Test dysków i macierzy SCSI – łeb w łeb

Dla wielu posiadaczy komputerów dyski twarde z interfejsem SCSI to produkty egzotyczne – mają ciągle pojemność mniejszą niż napędy ATA, są głośne i bardziej się grzeją, wymagają kosztownych kontrolerów, a w dodatku ich ceny w przeliczeniu na jednostkę pojemności są wielokrotnie wyższe niż w przypadku dysków do codziennych zastosowań. Jednak te wady nie są istotne – rolą tego sprzętu jest przede wszystkim praca w warunkach wymagających największej szybkości i niezawodności. Zapraszamy do zapoznania się z wynikami testu, który pozwoli porównać wydajność najnowszych generacji tych dysków.

Dyski SCSI najczęściej trafiają do serwerów, gdzie pracują pod dużym obciążeniem generowanym przez dziesiątki czy setki osób i aplikacji pracujących w sieci. Pełnią niezwykle ważną rolę, ponieważ przechowują najważniejsze dane, od których wręcz zależy istnienie wielu firm. Stąd też największy nacisk nadal kładzie się na niezawodność produktów, co w praktyce oznacza tyle, że nowe technologie nie są wprowadzane do nich tak szybko jak do napędów ATA. W efekcie napędy SCSI przez bardzo długi czas miały znacznie mniejszą pojemność, dopiero przed kilkoma miesiącami na rynku pojawiły się cztery nowe serie dysków o pojemności do 300 GB.

Druga kwestia to wydajność – dyski SCSI mają świetne osiągi dzięki dużej prędkości obrotowej oraz stosunkowo niewielkiej średnicy talerzy. Mogłoby się wydawać, że ten pierwszy czynnik bezpośrednio przekłada się na dużą prędkość liniową, a więc szybkość odczytu i zapisu danych na nośnik. Jednak zależność nie jest tak oczywista, bo w uzyskaniu dużych wartości przeszkadza właśnie mniejsza średnica talerzy. Po co więc takie zabiegi?

Na problem wydajności dysków SCSI trzeba spojrzeć od innej strony, bowiem walka nie toczy się o szybkość transferu, lecz głównie o jak najkrótszy czas dostępu do danych. I w tym przypadku konstrukcja najnowszych napędów SCSI okazuje się idealna – niewielka średnica talerzy powoduje, że głowica pracuje w mniejszym obszarze, a więc może szybciej dotrzeć do odpowiedniego cylindra dysku. Mniejsze talerze można też rozpędzić do większej szybkości, co skraca tzw. opóźnienie rotacyjne – talerze wirujące z szybkością 15 tys. obr./min robią pełen obrót w ciągu 4 ms, a przeciętne opóźnienie wynosi połowę tego czasu, czyli 2 ms (w dyskach WD Raptor jest to 3 ms, w typowych dyskach ATA powyżej 4 ms). Oczywiście duża prędkość obrotowa wpływa też bezpośrednio na szybkość transferu danych. Jedynym mankamentem jest stosunkowo niewielka pojemność, dlatego też napędy o największej prędkości obrotowej (czyli jednocześnie te z najmniejszymi talerzami) mogą pomieścić najwyżej 147 GB danych.

Dwa najnowsze dyski SCSI firmy Seagate – po lewej Cheetah 15K.4 o pojemności do 147 GB i prędkości
15 tys. obr./min, który ma wyraźnie mniejsze talerze od typowego dysku twardego (średnica około 2,6″).
Jednak również wydajność napędów klasy 10 tys. obr./min optymalizuje się przez nieznaczne zmniejszenie
średnicy talerzy, co widać na przykładzie drugiego napędu – Cheetah 10K.7.

Kolejny czynnik wpływający to wydajność to kolejkowanie komend TCQ (Tagged Command Queuing), które pojawiło się w standardzie ATA4, ale pod tą postacią zostało wykorzystane jedynie w niektórych napędach IBM i Western Digital. Pewną jego okrojoną odmianą jest technologia NCQ (Native Command Queuing) wykorzystana początkowo tylko przez Seagate, a obecnie także przez innych producentów dysków. Tymczasem kolejkowanie TCQ w dyskach SCSI jest znane i używane od początku lat 90-tych przez wszystkich producentów i z pewnością miało duży wpływ na lepsze osiągi napędów SCSI. Oczywiście korzyści z tego rozwiązania są największe w najbardziej obciążonych systemach, dlatego idealnym miejscem dla niego są właśnie serwery i macierze dyskowe.

Skoro jesteśmy przy cechach interfejsu SCSI, należy przypomnieć jeszcze o możliwości odłączania dysków od systemu podczas pracy. Każdy napęd SCSI może być wyposażony w specjalne złącze SCA (Single Connector Attachment), które przesyła nie tylko dane, ale też dostarcza do dysku zasilanie. Nawet jeśli napęd ma standardowe złącze 68-pinowe, możliwe jest zastosowanie przejściówki, która nie zawiera żadnych układów elektronicznych. Taka cecha interfejsu od dawna pozwalała na tworzenie sprzętu, który mógł nieprzerwanie pracować przez lata, a ewentualne awarie dysków mogły być usuwane dzięki funkcji hot-swap bez wyłączenia systemu.

Po lewej stronie typowe, 68-pinowe złącze SCSI, pozwalające na podłączenie dysku na stałe do serwera.
Po prawej złącze SCA-2, które zawiera dodatkowe styki dostarczające zasilanie do napędu. Złącze SCA-2 ma
też dodatkową zaletę – nie trzeba ustawiać SCSI ID dla każdego dysku, bo odpowiedni numer jest
już najczęściej przypisany do konkretnej kieszeni serwera.

