Массив из винчестеров против твердотельных накопителей: что нам стоит RAID построить?
Методика тестирования накопителей образца 2016 года
В первых персональных компьютерах винчестеров вообще не было. Чуть позднее они стали штатным оборудованием. Еще позднее в основном были решены проблемы совместимости, мешающие использованию одновременно и поддерживаемой в теории пары устройств, а к концу 90-х годов прошлого века конфигурация среднестатистического компьютера потенциально могла включать в себя уже и четыре винчестера. С этого момента многие пользователи заинтересовались уже использованием накопителей не по-отдельности, а в составе единого массива — как во «взрослых системах». В последних, впрочем, чаще всего применялся SCSI-интерфейс, доступный и владельцу обычной «персоналки», но излишне дорогой — требовались дешевые решения. И они появились в виде контроллеров IDE RAID.
Заметим, что наиболее часто используемым вариантом был RAID0, строго говоря, к «RAID-массивам» не относящийся, поскольку избыточность данных он не обеспечивает. Надежность хранения сравнительно с одиночным диском даже снижает. Но иногда было просто некуда деваться, поскольку винчестеры тех лет были слишком медленными для некоторых сфер применения, а альтернативных решений с более высокой производительностью не было вовсе. Использование же чередования позволяло их заметно «пришпорить». Но применялись (да и сейчас применяются) и «зеркала» (RAID1) — для повышения надежности. А наиболее обеспеченные граждане могли объединить достоинства обоих подходов посредством создания массива RAID10, что позволяло повысить и скорость, и надежность. Других режимов в те времена в массовых контроллерах «не водилось»: слишком сложными были для программной реализации — с учетом вычислительных возможностей систем того времени.
Через некоторое время дискретные RAID-контроллеры начали устанавливать и на топовые системные платы — надо же было чем-то выделяться их производителям. В итоге к массивам стали приглядываться и пользователи, ранее о них не задумывавшиеся — раз уж возможность есть. В итоге идею подхватили сами производители чипсетов, так что возможность создания RAID-массивов стала стандартной для последних. Как минимум — для старших модификаций. Причем к числу возможных вариантов добавился и RAID5, на первый взгляд выглядящий очень привлекательно: более экономным расходованием дискового пространства, чем у RAID10, но при обеспечении необходимой для надежности хранения избыточности.
А позднее начались новые времена — винчестеры перестали быть основным и единственным типом накопителей, применяющихся в компьютере. Внедрение твердотельных накопителей прервало эволюцию, оказавшись революционным шагом с точки зрения производительности. Правда было оно достаточно медленным — просто потому, что и стоимость хранения информации первое время была очень высокой. Довольно быстро снижалась, но и сейчас до паритета с винчестерами еще далеко — особенно если рассматривать «настольные» модели. Да и с абсолютной емкостью тоже пока все не просто: теоретически флэш-памяти в стандартный корпус «напихать» можно очень много, а практически это будет слишком уж дорого. Собственно, поэтому до сих пор подавляющее большинство компьютеров продается лишь с одним-единственным винчестером в качестве накопителя «для всего»: и для программ, и для данных. В принципе, даже устройств этого класса минимальной на сегодня емкости достаточно для того, чтобы полностью закрыть все потребности среднестатистического пользователя, поэтому в бюджетном сегменте такой вариант долго еще будет преобладающим, несмотря на низкую производительность. А вот чуть выше решений минимальной стоимости у покупателя есть выбор, часто приводящий его к одному из гибридных вариантов системы хранения данных. Самым дешевым (но пока до конца не изученным и освоенным) способом является кэширование посредством технологии Optane Memory. Более дорогим, но предсказуемым и совместимым со старыми системами — использование SSD невысокой емкости для операционной системы и приложений в паре с тихоходным, но очень емким винчестером для хранения данных. В итоге про RAID-массивы в бытовых персоналках все как-то и забыли. Хотя некоторые пользователи считают, что зря — все-таки и емкость самая большая (в пределах фиксированного бюджета), и производительность должна быть более высокой, чем у одиночного накопителя. Пусть, даже, и не на столько, как обеспечивают твердотельные накопители, но ведь дешево же —, а вдруг и этого хватит на практике. Поэтому мы сегодня решили немного отклониться от основной линейки тестов и посмотреть — как ведут себя лучшие винчестеры в т. ч. и в массивах из двух-трех дисков, сравнительно с разными твердотельными накопителями.
