Скорость вращения HDD: на что она влияет и как выбрать диск по скоростям

Раз уж мы взялись рассказывать про HDD-технологии, то нужно раскрыть эту тему до конца. В прошлый раз мы рассматривали тему CMR, PMR, SMR и прочих методов записей данных на жесткие диски, но не только от них зависят технические характеристики современных HDD-накопителей. Существует еще один, не менее важный параметр, который напрямую влияет как на производительность, так и на удобство и сценарии использования жестких дисков — скорости вращения HDD или количество оборотов HDD. В этой статье специалисты компании ServerFlow расскажут вам что такое скорости вращения HDD, какие виды скоростей существуют, какие из них встречаются до сих пор, а какие безвозвратно канули в лету.

Если коротко, то скорость вращения HDD — это частота вращения шпиндельного двигателя, который вращает ферромагнитные пластины жесткого диска и создает воздушный поток внутри корпуса. Эту характеристику принято считать в оборотах в минуту (RPM), например, 5400RPM, 10000RPM и так далее — да-да, прямо как скорость вращения коленвала в автомобильных двигателях. Именно от этого показателя зависят две главные характеристики быстродействия HDD: задержка вращения и скорость передачи данных.

Задержка вращения — это время ожидания, когда нужный сектор ферромагнитной пластины не подъедет под блок магнитных головок. Чем выше скорость вращения HDD, тем, очевидно, меньше время этой задержки. В среднем время задержки вращения равняется половине времени полного оборота HDD и достигает всего нескольких миллисекунд. Казалось бы, задержка минимальна и она вряд ли может на что-то повлиять, но это не так — при операциях со случайным доступом (базы данных, мелкие файлы) головка вынуждена постоянно прыгать из точки в точку, ввиду чего эти миллисекунды накапливаются и могут сделать из HDD бутылочное горлышко инфраструктуры.

Из этого параметра складывается в еще одна ключевая характеристика HDD — IOPS (Input/Output Operations Per Second), тоз есть количество IOPS практически линейно зависит от RPM. Например, у среднестатистического десктопного диска на 7200RPM пиковый IOPS может упираться в потолок около 100. В то время как серверный монстр на 15000RPM способен выдать уже до 200 IOPS. Конечно, это копейки по сравнению с современными SSD, но в мире HDD даже двукратная разница вполне ощутима. 

Скорость передачи данных — это буквально линейная скорость жесткого диска. Чем быстрее пролетает магнитный домен под головкой, тем больше данных можно считать за единицу времени. Именно для увеличения этого параметра индустрия HDD и начала резко увеличивать скорость вращения шпинделя свыше устоявшихся стандартов, поскольку в 90-е, когда тактовые частоты CPU начали расти по экспоненте, медленные жесткие диски, которые в то время поголовно имели 3600RPM, просто не успевали подавать данные для процессоров достаточно быстро. Интересно, что линейная скорость непостоянна и зависит от того, на какой именно дорожке происходит работа — внешней или внутренней. Чем дальше от центра пластины, тем длиннее окружность дорожки и тем выше линейная скорость при тех же оборотах. 

Высокооборотные диски, такие как модели на 10 000 RPM, могут стабильно выдавать внутреннюю скорость передачи данных на уровне 250-300 МБ/с, в то время как их собратья на 5400 RPM довольствуются цифрами в районе 80-120 МБ/с. Так что для задач последовательного чтения и записи больших файлов (видеомонтаж, бэкапы) более высокие обороты — это всегда плюс.

Однако, за каждый процент прироста производительности, добытый за счет увеличения оборотов, приходится платить очень высокой ценой — комфортом и скоростью износа HDD.

Как только вы раскручиваете массивные металлические блины до высоких скоростей, на сцену выходят вибрации и шум. Система позиционирования головки, которая на скоростях в 5400 RPM ведет себя почти бесшумно, на более высоких оборотах начинает работать значительно агрессивнее, порождая характерный высокочастотный треск при поиске нужной дорожки. Сам же диск входит в резонанс с корпусом компьютера или сервера, что может вызывать неприятный низкочастотный гул. Зависимость здесь железная: хотите больше скорости — готовьтесь к большему шуму и вибрациям. Конечно, современные диски с гидродинамическими подшипниками слегка сглаживают ситуацию, но во времена шариковых подшипников, которые работали на сухую, шум от HDD мог вполне успешно посоревноваться с шумом от отбойного молотка.

