1月7日在衍生自桌面硬盤的企業級近線（nearline）硬盤出現并普及之后，無論是磁盤陣列還是服務器都不再向用戶推薦性能上相近的消費級產品了。盡管在DIY市場還會有少數人出于成本考慮使用廉價的桌面硬盤，但如果遇到兼容性問題或者較高的故障率只能是有苦而說不出。不過，進入到云存儲時代之后，情況似乎有所改變...

“云硬盤”身上的企業級和桌面血統

去年9月，筆者前往上海參加了2012華為云計算大會，在第二天的原創報道“華為UDS對象存儲：ARM自組織硬盤滿足CERN功耗”中有這樣一段話：“使用消費級還是企業級硬盤可以由用戶來選擇。企業級（7200rpm近線）硬盤大約以（消費級）200%的成本提供133%的性能（數字僅供參考），經過Google和CMU的評估它們的可靠性都能勝任。”

熟悉7200rpm企業級近線硬盤由來的讀者應該知道，它們就衍生自桌面硬盤，主要是改進了工藝、優化固件來提高可靠性，減低故障率，有些還在SATA之外提供SAS接口的型號。企業級產品通常都要求7*24小時連續運行，不過近線硬盤最初誕生時只建議20%的工作負載，而傳統10,000和15,000轉的SCSI、SAS硬盤都適合100%負載的應用環境。

提到云存儲一詞，無論是公共云還是私有云，企業云還是桌面云都有一個共同的特點。那就是像交易型應用生成的結構化數據、熱數據所占的比例較小；而非結構化數據，用于備份和歸檔的冷數據比例則比較大。當然，我們這里指的云存儲，不是私有云計算基礎設施里面包含的那種存儲系統。訪問比率的下降、在長時間沒有數據請求時降低轉速甚至停轉來節約耗電，再加上數據量往往龐大，這類設備更多考慮的是成本，當然也包括能源成本。

西部數據（WD）在去年推出了針對桌面NAS存儲的“紅盤”系列，相對于已經普及的藍盤和綠盤，紅盤針對小型RAID系統進行了優化。但它仍然歸類于消費級硬盤，按官方的定位可以適用于家用的“個人云存儲”，而與企業級應該不沾邊。

到了去年10月，希捷宣布推出3個系列的企業級硬盤：3.5英寸的Constellation CS、最大4TB的Constellation ES.3，以及2.5英寸10,000轉的Savvio 10K.6。本文的目的就是以硬盤廠商的規格資料為參考，根據筆者的經驗和部分測試數據來簡單分析Constellation CS的定位特點，具備傳統企業級硬盤還是桌面硬盤的血統？并在希捷的產品線中縱向對比，另外橫向對比代表著幾家廠商最高量產密度的4TB硬盤。

希捷Constellation CS——為“云存儲（Cloud）”定制的企業級硬盤。最多3張碟片的設計，以及輕薄的盤體讓我聯想起Barracuda桌面產品。

在希捷的資料中，我們看到Constellation CS系列的特點為“容量優化的硬盤，設計用于大量云存儲”

適用于全天候云數據中心復制環境，存儲價格合理

高抗振動性，適用于可靠的企業級性能

使用功耗最低的3.5英寸企業級硬盤，節省了大量功耗和冷卻成本

高級格式化邏輯塊管理，適用于行業領先的數據完整性

容量高達3TB，具有7200RPM性能。絕不犧牲性能

使用希捷快速安全清除技術的更低LCO，適用于簡單的硬盤再利用或廢棄

增加您的云存儲，最高可達每平方英尺114TB（高記錄密度，筆者注）

SATA 6Gb/秒接口優化了突發性能

適合的應用環境包括

云存儲服務器

云存儲陣列

云備份存儲

直連式外置存儲設備 (DAS)

網絡附加存儲設備 (NAS)

 

Constellation CS規格表：除了3TB容量之外，還有1TB和2TB兩個容量點。

 

即時安全擦除、抗旋轉振動

由上表，首先是可選帶有希捷“即時安全擦除（Instant Secure Erase）”功能的型號。即時安全擦除建立在SED（自加密驅動器）技術的基礎上，其實現原理參見下圖：

