Диета НЖМД 2: потребление и тепловыделение жестких дисков класса Enterprise

20 современных серий — SAS, SCSI, Serial ATA


Энергопотребление и тепловыделение современных накопителей на жестких магнитных дисках, имеющих, как правило, значительно меньший диапазон рабочих температур (от +5 до +55 градусов Цельсия, реже от 0 до +60 С), чем большинство других компьютерных компонентов — это одна из проблем, на которую пользователи все чаще обращают внимание. Производительность жестких дисков растет, как и скорость процессоров или графических ускорителей. Но, к счастью, здесь нет того бурного роста тепловыделения (с увеличением быстродействия), который наблюдается у центральных и графических процессоров в последние лет десять. Тем не менее, общие требования по экономии электропитания и по лимитированной нагрузочной и охлаждающей способности конкретных компьютерных шасси все чаще заставляют пользователей задумываться и о том, сколько «кушают» их винчестеры. Причем, данные вопросы задаются не только пользователями (и производителями) ноутбуков, где каждые полватта способны повлиять не только на температуру накопителя в узком и плохо вентилируемом пространстве, но и на время автономной работы всего ноутбука (за которое обычно всеми силами борются). И не только потребителями и сборщиками настольных персональных компьютеров, где вследствие резкого роста прожорливости процессоров и видеокарт на винчестеры остается лишь крупица мощности бюджетных блоков питания.

Но вопросы потребления и тепловыделения накопителей все настойчивее волнуют и тех, кто по долгу службы работает с высокопроизводительными профессиональными средствами хранения данных на жестких дисках, принадлежащих к так называемому сегменту Enterprise, то есть дискам для корпоративных применений. Помимо прочего, здесь играет роль и то, что надежность и долговечность работы этих накопителей существенно зависит от их рабочей температуры — исследования показывают, что повышение температуры жесткого диска на 5 градусов оказывает такое же влияние на надежность, как переход от 10-процентной к 100-процентной загрузке диска работой! А каждый градус его температуры вниз эквивалентен 10-процентному росту времени жизни накопителя. Применение же мощных охлаждающих систем не всегда оправдано ввиду их большого шума и немалой стоимости. В целом же, экономия и экономичность — это те факторы, о которых никогда не следует забывать при принятии решений. Поэтому наша попытка в очередной раз обратиться к теме энергопотребления и тепловыделения жестких дисков в практической плоскости носит не только «познавательный», но и чисто прикладной характер.

Напомню, что ранее мы уже рассматривали на систематизированной основе вопросы энергопотребления и тепловыделения трехдюймовых жестких дисков для настольных компьютеров и производительных двухдюймовых накопителей для ноутбуков. И будем возвращаться к этой теме еще не раз. Но сегодня пришла пора поговорить о наиболее дорогих и критичных к отказам (в том числе, из-за перегрева или проблем с питанием) накопителям Enterprise-сегмента, к коим мы вслед за производителями причисляем жесткие диски форм-факторов 3,5 и 2,5 дюйма со скоростью вращения 10 и 15 тысяч оборотов в минуту и интерфейсами Ultra320 SCSI и Serial Attached SCSI (SAS) (Fibre Channel пока оставим в стороне). А также определенные профессиональные модели со скоростью вращения 7200 об./мин, интерфейсом Serial ATA (позднее SATA 2.5) и высокой емкостью (400-500 Гбайт, пока недоступной SCSI-моделям), выполненные на базе существующих настольных винчестеров этих же производителей, но слегка модернизированных по конструкции и управляющей микропрограмме с целью повысить надежность и улучшить работу в профессиональных задачах. К последним, то есть к профессиональным жестким дискам с интерфейсом Serial ATA и скоростью вращения 7200 об./мин., мы отнесем традиционные серии Maxtor MaXLine III и MaXLine Pro 500 (а также более раннюю MaXLine II), недавно появившуюся Seagate NL35 (проф. аналог старших моделей Barracuda 7200.8 и 7200.9), а также Western Digital Caviar RE и RE2 (в частности, недавно появившуюся 400-гигабайтную модель WD4000YR). К сожалению, Hitachi GST не выделяет свои диски Deskstar 7K400 и 7K500 (объемом 400 и 500 Гбайт соответственно) в «профессиональную» линейку, хотя по многим характеристикам они могут быть к ней причислены. Поэтому мы в данном обзоре привлечем к рассмотрению и их, наряду с вышеперечисленными семитысячниками и всеми текущими SCSI-сериями, обзор которых сделан нами, например, в недавней статье. Кроме того, здесь примет участие и первый (из реально появившихся в России) из дисков с SAS-интерфейсом — Seagate Cheetah 15K.4 SAS.

Подробные обоснования нашего подхода к анализу энергопотребления и тепловыделения жестких дисков (и почему в единицах мощности это практически одно и то же) вы можете найти в нашем предыдущем обзоре на эту тему. Поэтому без лишних слов переходим к цифрам. Напомню лишь, что мы сознательно не будем использовать температуру жестких дисков как меру их тепловыделения, поскольку, на наш взгляд, делать это в типичных случаях просто бесполезно, то есть почти не имеет практического смысла (обоснование нашего подхода см. по лику выше). Кроме того, измеряя энергопотребление (вместо температуры), мы получаем ряд полезной дополнительной информации.

Спецификации энергопотребления жестких дисков

Чтобы нам было, от чего оттолкнуться, в таблице 1 приведу данные по энергопотреблению основных серий профессиональных дисков, указанные в их спецификациях.

