硬盘性能参考

  原文:Tom’s Hardware

  作者:Patrick Schmid, Achim Roos

  一、硬盘选购指南

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  如果你把硬盘的发展和显卡、CPU进行一下对比,就会注意到多年以来硬盘都只有一些毫不足奇的改进,完全没有令人眼前一亮的技术革新。硬盘技术看起来比较无聊,但是深入了解你就会发现并非如此。事实上它也有相当数量的改进,比如存储密度和性能一直在提高,只是除了容量增加之外就没有什么特别引人注目的看点而已。如果不看标签的话,连专家也说不出两块近似硬盘的不同之处,虽然他们的性能可能相去甚远。至于有着相近的技术参数,同一家族型号的硬盘,也会有可测量的性能差异。

  我有意要用“可测量”这个词,因为任何人都不可能判断出来一台运行系统中的硬盘是西数还是日立的。10000RPM的西数猛禽和7200RPM之间,或者RAID和单硬盘比,才会有可以觉察的性能差异,如果都是主流7200RPM的话,它们之间的差别就会很小。不过即便很小,差别仍旧是存在的,因为各个硬盘还有不同容量之分,大小缓存之分,Serial-ATA和Ultra-ATA等不同接口之分。

  本文将会给你一个对硬盘所有性能参数的详细参考,包括尺寸型号、盘片直径和盘片数量,记录技术和数据密度,转速和存取时间,接口和缓存。我们测试了希捷的酷鱼7200.10家族,对比采用相同技术但不同容量、缓存、接口(Serial ATA和Ultra ATA)的其他硬盘。你可能会觉得有些意外,最大型号的并非最快的,而16MB缓存看起来也并没有带来多少好处。

  二、硬盘内部

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  硬盘本质上是一块或多块磁性盘片,上面划分了许多同心圆形的磁道,按照由外向内的顺序,按照磁场取向原理存储信息。在不同盘片上同一位置的磁道称为一个柱面。有一个活动悬臂用于将读写磁头定位至盘片上的具体位置。如果有多个盘片,悬臂就会像个梳子一样穿插在各个盘片之间。悬臂的运作方式类似于电唱机,这样磁头就可以到达盘片的内外所有磁道。每个盘片的两面都可以用来存储数据。

  数据是按照扇区进行组织的,扇区由分配单元(簇)组成。簇是最小的数据存储单元,根据文件系统的不同(Windows使用NTFS或者FAT32),簇的大小也会不同。簇越大,连续传输性能就越好,但是如果很多文件都远小于簇的大小,你就会浪费很多空间。

  尺寸型号和高度

  硬盘之间最明显的差别就是尺寸型号了,这主要依赖于盘片直径。桌面硬盘使用3.5英寸盘片,而移动硬盘使用2.5英寸的盘片,企业级硬盘看起来是 3.5寸的型号,但实际上它们使用稍小一些的盘片以便提高转速。便携设备的硬盘盘片只有1.8英寸,也有许多微硬盘使用1英寸或0.8英寸的盘片。

  3.5寸硬盘的高度通常为1英寸,足够放置5张盘片了。笔记本硬盘使用1到2张盘片,并且有9.5或12.5毫米的高度限制,如果你注意观察1英寸和0.8英寸硬盘的话你会发现高度上变化的趋势,因为这些产品通常都是为特定用户定制的。

  较多的盘片可以带来更大的存储容量,总容量是由各个盘片容量相加而得的。例如,对于每盘片160GB的数据密度,制造商可以叠加四张盘片以得到 640GB的容量。不过,更多的盘片也意味着需要更多的读写磁头,大量的活动组件更容易发生硬件损坏,摩擦和功耗也会随之增加。从价格上来说,一块大容量硬盘要比多个小容量的便宜一些,唯一的例外是服务器的高性能RAID阵列,那主要是为了提高性能而有意要运行多块硬盘。

  存储密度,记录技术

  我们已经提到了数据密度,也应该来谈谈存储密度——简单的说就是每平方英寸存储多少GB数据。这不能直接跟数据密度(GB/盘片)直接进行比较,因为制造商并不是把整个盘片都用来存储数据,而且,每盘片容量通常是指3.5英寸硬盘,而存储密度则可以在各种尺寸型号的硬盘之间进行比较。存储密度基本上是由磁盘记录技术所决定的。

  垂直磁性记录(Perpendicular Magnetic Recording,PMR,参见译注1)是目前最新的记录技术,和传统技术不同,PMR在磁道上的记录方式是纵向的,磁极方向垂直于磁盘盘面。这有助于减少磁极之间的相互影响(超顺磁性),并且允许在相同的面积上存储更多信息。借助垂直记录技术,硬盘业界希望最终能把硬盘容量提高到十倍。第一块使用垂直记录技术的T级硬盘很快就会问世,提供具备高数据完整性的大容量存储。

