據(jù)行業(yè)分析機(jī)構(gòu) Trendfocus發(fā)布的數(shù)據(jù)，2024年第一季度，全球機(jī)械硬盤（HDD）出貨量達(dá)2970萬塊，環(huán)比增長(zhǎng)3%，出貨總?cè)萘窟_(dá)262EB，環(huán)比增長(zhǎng)22%。面向企業(yè)存儲(chǔ)的HDD出貨量和出貨容量雙雙增長(zhǎng)，其中出貨容量增幅高于出貨量的增幅，這表明HDD依然是企業(yè)容量需求型場(chǎng)景的主流選擇。

企業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)大致可分為性能需求型和容量需求型兩大類場(chǎng)景，前者的典型代表是計(jì)算類應(yīng)用，通常以512B、4K等小數(shù)據(jù)塊的隨機(jī)讀寫為主，關(guān)注點(diǎn)聚焦在IOPS性能；而容量需求型存儲(chǔ)則重點(diǎn)考量64K、128K及以上數(shù)據(jù)塊的順序讀寫性能（即帶寬，MB/s），典型應(yīng)用場(chǎng)景包括關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)備份、文件共享、日志存儲(chǔ)等，使用HDD為AI應(yīng)用存儲(chǔ)海量訓(xùn)練數(shù)據(jù)也是企業(yè)的主流選擇。

雖然SSD的順序讀寫性能高于HDD，但對(duì)于企業(yè)用戶來說，實(shí)際的使用需要結(jié)合各種綜合因素，除性能外，還有穩(wěn)定性、可靠性、投入成本等多種因素。所以企業(yè)依然青睞使用HDD來滿足海量數(shù)據(jù)增長(zhǎng)引發(fā)的存儲(chǔ)容量需求。而HDD是如何滿足企業(yè)應(yīng)用所需的呢？

本文將基于東芝的MG10-D系列空氣封裝硬盤，從實(shí)際測(cè)試出發(fā)，分析HDD在企業(yè)存儲(chǔ)市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

1基準(zhǔn)測(cè)試：可預(yù)測(cè)的性能，簡(jiǎn)化企業(yè)存儲(chǔ)復(fù)雜度

MG10-D系列是東芝最新發(fā)布的傳統(tǒng)磁記錄格式 (CMR) 空氣硬盤產(chǎn)品家族，有SATA和SAS兩種接口，容量從1TB到10TB。據(jù)東芝官網(wǎng)信息，MG10-D系列硬盤的性能和電源能效均有明顯提升，同時(shí)還提供即時(shí)清理擦除（SIE）和自加密驅(qū)動(dòng)器（SED）等數(shù)據(jù)安全功能。本次測(cè)試用的HDD為3.5英寸外形規(guī)格的SATA接口硬盤，容量8TB。

圖1：用于本次測(cè)試的東芝MG10-D系列磁盤，容量8TB

圖2

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左右滑動(dòng)，查看更多細(xì)節(jié)

圖2：硬盤背面；

圖3：硬盤接口為SATA 3.0規(guī)格，最大速率6Gb/s；

圖4：主軸電機(jī)，帶動(dòng)內(nèi)部盤片高速旋轉(zhuǎn)（7200轉(zhuǎn)/分鐘），并“托”起磁頭實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存??；

圖5：主軸電機(jī)上方的通氣孔，用以保持內(nèi)外部氣壓平衡，旁邊有英文提示“請(qǐng)勿遮擋”。

基準(zhǔn)性能測(cè)試的目的是用于評(píng)估HDD自身所能發(fā)揮出的性能，即 “裸盤性能”。根據(jù)海量文件存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)備份、云歸檔等場(chǎng)景的數(shù)據(jù)存取特點(diǎn)，測(cè)試選擇用64K、128K及以上尺寸的數(shù)據(jù)塊，通過常用的硬盤基準(zhǔn)性能測(cè)試工具Iometer下發(fā)順序讀寫負(fù)載來評(píng)估HDD的帶寬表現(xiàn)。圖6為東芝MG10-D系列8TB硬盤在128K數(shù)據(jù)塊下的順序讀寫性能。