Таблица 1. Мощность энергопотребления (ватт) жестких дисков для профессиональных применений (согласно спецификациям)

SCSI- и SAS-диски со скоростью вращения 15 000 об./мин.
Серия Fujitsu MAU3147 15K Hitachi Ultrastar 15K147 Maxtor Atlas 15K II Seagate Cheetah 15K.4

Модели

MAU3036NC/NP
MAU3073NC/NP
MAU3147NC/NP
HUS151437VL38
HUS151437VL36
HUS151473VL38
HUS151473VL36
HUS151414VL38
HUS151414VL36
8E036L0
8E036J0
8E073L0
8E073J0
8E147L0
8E147J0
ST336754LW
ST336754LC
ST3733454LW
ST3733454LC
ST3146854LW
ST3146854LC

Емкость моделей, Гбайт

36,7 /
73,5 /
147

36,7 /
73,4 /
147

36,7 /
73,5 /
147,1

36,7 /
73,4 /
146,8

Число головок/пластин

2/1, 4/2 и 8/4

3/2, 5/3 и 10/5

2/1, 4/2 и 8/4

2/1, 4/2 и 8/4

Температура, С, вкл. (выкл.)

+5…55 / макс. {T корпуса =60 C для Fujitsu и Maxtor}
(-40…+70)

Потребление, ватт, не более, при:
поиске (seek)
в покое (idle)




11,5



13,2/13,9/17
8,2/8,8/11,2




9,2/10,8/14



13,5/14,3/17,5
8,04/9,5/12,0

Обзор на сайте iXBT.com

fujitsu15k

hitachi15k147

maxtor15k2

maxtor15k2

SCSI-диски со скоростью вращения 10 000 об./мин.
Серия Hitachi Ultrastar 10K300 Fujitsu MAT3300 10K Maxtor Atlas 10K V Seagate Cheetah 10K.7 Seagate Savvio 10K.1

Модели

HUS103073FL38
HUS103073FL36
HUS103014FL38
HUS103014FL36
HUS103030FL38
HUS103030FL36
MAT3073NC
MAT3073NP
MAT3147NC
MAT3147NP
MAT3300NC
MAT3300NP
8D073L0
8D073J0
8D147L0
8D147J0
8D300L0
8D300J0
ST373207LW ST373207LC ST3146707LW ST3146707LC ST3300007LW ST3300007LC ST936701LC ST973401LC

Емкость моделей, Гбайт

73,4 /
147 /
300

73,5 /
147 /
300

73,5 /
147,1 /
300

73,4 /
146,8 /
300,0

36,7 /
73,4

Температура, С, вкл. (выкл.)

+5…55 / макс. {Tкорпуса=60 C для Maxtor}
(-40…+70)

Потребление, ватт, не более, при:
поиске (seek)
в покое (idle)




8,0/8,5/11,2




9,5




7,9/8,8/10,8



11,7/13,0/16,4
6,8/7,8/10,1



7,9/8,1
4,8/5,1

Обзор на сайте iXBT.com

hitachi10k300

fujitsu10k-mat

maxtor10k5

cheetah10k7

savvio10k1

Серия дисков
Idle Seek Read Write Start
Hitachi Deskstar 7K400 9,0 (pata) / 9,6(sata) 30 (2A@12V)
Hitachi Deskstar 7K500 9,0 (pata) / 9,6(sata) 30 (2A@12V)
Maxtor MaXLine Pro 500 9,97
Maxtor DiamondMax 11 <8,1 <13,6 <29,7
Maxtor MaXLine III 6,3 (pata) / 6,7 (sata)
Maxtor DiamondMax 10 7,6
Seagate NL35 7,4
Seagate Barracuda 7200.9 7,4 12,6 13,0 13,0
Seagate Barracuda 7200.8 7,2 12,4 12,8 12,8
WD Caviar RE2 WD4000YR 8,8 10,0 10,0
WD Caviar SE16 WD4000KD 8,75 9,5 9,5
WD Caviar RE WDxx00SD 8,75 9,5 9,5
WD Raptor WD740GD 7,9 8,4 8,4

К сожалению, «паспортные данные» в большинстве случаев оказываются очень скупы и не могут дать полного представления о реальности. Ведь иногда производители указывают лишь верхние границы значений, иногда — типичные значения, а иногда их вообще сложно привязать к реальной ситуации, если сравнивать с непосредственно измеренными для дисков данными. Тем не менее, спецификации есть и нам придется с ними считаться.

Ошибкой, кстати, будет судить об энергопотреблении винчестеров по цифрам, нанесенным на их крышке. Ниже, сравнив эти «надписи» с реальными цифрами, мы убедимся, что совпадение наблюдается далеко не всегда. Более того, эти значения нередко расходятся даже со спецификациями самих дисков, и понять, по какому принципу каждый из производителей указывает эти «циферки», порой, не так просто.

Участники и методика испытаний

В наших испытаниях приняла участие 21 модель современных жестких дисков, представляющих 20 современных серий накопителей для профессиональных применений. Диски перечислены ниже в таблице результатов тестов (см. таблицу 3). Отдельной строкой на диаграммах мы включили случай использования двух винчестеров серии Seagate Savvio 10K.1, поскольку их пара в RAID способна составить реальную конкуренцию самым высокопроизводительным дискам со скоростью вращения 15 000 об./мин. (см., например, наш обзор).