Ktoś mógłby powiedzieć „no dobrze, ale przecież obecnie interfejs Serial ATA w niczym nie ustępuje SCSI”. I rzeczywiście tak jest – współczesne dyski oferują kolejkowanie komend, napędy ze złączem szeregowym zostały mechanicznie przystosowane do podłączania i odłączania od systemu podczas pracy, a napędy Serial ATA II są do tego przystosowane już od strony elektrycznej. Nie bez znaczenia są funkcje takie jak Port Multiplier, która pozwala nawiązać połączenie między jednym portem kontrolera a wieloma dyskami SATA, a także Port Selector, która umożliwia podłączenie jednego dysku do dwóch różnych portów kontrolera SATA w celu utworzenia połączenia nadmiarowego. Z powodu takiej funkcjonalności technologia Serial ATA coraz częściej będzie zajmować miejsce SCSI, ale na razie na pewno nie uda się uzyskać takiej wydajności (takiego czasu dostępu do danych) jak w tradycyjnych systemach SCSI.

Główni bohaterowie

Założeniem naszego testu było sprawdzenie wydajności współczesnych dysków pochodzących od wszystkich producentów – Fujitsu, Hitachi, Maxtor oraz Seagate. Najnowsze napędy mogą mieć nie tylko interfejs Ultra320 SCSI, ale także światłowodowy Fibre Channel, a niektóre są dostarczane także z interfejsami szeregowymi SAS (Serial Attached SCSI). Oczywiście zdecydowaliśmy się na najpopularniejsze modele z Ultra320 SCSI.

Różnorodność dysków SCSI bierze się także stąd, że nie są to już tylko napędy 3,5-calowe, ale także 2,5-calowe (Small Form Factor), które produkuje Seagate i Fujitsu. W niniejszym teście uwzględniliśmy te tradycyjne napędy 3,5″, natomiast test pierwszego 2,5-calowego dysku SCSI Seagate Savvio 10K.1 opublikujemy w najbliższym czasie.

Kolejna kwestia podczas doboru sprzętu do testów to pojemność – dyski o prędkości obrotowej 10 tys. obr./min są produkowane w wersjach 73, 147 i 300 GB, zaś dyski klasy 15 tys. obr./min oferują pojemność około 36, 73 i 146 GB. Niestety, parametry poszczególnych modeli nieznacznie się różnią, na przykład wraz ze wzrostem pojemności rośnie także czas dostępu do danych. Ostatecznie zdecydowaliśmy się na stosunkowo niedrogie dyski o pojemności 73 GB, za to staraliśmy się przetestować po trzy egzemplarze (łącznie z RAID 1 i RAID 5).

Fujitsu

Fujitsu od kilku lat nie dostarcza już dysków do komputerów stacjonarnych, ale nadal z powodzeniem kontynuuje produkcję dysków SCSI, a także 2,5-calowych dysków do notebooków. Najnowsza seria 3,5-calowych napędów SCSI o prędkości obrotowej 10 tys. obr./min jest oznaczona jako MAT3xxx (modele MAT3073, MAT3147 i MAT3300 o pojemności 73, 147 i 300 GB), zaś seria najwydajniejszych modeli 15 tys. obr./min jest oznaczona jako MAU3xxx (MAU3036, MAU3073, MAU3147 o pojemności 36, 73 i 147 GB). Najnowsze napędy mają podwojoną pojemność w stosunku do poprzednich serii, oczywiście dyski klasy 15 tys. obr./min mają połowę pojemności dysków 10 tys. obr./min, ponieważ wykorzystują talerze o mniejszej średnicy. Dyski Fujitsu są wyposażone w bufory o standardowej pojemności 8 MB.

Hitachi

Hitachi oferuje więcej serii dysków twardych niż konkurenci, ponieważ są to zarówno „rdzenne” produkty Hitachi, jak i napędy pochodzące z działu dysków twardych przejętego od firmy IBM. Do najnowszych serii należą Ultrastar 10K300 oraz Ultrastar 15K147 – napędy z obu serii zostały poddane naszym testom. Dostępnych jest także kilka serii Hitachi DK32xx – są to dyski SCSI o prędkości obrotowej 10 i 15 tys. obr./min, ale mają pojemność o połowę mniejszą niż dyski współczesne, więc zaliczają się do poprzedniej generacji.

Dyski SCSI firmy Hitachi wykorzystują nośnik o niewygórowanej gęstości zapisu danych – około 61 Gb na cal kwadratowy. To tylko trochę mniej niż w przypadku wszystkich pozostałych napędów, ale skutek jest taki, że przy założonej pojemności napędy muszą wykorzystywać więcej dysków oraz głowic – testowane przez nas napędy z serii Ultrastar 10K300 o pojemności 73 GB mają po dwa talerze i trzy głowice, zaś napędy Ultrastar 15K147 o tej samej pojemności – po trzy talerze i pięć głowic. Na pewno wpływa to na parametry wydajnościowe, pobór prądu i inne czynniki, ale w ramach rekompensaty Hitachi oferuje w modelach Ultrastar 15K147 wyjątkowo duży bufor o pojemności 16 MB.

Maxtor

Maxtor, podobnie jak Hitachi, nie oferuje wyłącznie swojej własnej technologii, ponieważ kilka lat temu przejął dział dysków twardych firmy Quantum. Firma ujednoliciła serię dysków ATA (nie ma już napędów Fireball), ale znane Atlasy zachowały swoją oryginalną nazwę. Są to dwie główne serie, zaś ich najmłodsi przedstawiciele to Atlas 10K V o prędkości obrotowej 10 tys. obr./min i pojemności do 300 GB, a także Atlas 15K II o prędkości 15 tys. obr./min i pojemności do 147 GB. Według specyfikacji dyski Maxtora mają jedną ważną, pozytywną cechę – czas wyszukiwania danych wynosi 4 i 3 ms (odpowiednio dla serii 10K V i 15K II), a należy pamiętać, że właśnie ten czynnik najbardziej decyduje o wydajności dysków w zastosowaniach serwerowych.