  将来还会有热辅助磁记录技术(Heat-Assisted Magnetic Recording,HAMR),用激光加热表层以减少磁化盘片上的磁性粒子所需的磁场强度。热辅助技术允许更加精确地操作磁场,因此有望进一步提高数据密度。

  存储密度向来都是越高越好,因为它同数据传输性能成正比:同一时间硬盘能够读取得数据越多,它的传输速度就越快。结果就是,新的3.5寸7200RPM往往要比早期型号性能更好。不过,访问时间并不会因为高存储密度而减少,因为磁头定位并不能因为数据密度而提高速度。

  驱动轴转速

  硬盘的驱动轴转速以RPM(revolutions per minute)为单位,这是目前评价硬盘性能最重要的参数。高轴速带动盘片高速运转,这意味着同一时间就有更多的数据区域通过读写磁头。硬盘旋转得越快,在给定的时间段里能够存取的数据就越多。高转速也对减少访问时间有好处:当磁头移动到磁道上之后通常都要等候目标扇区到达(现代硬盘会在这段时间里就开始读取并缓存稍后可能用到的数据),提高盘片转速可以减少这段等候的时间。即便如此,硬盘还是要等待伺服系统标记数据的开始和结束位置。

  服务器和工作站用3.5寸硬盘转速通常为10000或15000RPM,而桌面硬盘一般为7200RPM。只有西数的Raptor给桌面PC带来了 10000RPM的转速,对于发烧玩家来说绝对是不二首选。不过,从每G价格的角度来看这还是十分昂贵的,因为你买一块150GB Raptor比500GB的7200 RPM硬盘还要贵。

  笔记本硬盘转速都比较慢:5400RPM正在取代4200RPM,而7200RPM还是不多见。主要原因还是高转速的能源消耗太大。笔记本的好坏非常依赖于运行时间,这也是为什么厂商们一直在犹豫是否在主流笔记本上采用7200RPM的配置。1.8寸或小点的硬盘运行在4200RPM,而1寸和 0.8寸的还要更慢一些。

  新的3.5寸硬盘在7200RPM转速下能提供平均90MB/s的传输速度,2.5寸硬盘相比要低很多——大约在30-50MB/s之间。1.8寸和更小的型号就更慢了。

  盘片尺寸

  如果你只比较硬盘的轴转速,你就会认为不同的产品性能应该差不多的,这绝对不对。想要高性能的话提高转速是必须的,但是不同磁道经过读/写磁头的有效速度却大不相同。

  所有的硬盘都按照恒定的角速度运转,也就是说它不会根据磁头位置不同而调整转速。结果就是,在盘片外缘每秒钟磁头能够经过的数据要比内侧磁道多得多。3.5寸盘片的外缘,磁道长度约为10英寸,在7200RPM转速下盘片外侧绝对速度达到67MPH(英里每小时),而内侧只有17MPH。很显然外侧磁道的数据传输率要比内侧磁道高得多。

  正是因为这个,磁盘整理程序(重新排列硬盘上分散的文件碎片的应用程序)总是把Windows交换文件(页面文件)放在存储媒体最开始的地方,这个位置能够提供最佳性能。比较绝对速度的另一个结论就是:2.5寸硬盘绝对不可能达到3.5寸硬盘的数据传输率,因为有效的磁道转速不够快。

  盘片数量

  如果你研究过一个硬盘家族以及每个型号的具体参数,你就会发现硬盘的容量并不总是跟制造商标称的每盘片容量相匹配。例如,希捷的Barracuda 7200.10每盘片容量接近200GB,而实际的硬盘型号则是250GB和320GB。

  其原因可以归结为市场需求。某些客户指定要250GB的硬盘,即便只是为了引用的时候方便进行数据比较。还有就是成本压力,一般用户只能承担 250GB硬盘的价格,而且也有可能并不需要更多的容量了,很显然制造商需要把容量控制在所谓的“甜点”(参见译注2)上。最后,制造商的生产也是一项商业活动,卖出大量的硬盘远比最大限度地利用每个产品的容量更加重要。

  因为这些原因,许多硬盘制造商都不会利用所有的存储容量,这意味着那些容量跟盘片数量不成倍数的硬盘其内侧磁道是废弃的。除了容量上的削减,这也使得硬盘能够提供更好的最小数据传输率。

  三、8MB和16MB缓存

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  尽管还有许多硬盘使用2MB缓存,目前的主流桌面硬盘已经把8MB缓存作为标准配置了,而且有越来越多的硬盘使用16MB缓存。大缓存不只是因为 DRAM降价,这也是技术上的需求。硬盘利用数学算法来预缓存数据,或者将数据留在缓存中以便再次请求。串行ATA硬盘也需要一定量的缓存用来存储受到的指令,因为大部分硬盘都能重新排列指令顺序以减少磁头的物理移动,提高访问效率。这项功能称为原生命令队列(Native Command Queuing,NCQ),它也需要一些存储器才能工作,虽然需求不多。