Для измерений энергопотребления жестких дисков применялся стенд в составе:

  1. Процессор Intel Pentium 4 3.0C
  2. Материнская плата Gigabyte GA-8KNXP Ultra-64 на чипсете Intel E7210 (i875P с южным мостом Hance Rapids 6300ESB с шиной PCI-X)
  3. Системная память 2×256 Мбайт DDR400 (тайминги 2.5-3-3-6)
  4. Контроллер интерфейса Ultra320 SCSI Adaptec AIC-7902B на плате Gigabyte
  5. Контроллер интерфейса SAS — Adaptec 4800SAS
  6. Основной жесткий диск Maxtor 6E040L0
  7. Блок питания Zalman ZM400B-APS, 400 ватт
  8. Корпус Arbyte YY-W201BK-A

Потребление дисков измерялось в различных режимах работы: при простое (только вращение, Idle), работе интерфейса связи с хост-контроллером (ATA или SCSI Bus Transfer), чтении (Read), записи (Write) и активном случайном поиске (Seek) (а дополнительно – и в режиме тихого поиска, когда это поддерживалось накопителем; эти результаты мы здесь не представляем за неактуальностью). Кроме того, измерялись максимальные токи при включении питания (Start). Именно эти параметры в комплексе наиболее полно отражают картину как с нагревом диска (произведение тока на напряжение питания дает рассеиваемую диском тепловую мощность), так и с его экономичностью. Режимы работы накопителя задавались соответствующими подтестами программы AIDA32 Disk Benchmark, для режимов чтения и записи измерялись показания «в начале» диска (на внешних, наиболее часто используемых в работе дорожках; на внутренних дорожках ток потребления, как правило, несколько меньше). Испытания проводились под управлением операционной системы MS Windows XP Professional SP2. Винчестеры тестировались не размеченными на разделы. Перед тестированием диски прогревались в течение 20 минут запуском программы с активным случайным доступом.

Измерение токов потребления дисками от источников питания +5 и +12 вольт (точные напряжения на выходе указанного выше блока питания были равны +5,02 В и +12,04 В) проводилось одновременно при помощи двух цифровых амперметров класса точности 1.5 с сопротивлением не более 0.15 Ом (включая сопротивление подводящих проводов). Время обновления показаний приборов составляло примерно 0,3-0,4 с. В таблице результатов приведены средние за несколько секунд значения (обычно флуктуации тока во время измерений не превышали 30 мА), кроме случая стартового тока, для которого приведены максимальные (усредненные за время порядка 0,3 с) значения.

Результаты тестов

Результаты измерений приведены в таблице 2. В последней колонке указаны данные, приведенные на корпусе дисков.

Таблица 2. Ток потребления (в мА) жестких дисков от источника питания в различных режимах работы

Диск
V Idle ATA Seek Read Write Start Данные на корпусе
Seagate Cheetah 15K.4 36GB SAS 5 970 1050 1080 1240 1460 1070 1500
12 430 440 800 440 440 1360 1000
Seagate Cheetah 15K.4 147GB 5 500 910 690 1040 1120 760 800
12 830 880 1350 880 880 1590 1200
Maxtor 15K II 147GB SCSI U320 5 730 930 870 1350 1230 720 950
12 940 900 1430 960 960 1780 1500
Hitachi Ultrastar 15K147 73GB SCSI U320 5 660 820 780 1420 1360 780 640
12 530 530 860 530 530 1570 1220
Fujitsu MAU3073NP SCSI U320 5 440 1160 930 1500 1370 990 1000
12 510 510 850 510 510 1980 1200
Seagate Savvio 10K.1 73GB SCSI U320 5 450 810 620 840 900 630 800
12 190 190 510 190 190 1200 500
Fujitsu MAT3147NC SCSI U320 5 450 1060 850 1340 1240 900 1000
12 580 580 890 580 580 2010 1200
Hitachi Ultrastar 10K300 147GB SCSI U320 5 630 1090 880 1380 1300 860 700
12 460 470 800 470 470 1630 600
HP-Seagate BD14685A26 SCSI U320 5 830 1120 920 1500 1070 830 1200
12 490 510 910 520 560 1360 800
Maxtor 10K V 300GB SCSI U320 5 800 1060 930 1400 1380 800 950
12 650 620 1200 660 660 2020 1500
Seagate Cheetah 10K.7 147GB SCSI U320 5 520 900 680 1200 1000 750 800
12 430 430 990 430 430 1650 800
Seagate Cheetah 10K.7 74GB SCSI U320 5 500 850 950 1100 990 700 800
12 360 360 660 360 360 1230 800
WD Raptor WD740GD 5 510 550 640 770 770 520 700
12 380 380 690 380 380 1670 750
WD Caviar RE2 WD4000YR 5 630 680 710 870 930 650 700
12 410 440 660 440 440 2020 750
WD Caviar SE16 WD4000KD 5 620 660 700 870 920 670 700
12 410 410 680 440 440 2020 750
Hitachi Deskstar 7K400 400GB SATA 5 460 530 830 1250 910 670 780
12 480 480 880 480 480 1200 980
Seagate NL35 400GB SATA ST3400832NS 5 480 500 540 800 940 580 460
12 420 420 620 420 420 2290 560
Seagate Barracuda 7200.8 400GB SATA 5 500 510 550 820 970 600 460
12 440 440 630 440 440 2280 560
Seagate Barracuda 7200.9 500GB SATA 5 570 800 620 930 970 610 460
12 510 510 830 510 510 2380 560
Maxtor DiamondMax 11 6H500F0 SATA 5 530 610 800 1100 1050 700 800
12 430 490 820 490 490 1950 790
Maxtor MaXLine III 7B300S0 SATA 5 550 730 800 1130 1070 700 740
12 440 490 820 490 490 1400 1520

Цифр в таблице много и комментировать каждую из них, видимо, особого смысла нет — они и так говорят сами за себя. Однако необходимо отметить, что ток потребления от +5 вольт для диска Seagate Cheetah 15K.4 с интерфейсом SAS оказался много выше, чем для его аналога с параллельным интерфейсом SCSI — на 200-470 мА в зависимости от режима! Ранее мы уже могли убедиться, что при переходе с интерфейса UltraATA к Serial ATA ток потребления (для однотипных моделей, различающихся только интерфейсом) возрастает на 100-250 мА (в зависимости от производителя и модели), а для Serial ATA на скорости 3 Гбит/с эта прибавка еще больше. Так что сам по себе последовательный интерфейс Serial Attached SCSI «кушает» на стороне диска весьма прилично — от 1 до 2,4 ватт дополнительно (и, видимо, столько же — на стороне контроллера), и прогресс даже здесь не достается бесплатно.