Dwie najnowsze serie dysków Maxtora wykorzystują technologię MaxAdapt, której zadaniem jest optymalizacja wydajności i niezawodności dysków, m.in. przez wspomaganie pozycjonowania głowic, dynamiczną alokację buforów, eliminację zakłóceń pochodzących z kabli SCSI itd. Maxtor wyraźnie akcentuje te rozwiązania, ale zapewne nie są one wyjątkowe, ponieważ każdy z producentów stosuje jakieś mechanizmy optymalizujące pracę napędów.

Seagate

Firma Seagate od lat jest liderem na rynku dysków twardych – w porównaniu do konkurentów ma bardzo stabilną pozycję, nie pozbywa się żadnej linii produktów, jak to uczyniło wielu innych producentów (Fujitsu nie produkuje 3,5-calowych dysków ATA, Western Digital zrezygnował ze SCSI, Quantum i IBM całkiem wycofali się z dysków itd.). Seagate jest też prekursorem wielu rozwiązań – na przykład firma jako pierwsza wprowadziła dyski SCSI 15 tys. obr./min, dyski SCSI o wielkości napędów do notebooków, czy też dyski ATA do komputerów przenośnych o prędkości obrotowej 5400 obr./min (wcześniej obowiązywał standard 4200 obr./min). Najnowsze serie dysków SCSI, które uwzględniliśmy w teście, to Cheetah 10K.7 (10 tys. obr./min, pojemność do 300 GB) oraz Cheetah 15K.4 (15 tys. obr./min pojemność do 147 GB). Dyski z tej ostatniej serii to jedyne napędy w naszym teście, które nie miały pojemności 73 GB, lecz 147 GB, co być może wpłynęło na wydajność, a na pewno na wyższą cenę produktów.

Dyski SCSI firmy Seagate mogą pracować w dwóch trybach: Server i Desktop, a można je przełączać za pomocą oprogramowania SeaTools Enterprise. Zmiana trybu wpływa na sposób alokacji buforów: Desktop pozwala na statyczną (tradycyjną) alokację segmentów pamięci cache, zaś Server wykorzystuje alokację dynamiczną, zależną od danych przesyłanych za pośrednictwem cache. Ten drugi tryb ma podobne zastosowanie jak jedna z funkcji MaxAdapt o nazwie Virtual Cache Lines – jej rolą również jest dynamiczna alokacja buforów. Oczywiście dyski Seagate w fabrycznej konfiguracji pracują w trybie Server, my również wykorzystaliśmy tylko to jedno ustawienie, by nie utrudniać sobie analizy wyników.

Na koniec tej części artykułu krótkie zestawienie parametrów testowanych napędów.

Platforma testowa

Testowanie dysków SCSI, a dodatkowo w konfiguracjach macierzowych, to nie lada wyzwanie. Podstawą jest więc wykorzystanie dobrego macierzowego kontrolera SCSI, a kontrolery te często są wykonywane w postaci kart PCI-X, by magistrala nie stanowiła wąskiego gardła dla pamięci masowych (ma przepustowość ok. 1 GB/s). Niestety, takiej magistrali nie ma w najtańszych serwerach, wykorzystaliśmy więc sprzęt firmy Supermicro, produkt o nazwie SuperServer 7044H-X8R, który otrzymaliśmy na czas testów dzięki uprzejmości firmy California Computer – dystrybutora Supermicro w Polsce.

SuperServer 7044H-X8R jest serwerem dwuprocesorowym, wykorzystującym płytę główną Super X6DH8-XG2 z chipsetem Intel E7520 (kodowa nazwa Lindenhurst), w której można osadzić dwa procesory Intel Xeon 3,6 GHz (włącznie z 64-bitowymi układami Nocona i Irwindale) oraz 16 GB pamięci DDR2. Płyta oferuje magistralę PCI Express (16x), bardzo istotną dla nas magistralę PCI-X (3 sloty 133 MHz oraz dwa sloty 100 MHz), dwa porty Serial ATA, dwa interfejsy Gigabit Ethernet, a także dwukanałowy kontroler Ultra320 SCSI (Adaptec AIC-7902).

Z naszego punktu widzenia ważnym elementem platformy jest możliwość wykorzystania dysków twardych. My otrzymaliśmy serwer wyposażony w osiem metalowych, dobrze odprowadzających ciepło kieszeni hot-swap na dyski SCSI, co znacznie ułatwiło cały test. Niestety, nie wszystkie testowane przez nas dyski były wyposażone w złącze SCA-2, częściowo z naszej winy, ponieważ w momencie zamawiania dysków nie wiedzieliśmy jeszcze, że będziemy dysponować serwerem z takimi kieszeniami. Tak więc nie wszystkie dyski dało się zamontować bezpośrednio w serwerze, niektóre napędy musieliśmy podłączać do kontrolera zwykłym kablem SCSI.

Skoro już jesteśmy przy przednim panelu serwera, warto zwrócić uwagę na panel kontrolny umieszczony w górnej części obudowy, pozwalający na monitorowanie najważniejszych podzespołów. Zielone kontrolki sygnalizują włączone zasilanie, a także poprawną pracę dysków i dwóch interfejsów sieciowych. Natomiast dwie czerwone kontrolki informują o wysokiej temperaturze wewnątrz obudowy (wartość progową można ustawić w BIOS-ie), a także o stanach awaryjnych. Na panelu znalazły się także dwa porty USB, oczywiście także włącznik, a w niewielkim zagłębieniu przycisk reset.

Rzućmy jeszcze okiem na tył obudowy – widać tu m.in. dwa wiatraki, zamontowane dość nietypowo, bo na zewnątrz obudowy. Jak wiele podzespołów tego serwera, również one oferują funkcję hot-swap, a dzięki odpowiednim mocowaniom nie trzeba odłączać nawet żadnych kabli.