Повышенное энергопотребление и, как следствие, тепловыделение — это вторая часть платы за высокие обороты. Например, если диск на 5400 RPM может потреблять около 5-7 Вт, то его собрат на 7200 RPM в аналогичном режиме легко выйдет на 7-9 Вт, и это далеко не предел. Для дата-центров с тысячами дисков даже такая, казалось бы, минимальная разница в энергопотреблении превращалась в серьезные расходы на счетах за электричество и охлаждение. Зато сисадмины всегда были сыты — температура ранних высокооборотных HDD была столь высокой, что на них можно было вполне успешно пожарить себе что-нибудь на обед.

В современных реалиях сохранилось только 4 наиболее успешных стандартов HDD по количеству оборотов в минуту, и каждый из них нашел себе место в той или иной области использования.

• 5400 RPM. Это самые экономичные, самые тихие и самые холодные диски. Энергопотребление — всего 5-7 Вт, а их уровень шума редко переваливает за 25 дБ (это как шум листвы или тиканье стрелки часов), сохраняя минимальные вибрации. Такие характеристики пришлись по душе производителям мобильных устройств, поэтому HDD 5400 RPM стали основным стандартом при проектировании ноутбуков, моноблоков и подобных решений. Емкости достигают до 4 ТБ и выше — можно и больше, но 30 ТБ памяти просто не нужны ноутбукам и ПК начального уровня. Линейная скорость чтения болтается в диапазоне 120-200 МБ, чего вполне достаточно для большинства потребительских задач, вроде хранения медатеки, а в современных вариантах скорости вплотную подобрались к быстродействию 7200 RPM. Но как системный диск с кучей мелких операций — тоска зеленая: время случайного доступа будет слишком высоким, а про задержки в 5,6 мс лучше вообще промолчать.

• 7200 RPM. Золотая середина и де-факто основной стандарт для 90% десктопных систем, рабочих станций и даже домашних NAS. IOPS здесь выше примерно на 30-40% по сравнению с решениями на 5400RPM, задержки не превышают 4,2 мс, а внутренняя скорость передачи достигает 220-260 МБ/с. Шумят такие диски чуть заметнее (28–32 дБ) и греются до 40-45 °C под нагрузкой, но зато на них спокойно можно поднять базу данных. Именно на 7200 RPM сегодня делают массовые модели HDD большой емкости — от 18 до 24 ТБ и выше. Если вам нужен эталонный HDD для активной работы, а не музейный экспонат, смотрите именно сюда.

• 10 000 RPM. А это уже настоящая серверная классика, где важна каждая миллисекунда задержки, а емкость вторична. Средняя задержка падает до 3,0 мс, а скорость достигает 250-300 МБ/с. В девяностые и нулевые такие диски ставили в высокопроизводительные десктопы (помните легендарные Western Digital Raptor? Первый 36 ГБ Raptor на 10 000 RPM был мечтой любого геймера), но сегодня их удел — нишевые серверы и СХД, где почему-то нельзя воткнуть SSD. Платой за скорость служит приличный нагрев (до 50–55 °C), высокий шум (32-36 дБ) и маленький объем в 1,2-2,4 ТБ в 2,5-дюймовом форм-факторе, часто только с SAS-интерфейсом.

• 15 000 RPM. Предел возможного для магнитной записи. Чтобы раскрутить шпиндель до таких скоростей, пришлось уменьшить диаметр пластин до 2,5 дюймов, иначе центробежные силы просто разрушали бы их конструкцию, и HDD из средства хранения данных превращалась бы в гранату. Задержка достигает фантастических для HDD 2,0 мс, а скорости спокойно переваливают за 300 МБ/с. Но увы — тепловой пакет 15-20 Вт, крошечная емкость (73-600 ГБ) и бешеный уровень шума более 40 дБ сделали их эксплуатацию сущим адом. SSD-революция убила этот класс напрочь: ни один производитель уже не разрабатывает новые 15K-модели и распродает минимальные складские остатки всяким фрикам, музеям и дремучим ЦОД в Уганде, где менять инфраструктуру на SSD — дороже, чем продолжать менять умирающие винчестеры.