Для удобства анализа на следующей диаграмме приведена мощность потребления дисков от напряжения +5В в режиме передачи данных по интерфейсу (без обращения к магнитным пластинам) (то есть это, в основном, часть, потребляемая контроллером, тогда как механика диска питается от +12В). Диски здесь и ниже сгруппированы по категориям (по скорости вращения).


Мощность потребления жестких дисков по шине питания +5 В при передаче данных по интерфейсу

Интересно, что самым экономичным SCSI-контроллер оказался у пятнадцатитысячников Hitachi (если помните, они построены по более прогрессивной схеме, чем у их собратьев со скоростью вращения 10 000 об./мин.). Впрочем, у Savvio 10K.1 (да и у Чит вообще) контроллеры тоже потребляют мало. К слову сказать, 4-5 ватт в режиме передачи данных по интерфейсу (то есть без чтения/записи) — это достаточно большие цифры, то есть сами платы контроллеров (не оснащенные радиаторами) могут испытывать значительный нагрев в работе. Поэтому не рекомендую устанавливать профессиональные диски вплотную друг над другом, а для охлаждения их электроники лучше использовать обдув (например, в корзине).

Самый экономичный контроллер из всех дисков со скоростью вращения 10 000 об./мин. — у WD Raptor с интерфейсом Serial ATA. И он при этом, как ни странно, обогнал даже все (почти) нынешние профессиональные диски со скоростью 7200 об./мин. Самый экономичный контроллер оказался у 400-гигабайтных дисков Seagate NL35, построенных на базе Seagate Barracuda 7200.8. Эта парочка потребляет (контроллером) всего по 2,5 ватта в режиме передачи данных по интерфейсу.

Насчет совпадения паспортных данных с измеренными — картина достаточно разрозненная. Где-то можно видеть схожесть, где-то, напротив, заметные различия (сравнивать удобнее таблицу 1 с таблицей 3 ниже).

Теперь насчет корреляции между данными потребления, указанными на корпусе накопителей, и реально измеренными значениями в различных режимах. Здесь наблюдается полная разноголосица! Честно говоря, я даже не стану гадать, что именно имел ввиду каждый производитель, когда наносил эти «циферки» на диски. Можете попробовать догадаться сами. :) Могу лишь предположить, что у некоторых дисков указанные на корпусе значения соответствуют максимальному току в режиме Idle (и то с изрядной долей условности). Короче, этим надписям на корпусе определенно верить не стоит, они фактически бесполезны и даже вредны, поскольку дезинформируют. И тем более, по ним нельзя судить о реальном тепловыделении накопителей!

Стартовый ток

Отдельно стоит остановиться на стартовом токе дисков. Если по шине +5 В он укладывается в 1 А, то главная нагрузка, безусловно, идет по линии +12 В, где пиковые токи (усредненные за десятые доли секунды) доходят до полутора-двух ампер и иногда даже более. Хорошо, если используемый вами контроллер и модели дисков поддерживают так называемую поочередную раскрутку (старт) дисков (staggered spinup). А если нет, и стартуют почти одновременно все диски массива, то нагрузка на блок питания получается очень неслабая (например, до 9-10А при старте 4-дискового массива из старших SATA-дисков Seagate)!


Стартовая мощность потребления жестких дисков для трех профессиональных категорий с разной скоростью вращения

Наиболее «гуманными» (по отношению к блоку питания при старте) оказались диски Hitachi Deskstar 7K400 и малютка Seagate Savvio 10K.1 (стартовый ток не более 1200 мА от +12 В), а также Maxtor MaXLine III (1400 мА) и однопластинные модели Seagate Cheetah 10K.7 и 15K.4 SAS (у последней, правда, подводит пятивольтовая нагрузка). Наиболее прожорливыми при старте уже традиционно становятся SATA-диски Seagate — Barracuda 7200.8 и 7200.9, а также их «последыш» NL35: 30 и более ватт при старте (и 2,3 А по линии +12В) — это «по силам» лишь сдвоенному Savvio 10K.1. :) Между тем, около двух ампер (и более 28 ватт) в пике при раскрутке потребляют SCSI-диски Fujitsu (причем это еще средние, не самые емкие модели данных серий), а также два диска Maxtor предельно большой емкости — 300-гигабайтный SCSI Atlas 10K V и 500-гигабайтный MaXLine Pro 500 (в лице DiamondMax 11 :)). Да и 400-гигабайтные модели WD не могут похвастать «нежным» стартом (в отличие от WD Raptor). Объясняются данные характеристики достаточно просто: у некоторых SCSI- и ATA-дисков пусковой ток в «динамике» «размазан» на достаточно большой промежуток времени (в течение раскрутки пусковой ток ограничивается электроникой диска на заданном уровне). Тогда как у других моделей сделана ставка на быструю раскрутку и подготовку диска к работе, поэтому и график их пускового тока напоминает, скорее, резкий импульс с ниспадающем наклоном, нежели долгое «плато».