Podobnie jest z zasilaczami – to trzy niewielkie moduły wsuwane w specjalne wnęki, każdy o mocy 380 watów. Możliwa jest ich wymiana podczas pracy, choć oczywiście nie wszystkich trzech jednocześnie 😉

I wreszcie wnętrze SuperServera 7044H-X8R. Widać, że znaczna część jest wypełniona przez tzw. backplane ze złączami SCA i kieszenie dla dysków SCSI, a także trzy wnęki 5,25″ na napędy optyczne.

I tu kolejna ciekawostka – we wnękach 5,25″ znajdują się zaślepki, ale są to praktycznie kieszenie na szynach, które można wyjąć z obudowy po odgięciu jednej sprężynki. Następnie szyny można przykręcić do napędu optycznego i w ten prosty sposób, bez użycia śrub, montować go w obudowie. Ale w kieszeniach tych można zamontować także dowolne napędy 3,5″, na przykład dodatkową stację dyskietek, napęd taśmowy albo po prostu dysk twardy (np. napęd Serial ATA, który nie pasuje do kieszeni hot-swap). Szkoda, że takich pomysłów nie wprowadzono jeszcze do obudów dla pecetów, choć pewnie kiedyś się w nich pojawią.

Tuż za przednią częścią na napędy optyczne i dyski twarde znajduje się zespół czterech wiatraków (oczywiście także hot-swap), który zasysa powietrze z tej przedniej części i tłoczy je w stronę płyty głównej – procesorów, pamięci i kart rozszerzeń. Droga powietrza jest ściśle określona za pomocą plastikowego tunelu zamontowanego wewnątrz obudowy. W miejscu, gdzie znajdują się procesory, jego przekrój jest najmniejszy, szybkość przepływu powietrza największa, dzięki czemu temperatura procesorów podczas wykonywania najtrudniejszych zadań obliczeniowych ledwie przekracza 50 stopni, mimo że nie mają one własnych wiatraków.

Ostatecznie ciepłe powietrze jest wyciągane z tyłu obudowy przez wiatraki znajdujące się w zasilaczach, a także dwa wiatraki, które widać na jednym z powyższych zdjęć. Tak więc system chłodzenia jest imponujący, a kosztem jest poziom hałasu wytwarzanego przez ten serwer (zresztą jak każdy inny). Na szczęście BIOS serwera pozwala na pewną kontrolę szybkości wiatraków (funkcja Fan Speed Control Modes), a monitorowanie ich pracy jest także możliwe za pomocą innych narzędzi.

Jak wspomnieliśmy, SuperServer 7044H-X8R oferuje m.in. magistralę PCI-X, z czego trzy karty mogą pracować na szynie 133 MHz (trzy sloty od góry), a dwie pozostałe na szynie 100 MHz (dolne sloty, łącznie z tym zielonym). Dodatkowo ostatni slot został przystosowany do instalacji „zerokanałowego” kontrolera RAID Adaptec SCSI RAID 2010S, który współpracuje z układem AIC-7902 zintegrowanym z płytą główną i pozwala wykorzystać macierze RAID 5 (sama płyta obsługuje RAID 0 i RAID 1).

Jednak my dysponowaliśmy znacznie lepszym kontrolerem RAID, więc wydawało nam się, że możliwość wykorzystania kontrolera „zerokanałowego” się nie przyda. Okazał się on jednak niezbędny, ale o tym na następnej stronie…

Adaptec SCSI RAID 2230SLP

Nie ma chyba osoby interesującej się komputerami, która nie słyszałaby o firmie Adaptec. Poprzez przejęcia kolejnych firm Adaptec zwiększa różnorodność swojej oferty, oferując już nie tylko znane kontrolery SCSI czy RAID, ale także całe systemy, głównie macierze dyskowe Serial ATA, SCSI, NAS, SAN, iSCSI i wiele innych rozwiązań. Oczywiście komponenty związane z pamięciami masowymi nadal pozostały w ofercie tej firmy, a jednym najlepszych produktów jest dwukanałowy kontroler Adaptec SCSI RAID 2230SLP. Oprócz wydajności i funkcjonalności miał on dla nas jeszcze jedną zaletę – wsparcie dla systemu SUSE Linux Enterprise Server 9, który planowaliśmy wykorzystać do testów. Niezaprzeczalnym plusem było również to, że bez problemu mogliśmy wypożyczyć kontroler na dłuższy okres czasu 😉

Kontroler Adaptec SCSI RAID 2230SLP ma także swojego „młodszego brata”, który nie ma dwóch kanałów SCSI, lecz jeden, a poza tym nie różni się praktycznie niczym (pewnie za wyjątkiem drobnych modyfikacji firmware’u).

Oczywiście oprócz liczby kanałów i na przykład związanej z tym maksymalnej liczby obsługiwanych urządzeń SCSI, wszystkie cechy wymienionych kontrolerów Adapteca są dokładnie takie same. Oba kontrolery pracują na magistrali PCI-X o szerokości 64 bitów i częstotliwości 133 Mz, co pozwala na osiągnięcie przepustowości między serwerem a jego podsystemem dyskowym na poziomie około 1 GB/s. Oczywiście w praktyce takie transfery nie zostaną osiągnięte, ponieważ dwa kanały oferują łączną, teoretyczną przepustowość 640 MB/s. Oba kontrolery mają także funkcje potrzebne do długotrwałej, nieprzerwanej pracy:

• hot-swap to funkcja pozwalająca na wymianę dysku podczas pracy, zaś hot-spare to funkcja umożliwiająca automatyczne „podstawienie” po ewentualnej awarii nowego dysku w miejsce uszkodzonego;
• migracja poziomów RAID, która pozwala na przykład zamienić „w locie” macierz RAID 1 na RAID 5, przy ciągłej dostępności danych;
• rozbudowa macierzy on-line, która pozwala na płynne zwiększanie pojemności macierzy. Można to wykonać na dwa sposoby – poprzez dołożenie kolejnych dysków i włączenie ich do aktualnej konfiguracji, albo poprzez stopniową wymianę dysków na większe (wymiana pierwszego dysku, odbudowa macierzy, wymiana drugiego dysku, odbudowa macierzy, wymiana trzeciego dysku… itd.);
• obsługa standardów SMART oraz SAF-TE – ten pierwszy znany jest także z dysków ATA, pozwala na monitorowanie parametrów dysków twardych (temperatura, błędy, stan interfejsu dyskowego), zaś ten drugi (SCSI Accessed Fault-Tolerant Enclosures) służy do monitorowania pracy całych macierzy przez interfejs SCSI. Wykorzystuje on specjalne komendy do sprawdzenia stanu dysków (zamontowany, uszkodzony, odbudowa macierzy), potrafi przekazać informacje o temperaturze, pracy wiatraków, otwarciu drzwiczek itp.;
• możliwość instalacji modułu bateryjnego podtrzymania zawartości pamięci cache, która w opisywanych kontrolerach ma rozmiar 128 MB. W razie awarii zasilania dane znajdujące się w pamięci, a jeszcze nie zapisane na dysk, nie są bezpowrotnie tracone, lecz przechowywane w niej przez ok. 72 godziny.

Większość wymienionych funkcji jest dostępna z poziomu programu konfiguracyjnego zaszytego w BIOS-ie kontrolera, co oznacza konieczność resetu serwera w celu zmiany ustawień. Jednak są też inne metody konfiguracji macierzy, bezpośrednio z systemu operacyjnego – za pomocą aplikacji Adaptec Storage Manager (obsługa za pomocą przeglądarki), a także z linii poleceń. Warto dodać, że kontroler pozwala na skonfigurowanie macierzy, które zajmują tylko część przestrzeni dyskowej – na przykład dysponując czterema napędami, kilka gigabajtów z każdego dysku można przeznaczyć na macierz RAID 0+1 dla systemu operacyjnego, zaś pozostałe kilkadziesiąt lub kilkaset GB na dane.

Wspólną cechą obu kontrolerów, wpływającą jednak nie na niezawodność macierzy, lecz na ich wydajność, jest zastosowana technologia Seamless Streaming, która pozwala zwiększyć rzeczywistą przepustowość kanału SCSI poprzez wysyłanie wielu (maksymalnie aż 512) komend SCSI w jednym połączeniu, co redukuje narzut nagłówków. Kontroler daje także możliwość szczegółowej konfiguracji buforów dla poszczególnych macierzy, na przykład na dysku logicznym przechowującym bardzo ważne dane można całkiem wyłączyć bufor zapisu. W przypadku wykorzystywania powyższych kontrolerów w serwerach stelażowych niezwykle istotny będzie fakt, że są to kontrolery niskoprofilowe, mieszczące się w obudowach o wysokości 2U.

Już na początku testów okazało się jednak, że nie wystarczy nowoczesny serwer i bardzo dobry kontroler, by móc korzystać z najwydajniejszych dysków i zmierzyć ich wydajność. W takiej konfiguracji nie można było korzystać z żadnego dysku, a powód okazał się prozaiczny – brak zgodności między serwerem a kontrolerami. Sprzęt udało się uruchomić właściwie już po testach, kiedy pojawiły się aktualizacje BIOS-u serwera Supermicro. Zdążyliśmy przeprowadzić tyko jeden krótki test, który pozwolił porównać wydajność najlepszych kontrolerów Adapteca z naszą drugą, zastępczą platformą testową, która nie sprawiła takich problemów – wyniki znajdują się na przedostatniej stronie artykułu.

Adaptec SCSI RAID 2010S

Kolejnym kontrolerem wykorzystanym w teście był „zerokanałowy” Adaptec SCSI RAID 2010S – musiał on działać w serwerze SuperServer 7044H-X8R, ponieważ taka konfiguracja została sprawdzona przez Supermicro. Rzeczywiście, tym razem sprzęt uruchomił się bez problemu, ale z jednym zastrzeżeniem – kontroler działał tylko w Windows, ponieważ nie ma wsparcia dla najnowszych wersji Linuksa. Musieliśmy więc pominąć linuksową część testów.

Adaptec SCSI RAID 2010S jest urządzeniem specyficznym, ponieważ nie komunikuje się bezpośrednio z dyskami, lecz z kontrolerem zintegrowanym z płytą główną. Służy on właściwie tylko do obsługi RAID 5 – pobiera dane przesyłane przez magistralę SCSI, następnie jego procesor (AIC-7930W) za pomocą sprzętowego układu XOR oblicza kody parzystości i zapisuje na dyski. Prostsze macierze RAID 0 i RAID 1 nie wymagają praktycznie żadnych obliczeń, ale również można je konfigurować za pomocą tego kontrolera.

Adaptec SCSI RAID 2010S jest tanią alternatywą wobec typowych kontrolerów macierzowych, ma więc nieco mniejszą funkcjonalność. Można w nim konfigurować bufor zapisu, który pracuje w trybie Write Through (natychmiastowy zapis danych na dysk) lub Write Back (natychmiastowy zapis tylko do bufora) – my wykorzystaliśmy to drugie, domyślne i szybsze ustawienie. Ręcznie można zmienić tryb pracy interfejsu SCSI (korzystaliśmy wyłącznie z Ultra320), a także SCSI ID samego kontrolera. Natomiast podczas konfigurowania macierzy nie ma możliwości zmiany zbyt wielu parametrów, na przykład pojemności (zawsze dyski logiczne zajmują całą przestrzeń dyskową na wskazanych dyskach), ani konfiguracji buforów zapisu i odczytu dla każdej macierzy. Jedynie w przypadku RAID 0 i RAID 5 można zmienić rozmiar „paska” danych – wykorzystaliśmy domyślną wartość 128 KB (w RAID 0) oraz 64 KB (w RAID 5). Kontroler pozwala także na skonfigurowanie dysku zapasowego (hot-spare).

