживающее ASA-II, во время выполнения "механических" операций типа установки головок способно одновременно выполнять некоторые другие операции. Такие возможности определяются тем, что время выполнения механических операций измеряется миллисекундами (мс), а электроника способна выполнять операции даже в наносекундном диапазоне. Поэтому во время механической операции ВУ может, например, декодировать следующую поступившую к нему команду (напомним, что SCSI-ВУ имеет встроенный контроллер).

Напомню, что в случае, если данные не находятся в кэш-памяти НЖМД, выполнение операции ввода-вывода включает, грубо говоря, три основные стадии: установку (seek) головок на нужный цилиндр, затем подвод под головку в процессе вращения нужного сектора и, наконец, передачу данных. Соответственно, основными характеристиками производительности НЖМД являются среднее время установки Ту (оно, естественно, зависит от числа цилиндров и т.п.), время задержки (подвода сектора) Тз и собственно (внутренняя) скорость передачи данных. Чем выше скорость вращения, измеряемая в RPM (оборотах в минуту), тем меньше Тз. В течение Ту и Тз электроника НЖМД с архитектурой ASA-II выполняет определенные "фоновые операции". Для этого поддерживаются очереди команд. Пожалуй, наиболее яркий пример такого подхода - сортировка установок. Пусть мне надо последовательно выполнить 3 операции чтения, скажем, с 1-го, 1024-го и 53-го цилиндров. НЖМД с ASA-II отсортирует эти операции, и чтение с 53-го цилиндра будет проделано до чтения с 1024-го, что существенно ускоряет обработку запросов.

Другой пример задач, решаемых электроникой в фоновом режиме - управление кэшем НЖМД. ASA-II поддерживает адаптивное кэширование, включающее динамическое определение размера сегмента кэша. Если выясняется, что ВУ может обрабатывать запросы более эффективно, разделив доступную кэш-память на более маленькие разделы, НЖМД сделает это. Затем, при необходимости, может быть выполнено дальнейшее порционирование сегментов кэша или, наоборот, их "укрупнение" и т.д. Для поддержания этой функции НЖМД проверяет "историю" запросов, для чего используется другая особенность ASA-II - протоколирование событий.

ASA-II может также адаптироваться к случайным установкам путем отключения функции предварительного чтения вперед (read look-ahead). Последняя осуществляет "спекулятивное" чтение вперед, даже если соответствующего запроса еще не было. Такой подход годится при последовательном чтении, но при этом требует много места в кэше НЖМД, и при случайном чтении ее целесообразно отключать. (Все рассматриваемые в статье НЖМД имеют мультисегментный кэш.)

Функция протоколирования событий ASA-II дает возможность запоминания информации об ошибках и других аномальных ситуациях. Хост может затем запросить эту информацию. Выполнение этой функции в фоновом режиме также повышает производительность.

С целью экономии на Тз НЖМД, поддерживающие ASA-II, начинают чтение данных с дорожки в кэш сразу после того, как завершилась установка, не дожидаясь подвода нужного сектора. Тогда, если понадобятся другие сектора данной дорожки (что вероятно при последовательном чтении), они могут уже оказаться в кэше НЖМД.

Другая важная особенность ASA-II - высокая скорость обработки соединений на шине SCSI. Несколько фаз, начиная от соединения до передачи команды и отсоединения от шины, для многих НЖМД требуют порядка 350 мкс, а для Seagate ASA-II - только 25 мкс. По утверждению специалистов компании, это самый лучший показатель в мире НЖМД.

Для поддержания эффективности работы в многозадачной среде в ASA-II предусмотрены дуальные "порты" (sequencer) НЖМД. Дисковый порт управляет передачей данных между диском (средой) и контроллером, а командный порт воспринимает команды от хоста. Дисковый порт может быть, например, занят передачей данных, а командный порт может при этом принять команду от хоста и начать ее предварительную обработку.

Растущая плотность записи привела к усложнению современных сервосистем, занятых позиционированием головок. От сервосистем требуется очень точное позиционирование, на которое влияют термические условия. При изменении последних требуется рекалибровка системы позиционирования. Это вызывает задержки, которые крайне нежелательны в мультимедийных приложениях, где необходима высокая поддерживаемая пропускная способность. Для решения этой проблемы в ASA-II НЖМД может отложить процесс термической калибровки для обработки запросов на передачу данных, а затем вернуться к выполнению калибровки.

Самые быстрые диски Seagate

Что касается собственно НЖМД, мы воспользуемся примером древнегреческих геометров, рисовавших чертеж и вместо доказательства произносивших - "смотри". Наш "чертеж" - это таблица 2; из нее все и явствует. Приведем некоторые общие данные, отсутствующие в таблице 2. Все диски имеют 512-байтные сектора, могут работать при температуре от 5 до 50?C (Elite емкостью 9 Гбайт - от 10 до 45?C) и дают в среднем 10 корректируемых ошибок на 1011 переданных битов данных, 10 некорректируемых ошибок на 1014 переданных битов и 10 ошибок установки на 108 установок. Срок гарантии на НЖМД - 5 лет. Рекомендую обратить особое внимание на среднее время между сбоями (MTBF), характеризующее надежность НЖМД.

Если диски серии Elite традиционно были нацелены на достижение максимальной емкости (сегодняшний рекорд - 23 Гбайт!), то популярные НЖМД Barracuda, имеющие 7200 оборотов в минуту, ориентированы на достижение максимальной производительности. Новейшая серия НЖМД Cheetah, имеющих скорость вращения уже свыше 10 000 RPM, стала сегодня лидером в области производительности. Поставки НЖМД Cheetah и устройств с интерфейсом FC намечены на этот год.

Пожалуй, известен только один минус НЖМД Barracuda - высокая рабочая температура. Из-за этого их нельзя было использовать в качестве внутренних в компьютерах, имеющих недостаточное для этого охлаждение, например, в рабочих станциях SGI Indy. При работе сразу нескольких таких дисков в общем внешнем корпусе, не обеспечивающем необходимое охлаждение, они подчас выходили из строя из-за перегрева. В более новых моделях НЖМД Barracuda тепловыделение было снижено.

Хорошие потребительские качества НЖМД Seagate снискали этой фирме заслуженное признание не только за рубежом, но и у наших пользователей. Кстати, взгляните - что за диск стоит в вашем компьютере?