Тепловыделение дисков

Токи потребления (особенно, по двум линиям питания) не очень наглядны при оценке тепловыделения, поэтому мы на их основе вычислим потребляемую мощность для каждого из режимов работы дисков (см. таблицу 3). Разумеется, мощность в данном случае считалась с учетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении амперметров в цепях питания, то есть соответствует конкретному случаю измерений. При других напряжениях питания мощность может быть немного иной.

Таблица 3. Мощность энергопотребления и тепловыделения (Вт) жестких дисков в различных режимах работы

Диск Гбайт Шина Idle ATA Seek Read Write Start
Скорость вращения пластин 15 000 об./мин.
Seagate Cheetah 15K.4 SAS 36 SAS 9,93 10,44 14,87 11,35 12,39 21,47
Seagate Cheetah 15K.4 147 SCSI 12,41 15,00 19,49 15,63 16,01 22,66
Maxtor 15K II 8K147L0 147 SCSI 14,84 15,34 21,30 18,06 17,49 24,69
Hitachi Ultrastar 15K147 73 SCSI 9,62 10,40 14,14 13,28 12,99 22,53
Fujitsu MAU3073NP 73 SCSI 8,30 11,80 14,74 13,42 12,80 28,34
Скорость вращения пластин 10 000 об./мин.
RAID 1 из Seagate Savvio 10K.1 147 SCSI 9,04 12,57 18,38 12,86 13,44 34,88
Seagate Savvio 10K.1 73 SCSI 4,52 6,28 9,19 6,43 6,72 17,44
Fujitsu MAT3147NC 147 SCSI 9,19 12,16 14,83 13,50 13,02 28,25
Hitachi Ultrastar 10K300 147 SCSI 8,64 10,99 13,91 12,37 11,99 23,62
HP-Seagate BD14685A26 146 SCSI 9,97 11,61 15,41 13,54 11,97 20,30
Maxtor 10K V 8J300L0 300 SCSI 11,74 12,64 18,89 14,73 14,64 27,88
Seagate Cheetah 10K.7 147 SCSI 7,74 9,59 15,19 11,04 10,08 23,32
Seagate Cheetah 10K.7 73 SCSI 6,81 8,52 12,58 9,72 9,19 18,14
WD Raptor WD740GD 73 SATA 7,09 7,29 11,43 8,37 8,37 22,42
Скорость вращения пластин 7200 об./мин.
WD Caviar RE2 WD4000YR 400 SATA 8,04 8,65 11,42 9,57 9,86 27,15
WD Caviar SE16 WD4000KD 400 SATA 7,99 8,19 11,61 9,57 9,81 27,24
Hitachi Deskstar 7K400 400 SATA 8,04 8,39 14,62 11,87 10,24 17,64
Seagate NL35 ST3400832NS 400 SATA 7,43 7,52 10,11 8,99 9,67 29,94
Seagate Barracuda 7200.8 400 SATA 7,76 7,81 10,28 9,33 10,05 29,92
Seagate Barracuda 7200.9 500 SATA 3Gb/s 8,94 10,07 13,00 10,69 10,89 31,13
Maxtor DiamondMax 11 6H500F0 500 SATA 3Gb/s 7,79 8,90 13,76 11,28 11,04 26,58
Maxtor MaXLine III 7B300S0 300 SATA 8,01 9,49 13,76 11,42 11,13 20,14

Некоторые данные удобнее наблюдать на диаграммах. Например, на следующем рисунке приведена мощность потребления дисков в режиме Idle (вращение без обращения к пластинам и передачи данных по интерфейсу).


Типовая мощность потребления и тепловыделения жестких дисков в режиме Idle

Очень любопытен громадный разброс значений в клане 15-тысячников: наиболее экономичный здесь диск Fujitsu (средней емкости) почти вдвое лучше, чем старшая модель Maxtor. Представитель последней жарче всех и в категории десятитысячников — хотя это и более емкая модель, чем остальные. Кстати, модели Seagate Cheetah 10K.7 емкостью 73 и 147 Гбайт различаются по энергопотреблению здесь всего на 0,9 ватт и обе являются самыми экономичными SCSI-дисками со скоростью вращения 10 000 об./мин. (они и в реальности заметно холоднее остальных в работе). Диски со скоростью 7200 об./мин. гораздо меньше отличаются друг от друга по этому параметру, чем SCS-модели — от 7,4 Вт для Seagate NL35 (прямо как в паспорте!) до 8,9 Вт для 500-гигабайтной модели Barracuda 7200.9 (спецификации, видимо, обманули. :)). В среднем же 8 ватт являются для подобных накопителей типичным тепловыделением в режиме Idle, хотя нюансы (то есть токи по шинам 5 и 12В) могут заметно разниться от модели к модели (как правило, от 400 до 500 мА по шине +12В и 480-630 по +5В). Победил по экономичности 2,5-дюймовый SCSI-десятитысячник Seagate Savvio 10K.1 — 4,5 ватт в режиме Idle, это очень хорошо. То есть даже пара таких дисков рассеивает тепла меньше, чем большинство пятнадцатитысячников и часть десятитысячников.