Участники тестирования
Поскольку в наших руках оказалось одновременно три не совсем идентичных, но почти идентичных винчестера Seagate, они и выступили в роли «подопытных кроликов». Было бы сразу четыре — можно было бы и RAID10 организовать, а так пришлось ограничиться RAID0 из двух и RAID5 из трех дисков (три-четыре диска в RAID0 это уже за границей добра и зла, которую без необходимости мы стараемся не переступать), имеющие одинаковый объем в 20 ТБ. Собственно, чем RAID5 многим и кажется привлекательным — «пропадает» всего один накопитель в массиве, а не половина, как в «зеркалах» (RAID1, 10 и подобных). RAID0 еще «гуманнее», но ценой потенциальных проблем с надежностью. Сами же винчестеры — одни из лучших на сегодняшний день: модели на 10 ТБ со скоростью вращения 7200 об/мин, использующие заполнение гермоблока гелием. Понятно, что в роли системного и единственного накопителя даже один такой винчестер выглядит странно (мягко говоря), однако дает оценку сверху того, что вообще можно получить от массивов. Недорогие устройства малой емкости просто медленнее, в чем мы уже не раз убеждались.
С кем будем сравнивать? Во-первых, интересна разница в пределах группы. Во-вторых, для части тестов мы отобрали следующую четверку твердотельных накопителей:
Можно было бы ограничиться и меньшим количеством, но мы решили пойти навстречу читателям, жалующимся на то, что в статьях сайта редко сравниваются твердотельные накопители разных классов или, тем более, твердотельные с механическими. Просили? Сами виноваты :)
Тестирование
Методика тестирования
Методика подробно описана в отдельной статье. Там можно познакомиться с используемым аппаратным и программным обеспечением. Для данной статьи нам ее пришлось, немного доработать, поскольку участие в тестировании сегодня принимают и винчестеры, и твердотельные накопители, но касается это в основном использования результатов (благо тестовые программы в основном пересекаются) и их группировки.
Последовательные операции
Для начала начнем с «чисто винчестерных» тестов, в которых твердотельные накопители по понятным причинам не участвуют — для них нет зависимости скорости от конкретной области данных.
Как и предполагается априори, скорость чтения удваивается. Точнее, для RAID0 из двух дисков это очевидно. Для RAID5 на трех дисках — в общем-то тоже: для данных используется то же самое чередование. В итоге даже минимальная скорость чтения оказалась выше средней одиночного диска, а средняя — выше максимальной. Идеальный случай.
Потому что при записи все уже не так просто. Точнее, для RAID0 — по-прежнему просто и быстро, на что любят упирать «любители» этого типа массивов (который, строго говоря, RAID-массивом и не является, как уже было сказано выше). Все также работает чередование блоков с данными, так что два винчестера (или большее их количество) работают, по сути параллельно.
А вот ситуация с RAID5 печальна. Однако легко объяснима: специфика организации этого типа массивов такова, что практически любая операция записи превращается в две операции чтения и две записи, которые должны «отработать» практически одновременно. Итоговая производительность в случае «чипсетного» контроллера, фактически лишенного собственных «мозгов», так что реализующего всю необходимую функциональность на базе программного драйвера, оказывается удручающе низкой. «Нормальный аппаратный» контроллер способен ослабить проблему, но не решить ее полностью — RAID5 все равно остается одним из самых медленных типов массивов в любых условиях. Радикальным способом решения проблемы (да и практически единственно-возможным для программной реализации) является использование RAID10, сочетающего в себе и производительность, и отказоустойчивость, но… Но ценой потери уже половины потенциального пространства, т. е. для создания массива в те же 20 ТБ потребуется уже не три, а четыре диска по 10 ТБ, о чем было сказано в начале статьи. Впрочем, можно «выжать» и из чипсетного RAID5 немного больше: подбором размера блока чередования и кластера файловой системы, чем мы не занимались, оставив значения по-умолчанию. Однако повысить скорость записи до уровня хотя бы одиночного винчестера и это не позволяет — в отличие от RAID10, обеспечивающего ее удвоение (пусть и высокой ценой). В лучшем случае получается повысить скорость примерно до 100 МБ/с, т. е. RAID5 на практике даже при тонкой настройке снижает производительность операций записи. Где-нибудь в NAS это не важно: данные записываются редко, а читаются часто, да и лимитирует производительность сам по себе сетевой интерфейс (как раз значениями в районе сотни мегабайт в секунду, а то и меньше), так что высокая емкость и отказоустойчивость выходят на первый план. А вот в персональном компьютере или рабочей станции массивы такого типа просто не интересны. Точнее, интересны еще меньше, чем RAID0 или RAID1. А ведь и у первых уже появились серьезные конкуренты, но об этом чуть ниже.