Нельзя не отметить, что 10 000 RPM и 15 000 RPM HDD в настоящее время являются чуть ли не единственными оптимальными решениями для построения надежных, отказоустойчивых баз данных, поскольку они отлично подходят для создания RAID-5 массивов. Сами по себе эти диски и гроша ломанного не стоят — те же самые 7200 RPM HDD со слегка улучшенными характеристиками. Однако когда они собираются вместе и объединяются в RAID-массив, они раскрываются во всей красе — скорость работы значительно увеличивается за счет наличия аппаратного кэша в RAID-контроллере, и вот, казалось бы, медленные HDD начинают чем-то напоминать новомодные SSD. И на этом не все, ведь есть еще одна особенность HDD, которую SSD физически не могут предложить — жесткие диски изнашиваются постепенно и не выходят из строя внезапно посреди работы, поэтому вы всегда сможете их вовремя заменить, и этим HDD намного надежнее SSD.

А теперь сделаем небольшой экскурс в историю для тех, кто любит поковыряться в старом железе и поностальгировать. Дело в том, что до появления устоявшихся стандартов скорости вращения HDD, производители активно экспериментировали с количеством оборотов шпинделя, пытаясь найти идеальное равновесие между быстродействием, шумом и температурой жестких дисков. Со временем, достичь баланса все же удалось, но существовали и промежуточные стандарты, которые в наше время безвозвратно канули в лету.

Начнем с того, что самые первые массовые IDE-диски (устаревший стандарт подключения HDD) 80-х крутились строго на 3600 RPM. Число весьма странное, но его выбор был не случайным. Дело в том, что такая скорость была идеальна ввиду того, что частота переменного тока в американских розетках — 60 Гц, или 3600 циклов. Именно под эту частоту и проектировались первые моторчики для первых HDD. Скорости не более 15-25 МБ/с, а задержки у таких дисков были просто бешеные — аж 8,3 мс, но во времена Intel 8086/8088 это было нормой.

Затем появились 4200 RPM — удел ноутбучных дисков девяностых и нулевых. Тихо, холодно, но медленно — 30-50 МБ/с скорости и 7 мс задержки. Если вы застали диски Fujitsu MHV2200BT, то наверняка помните, что во время загрузки Windows XP можно было сходить заварить чай, а любое открытие файла сопровождалось характерным хрустом и медитативным ожиданием. Мучение, а не работа, но для тех времен и это было прорывом.

Существовали и промежуточные диски на 4500 RPM, которые пытались усидеть на двух стульях между 4200 и 5400, но они быстро вымерли. В серверном сегменте ранние SCSI-диски тоже крутились на 5400 RPM, что для своего времени было ого-го как много. А про переходные разновидности и говорить не стоит — Seagate раньше продвигала свой стандарт 5900 RPM между 5400 RPM и 7200 RPM в “экологичных” дисках Barracuda LP, чтобы снизить шум и нагрев в серверных HDD, при этом сохранив скорости от 130 до 180 МБ/с. Этот стандарт даже был коммерчески успешным, но со временем его полностью был вытеснен 7200 RPM в серверных инфраструктурах, а в десктопах окончательно прижился только 5400 RPM.

Сейчас все это смотрится как артефакты эпохи, но если вас всегда терзал вопрос, почему ваш старый ноутбук так сильно тормозил, то знайте — все дело в 4200 кругах ада.

Несмотря на то, что скорости оборотов HDD — это крайне важная характеристика, выбор оптимального жесткого диска под свои задачи вряд ли вызовет у вас какие-то трудности. Нужен холодный, бесшумный склад для медиатеки, бекапов или круглосуточной записи камер — смело берите 5400 RPM. Дешево, сердито, энергии потребляет минимум, а под капотом можно нарастить десятки терабайт. Если же диск будет просто хранить файлы в сервере или стоять в игровом ПК, где отзывчивость имеет значение, ваш выбор — 7200 RPM. Про 10K и 15K RPM думайте только в том случае, если по каким-то причинам вы продолжаете использовать серверную инфраструктуру без SSD и вам критичны лишние полторы миллисекунды задержки. В противном случае любой современный серверный SSD сделает этих динозавров по всем фронтам: и по скорости, и по надежности, и по энергоэффективности. А если вы не хотите морочить себе голову всеми этими скоростями, просто обращайтесь в компанию ServerFlow — мы поможем вам выбрать лучший HDD для вашей инфраструктуры, соберем оптимальную конфигурацию железа и проведем вас за руку от покупки оборудования до его запуска в продакшен.