Лидирует экономичный Savvio и при активном случайном поиске. Здесь диски расположились по энергопотреблению и тепловыделению следующим образом:


Средняя мощность потребления и тепловыделения жестких дисков в режиме случайного поиска

Снова SCSI-диски Maxtor наибольшей емкости оказались самыми прожорливыми (около 20 ватт — это не шутка, активное охлаждение им просто необходимо). И оправдывает их лишь то, что при этом они лидируют и по производительности в большинстве профильных приложений. Впрочем, старшая модель Seagate Cheetah 15K.4 тоже оказалась одной из самых горячих при поиске, в отличие от младшей SAS-модели этой же серии. Самыми экономичными в своих категориях при поиске оказались SCSI-модели от Hitachi GST. А SCSI-диски Fujitsu в лишний раз подтвердили нашу оценку, что это лучшие на сегодня накопители для персональных компьютеров (!), поскольку наряду с лучшей производительностью в настольных приложениях они обладают еще и одним из наименьших энергопотреблением (в своих классах). :) Кстати, разброс по мощности в режиме поиска среди SCSI-моделей составляет более полутора раз в каждом из классов, тогда как для SATA-дисков со скоростью вращения пластин 7200 об./мин. разброс немного меньше, и большинство дисков укладываются в диапазон от 11 до 14 ватт. Интересно, что лидируют по экономичности здесь диски Seagate поколения Barracuda 7200.8, тогда как 7200.9, имеющая большее количество пластин, уже не может похвастать низким нагревом. Впрочем, даже она менее прожорлива при поиске, чем пятипластинная модель Hitachi 7K400 и старшие SATA-модели Maxtor.

Чтобы привести цифры таблицы 3 к общему, более простому и понятному для читателя «знаменателю», мы вычислили два практически полезных параметра: усредненную потребляемую мощность дисков при низкой загрузке накопителя работой и при интенсивной (постоянной) работе компьютера с винчестером. Для вычисления этих оценочных показателей, не претендующих на какую-то «полноту отражения реальности», я применил две характерные модели использования дисков:

1. При низкой загрузке диска (например, при офисной работе или при редактировании графики) модель среднего потребления диска описывается формулой:

P typ =(Idle *90%+ Write *2.5%+ Read *7.5%)/100%,

где буквенные режимы означают мощность потребления диском от обоих источников напряжения в соответствующих режимах обращения к нему, а цифры, на которые эти токи умножаются — процент по времени, в течение которого диск находится в этом режиме (для чтения и записи берутся максимальные значения тока потребления, соответствующие начальным участкам диска; режим Seek здесь фактически учитывается через чтение и запись). В основу этой модели положено, в частности, то, что при типичной работе пользователя с настольным ПК диск читает/пишет в течение примерно 10% от общего времени работы.

2. Аналогично, для интенсивной работы с диском (гораздо более характерной для типичного профиля использования профессиональных накопителей) среднее потребление численно описывается формулой:

P max =(Write + Seek + Read *3)/5

По вычисленным данным потребляемой мощности построены следующие две диаграммы.


Средняя потребляемая мощность жестких дисков в режиме низкой рабочей загрузки (типичной работы ПК).

Эти результаты, очевидно, близки к расстановке «сил» по режиму Idle — победители по экономичности потребляют при такой работе ПК всего 7-8 ватт, наиболее «холодными» являются диски Seagate и WD, а также пятнадцатитысячник Fujitsu. Разумеется, Savvio 10K.1 наголову экономичнее всех остальных участников.

Усредненная потребляемая мощность дисков при интенсивной (постоянной) работе компьютера с винчестером показана ниже.


Средняя потребляемая мощность жестких дисков в режиме интенсивной работы компьютера с накопителями.

Здесь расстановка участников тестирования близка к таковой при активном поиске, хотя среднее потребление на несколько ватт ниже. Интересно, что два диска Savvio 10K.1 потребляют примерно столько же, сколько один пятнадцатитысячник или даже десятитысячник. Это делает их реальными соперниками (по производительности тоже) и даже дает некоторое преимущество по занимаемому месту. Среднее потребление старших моделей SATA-дисков в активной работе сейчас составляет 10-12 ватт, что менее чем в полтора раза больше, чем в режиме idle. И при грамотной установке на металлическом шасси активное охлаждение в работе им не потребуется. В отличие от старших SCSI-моделей, где активное воздушное охлаждение при интенсивной работе просто необходимо. Но опять же — не для всех. Например, для младших моделей Seagate Cheetah в ряде случаев размещения на шасси вполне возможно обойтись и пассивным охлаждением. 

Зависимость энергопотребления от размера блока случайного доступа

В процессе наших экспериментов с энергопотреблением профессиональных жестких дисков возник вопрос — а какова зависимость энергопотребления этих дисков от размера блока случайного доступа? Дело в том, что ток потребления дисков по шине +5В при чтении или записи обычно заметно выше, чем при поиске (см. таблицу 2). Тогда как ток по шине +12В выше, напротив, при поиске. И по средней мощности тепловыделения именно поиск более требователен к охлаждению (см. таблицу 3). Вместе с тем, по мере роста размера блока случайного доступа к диску постепенно возрастает ток потребления по шине +5В и падает — по шине +12В (поскольку время перемещения между крупными блоками возрастает за счет дополнительных затрат времени на чтение или запись этих блоков). И может возникнуть ситуация, когда монотонность зависимости средней мощности нарушается и для каких-то размеров блока чтения или записи потребление либо становится наибольшим, либо наоборот, имеет некий минимум.

В поисках этих экстремумов мы и провели исследование зависимости энергопотребления дисков от размера блока случайного доступа при чтении и записи. В качестве объектов для наших экспериментов были выбраны два новейших накопителя из противоположных участков Enterprise-поля: Seagate Cheetah 15K.4 емкостью 36 Гбайт с интерфейсом SAS и скоростью вращения 15 000 об./мин. и WD Caviar RE2 на 400 Гбайт с интерфейсом Serial ATA и скоростью вращения 7200 об./мин. К слову, средний ток потребления шпиндельного мотора от +12В у этих двух дисков в режиме последовательного чтения или записи совершенно одинаков, хотя контроллер у Читы почти вдвое более прожорлив.