圖6：東芝MG10-D系列8TB硬盤的128K順序讀寫性能

本節(jié)測(cè)試使用單一線程對(duì)東芝MG10-D系列8TB硬盤下發(fā)讀寫負(fù)載，從測(cè)試結(jié)果可以看出，在單線程、1隊(duì)列深度時(shí)，硬盤達(dá)到最大讀寫帶寬，均在290MB/s左右，此時(shí)的平均響應(yīng)時(shí)間僅為0.46ms。

此測(cè)試結(jié)果表明了以下多層含義：

1、順序讀寫性能均衡，不管是順序讀（綠色柱狀）還是順序?qū)懀ǔ壬鶢睿?，在不同?duì)列深度下的吞吐率都近乎相似，保持在290MB/s左右；

2、在隊(duì)列深度為1時(shí)，硬盤已達(dá)到最大的讀寫帶寬290MB/s，應(yīng)用體驗(yàn)穩(wěn)定流暢。

3、在達(dá)到最大帶寬后，隨著負(fù)載（隊(duì)列深度）的增加，吞吐率保持平穩(wěn)，響應(yīng)時(shí)間隨負(fù)載的增加而增長(zhǎng)，這表明即使在密集負(fù)載情況下，東芝MG10-D 8TB硬盤依然能夠發(fā)揮出最大帶寬性能，且保持平穩(wěn)，具有很好的性能可預(yù)測(cè)性，以便企業(yè)存儲(chǔ)系統(tǒng)能更好地匹配業(yè)務(wù)需求。

值得注意的是，東芝官網(wǎng)公布的MG10-D系列HDD的順序讀寫帶寬為268MiB/s，為二進(jìn)制。而本測(cè)試中的290MB/s使用十進(jìn)制，換算成二進(jìn)制大約為278MiB/s。

圖7：不同數(shù)據(jù)塊大小的順序讀寫性能（吞吐率與響應(yīng)時(shí)間）

上圖7是東芝MG10-D系列8TB硬盤在使用64K、128K、256K、512K、1024K等不同大小數(shù)據(jù)塊下的順序讀寫帶寬和響應(yīng)時(shí)間表現(xiàn)。其性能表現(xiàn)趨勢(shì)與上一測(cè)試結(jié)果近乎相似，在1隊(duì)列深度時(shí)可達(dá)到最大吞吐率，且隨著負(fù)載的繼續(xù)增加，吞吐率保持不變，響應(yīng)時(shí)間隨數(shù)據(jù)塊大小而變化。

圖8：東芝MG10-D系列8TB硬盤穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

上圖8為128K數(shù)據(jù)塊在持續(xù)讀寫下的響應(yīng)時(shí)間散布，在1分鐘持續(xù)的讀寫負(fù)載下發(fā)中，響應(yīng)時(shí)間大多散布在0.4~0.5ms之間，只有極少數(shù)分散在0.5ms之外，但均未超過0.6ms，這從另一方面顯示了東芝MG10-D系列硬盤的性能穩(wěn)定性與可預(yù)測(cè)性。

從基準(zhǔn)測(cè)試的結(jié)果數(shù)據(jù)來看，東芝MG10-D系列8TB硬盤僅需單線程單隊(duì)列的情況下就能達(dá)到最大吞吐率，即使在密集讀寫負(fù)載情況下也能保持穩(wěn)定的最大帶寬性能，所具備的性能可預(yù)測(cè)性，有助于企業(yè)用戶簡(jiǎn)化存儲(chǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化與管理工作。