希捷即時安全擦除過程（如果沒記錯的話，另外幾大硬盤廠商，包括WD/HGST、東芝在內也都有類似的技術）

在啟用了自加密技術之后，存儲在硬盤物理介質上的數據就是經過“加密Key”處理之后的，這一點和SSD驅動器普遍支持的AES-128和AES-256加密方式差不多。而在需要時可以由主機端發出指令，清除并生成一個新的數據加密Key，這樣原有的數據就無法正常讀出了。

接下來是“抗旋轉振動”和“線形隨機振動”。前者主要是針對RAID磁盤陣列這樣的多硬盤環境，力圖避免硬盤的振動累加在一起從而影響正常的數據讀寫。傳統桌面硬盤在這種情況下可能會有明顯的性能下降，因為讀寫數據的成功率降低了。抗旋轉振動也是企業級硬盤區別消費產品的特點之一。

桌面硬盤的MTBF、7*24全天候、PowerChoice

　　 Constellation CS的平均無故障時間（MTBF）為80萬小時，而桌面級硬盤通常也在60～80萬小時之間。不過桌面硬盤一般只推薦每周5*8小時的運行時間，而Constellation CS則是7*24小時，也就是365天全年開機。

應該是得益于單碟1TB的Barracuda平臺，Constellation CS的運行時功耗只有8.0瓦，閑置功率為5.53瓦。這個數字可以和后面的Constellation ES進行對比。

PowerChoice按需節能選項，是在硬盤閑置時提供的幾種節電級別——卸載磁頭、降低轉速到4000RPM（應該是針對7200轉硬盤）、停止旋轉和關閉驅動電路。筆者在“Nexsan：高密度、類似ZFS的固態緩存統一存儲？”一文中提到的綠色節能技術MAID（大規模閑置磁盤陣列），就是通過硬盤廠商PowerChoice之類的技術來實現的。

希捷為Constellation CS提供3年有限質保和有限的企業級電話支持。當然，如果您是從OEM（如存儲廠商）購買的配件，硬盤廠商應該是不直接提供服務的。

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回顧：4KB扇區在企業級硬盤的應用

除了最多3碟片/6磁頭之外，Constellation CS還有一點與Barracuda相同而在Constellation ES系列上沒有出現過，那就是4KB扇區。硬盤的物理扇區從512bytes增大到4KB，有助于提高容量利用率，并保證磁記錄密度不斷提高之后的數據完整性。

在希捷的技術文檔《過渡到高級格式化4K扇區硬盤》中有更多相關的信息，“2009年12月，經過與IDEMA的通力合作，將高級格式化提名作為4K字節扇區標準的名稱，并獲得批準。此外，所有硬盤制造商還承諾，自2011年1月開始，所發行的臺式機和筆記本電腦產品的新型硬盤平臺都采用高級格式化扇區格式。”

筆者還在曾在2年半之前寫道：

“至于為什么IDEMA 2011年1月1日的要求中不包括對OEM客戶出貨和企業級硬盤，這個其實也不難理解：部分OEM和企業級硬盤用戶可能會有前文中提到的“小型離散數據寫入”的應用需求，而且出現這種情況的幾率相對于常規桌面應用來說要高。用測試軟件舉個典型的例子，就是使用Iometer在沒有硬盤分區和文件系統的情況下（常用方式）進行512字節數據塊隨機寫這樣的極限性能測試。

　　這個還讓我們聯想到固態硬盤的性能，大部分廠商公布的上萬甚至50,000 IOPS的隨機寫入性能應該都是在4KB對齊情況下的測試結果，換個測試方法或許就會降低不少。由于閃存介質也需要用4KB物理頁面來模擬512字節的邏輯扇區，面對小于4K的離散寫入請求很可能也會出現性能下降，SSD固態驅動器存在的“寫入放大”現象和4KB扇區HDD機械硬盤在原理上是相似的。

　　對應到實際中，一些企業級軟件，比如Oracle數據庫這樣典型的結構化數據，可以使用其自帶的OCFS文件系統，也可以支持直接對磁盤（包括RAID邏輯盤等情況）“裸設備”進行操作，并且比在文件系統上的效率更高。在這類環境下，高級格式化（4K）硬盤有可能會出現扇區不對齊、2KB或者更小數據塊的隨機寫入等問題。類似的情況還反映在：Iometer的OLTP（在線交易處理）應用測試腳本就包含了2KB、4KB和8KB三種數據塊大小。