Средний ток потребления измерялся в зависимости от размера блока случайного чтения или записи от 512 байт до 1 Мбайт при выполнении соответствующих паттернов в программе IOMeter. Одновременно регистрировались изменения показателей производительности этих накопителей — среднее время доступа, количество операций в секунду (IOps) и абсолютная производительность чтения или записи в Мбайт/с. Результаты приведены в таблицах ниже и проиллюстрированы на сводных графиках.

Seagate Cheetah 15K.4 SAS ST336754SS
Чтение
Размер блока чтения, байт Ток от +5В Ток от +12В Суммарная мощность, Вт IOps MBps Среднее время доступа , мс
512 1080 870 15,704 162,12 0,0792 6,167
1K 1080 870 15,704 160,34 0,1566 6,236
2K 1080 860 15,585 159,29 0,3111 6,277
4K 1080 850 15,466 155,45 0,6072 6,432
8K 1090 830 15,277 150,54 1,1761 6,642
16K 1100 820 15,206 141,46 2,2103 7,068
32K 1110 790 14,898 127,02 3,969 7,872
64K 1150 720 14,257 105,1 6,569 9,514
128K 1130 760 14,637 114,74 14,34 8,715
256K 1160 700 14,067 89,09 22,27 11,22
512K 1230 560 12,734 33,95 16,97 29,46
1M 1240 540 12,543 27,19 27,19 36,77
Запись
Размер блока записи, байт Ток от +5В Ток от +12В Суммарная мощность, Вт IOps MBps Среднее время доступа , мс
512B 1060 710 13,706 264,85 0,1293 3,761
1K 1060 710 13,706 261,32 0,2552 3,813
2K 1060 710 13,706 256,41 0,5008 3,876
4K 1060 710 13,706 250,85 0,9799 3,985
8K 1070 700 13,635 232,98 1,8202 4,276
16K 1080 670 13,326 206,48 3,2263 4,818
32K 1090 640 13,017 165,6 5,175 6,016
64K 1110 590 12,517 108,88 6,805 9,159
128K 1130 620 12,971 87,51 10,94 11,427
256K 1160 610 12,995 71,09 17,77 14,066
512K 1210 610 13,234 53,43 26,72 18,714
1M 1250 600 13,306 35,82 35,82 27,915
idle 1160 470 11,325      

Для диска Seagate Cheetah 15K.4 SAS при случайном чтении ток по шине +5В постепенно возрастает почти на 20% при росте размера блока от 512 байт до 1 Мбайт, тогда как ток на шине +12В падает с 870 до 540 мА. Полная мощность потребления тоже падает, но меньше в процентном отношении — с 15,7 ватт до 12,5 ватт, причем, на графике зависимости мощности от размера блока мы наблюдаем два экстремума: один минимум при блоках 64 Кбайт и следом за ним максимум на блоках 128 Кбайт. Это как раз то, о чем мы говорили в преамбуле к данным экспериментам. Одновременно можно наблюдать, что картина производительности в IOps поразительно повторяет картину с энергопотреблением! Таким образом, работа с блоками размером 64 Кбайт для данного жесткого диска (в паре с контроллером Adaptec 4800SAS) оказывается далеко не оптимальной в плане производительности, и предпочтение стоит отдавать блокам по 32 или 128 Кбайт, хотя потребление при этом и будет немного выше.

Аналогичный экстремум для блоков размером 64 Кбайт можно наблюдать для этого диска и при записи: совершенно очевиден провал потребления и выпадение из общей тенденции в худшую сторону по производительности в данной точке. В целом зависимость потребления от размера блока при записи значительно меньше, чем при чтении (да и само потребление в целом меньше), поскольку при записи эффективно работает кэширование отложенных операций (write-back). На записи видна и другая тенденция — для блоков размером 32-128 Кбайт потребление действительно меньше, и оно снова возрастает при дельнейшем росте размера блока до 1 Мбайт.

Western Digital Caviar RE2 WD4000YR
Чтение
Размер блока чтения, байт Ток от +5В Ток от +12В Суммарная мощность, Вт IOps MBps Среднее время доступа , мс
512B 710 660 11,416 74,69 0,03647 13,39
1K 710 660 11,416 74,12 0,07245 13,48
2K 710 660 11,416 74,43 0,14536 13,44
4K 710 660 11,416 74,29 0,2902 13,46
8K 710 660 11,416 73,59 0,5749 13,59
16K 720 660 11,465 72,81 1,1376 13,73
32K 720 650 11,346 70,71 2,2097 14,14
64K 730 640 11,275 68,29 4,2687 14,64
128K 740 630 11,205 63,24 7,9056 15,81
256K 760 590 10,826 52,94 13,235 18,88
512K 780 550 10,446 42,39 21,193 23,59
1M 800 510 10,066 30,03 30,025 33,3
Запись
Размер блока записи, байт Ток от +5В Ток от +12В Суммарная мощность, Вт IOps MBps Среднее время доступа , мс
512B 640 520 9,405 137,17 0,06698 7,289
1K 640 520 9,405 135,32 0,13215 7,389
2K 640 520 9,405 135,67 0,265 7,37
4K 640 520 9,405 134,72 0,526 7,42
8K 640 510 9,286 133,02 1,039 7,52
16K 650 510 9,335 128,89 2,014 7,76
32K 660 500 9,264 123,07 3,85 8,12
64K 680 490 9,242 119,15 7,45 8,39
128K 710 480 9,269 105,5 13,12 9,48
256K 750 480 9,464 78,32 19,58 12,77
512K 740 520 9,893 36,49 18,24 27,4
1M 800 500 9,946 27,36 27,36 36,54
idle 640 400 7,971      

Для жесткого диска WD4000YR тенденции немного другие. При случайном чтении мы наблюдаем абсолютный максимум энергопотребления при размере блока 16 Кбайт (хотя видимых аномалий в производительности при этом нет). То есть в данном случае именно некоторое повышение среднего тока чтения дает свой вклад, тогда как замедление поиска из-за роста размера блока еще не начало сказываться. При записи ситуаций еще необычнее. Минимум потребления есть на блоках среднего размера (выраженные минимумы — при 8 и 64 Кбайт; или можно сказать, что на фоне общего снижения потребления на блоках от 8 до 128 Кбайт наблюдается максимум на тех же 16 Кбайт, что и при чтении). А при блоках 256 Кбайт и больше потребление резко повышается, несмотря на то, что скорость доступа резко падает. И это уже связано со значительным замедлением поиска притом, что ток записи в это же время намного выше. 