Wydajność napędów 10 tys. obr./min

Na wydajność typowego napędu wykorzystywanego w pececie wpływają głównie dwa czynniki – czas dostępu do danych (od tego zależy ogólna wydajność napędu podczas uruchamiania systemu, aplikacji, odczytu większości plików), a także szybkość sekwencyjnego odczytu i zapisu danych (od tego zależy wydajność w aplikacjach multimedialnych, wykorzystujących duże pliki). Natomiast na pracę dysków SCSI, które zazwyczaj wykorzystywane są w serwerach, mogą mieć wpływ inne czynniki – na przykład obciążenie równoważne z liczbą użytkowników czy aplikacji korzystających z dysku. Bardzo duże znaczenie ma także charakterystyka dysku podczas odczytu i zapisu danych – dysk idealnie pracujący w serwerze WWW (praktycznie tylko odczytujący dane), w serwerze plików będzie spisywał się już znacznie gorzej. Jak przekonacie się na dalszych stronach, wykorzystanie RAID jeszcze bardziej komplikuje analizę wydajności.

Z powyższych powodów w tym teście nie będziemy podawać wielu typowych osiągów, takich jak transfer danych i średni czas dostępu. Większe znaczenie ma wydajność w codziennych zastosowaniach, którą mierzymy za pomocą programu Iometer i trzech wskaźników: File Server (odczyt i zapis bloków danych o różnej wielkości, przy czym 80 procent stanowią operacje odczytu), Database Server (odczyt i zapis małych bloków danych, operacje odczytu stanowią 67 proc.) oraz Web Server (analogicznie jak File Server, ale wyłącznie operacje odczytu danych). Każdy pomiar został wykonany przy różnym obciążeniu (różna liczba komend I/O w kolejce), my podajemy tylko wyniki dla 16, 64 i 256 komend, co naszym zdaniem odpowiada małemu, przeciętnemu oraz dużemu obciążeniu dysków.

Przy typowym, średnim obciążeniu wydajność napędów jest bardzo wyrównana, w testach File Server i Database Server minimalną przewagę ma napęd Maxtor Atlas 10K V, zaś w teście Web Server symulującym jedynie operacje odczytu niewielką przewagę uzyskuje dysk Hitachi z serii Ultrastar 10K300. Niemniej jednak różnice w osiągach tych dwóch napędów są tak małe, że trudno je brać pod uwagę na przykład przy zakupie dysków. Przy mniejszym obciążeniu wyniki są bardzo podobne, również wyróżniają się dyski Hitachi i Maxtora. Natomiast z największym obciążeniem świetnie radzą sobie dyski Fujitsu z serii MAT3xxx. Jednak praca w takich warunkach należy raczej do rzadkości, więc wynik ten nie powinien decydować o ostatecznej ocenie napędu. Werdykt będzie więc bardzo trudny, a mogą nam w tym pomóc dodatkowe wyniki testów.

Cztery powyższe wykresy uwypuklają cechy poszczególnych dysków – Fujitsu charakteryzuje się wyraźnie najlepszym transferem podczas odczytu (84,6-84,7 MB/s), ale bardzo wolnym zapisem danych (maksymalnie 45 MB/s). Również bardzo szybko realizuje operacje odczytu i zapisu o charakterze losowym, ale niekiedy ustępuje dyskowi Maxtora. Ale sam Maxtor również ma pewne słabości – to wolny transfer danych podczas sekwencyjnego zapisu i odczytu danych.

Z pewnego względu wyróżnia się także dysk Hitachi – charakteryzuje się bardzo szybkim sekwencyjnym zapisem dużych bloków danych (do 79,3 MB/s), a także stosunkowo krótkim czasem odpowiedzi podczas zapisu (praktycznie na poziomie napędu Fujitsu). I choć operacje zapisu mają pewien udział w testach File Server i Database Server, to są mniej istotne w naszych testach i typowych zastosowaniach.

Powyższe wyniki z pewnością w jakiś sposób wpływają na ogólną wydajność napędów, ale są dodatkowe czynniki, których nie da się przewidzieć – na przykład to w jaki sposób dysk zareaguje na „mieszankę” danych, które mają różną wielkość, są w różnej kolejności zapisywane i odczytywane, ile jest wśród nich operacji sekwencyjnych, a ile losowych. Zapewne dlatego nie da się w prosty sposób uzasadnić dobrych osiągów dysku Maxtor Atlas 10K V, mogą one wynikać z zastosowania technologii MaxAdapt eliminującej m.in. wpływ wibracji dysku na jego wydajność. Jednak MaxAdapt ma także zwiększać szybkość sekwencyjnego transferu danych, a – jak widać na powyższych wykresach – ten parametr w przypadku dysków Maxtora jest raczej słaby.

Nieprzewidywalne jest także zachowanie napędu przy wzroście obciążenia. Większość dysków charakteryzuje się pewną miminalną szybkością transferu danych i czasem dostępu do nich, a gdy rośnie ilość odwołań do dysku, zazwyczaj transfer i czas dostępu wyraźnie wzrastają. Tymczasem w przypadku Maxtorów wzrost obciążenia w pewnym zakresie powoduje spadek szybkości transferu – przy typowych obciążeniach jest on bardzo niski. Tak więc zależnie od warunków testu możemy otrzymać bardzo różne wyniki.