基準(zhǔn)性能測(cè)試反映的是東芝8TB硬盤本身所能發(fā)揮的最大性能，并不代表其在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。接下來進(jìn)行的文件性能測(cè)試將展示東芝8TB硬盤的實(shí)際應(yīng)用性能表現(xiàn)。

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如何讓海量小文件存儲(chǔ)更有效率？

文件存儲(chǔ)是企業(yè)最常見的應(yīng)用場(chǎng)景，典型如日志存儲(chǔ)、文件共享、云數(shù)據(jù)備份與歸檔等，隨著大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，海量文件存儲(chǔ)也逐漸成為企業(yè)的典型應(yīng)用場(chǎng)景，尤其是近幾年掀起的又一輪AI狂潮，為AI模型訓(xùn)練所需的海量數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)能力也是HDD的重要應(yīng)用場(chǎng)景。

我們使用VDbench創(chuàng)建模擬企業(yè)實(shí)際數(shù)據(jù)環(huán)境，來測(cè)試東芝10-D系列8TB硬盤，評(píng)估在處理海量小文件場(chǎng)景下，硬盤的每秒文件讀寫數(shù)，每秒吞吐率，以及響應(yīng)時(shí)間等多項(xiàng)表現(xiàn)。將東芝MG10-D系列8TB硬盤用作企業(yè)文件系統(tǒng)，并創(chuàng)建兩層目錄，每層10個(gè)目錄，在第二層的所有目錄中都創(chuàng)建2000個(gè)半/非結(jié)構(gòu)化文件，總計(jì)20萬個(gè)文件（即2000x10x10）。在不同的測(cè)試環(huán)節(jié)，VDbench會(huì)重新生成不同大小的20萬個(gè)文件（如64K、128K、256K、512K、1024K），用以評(píng)估東芝MG10-D系列8TB硬盤在不同文件大小情況下的每秒文件讀寫數(shù)量和帶寬吞吐。

圖9展示的是64K、128K、256K及以上不同尺寸大小文件的順序讀取與寫入性能：

圖9：海量小文件的順序讀取/寫入性能測(cè)試結(jié)果

從上圖展示的測(cè)試結(jié)果來看，在64K和128K小文件測(cè)試中，MG10-D每秒可成功打開并傳輸?shù)奈募?000個(gè)以上，隨著文件尺寸的增大，每秒文件傳輸數(shù)開始下降，帶寬則快速提升，在256K時(shí)達(dá)到最大帶寬171MB/s；之后隨著文件尺寸的增加，每秒文件傳輸數(shù)逐漸下降，帶寬隨之對(duì)應(yīng)下降。

在文件順序?qū)懭霚y(cè)試中（實(shí)際是重寫），64K文件每秒可寫入近950個(gè)，隨著文件尺寸的增大，每秒寫入數(shù)量逐步降低，寫入帶寬則隨之提高。在1MB文件時(shí)達(dá)到最大帶寬111MB/s。

在企業(yè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)，更多應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)是文件隨機(jī)讀寫，圖10展示的是不同尺寸大小文件的隨機(jī)讀取與寫入性能測(cè)試結(jié)果：

圖10：海量小文件隨機(jī)讀取/寫入性能測(cè)試結(jié)果

圖10測(cè)試結(jié)果顯示，在20萬小文件隨機(jī)讀取性能測(cè)試中，東芝MG10-D系列8TB硬盤在128K尺寸大小文件時(shí)，每秒成功打開并傳輸?shù)奈募?shù)量最多，達(dá)到137個(gè)，對(duì)于HDD而言，這是一個(gè)極出色的性能成績(jī)。隨后，隨著文件尺寸的增大，每秒打開數(shù)量降低，但帶寬隨之提高，在1MB尺寸文件時(shí)獲得最大帶寬38MB/s。

同理，在隨機(jī)寫入測(cè)試中，東芝MG10-D系列8TB硬盤在64K尺寸文件獲得最大文件寫入數(shù)量——每秒寫入519個(gè)文件，隨著測(cè)試文件尺寸的增大，每秒寫入數(shù)量下降，但寫入帶寬逐漸上升，到1MB尺寸文件時(shí)獲得最大帶寬——97MB/s。