  我们准备比较一下8MB缓存和16MB之间有多少差别。既然收到了几乎全系列的希捷酷鱼7200.10硬盘,我们选了4块不同的500GB型号来进行这项测试。这4块硬盘都采用3盘片并且只有接口的区别:SATA/300或UltraATA/100——以及缓存大小的不同。

  四、希捷酷鱼 7200.10 500 GB 对照表

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  五、测试配置

  六、测试结果: 8 MB Vs. 16 MB 缓存

  访问时间

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  接口带宽

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  读取速度

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  写入速度

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  I/O 性能

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  应用性能:WinXP启动

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  应用测试:文件写入

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  七、欢迎酷鱼家族: 250, 320, 400, 500, 750 GB

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  我们已经说过制造商们为了达到最佳的“甜点”而削减容量,现在就来比较一下最慢和最快的Barracuda 7200.10硬盘。我们会看到,“纯靠经验地认为顶级型号总是最快的”这种思路并不正确。

  250GB和320GB采用2盘片,400GB和500GB采用3盘片,高端的750GB用了4张盘片。只有最高端的750GB型号使用了每张盘片190多GB的容量,下表显示了每个型号浪费掉的容量值。

  八、测试结果

  我们的测试比较了Serial ATA和Ultra ATA,所以你可以在下面的图表中看到每一项都有两个表。

  数据传输图表

  我们把所有同样接口的硬盘性能数据绘在同一张图上,因此,下图显示的不是某块硬盘的性能曲线,而是所有我们找到的250GB到750GB硬盘最大和最小性能区间。

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  数据传输率

  结果十分接近,很难做出简单的结论:串行ATA和并行ATA之间有多少差别。不过这并不重要。你会注意到每盘片容量较大的SATA硬盘能够提供更高的传输率。

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  接口带宽

  正如我们的预期,串行ATA比并行ATA带宽强很多。不过这些区别在一般应用中影响不大,因为硬盘还没有达到UltraATA/100的瓶颈,对于 7200.10来说只有85MB/s。SATA/300在线路上发送数据可以达到200MB/s的速度,但这只是从缓存中读取数据得到的速度,而非从硬盘盘片上。

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  访问时间

  结果是显而易见的:削减容量最多的硬盘有最快的访问时间,这得益于废弃了内环磁道使得读写磁头只需要较少的操作范围即可。然而,在并行ATA上我们并没有观察到这个趋势,整个产品线的访问时间随着型号提高而增加。

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  I/O性能

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  I/O测试证明了没有应用所有容量的硬盘,确实比那些充分挖掘容量潜能的硬盘每秒钟能完成更多的I/O操作。

  九、结论

  我们测试了许多希捷酷鱼7200.10硬盘以便找出性能差异的本质,但是却发现那些只有缓存容量区别的硬盘之间几乎没有任何区别。根据我们的测试 16MB缓存相对8MB缓存没有任何明显的性能提升,串行和并行接口硬盘都如此。我们一开始期待SATA硬盘能有点不同,但是现在来看对于7200.10 家族而言,如果你可以选择8MB缓存却还要买16MB缓存的话完全是浪费钱。当然了,如果价格相同的话,16MB缓存也没有什么坏处……

  了解了同一家族的各个硬盘之间性能差别不大之后,你去购买硬盘的时候就可以更加自信地作出选择了。没有充分利用所有盘片容量的硬盘能够有更快的访问速度,而充分挖掘盘片最大容量的硬盘则能提供稍好一些的数据传输率。

  同一个产品家族里最快和最慢型号之间的性能差别,要远小于不同代产品之间的差距。一般来说,新产品总是要比老型号性能更好。

  我们也把这15块希捷硬盘加入到3.5英寸硬盘产品库中,你可以去拿它们跟市场上的其他产品比较一下。祝您购买愉快!

  十、译注:

  有图说明效果会好很多。这是从Tom另一篇文章中找出来的,比很多其他PMR原理图都更加清晰明了,也更加美观。蓝色是传统硬盘技术,红色是垂直记录技术。

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  Sweet Spot – 甜点,又叫甜区,这个词在很多方面都有应用。在体育运动中表示“最有效击球点”,即乒乓球拍、球棒、网球拍、球板或球上最有效的击球点,在这个位置上击球可以得到最好的力量、弹性、摩擦力等;音箱的甜点是指对于一对音箱来说,平衡、声像、细节、立体感最好的听音位置;游泳中指“最有效最省力的动作/平衡点 /频率”。延伸一下,在本文中可以理解为最符合用户需求的容量/价格平衡点。

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