據行業分析機構 Trendfocus釋出的數據，2024年第一季度，全球機械硬碟（HDD）出貨量達2970萬塊，環比增長3%，出貨總容量達262EB，環比增長22%。面向企業儲存的HDD出貨量和出貨容量雙雙增長，其中出貨容量增幅高於出貨量的增幅， 這表明HDD依然是企業容量需求型場景的主流選擇。
企業數據儲存大致可分 為效能需求型和容量需求型兩大類場景，前者的典型代表是計算類應 用，通常以512B、4K等小數據塊的隨機讀寫為主，關註點聚焦在IOPS效能；而容量需求型儲存則重點考量64K、128K及以上數據塊的順序讀寫效能（即頻寬，MB/s），典型套用場景包括關鍵業務數據備份、檔共享、日誌儲存等，使用HDD為AI套用儲存海量訓練數據也是企業的主流選擇。
雖然SSD的順序讀寫效能高於HDD，但對於企業使用者來說，實際的使用需要結合各種綜合因素，除效能外，還有穩定性、可靠性、投入成本等多種因素。所以企業依然青睞使用HDD來滿足海量數據增長引發的儲存容量需求。而HDD是如何滿足企業套用所需的呢？
本文將基於東芝的MG10-D系列空氣封裝硬碟，從實際測試出發，分析HDD在企業儲存市場的優勢特點。
1 基準測試：可預測的效能，簡化企業儲存復雜度
MG10-D系列是東芝最新釋出的傳統磁記錄格式 (CMR) 空氣硬碟產品家族，有SATA和SAS兩種介面，容量從1TB到10TB。據東芝官網資訊，MG10-D系列硬碟的效能和電源能效均有明顯提升，同時還提供即時清理擦除（SIE）和自加密驅動器（SED）等數據安全功能。本次測試用的HDD為3.5英寸外形規格的SATA介面硬碟，容量8TB。
圖1：用於本次測試的東芝MG10-D系列磁盤，容量8TB
圖2：硬碟背面；
圖3：硬碟介面為SATA 3.0規格，最大速率6Gb/s；
圖4：主軸電機，帶動內部盤片高速旋轉（7200轉/分鐘），並「托」起磁頭實作數據存取；
圖5：主軸電機上方的通氣孔，用以保持內外部氣壓平衡，旁邊有英文提示「請勿遮擋」。
基準效能測試的目的是用於評估HDD自身所能發揮出的效能，即 「裸盤效能」。根據海量檔儲存、數據備份、雲歸檔等場景的數據存取特點，測試選擇用64K、128K及以上尺寸的數據塊，透過常用的硬碟基準效能測試工具Iometer下發順序讀寫負載來評估HDD的頻寬表現。圖6為東芝MG10-D系列8TB硬碟在128K數據塊下的順序讀寫效能。
圖6：東芝MG10-D系列8TB硬碟的128K順序讀寫效能
本節測試使用單一執行緒對東芝MG10-D系列8TB硬碟下發讀寫負載，從測試結果可以看出，在單執行緒、1佇列深度時，硬碟達到最大讀寫頻寬，均在290MB/s左右，此時的平均響應時間僅為0.46ms。
此測試結果表明了以下多層含義：
1、 順序讀寫效能均衡，不管是順序讀（綠色柱狀）還是順序寫（橙色柱狀），在不同佇列深度下的吞吐率都近乎相似，保持在290MB/s左右；
2、 在佇列深度為1時，硬碟已達到最大的讀寫頻寬290MB/s，套用體驗穩定流暢。
3、 在達到最大頻寬後，隨著負載（佇列深度）的增加，吞吐率保持平穩，響應時間隨負載的增加而增長，這表明即使在密集負載情況下，東芝MG10-D 8TB硬碟依然能夠發揮出最大頻寬效能，且保持平穩，具有很好的效能可預測性，以便企業儲存系統能更好地匹配業務需求。
值得註意的是，東芝官網公布的MG10-D系列HDD的順序讀寫頻寬為268MiB/s，為二進制。而本測試中的290MB/s使用十進制，換算成二進制大約為278MiB/s。
圖7：不同數據塊大小的順序讀寫效能（吞吐率與響應時間）
上圖7是東芝MG10-D系列8TB硬碟在使用64K、128K、256K、512K、1024K等不同大小數據塊下的順序讀寫頻寬和響應時間表現。其效能表現趨勢與上一測試結果近乎相似，在1佇列深度時可達到最大吞吐率，且隨著負載的繼續增加，吞吐率保持不變，響應時間隨數據塊大小而變化。
