16TB!亲测低功耗的氦气大硬盘(氦气硬盘和空气硬盘)

​2019年6月初,希捷面向企业级、云计算及超大规模数据中心市场发布了一款新的硬盘——银河Exos X16系列16TB企业级氦气硬盘。用几个关键词可以概括这款产品的特点:氦气密封、7200RPM、3.5英寸、低功耗的16TB大容量硬盘。

16TB!亲测低功耗的氦气大硬盘(氦气硬盘和空气硬盘)

E企研究院用于测试的16TB容量氦气密封硬盘

16TB!亲测低功耗的氦气大硬盘(氦气硬盘和空气硬盘)

尽管单个SSD的最大容量已经超过了硬盘(HDD),但是那种容量点的SSD在价格上明显超出大多数用户的接受能力。所以在大容量市场,3.5英寸硬盘仍具有明显的优势,例如在去年的“数字中国万里行”活动中,多个超大规模数据中心里的服务器都配置了10TB级别的硬盘。

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随机读挺好,随机写更好

16TB!亲测低功耗的氦气大硬盘(氦气硬盘和空气硬盘)

在超大规模数据中心,3.5英寸硬盘的数量可以百万片计,如果每个硬盘的功耗可以降低1瓦(W),一年节省的耗电量就可以达到上百万度。为了降低能耗,有些大容量硬盘会采用5400RPM或者5900RPM的转速。然而,降低转速是以性能为代价的,譬如5900RPM硬盘的平均延迟比7200RPM慢1ms左右,配套的平均寻道时间则可以慢3ms以上。

16TB!亲测低功耗的氦气大硬盘(氦气硬盘和空气硬盘)

高性能与低功耗如何可以兼得呢?氦气密封硬盘就是答案。因为氦气比空气密度低,盘片旋转时遇到的阻力较小,可以保持较高的转速;阻力较小的另一个好处是盘片转动平稳,从而可以在相同空间内塞入更多的盘片,也意味着获得更大的容量。所以Exos X16的转速为7200RPM,相比Exos E系列硬盘(同样7200RPM),容量更大,而功耗更低。

16TB!亲测低功耗的氦气大硬盘(氦气硬盘和空气硬盘)

16TB!亲测低功耗的氦气大硬盘(氦气硬盘和空气硬盘)

希捷Exos X16系列16TB氦气硬盘4K随机读性能

在队列深度为16时,获得174 IOPS,平均访问延迟约为92ms。在队列深度为1时,其最佳延迟为12ms,与其标称指标(平均延迟+平均寻道时间)相吻合

硬盘的访问时间=盘片旋转到指定位置的时间(延迟)+磁头移动到指定磁道的时间(寻道时间),平均访问时间即为平均延迟与平均寻道时间之和。7200RPM硬盘的平均延迟为4.16ms,虽然现在的硬盘大多不再标明平均寻道时间,但从E企研究院以往的经验来看,7200RPM磁盘的平均寻道时间通常在8.5~9ms,这意味着硬盘的平均访问时间约为13ms,而我们测得Exos X16访问延迟为12ms,意味着超出预期的性能,例如在队列深度为16时,Exos X16的随机读IOPS指标为170,而我们的测试结果是174。

尽管现在硬盘主要面向大容量存储市场,小块数据的随机读写性能已基本不作为其考量因素,但我们还是测试了4K数据块的随机写性能,其结果如下:

希捷Exos X16氦气硬盘4K随机写性能

希捷Exos X16氦气硬盘4K随机写性能——440 IOPS左右,且最佳延迟极低,仅为2ms。相比随机读性能,高出数倍

为什么随机写性能是随机读性能的数倍?测试后期,E企研究院就这一问题咨询了希捷工程师,主要原因在于其内的高级写缓存,用于加速随机写,即将随机写数据先写入到高级写缓存之中,然后再择机写入到盘片之中,这显然有助于随机写性能,延迟当然也就低得多。

虽然我们的测试是在关闭写缓存(Write Cache Disable,WCD)的情况下进行,Exos X16的随机写性能依然保持在较高水平(大约是随机读性能的2.5倍),因为此时高速写缓存功能会利用盘片上的特定区域作为写入log,将随机写转为顺序写,然后在相对空闲时,再将此区域的数据写入到盘片相应区域。这有些类似数据库中的对应功能。现在,这一技术已广泛集成在近几代的希捷硬盘产品之中。