為何在文件性能測(cè)試中，隨機(jī)寫入性能遠(yuǎn)超隨機(jī)讀取性能？這是因?yàn)樵跍y(cè)試中啟用了硬盤寫入緩存（Write Cache）。通常情況下，為了防止突然掉電導(dǎo)致緩存數(shù)據(jù)丟失，硬盤中的寫入緩存大多處于關(guān)閉狀態(tài)。而在本次測(cè)試中之所以打開寫入緩存，這是因?yàn)闁|芝MG10-D系列硬盤中集成了持久寫入緩存技術(shù)，即使突然掉電，該技術(shù)也能保證硬盤緩存中的數(shù)據(jù)安全。并且，該系列硬盤緩存都為512MB，更大容量意味著可以緩存更多數(shù)據(jù)，也意味著更好的性能。

以上兩個(gè)測(cè)試結(jié)果顯示，東芝MG10-D系列8TB硬盤對(duì)文件隨機(jī)讀取的加速效果低于隨機(jī)寫入，這是因?yàn)闇y(cè)試數(shù)據(jù)全部都是重新寫入的新數(shù)據(jù)，沒有調(diào)用到讀緩存。而在文件隨機(jī)寫入測(cè)試中，下發(fā)的負(fù)載首先寫入硬盤的寫緩存（并經(jīng)過排序），然后以類似順序?qū)懭氲姆绞綄懭胗脖P，從測(cè)試結(jié)果來看，其加速效果非常明顯，在64K文件大小時(shí)，每秒隨機(jī)寫入的文件數(shù)量約為順序?qū)懭氲?5%，隨著文件尺寸的增大，加速效果越發(fā)明顯，在1MB文件大小時(shí)，隨機(jī)寫入帶寬接近順序?qū)懭霂挼?0%（87%）。

在海量小文件存儲(chǔ)系統(tǒng)中，存儲(chǔ)的文件數(shù)量也會(huì)對(duì)文件讀寫性能帶來影響（其他配置不變的情況下），此測(cè)試將評(píng)估128K尺寸文件大小下，不同文件數(shù)量對(duì)讀寫性能帶來的影響，圖11為測(cè)試結(jié)果：

圖11：不同文件數(shù)量對(duì)存儲(chǔ)性能的影響

在文件隨機(jī)讀取測(cè)試中，隨著文件系統(tǒng)中文件數(shù)量的增加，每秒成功打開并傳輸?shù)奈募?shù)量會(huì)隨之下降，在超過10萬個(gè)文件后，讀取性能趨于平緩，響應(yīng)時(shí)間也維持穩(wěn)定。而在文件隨機(jī)寫入測(cè)試中，由于寫入緩存的加速，雖然文件系統(tǒng)內(nèi)文件數(shù)量顯著增加，但每秒成功寫入的文件數(shù)量依然平穩(wěn)，響應(yīng)時(shí)間也沒有很大起伏，得益于緩存顯著提升了企業(yè)文件系統(tǒng)的性能，尤其是寫入性能。

上述結(jié)果均基于單機(jī)環(huán)境下對(duì)單塊東芝MG10-D系列8TB硬盤進(jìn)行測(cè)試獲得，在企業(yè)實(shí)際環(huán)境中，存儲(chǔ)系統(tǒng)通常有著數(shù)量多得多的硬盤。比如分布式存儲(chǔ)，即使最小3節(jié)點(diǎn)也有多達(dá)36塊硬盤，如果按上述測(cè)試數(shù)據(jù)推算，其能支持每秒最多3.6萬個(gè)文件的并發(fā)訪問。即使部署在傳統(tǒng)雙控陣列（12塊硬盤）中，也能支持每秒最多近1.2萬個(gè)文件的并發(fā)訪問。更何況還有存儲(chǔ)系統(tǒng)的內(nèi)存/緩存加持，實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)綜合實(shí)際性可高于上述數(shù)值。