　　對于未來4KB扇區硬盤在企業級存儲上的應用，我們還要考慮和RAID卡/磁盤陣列控制器之間的兼容性。盡管RAID在進行條帶化時Stripe分塊大小通常在64KB左右，一般不會小于4KB，但我們還是不能完全排除512字節模擬扇區和物理扇區可能不對齊的問題。根據筆者截至目前（2010年7月）的了解，這些領域的廠商普遍還沒有在4KB扇區硬盤的支持上做出過表態。”

 

Iometer 4KB隨機寫測試（無文件系統/全部容量，關閉寫緩存）

 

上面的圖表是我在2011年進行的測試——這里面想說的是4KB扇區的希捷Momentus 7200 750GB 2.5英寸筆記本硬盤。它在測試中設置“4KB對齊”之后的結果曲線，明顯高于默認設置。筆者曾經這樣分析道：

“Momentus 7200 750GB上以默認設置運行4KB隨機寫測試，就會出現我們以前提到過的“寫入請求不對齊”的情況，增加了硬盤磁介質的實際I/O數量。而對齊到4KB扇區之后的寫入，則相當于把傳統512byte扇區硬盤需要完成的8個寫入請求合并成一個，因此性能的提升就在情理之中了。”

除了Constellation CS之外，還有其他廠商的企業級近線硬盤也采用了4KB扇區，這將在本文最后的4TB章節討論。接下來我們看看Constellation ES.3。

Constellation ES.3系列可選SAS和SATA兩種接口，容量點也包括上表中沒有列出的1TB、2TB和3TB。

在SED方面，希捷ES.3除了提供普通的自加密驅動器之外，還有通過FIPS 140-2認證的專門型號。從機械組件的角度來講，濕度也是影響硬盤工作、存放的一個重要環境因素。筆者在多年前就曾遇到過因硬盤cost-down（降低成本）省去了內置的干燥劑，而導致批量受潮損壞的案例，在這里先不做更多詳細的討論了。

Constellation ES.3應該是第一款達到128MB緩存的傳統HDD。它的平均無故障時間達到了140萬小時，質保為5年。AFR這項我們將和后面列出的桌面硬盤進行對比，不可恢復讀錯誤比Constellation CS低了一個百分點。ES.3不僅采用原生512字節扇區，而且支持520和528byte這些在部分企業存儲中需要用到的特殊扇區大小。

由于規格表中的這一款是6Gb/s SAS的版本，所以提供了雙端口。我們看到4TB的運行時功率和閑置功率分別達到了11.86瓦和7.80瓦（SATA版本由于控制電路簡單，4TB型號運行時功率和閑置功率分別為11.27瓦和6.73瓦），比Constellation CS要高出不少。

Constellation ES.3的最大容量4TB需要使用5張碟片來實現，就像上一代的Constellation ES.2 3TB那樣。

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云存儲時代：Barracuda的逆襲？

最新的單碟1TB希捷Barracuda（ST1000DM003），我們在最近的評測中使用了幾塊這款硬盤

希捷公布的Barracuda尋道時間和最大持續傳輸率，比上一頁中列出的Constellation CS和ES.3都要高。這一點可能是企業級硬盤較為保守的原因？Barracuda的磁頭加載/卸載次數和最大不可恢復讀錯誤與Constellation CS相同。桌面硬盤推薦的2400小時開機時間無法與企業級產品相比。功耗方面，Barracuda和Constellation CS相差無幾。

 

希捷Barracuda單碟1TB HD Tach測試截圖

 

如上圖，單碟1TB希捷Barracuda硬盤的外圈傳輸率確實達到了官方宣稱的210MB/s左右（內外圈平均也有169.4MB/s），要知道早在2009年推出的希捷Cheetah 15K.7 3.5英寸15000rpm SAS驅動器只有204MB/s。由于記錄密度的提高，如今桌面硬盤順序讀取性能進步明顯。不過寫入傳輸率曲線（平均也有101.4MB/s）相比之下低了不少，而以前硬盤的讀寫傳輸率大都比較接近（例如下圖）。這一點倒是可以理解，畢竟硬盤寫入和讀取的原理不同，通過磁頭改變介質的極性比只是感應磁極方向的要求相對高一些。隨著記錄位單元的不斷縮小，為了保證寫入的可靠性犧牲一定的性能還是必要的。