Время доступа
Если при чтении данных латентность практически неизменна, то при записи в массиве RAID0 она резко снижается. В чем, впрочем, заслуга, скорее, не его, а алгоритмов кэширования, применяемых контроллером для массивов. Но, как видим, RAID5 и это никак не помогает. Даже наоборот, что вполне согласуется с логикой его работы.
Последовательные операции (Crystal Disk Mark)
Поскольку HD Tune Pro при тестировании твердотельных накопителей мы не используем, а вот Crystal Disk Mark «прогоняется» везде, посмотрим на его результаты.
Как и положено, производительность при чтении данных примерно удваивается. Забавный результат в многопоточном режиме связан с тем, что при использовании ограниченной области данных (в программе, напомним, мы используем лишь 2 ГБ) и современных алгоритмов внутреннего кэширования винчестеров, вкупе с нынешними емкостями кэш-памяти, данные зачастую в ней и будут оказываться еще до соответствующего запроса. Остается только передать нужный блок по интерфейсу, что происходит очень быстро. Это позволяет с легкостью опережать SATA SSD (поскольку их сдерживает именно интерфейс), да и в однопоточном режиме от них практически не отставать. Но только в «тепличных условиях» — внешние дорожки (на внутренних скорость вдвое ниже, что уже было показано выше), небольшие объемы данных. Что бывает в более сложных случаях — посмотрим чуть позже.
С записью же все намного хуже: чем-то подстегнуть многопоточный режим не получается, так что он не только медленнее однопоточного, но и удвоения скорости сравнительно с одиночным накопителем уже не наблюдается. Но в один поток потягаться с SATA SSD хотя бы можно. Во всяком случае, при использовании RAID0 из двух дисков. Если бы мы объединили в такой массив три имеющихся винчестера — было бы еще быстрее, хотя и слишком перпендикулярно здравому смыслу. А с RAID5 все традиционно плохо. Поэтому в последующих тестах мы его использовать не будем — и без того картина ясна.
Работа с большими файлами
Как и следовало ожидать на основании низкоуровневых тестов, в однопоточном режиме хотя бы на внешних дорожках скорость чтения сравнима с SATA SSD. Но если нужно считать 32 ГБ в 32-х файлах по 1 ГБ, производительность резко падает почти до уровня одиночного винчестера (кэширование же при таких объемах ничем помочь уже не может). Для твердотельных же накопителей, напротив, это идеальный случай. А если они не ограничены интерфейсом — тем более.
Чем, все-таки, до сих пор привлекательны механические накопители — симметричностью производительности при записи и чтении, чего для флэш-памяти и близко нет. Соответственно, на операциях записи даже некоторые NVMe-накопители могут оказаться медленнее одиночного современного винчестера. Двух — тем более. Но если не рассматривать самые медленные из устройств, то опять ничего похожего на «честную конкуренцию» не наблюдается.
А запись одновременно с чтением — хороший случай для большинства SSD и плохой для винчестеров. Причем твердотельным накопителям и (псевдо)случайный режим «жизнь не портит», в отличие от. Таким образом, быстро прочитать или записать большой объем данных современные винчестеры могут — если есть куда или откуда. Объединенными в массив RAID0 сделают это быстрее. Но поскольку обработка данных предполагает обычно и запись, и чтение, и далеко не всегда последовательные — для этой цели уже лучше использовать твердотельные накопители. Если, конечно, объемы позволяют. А вот хранить данные лучше там, где это обходится дешевле.