Заключение

Изучение энергопотребления и тепловыделения жестких дисков путем измерения токов по шинам питания +5 и +12В в различных режимах работы дает возможность получить дополнительную информацию о свойствах накопителей, полезную как для общего понимания, так и для практического применения. В заключение нашего исследования энергопотребления представителей практически всех серий современных винчестеров Enterprise-сегмента остается сказать, что:

1. К данным об энергопотреблении дисков, указанным в их спецификациях и, тем более, на «крышках» самих дисков, следует относиться очень критически. Далеко не всегда по ним можно судить об истинных «масштабах» прожорливости и нагрева накопителей! Доверять лучше данным непосредственных измерений в реальных задачах.

2. В enterprise-сегменте существуют три основные категории накопителей на жестких дисках, которые различаются по скорости вращения шпинделя (15000, 10000 и 7200 об./мин.). И хотя в энергопотреблении и тепловыделении тенденция зависимости от скорости вращения тоже прослеживается, она далеко не такая выраженная, как, скажем, по среднему времени доступа или некоторым другим параметрам быстродействия. Оказывается, что ряд даже самых быстрых моделей дисков обладает потреблением на уровне накопителей более медленной категории, и наоборот. А в рамках одной категории потребление накопителей может различаться порой в полтора и даже более раза.

3. И это безусловно нужно учитывать при проектировании профессиональных систем хранения данных — если с накопителями одного производителя может оказаться вполне достаточным использовать пассивной охлаждение дисков, то с их «классовыми» аналогами от другого производителя может потребоваться активное охлаждение, и наоборот.

4. Более того, некоторые современные высокопроизводительные SCSI-диски очень «гуманны» в плане тепловыделения, соревнуясь в этом даже с настольными SATA-дисками. А миниатюрный Seagate Savvio 10K.1 вообще оказался самым экономичным из высокопроизводительных накопителей, опередив все ATA-диски форм-фактора 3,5 дюйма, хотя и по производительности он ведет себя очень достойно

5. В определенных случаях следует уделять особое внимание обеспечению надлежащей нагрузочной способности блока питания во время старта жестких дисков — это касается даже некоторых современных SATA-моделей (например, от Seagate), и особенно — их массивов. Максимальный пусковой ток дисков, как оказывается, практически не коррелирует со скоростью вращения шпинделя, поскольку производители иногда применяют специальные схемы его (тока) ограничения. И некоторые SATA-модели на 7200 об./мин. могут оказаться вдвое более жадными до тока раскрутки, чем их более быстро вращающиеся SCSI-собратья того же производителя.

6. Появление последовательного интерфейса Serial Attached SCSI (SAS) выводит на новый уровень энергопотребление контроллеров от шины питания +5В. К сожалению, изменения произошли не в лучшую сторону, поскольку те же диски с интерфейсом SAS потребляют по +5В значительно (от 1 до 3 ватт) больше энергии, чем их аналоги с традиционным параллельным интерфейсом SCSI. Фактически, это плата всего за несколько трехгигабодных буферов (приемопередатчиков) последовательного интерфейса. И очевидно, что с дальнейшим повышением скорости передачи данных по шине в будущих поколениях этого интерфейса ситуация будет только усугубляться, поскольку чтение и запись тоже будут требовать все больших токов (ввиду возрастания внутренней скорости передачи данных с пластины). Тогда как потребление «по механике» от +12В, скорее всего, будет немного падать или оставаться на прежнем уровне.

7. В этих условиях вызывает интерес зависимость энергопотребления накопителей от характера их обращений к данным на пластине и, в частности, от размера блока данных при случайном характере доступа, более типичном именно для профессиональных применений винчестеров. При росте размера блока данных чтения или записи может наблюдаться экстремум по энергопотреблению, причем, как максимум, так и минимум. Это было бы не лишним учитывать при эксплуатации таких дисков, подбирая системам хранения данных оптимальные условия работы с учетом производительности и тепловыделения.

Напоследок хочется отметить, что нами уже накоплен немалый опыт оценки энергопотребления и тепловыделения жестких дисков самых разных категорий. И если в нашей методике тестирования дисков для ноутбуков эти вопросы уже давно прописаны на регулярной основе, то при тестированиях очередных новинок сегментов Desktop и Enterprise они пока отсутствуют, хотя в грядущей (обновленной) методике тестов таких винчестеров мы наверняка будем привлекать измерения энергопотребления по уже отлаженной или немного усовершенствованной схеме.



Благодарим компании Asbis-Москва, Maxtor, «Никс», Seagate
и «Ultra Electronics» за предоставленные для тестирования накопители







Дополнительно

iXBT BRAND 2016

«iXBT Brand 2016» — Выбор читателей в номинации «Процессоры (CPU)»:
Подробнее с условиями участия в розыгрыше можно ознакомиться здесь. Текущие результаты опроса доступны тут.

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.