Wydajność napędów 15 tys. obr./min

Po takich nieprzewidywalnych wynikach testów dysków klasy 10 tys. obr./min byliśmy przygotowani na to, że również w przypadku szybszych napędów będziemy mieli podobne problemy z wyłonieniem zwycięzcy. Jednak tym razem sprawa okazała się wyjątkowo prosta – ze ścisłej czołówki odpadł napęd Hitachi, a na prowadzeniu pozostały dyski Maxtor i Fujitsu. Warunki okazały się podobne jak w teście czterech poprzednich dysków – Maxtor ma ogólnie lepszy wynik, ale Fujitsu pozostaje bezkonkurencyjny przy największych obciążeniach.

Również tym razem zamieszczamy dodatkowe wykresy, które mogłyby pomóc wydobyć dobre lub złe cechy dysków – w tym przypadku bardzo ułatwia to analizę. Otóż Maxtor ma to, co jest najbardziej potrzebne, czyli szybki dostęp do niewielkich, losowo rozmieszczonych bloków danych. Fujitsu też ma tę zaletę, ale jedynie przy dużym obciążeniu.

Na powyższych wykresach widać jeszcze kilka prawidłowości. Najszybszy sekwencyjny odczyt danych zapewnia napęd Seagate, choć jest on tylko minimalnie szybszy od Fujitsu i Hitachi. Hitachi oferuje bardzo szybki sekwencyjny zapis danych oraz krótki czas realizacji zapisu o charakterze losowym – częściowo jest to pewnie zasługa dużego bufora. Z kolei Maxtor Atlas 15K II charakteryzuje się wolnym sekwencyjnym zapisem i odczytem danych – tak samo jak Atlas 10K V. Jednak nie przeszkadza mu to w uzyskaniu dobrej wydajności w typowych zastosowaniach.

Konfiguracje macierzowe

Ponieważ dyski SCSI najczęściej pracują w macierzach, najbardziej sensowne byłoby porównanie ich wydajności właśnie podczas takiej pracy, czego nie omieszkaliśmy uczynić. Jednak z różnych przyczyn musieliśmy zrezygnować z testów macierzy z dyskami Fujitsu MAT3xxx, Hitachi Ultrastar 10K300 oraz Maxtor Atlas 15K II – na przeszkodzie stanęła awaria jednego z dysków, problemy z utworzeniem macierzy RAID 5 (co być może wynika z niezgodności firmware’u dysku i kontrolera) czy też po prostu niedostępność odpowiedniej liczby dysków. Na dzień dzisiejszy możemy przedstawić wyniki testów macierzy z pięcioma pozostałymi modelami napędów.

Na wszystkich poniższych wykresach zamieściliśmy potrójne wyniki pomiarów – pojedynczego dysku (wyniki z poprzednich stron artykułu), a także wyniki uzyskane w konfiguracji RAID 1 i RAID 5. Celowo pominęliśmy RAID 0, ponieważ takiej konfiguracji nie stosuje się w serwerach, gdyż nie zapewnia ona żadnego bezpieczeństwa danych (dysponujemy wynikami, więc jeśli ktoś byłby zainteresowany, możemy je udostępnić). Ponieważ w tym przypadku celem nie jest porównanie dysków, lecz w zasadzie ich pracy w różnych konfiguracjach macierzowych, wyniki testów napędów 10 tys. i 15 tys. obr./min zamieściliśmy na tych samych wykresach.

Okazuje się, że dyski w macierzach działają trochę inaczej niż w pojedynkę – różne są nawet proporcje pomiędzy ich osiągami. Zaastanawiające jest na przykład to, że w pewnych warunkach napęd Seagate 15K.4, który jest stosunkowo dobry na tle pozostałych czterech dysków, w konfiguracji RAID 5 zdecydowanie „słabnie” (wykres pierwszy i drugi). Z kolei przy największym obciążeniu (wykres trzeci) bardzo dobry jest dysk Fujitsu z serii MAU3xxx, ale również w konfiguracji RAID 5 nieznacznie szybszy okazuje się Cheetah 15K.4.

W większości testów Database Server w wyraźny sposób wyróżnia się Hitachi Ultrastar 15K147 (oczywiście gdyby tu był Maxtor Atlas 15K II, prawdopodobnie do niego należałyby czerwone słupki na wykresach). Jednak przy maksymalnym obciążeniu można zaobserwować pewne anomalia – w konfiguracji jednodyskowej najlepszy jest napęd Fujitsu (co jest oczywiste), w RAID 1 – Seagate, zaś w RAID 5 – Hitachi. Jeśli spojrzymy na wszystkie wykresy File Server i Database Server (czyli tych, w których występuje zapis danych) na tej stronie, to zauważymy, że konfiguracja RAID 5 ogólnie dobrze służy dyskom Hitachi, mimo że w konfiguracji jednodyskowej i RAID 1 spisują się znacznie gorzej.

Kolejne serie pomiarów to Web Server, w tym przypadku najlepsze osiągi miały Atlasy 15K II, daleko za nimi Seagate Cheetah 15K.4 oraz pozostałe napędy, zaś przy maksymalnym obciążeniu – oczywiście Fujitsu. Wyniki testu w konfiguracjach RAID częściowo potwierdzają te wyniki, ponieważ na ostatnim wykresie zdecydowanie wyróżnia się napęd Fujitsu. Jednak skoro brakuje Atlasa 15K II, przy mniejszych obciążeniach nie ma zdecydowanego faworyta – trzy dyski Fujitsu, Hitachi i Seagate mają bardzo zbliżone wyniki.

Uzyskane wyniki są kolejnym dowodem na to, że wybranie najlepszych dysków może być bardzo trudne – nawet jeśli są one bardzo dobre w pojedynkę, to pracując w konfiguracji macierzowej mogą ustępować innym napędom. Zapewne bardzo wiele zależy też od ustawień kontrolera (np. rozmiaru „paska” danych), a także modelu kontrolera, o czym można przekonać się na następnej stronie artykułu.