圖8：東芝MG10-D系列8TB硬碟穩定性測試結果
上圖8為128K數據塊在持續讀寫下的響應時間散布，在1分鐘持續的讀寫負載下發中，響應時間大多散布在0.4~0.5ms之間，只有極少數分散在0.5ms之外，但均未超過0.6ms，這從另一方面顯示了東芝MG10-D系列硬碟的效能穩定性與可預測性。
從基準測試的結果數據來看，東芝MG10-D系列8TB硬碟僅需單執行緒單佇列的情況下就能達到最大吞吐率，即使在密集讀寫負載情況下也能保持穩定的最大頻寬效能，所具備的效能可預測性，有助於企業使用者簡化儲存系統的最佳化與管理工作。
基準效能測試反映的是東芝8TB硬碟本身所能發揮的最大效能，並不代表其在實際套用中的效能表現。接下來進行的檔效能測試將展示東芝8TB硬碟的實際套用效能表現。
2 如何讓海量小檔儲存更有效率？
檔儲存是企業最常見的套用場景，典型如日誌儲存、檔共享、雲數據備份與歸檔等，隨著大數據分析技術的發展，海量檔儲存也逐漸成為企業的典型套用場景，尤其是近幾年掀起的又一輪AI狂潮，為AI模型訓練所需的海量數據提供儲存能力也是HDD的重要套用場景。
我們使用VDbench建立模擬企業實際數據環境，來測試東芝10-D系列8TB硬碟，評估在處理海量小檔場景下，硬碟的每秒檔讀寫數，每秒吞吐率，以及響應時間等多項表現。將東芝MG10-D系列8TB硬碟用作企業檔案系統，並建立兩層目錄，每層10個目錄，在第二層的所有目錄中都建立2000個半/非結構化檔，總計20萬個檔（即2000x10x10）。在不同的測試環節，VDbench會重新生成不同大小的20萬個檔（如64K、128K、256K、512K、1024K），用以評估東芝MG10-D系列8TB硬碟在不同檔大小情況下的每秒檔讀寫數量和頻寬吞吐。
圖9展示的是64K、128K、256K及以上不同尺寸大小檔的順序讀取與寫入效能：
圖9：海量小檔的順序讀取/寫入效能測試結果
從上圖展示的測試結果來看，在64K和128K小檔測試中，MG10-D每秒可成功開啟並傳輸的檔超1000個以上，隨著檔尺寸的增大，每秒檔傳輸數開始下降，頻寬則快速提升，在256K時達到最大頻寬171MB/s；之後隨著檔尺寸的增加，每秒檔傳輸數逐漸下降，頻寬隨之對應下降。
在檔順序寫入測試中（實際是重寫），64K檔每秒可寫入近950個，隨著檔尺寸的增大，每秒寫入數量逐步降低，寫入頻寬則隨之提高。在1MB檔時達到最大頻寬111MB/s。
在企業數據中心內，更多套用場景的數據傳輸特點是檔隨機讀寫，圖10展示的是不同尺寸大小檔的隨機讀取與寫入效能測試結果：
圖10：海量小檔隨機讀取/寫入效能測試結果
圖10測試結果顯示，在20萬小檔隨機讀取效能測試中，東芝MG10-D系列8TB硬碟在128K尺寸大小檔時，每秒成功開啟並傳輸的檔數量最多，達到137個，對於HDD而言，這是一個極出色的效能成績。隨後，隨著檔尺寸的增大，每秒開啟數量降低，但頻寬隨之提高，在1MB尺寸檔時獲得最大頻寬38MB/s。
同理，在隨機寫入測試中，東芝MG10-D系列8TB硬碟在64K尺寸檔獲得最大檔寫入數量——每秒寫入519個檔，隨著測試檔尺寸的增大，每秒寫入數量下降，但寫入頻寬逐漸上升，到1MB尺寸檔時獲得最大頻寬——97MB/s。
為何在檔效能測試中，隨機寫入效能遠超隨機讀取效能？這是因為在測試中啟用了硬碟寫入緩存（Write Cache）。通常情況下，為了防止突然掉電導致緩存數據遺失，硬碟中的寫入緩存大多處於關閉狀態。而在本次測試中之所以開啟寫入緩存，這是因為東芝MG10-D系列硬碟中整合了持久寫入緩存技術，即使突然掉電，該技術也能保證硬碟緩存中的數據安全。並且，該系列硬碟緩存都為512MB，更大容量意味著可以緩存更多數據，也意味著更好的效能。