我們還看到，隨機讀平均訪問時間測得14.1ms，減去7,200轉硬盤4.16ms的平均旋轉等待時間，隨機讀平均尋道時間應該是9.94ms，比官方資料中的小于8.5ms還是慢了一些，有可能Constellation CS在這方面也差不多。不過相比下面列出的Barracuda XT還是要快了不少。

 

當年筆者測試的希捷Barracuda XT高端桌面硬盤HD Tach截圖

 

也是在2009年推出的Barracuda XT 2TB，我曾經通過測試間接證明它使用了Constellation ES的“企業級平臺”，也包括后來第二代的Barracuda XT 3TB。后來面對SSD的沖擊，希捷取消了這一產品線，并在2.5英寸筆記本硬盤市場推出Momentus XT混合硬盤。

希捷的技術人員也確認過，Barracuda XT與Constellation ES確實來自同一平臺。但前者的尋道時間（17.0ms）確比后者（13.1ms）慢了不少，這里面是人為的因素。早些年桌面硬盤就加入了AAM（自動噪聲管理）和相應的功耗/發熱控制技術，硬盤在工作時帶動盤片的主軸電機不能降速，但可以通過放慢控制磁頭的音圈電機來達到目的。于是就出現了一些桌面硬盤產品的平均訪問時間，在測試中達不到標稱值的情況（因為出廠默認設置的原因，許多產品又不容易修改）。

 

單碟1TB希捷Barracuda拆解照片

 

盡管從這個角度看不到碟片的數量。但盤片上那個半弧形的保護板，正是出現在Constellation CS上而Constellation ES家族所沒有的。總之，希捷原來是基于企業級硬盤平臺打造高端桌面產品；而現在則利用相對高容量密度、廉價和低功耗的最新桌面硬盤技術，添加一些企業級特性（應該主要是在固件上）推出定位針對性更強、細分企業級市場的產品系列。這就是云存儲時代的改變吧？

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同為4TB，接口和扇區大小不盡相同

最后，我們再來簡單看看硬盤市場上所占份額較大的另外2個品牌西數和HGST（日立環球存儲，盡管已經被WD收購，但仍保留獨立品牌和產品線），他們的近線企業級硬盤在規格上有哪些差別。

被西部數據收購的HGST（日立環球存儲）Ultrastar 7K4000系列，7200轉最大容量4TB

Ultrastar 7K4000只提供SATA接口而沒有SAS的版本，也就是說適用于存儲服務器、單控制器磁盤陣列（也包括云存儲？）等不需要雙端口的場合。“512e”就是用4KB物理扇區來模擬512字節的邏輯扇區。我們看到它的60萬次磁頭加載/卸載周期比兩款源自同一桌面平臺的希捷Barracuda和Constellation CS高了一倍，Constellation ES應該也處于同一水平。7*24小時可用性和5年質保都是傳統企業級硬盤提供的。至于200萬小時的MTBF，這個“數字”是結合公式計算出來的，大家不用太認真。

 

西數最新的WD RE企業級近線硬盤，同樣是7200轉最大容量4TB

 

WD RE系列中分為SAS和SATA兩種接口的型號，上圖中的規格簡表是SAS的版本。從這份公開的資料我們只能看到用戶扇區數（可計算出邏輯扇區大小），而無法確定物理扇區是512字節還是4KB？它的磁頭加載/卸載周期也達到了60萬次，擁有140萬小時平均無故障時間和5年保修。不可恢復讀錯誤實際上與希捷Constellation ES.3（1/10E15）在同一水平的基礎上，這里有點像玩數字游戲了。

功耗方面，西數列出的工作模式比較全，我們知道硬盤隨機讀寫時的耗電是最大的，因為磁頭一直在不停地尋道。可以看出希捷和WD/HGST在該領域的技術總體上處于同一水平，硬盤也早已是個成熟的產業了。而在高轉速企業級硬盤和新領域——固態混合硬盤等方面，希捷則往往起步較早并保持一定的領先。

關于4TB等大容量企業級硬盤引發的另一個問題——可靠性，我們將在不久之后的評測文章中討論。