Alternatywny kontroler

Skoro pod koniec testów udało się nam uruchomić kontroler Adaptec SCSI RAID 2230SLP na serwerze Supermicro, postanowiliśmy sprawdzić jego możliwości, choćby z jednym modelem dysku. Wykorzystaliśmy Atlasy 10K V, ponieważ te napędy mieliśmy pozostawione najdłużej do dyspozycji, do samego końca testu. Tak więc poniżej zamieszczamy 9 wykresów z testów File Server, Database Server oraz Web Server, przy trzech różnych obciążeniach: 16, 64 oraz 256 komend w kolejce I/O.

Pierwsze wyniki przynoszą zaskoczenie – niemal trzykrotnie droższy kontroler 2230SLP ma prawie taką samą wydajność jak 2010S (oczywiście funkcjonalność to zupełnie inna sprawa). Wykorzystanie takiego sprzętu do obsługi pojedynczych dysków czy macierzy RAID 1 byłoby marnowaniem sprzętu, więc głównie zwróciliśmy uwagę na RAID 5. W zależności od obciążenia, kontroler ten jest trochę lepszy lub trochę słabszy od taniego 2010S, ale przy maksymalnym obciążeniu jego wydajność zdecydowanie spada. Na wykresach dotyczy to warunków, przy których w kolejce znajduje się 256 komend, ale po dodatkowych pomiarach zauważyliśmy, że wydajność kontrolera zaczyna maleć, gdy w kolejce znajdzie się 128 komend.

W przypadku testów z serii Database Server – nic dodać, nic ująć. Wyniki podobne jak powyżej.

Jedynie w większości testów Web Server kontroler 2230SLP okazuje się lepszy od 2010S, choć oczywiście nie dotyczy to bardzo dużego obciążenia. Tak więc całkiem dobrze złożyło się, że Adaptec SCSI RAID 2230SLP nie chciał od początku działać na serwerze Supermicro, ponieważ w takiej konfiguracji nie zapewniłby dobrych wyników testów.

Podsumowanie

Ponieważ wskazanie jednego najlepszego produktu jest niezwykle trudne, postaramy się zebrać najważniejsze cechy wszystkich przetestowanych dysków twardych. Z Fujitsu sprawa jest chyba najprostsza – napędy są optymalne do pracy w najbardziej obciążonych systemach, ale w typowych warunkach działają wolniej niż sprzęt konkurencyjny. Napęd z serii MAT3xxx oferuje bardzo szybki, sekwencyjny odczyt danych. Są to też dyski najtańsze spośród testowanych, choć cena jest rzeczą względną…

Testowane dyski Hitachi również mają swoje plusy, ich mocną stroną jest na przykład szybki zapis danych – niestety, ta cecha ma mniejsze znaczenie niż szybkość odczytu informacji z powierzchni nośnika. Jednak z testów wynika, że napęd z serii Ultrastar 10K300 charakteryzuje się bardzo dobrą ogólną wydajnością przy typowych obciążeniach, warto więc zwrócić uwagę na te napędy. Niestety, nie mogliśmy ich przetestować w konfiguracjach macierzowych. Natomiast seria Ultrastar 15K147 jest już słabsza na tle konkurencji, ale z kolei w wielu testach w konfiguracji RAID 5 właśnie te dyski okazały się najlepsze.

Z kolei dyski Maxtora to dziwne produkty – nie oferują specjalne szybkiego transferu danych przy odczycie lub zapisie, ani też krótkiego czasu dostępu do danych. Wyjątkiem jest Atlas 15K II, który rzeczywiście oferuje krótki czas wyszukiwania. Jednak w wielu praktycznych testach napędy te często pojawiają się w czołówce – w przypadku serii Atlas 10K V nie jest to przewaga tak wyraźna, natomiast w serii Atlas 15K II są to niemal wszystkie testy – oczywiście z wyjątkiem tych przeprowadzonych przy największym obciążeniu, w których lepsze okazały się produkty Fujitsu.

Natomiast napędy Seagate nie wyróżniły się w wielu testach – na pewno mocną stroną dysków z serii Cheetah 15K.4 jest szybki sekwencyjny odczyt danych, ale podczas testów macierzy okazało się, że także w wielu innych przypadkach te dyski są szybsze od produktów Hitachi i Fujitsu.

Różnice wydajności testowanych dysków twardych są zbyt małe, byśmy mogli wskazać napędy, które są zdecydowanie najlepsze i z czystym sumieniem przyznać im naszą rekomendację. Wiele wyników zależy od wykonywanego testu i od obciążenia. Na pewno warto zwrócić uwagę na napędy Maxtora, które oferują niezłą wydajność w typowych warunkach, choć w testach typowo syntetycznych (maksymalny transfer, minimalny czas odpowiedzi) okazują się raczej słabe. Natomiast wykorzystanie macierzy RAID powoduje, że współpraca wszystkich napędów z kontrolerem ulega znacznej zmianie, z pewnością wiele zależy też od firmware’u urządzeń.

Sprzęt do testów dostarczyły firmy

Dyski Fujitsu MAT3xxx oraz MAU3xxx – Alstor, www.alstor.com.pl
Dyski Hitachi Ultrastar 10K300 oraz 15K147 – Asbis, www.asbis.pl
Dyski Maxtor Atlas 10K V oraz 15K II – Maxtor, www.maxtor.com
Dyski Seagate Cheetah 10K.7 – Asbis, www.asbis.pl
Dyski Seagate Cheetah 15K.4 – Seagate, www.seagate.com

Kontrolery Adaptec SCSI RAID 2130SLP oraz 2230SLP – Adaptec, www.adaptec.com

Platforma serwerowa Supermicro SuperServer 7044H-X8R wraz z dwoma procesorami Intel Xeon 3,6 GHz, 1 GB RAM DDR2 oraz kontrolerem Adaptec SCSI RAID 2010S – California Computer, www.california.pl.