以上兩個測試結果顯示，東芝MG10-D系列8TB硬碟對檔隨機讀取的加速效果低於隨機寫入，這是因為測試數據全部都是重新寫入的新數據，沒有呼叫到讀緩存。而在檔隨機寫入測試中，下發的負載首先寫入硬碟的寫緩存（並經過排序），然後以類似順序寫入的方式寫入硬碟，從測試結果來看，其加速效果非常明顯，在64K檔大小時，每秒隨機寫入的檔數量約為順序寫入的55%，隨著檔尺寸的增大，加速效果越發明顯，在1MB檔大小時，隨機寫入頻寬接近順序寫入頻寬的90%（87%）。
在海量小檔儲存系統中，儲存的檔數量也會對檔讀寫效能帶來影響（其他配置不變的情況下），此測試將評估128K尺寸檔大小下，不同檔數量對讀寫效能帶來的影響，圖11為測試結果：
圖11：不同檔數量對儲存效能的影響
在檔隨機讀取測試中，隨著檔案系統中檔數量的增加，每秒成功開啟並傳輸的檔數量會隨之下降，在超過10萬個檔後，讀取效能趨於平緩，響應時間也維持穩定。而在檔隨機寫入測試中，由於寫入緩存的加速，雖然檔案系統內檔數量顯著增加，但每秒成功寫入的檔數量依然平穩，響應時間也沒有很大起伏，得益於緩存顯著提升了企業檔案系統的效能，尤其是寫入效能。
上述結果均基於單機環境下對單塊東芝MG10-D系列8TB硬碟進行測試獲得，在企業實際環境中，儲存系統通常有著數量多得多的硬碟。比如分布式儲存，即使最小3節點也有多達36塊硬碟，如果按上述測試數據推算，其能支持每秒最多3.6萬個檔的並行存取。即使部署在傳統雙控陣列（12塊硬碟）中，也能支持每秒最多近1.2萬個檔的並行存取。更何況還有儲存系統的記憶體/緩存加持，實作的系統綜合實際性可高於上述數值。
本測試綜合考慮HDD的效能後選擇使用的是單機環境（i5-13600，[email protected]，32G記憶體）進行測試，在測試中排除了系統記憶體、網路等因素的影響。在企業實際環境，如檔共享套用中，檔案系統（NAS）緩存將會對檔讀寫效能帶來利好，但不同的儲存網路（GbE vs FC、10GbE vs 25GbE等）則會對測試結果帶來較大影響，同時，客戶端並行數量、讀寫負載混合比例等都會不同程度上影響檔案系統效能。
3 除了效能，硬碟還有其他優點
東芝MG10-D系列硬碟是東芝專為企業儲存而研發改進的傳統磁記錄格式（CMR）硬碟家族，除了上述測試中所反映出的效能穩定性、可預測性外，為滿足企業儲存需求，東芝MG10-D系列硬碟還有著很多特點及可選擇的附加功能，比如：
即時清理擦除（SIE）和自加密功能(SED)。 很多企業，尤其是有著大規模數據中心的企業，因故障更換硬碟、報廢硬碟後，如何處理被淘汰硬碟通常是一個難題，其上可能存放著企業敏感數據。而利用這兩項安全功能，能幫助企業更好地處理數據安全風險。東芝MG10-D全容量系列硬碟均支持這兩項功能。
持久寫入緩存技術。 可在保證最優寫入效能（Write Cache啟用）的基礎上防範由於突然掉電導致緩存數據遺失的風險，幫助企業在保證數據安全的同時更好地應對突發業務波峰。
儲存選擇更靈活。 東芝MG10-D系列硬碟不僅提供用於構建分布式儲存的SATA介面硬碟，還提供滿足企業儲存陣列需求的SAS介面硬碟；企業還可根據業務所需靈活選擇512e/4Kn或512n等不同磁區格式的硬碟，可無縫融入企業各種業務場景；1TB起步、最高10TB的容量規格也讓企業擁有更靈活的選擇。
圖12：東芝MG10-D系列提供不同規格型號的硬碟，供企業按需求靈活選擇
除上述特點以外，東芝MG10-D系列硬碟每年額定工作負載總傳輸率可達550TB；同時還具有很好的電源能效，在活躍待機模式下的功耗降至5.74W，相比上一代產品能耗節省方面也有很大提升。對於聚集了數萬台伺服器的企業數據中心，每一瓦的能耗節省都能為使用者帶來更好的成本管控制。
在很多企業數據中心的主流套用場景，HDD以其可預測的效能、更具價效比的投入、經驗證的可靠性、更靈活的容量與介面選擇，以及優異的相容性等特點，能夠更好地支撐企業業務的正常穩定執行。