Производительность в приложениях
Но основной темой сегодняшней статьи было вовсе не исследование вопросов хранения и обработки больших массивов данных, хотя и это тоже интересно. Еще важнее — оценить перспективность использования RAID0 для ускорения обычной работы за компьютером. Когда-то это позволяло что-то выиграть сравнительно с одиночным винчестером, но тогда и программы были другими, да и операционные системы тоже. Да и сравнивать сейчас уже нужно не только «механику с механикой». Вот и сравним :)
Тестируя SSD, мы временами жаловались на то, что с точки зрения тестов высокого уровня они слишком похожи. Тестируя винчестеры — аналогично. Но они «по-разному похожи»: это два непересекающихся мира. А одиночный винчестер и RAID0 из винчестеров — один мир. Совсем один. Потенциальное ускорение от чередования к настоящему моменту по сути рассосалось: современные операционные системы и с одиночным винчестером работают настолько эффективно, насколько он позволяет (чему сильно помогает развитое кэширование данных в оперативной памяти, радикально улучшившееся в современных версиях Windows — пусть это и вызывает жалобы некоторых пользователей, привыкших к примитивной Windows XP и более ранним, на «расход памяти»). Снижение задержек пригодилось бы, но его при чтении данных (что важно для тестов высокого уровня) как раз и нет.
И даже по низкоуровневому баллу появляются различия между разными моделями твердотельных накопителей, но не более того. Винчестеры (что с ними не делай) намного медленнее. Причем в этом случае и порядки-то величин разные, что «замаскировать» получается лишь потому, что реальная работа приложений «упирается» и в другие компоненты компьютера. А иногда и в самого пользователя, что и не всегда позволяет реализовать потенциальные возможности накопителей. Твердотельных. У «механики» таковых и не водится.
Кстати, и предыдущая версия тестового пакета ведет себя аналогично. Когда-то, кстати, PCMark на массивы реагировал хорошо —, но это было под управлением других ОС и на трассах, имитирующих другие приложения. А сейчас уже так. Подробные результаты, думаем, уже не нужны.
Рейтинги
Как видим, с точки зрения тестов низкого уровня, ориентированных в первую очередь на SSD (так что изобилующими операциями со случайным доступом) сравнивать «механику» (что с ней не делай) и SSD большого смысла нет. Но и ничего удивительного в этом тоже уже нет — для винчестеров лучший сценарий это однопоточный последовательный, однако, как уже было показано выше, и в этом случае о прямой конкуренции говорить не всегда приходится. Иногда при записи, разве что, но и при этом «потолок» винчестеров (и массивов из них) сопоставим лишь с «полом» твердотельных накопителей с SATA-интерфейсом (eMMC-модули — отдельная история;, но они и используются чаще всего там, куда никакие другие накопители просто «не лезут»).
Да и «подмешивание» к оценке результатов тестов высокого уровня не слишком меняет картину. По совокупности разные SSD при этом отличаются друг от друга примерно вдвое, поскольку мы взяли один из самых медленных и один из самых быстрых из протестированных накопителей, радикально различающихся конструктивно. Однако при этом и «самый медленный» быстрее массива RAID0 из пары топовых винчестеров даже не в два, а в два с половиной раза. Комментарии излишни.
Итого
В общем и целом, картина понятная. Равно как понятно и то, почему тема RAID-массивов в персональных компьютерах практически сошла на нет. Во всяком случае, в их «винчестерной» ипостаси — с массивами из SSD некоторые энтузиасты продолжают баловаться, чему способствуют производители, реализовав, в частности, возможность создания RAID из NVMe-устройств. Да и в топовых ноутбуках нет-нет да и встречаются RAID0 из пары твердотельных накопителей — в основном, конечно, чтобы блистать в обзорах. На этом всё. В тех сферах, где технология RAID-массивов зарождалась, она по-прежнему является нужной и полезной, но в ПК ей делать особо нечего. С одной стороны, современные ОС способны и из одиночного винчестера «выжимать» все, на что он способен, так что улучшением части характеристик «подстегнуть» производительность не получится. С другой — доступными стали более быстрые накопители. В том числе, существенно более быстрые в тех сценариях, ради которых до сих пор имеет смысл использовать RAID-массивы с увеличением производительности (благодаря чередованию). А «настоящие» RAID (т. е. с избыточностью хранения данных) по-прежнему полезны, но в бюджетном исполнении силами программного обеспечения они могут заметно понизить производительность. Кроме того, RAID в любом случае не заменяет резервного копирования данных, так что начинать надо с него, а не наоборот.
Полный текст статьи читайте на iXBT