本測(cè)試綜合考慮HDD的性能后選擇使用的是單機(jī)環(huán)境（i5-13600，14Core@2.7GHz，32G內(nèi)存）進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試中排除了系統(tǒng)內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)等因素的影響。在企業(yè)實(shí)際環(huán)境，如文件共享應(yīng)用中，文件系統(tǒng)（NAS）緩存將會(huì)對(duì)文件讀寫性能帶來利好，但不同的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)（GbE vs FC、10GbE vs 25GbE等）則會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果帶來較大影響，同時(shí)，客戶端并發(fā)數(shù)量、讀寫負(fù)載混合比例等都會(huì)不同程度上影響文件系統(tǒng)性能。

3

除了性能，硬盤還有其他優(yōu)點(diǎn)

東芝MG10-D系列硬盤是東芝專為企業(yè)存儲(chǔ)而研發(fā)改進(jìn)的傳統(tǒng)磁記錄格式（CMR）硬盤家族，除了上述測(cè)試中所反映出的性能穩(wěn)定性、可預(yù)測(cè)性外，為滿足企業(yè)存儲(chǔ)需求，東芝MG10-D系列硬盤還有著很多特點(diǎn)及可選擇的附加功能，比如：

即時(shí)清理擦除（SIE）和自加密功能(SED)。很多企業(yè)，尤其是有著大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的企業(yè)，因故障更換硬盤、報(bào)廢硬盤后，如何處理被淘汰硬盤通常是一個(gè)難題，其上可能存放著企業(yè)敏感數(shù)據(jù)。而利用這兩項(xiàng)安全功能，能幫助企業(yè)更好地處理數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)。東芝MG10-D全容量系列硬盤均支持這兩項(xiàng)功能。

持久寫入緩存技術(shù)。可在保證最優(yōu)寫入性能（Write Cache啟用）的基礎(chǔ)上防范由于突然掉電導(dǎo)致緩存數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)，幫助企業(yè)在保證數(shù)據(jù)安全的同時(shí)更好地應(yīng)對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)波峰。

存儲(chǔ)選擇更靈活。東芝MG10-D系列硬盤不僅提供用于構(gòu)建分布式存儲(chǔ)的SATA接口硬盤，還提供滿足企業(yè)存儲(chǔ)陣列需求的SAS接口硬盤；企業(yè)還可根據(jù)業(yè)務(wù)所需靈活選擇512e/4Kn或512n等不同扇區(qū)格式的硬盤，可無縫融入企業(yè)各種業(yè)務(wù)場(chǎng)景；1TB起步、最高10TB的容量規(guī)格也讓企業(yè)擁有更靈活的選擇。

圖12：東芝MG10-D系列提供不同規(guī)格型號(hào)的硬盤，供企業(yè)按需求靈活選擇

除上述特點(diǎn)以外，東芝MG10-D系列硬盤每年額定工作負(fù)載總傳輸率可達(dá)550TB；同時(shí)還具有很好的電源能效，在活躍待機(jī)模式下的功耗降至5.74W，相比上一代產(chǎn)品能耗節(jié)省方面也有很大提升。對(duì)于聚集了數(shù)萬臺(tái)服務(wù)器的企業(yè)數(shù)據(jù)中心，每一瓦的能耗節(jié)省都能為用戶帶來更好的成本管控制。

在很多企業(yè)數(shù)據(jù)中心的主流應(yīng)用場(chǎng)景，HDD以其可預(yù)測(cè)的性能、更具性價(jià)比的投入、經(jīng)驗(yàn)證的可靠性、更靈活的容量與接口選擇，以及優(yōu)異的兼容性等特點(diǎn)，能夠更好地支撐企業(yè)業(yè)務(wù)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。