均衡的顺序读写性能

顺序读写性能是衡量大容量硬盘产品性能的两个关键因素。在测试硬盘的顺序读写性能时,所采用的数据块大小会影响其顺序读写性能。并且,在实际应用中,应用所产生的数据块大小尺寸并不一定严格相同,同时也受文件系统尺寸的影响。在E企研究院的测试中,我们常用Windows系统中NTFS的常用尺寸——64KB,即在本次顺序读写测试中,数据块尺寸均为64KB。

希捷Exos X16系列16TB容量氦气硬盘顺序读性能

希捷Exos X16系列16TB容量氦气硬盘顺序读性能,每秒的读带宽约为230MiB/s,且在队列深度为1时,就获得最大带宽,最佳平均延迟为0.27ms

希捷Exos X16氦气硬盘顺序写性能

希捷Exos X16氦气硬盘顺序写性能,每秒的写带宽约为230MiB/s,且在队列深度为1时,就获得最大带宽,最佳平均延迟为0.27ms

从测试结果可以看出,希捷Exos X16氦气硬盘具有均衡的吞吐能力,即在64KB尺寸数据块下,其读写性能均能接近230MB/s,且延迟约为0.27ms。与SATA SSD相比,约为其顺序读写性能的40%,相对于3.5英寸7200RPM的大容量硬盘而言,是一个不错的性能。

需要注意的是,通常硬盘的读写性能有“外圈”和“内圈”之分。这是因为在相同转速下相同时间内,盘片外圈移动的速度是要大于内圈的,这也意味着其性能要优于内圈。而在E企研究院的测试结果中,采用的综合性能,即外圈与内圈性能相综合后的平均性能。这也是实测性能与官方最大性能出现一定差距的原因。

此外,影响硬盘顺序读写性能的影响因素还有测试所用的数据块尺寸,例如本次所使用的是64KB大小数据块。一般而言,测试所用数据块尺寸越大,意味着更好数值的顺序读写性能。我们测试所获得的228MiB/s的顺序读写性能,与希捷官网公布的249MiB/s顺序读写性能尚有一定的差距,其原因极有可能是希捷官方指标基于更大尺寸的数据块,如256KB或者512KB。

更高性能,更低功耗

相比于非氦气密封硬盘,在相同转速下,Exos X16的功耗更低;而相似功耗条件下,Exos X16的性能又更好。具体对比如下表所示:

Exos X16氦气硬盘与非氦气硬盘的Exos 7E8、早期的Terascale系列硬盘对比

从上表的对比可以看出,同样都是7200RPM规格,Exos X16的容量要大得多,是Exos 7E8的两倍(Exos E系列最大容量8TB)。不仅容量大,性能还更好一些,且功耗更低。相比于Exos 7E8,Exos X16不管是在闲置功耗还是运行功耗上,都要低2W以上。

每个硬盘低2W,可能对于大多数用户而言,并没有太大的区别。但是,Exos X16主要面向的是云计算等拥有大规模数据中心的用户市场。在一个动辄数万台服务器的数据中心内,功耗每低一度都意味着巨大的成本节省。举例来说,一台标准2U服务器可部署8个3.5英寸硬盘,以拥有3万台服务器规模的数据中心计算,每小时就能节省480度电,每年能节省超过420万度电。

同时,更低的功耗还意味着更低的散热成本。出于对数据中心低PUE的追求,以及用户的绿色环保等社会责任感,越来越多的数据中心用户开始不断探索新的节能方法。比如阿里巴巴在张北数据中心内开始探索实践浸没式液冷等技术,以最大化利用自然冷源进行散热,降低在散热方面的能耗。

阿里巴巴在OCP China Day上展出的浸没式液冷方案

阿里巴巴在OCP China Day上展出的浸没式液冷方案,整台服务器都放置在定制的密封机柜中,一个机柜可容纳数台服务器

浸没式液冷意味着所有服务器组件都浸泡在散热液体内,以Exos X16为代表的氦气密封硬盘具有天然的优势,可直接用于浸没式液冷。

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