据行业分析机构 Trendfocus发布的数据，2024年第一季度，全球机械硬盘（HDD）出货量达2970万块，环比增长3%，出货总容量达262EB，环比增长22%。面向企业存储的HDD出货量和出货容量双双增长，其中出货容量增幅高于出货量的增幅，这表明HDD依然是企业容量需求型场景的主流选择。
企业数据存储大致可分为性能需求型和容量需求型两大类场景，前者的典型代表是计算类应用，通常以512B、4K等小数据块的随机读写为主，关注点聚焦在IOPS性能；而容量需求型存储则重点考量64K、128K及以上数据块的顺序读写性能（即带宽，MB/s），典型应用场景包括关键业务数据备份、文件共享、日志存储等，使用HDD为AI应用存储海量训练数据也是企业的主流选择。
虽然SSD的顺序读写性能高于HDD，但对于企业用户来说，实际的使用需要结合各种综合因素，除性能外，还有稳定性、可靠性、投入成本等多种因素。所以企业依然青睐使用HDD来满足海量数据增长引发的存储容量需求。而HDD是如何满足企业应用所需的呢？
本文将基于东芝的MG10-D系列空气封装硬盘，从实际测试出发，分析HDD在企业存储市场的优势特点。
1基准测试：可预测的性能，简化企业存储复杂度
MG10-D系列是东芝最新发布的传统磁记录格式 (CMR) 空气硬盘产品家族，有SATA和SAS两种接口，容量从1TB到10TB。据东芝官网信息，MG10-D系列硬盘的性能和电源能效均有明显提升，同时还提供即时清理擦除（SIE）和自加密驱动器（SED）等数据安全功能。本次测试用的HDD为3.5英寸外形规格的SATA接口硬盘，容量8TB。
图1：用于本次测试的东芝MG10-D系列磁盘，容量8TB
图2：硬盘背面；
图3：硬盘接口为SATA 3.0规格，最大速率6Gb/s；
图4：主轴电机，带动内部盘片高速旋转（7200转/分钟），并“托”起磁头实现数据存取；
图5：主轴电机上方的通气孔，用以保持内外部气压平衡，旁边有英文提示“请勿遮挡”。
基准性能测试的目的是用于评估HDD自身所能发挥出的性能，即 “裸盘性能”。根据海量文件存储、数据备份、云归档等场景的数据存取特点，测试选择用64K、128K及以上尺寸的数据块，通过常用的硬盘基准性能测试工具Iometer下发顺序读写负载来评估HDD的带宽表现。图6为东芝MG10-D系列8TB硬盘在128K数据块下的顺序读写性能。
图6：东芝MG10-D系列8TB硬盘的128K顺序读写性能
本节测试使用单一线程对东芝MG10-D系列8TB硬盘下发读写负载，从测试结果可以看出，在单线程、1队列深度时，硬盘达到最大读写带宽，均在290MB/s左右，此时的平均响应时间仅为0.46ms。
此测试结果表明了以下多层含义：
1、 顺序读写性能均衡，不管是顺序读（绿色柱状）还是顺序写（橙色柱状），在不同队列深度下的吞吐率都近乎相似，保持在290MB/s左右；
2、 在队列深度为1时，硬盘已达到最大的读写带宽290MB/s，应用体验稳定流畅。
3、 在达到最大带宽后，随着负载（队列深度）的增加，吞吐率保持平稳，响应时间随负载的增加而增长，这表明即使在密集负载情况下，东芝MG10-D 8TB硬盘依然能够发挥出最大带宽性能，且保持平稳，具有很好的性能可预测性，以便企业存储系统能更好地匹配业务需求。
值得注意的是，东芝官网公布的MG10-D系列HDD的顺序读写带宽为268MiB/s，为二进制。而本测试中的290MB/s使用十进制，换算成二进制大约为278MiB/s。
图7：不同数据块大小的顺序读写性能（吞吐率与响应时间）
上图7是东芝MG10-D系列8TB硬盘在使用64K、128K、256K、512K、1024K等不同大小数据块下的顺序读写带宽和响应时间表现。其性能表现趋势与上一测试结果近乎相似，在1队列深度时可达到最大吞吐率，且随着负载的继续增加，吞吐率保持不变，响应时间随数据块大小而变化。
图8：东芝MG10-D系列8TB硬盘稳定性测试结果
上图8为128K数据块在持续读写下的响应时间散布，在1分钟持续的读写负载下发中，响应时间大多散布在0.4~0.5ms之间，只有极少数分散在0.5ms之外，但均未超过0.6ms，这从另一方面显示了东芝MG10-D系列硬盘的性能稳定性与可预测性。
从基准测试的结果数据来看，东芝MG10-D系列8TB硬盘仅需单线程单队列的情况下就能达到最大吞吐率，即使在密集读写负载情况下也能保持稳定的最大带宽性能，所具备的性能可预测性，有助于企业用户简化存储系统的优化与管理工作。
基准性能测试反映的是东芝8TB硬盘本身所能发挥的最大性能，并不代表其在实际应用中的性能表现。接下来进行的文件性能测试将展示东芝8TB硬盘的实际应用性能表现。
2如何让海量小文件存储更有效率？
文件存储是企业最常见的应用场景，典型如日志存储、文件共享、云数据备份与归档等，随着大数据分析技术的发展，海量文件存储也逐渐成为企业的典型应用场景，尤其是近几年掀起的又一轮AI狂潮，为AI模型训练所需的海量数据提供存储能力也是HDD的重要应用场景。
我们使用VDbench创建模拟企业实际数据环境，来测试东芝10-D系列8TB硬盘，评估在处理海量小文件场景下，硬盘的每秒文件读写数，每秒吞吐率，以及响应时间等多项表现。将东芝MG10-D系列8TB硬盘用作企业文件系统，并创建两层目录，每层10个目录，在第二层的所有目录中都创建2000个半/非结构化文件，总计20万个文件（即2000x10x10）。在不同的测试环节，VDbench会重新生成不同大小的20万个文件（如64K、128K、256K、512K、1024K），用以评估东芝MG10-D系列8TB硬盘在不同文件大小情况下的每秒文件读写数量和带宽吞吐。
图9展示的是64K、128K、256K及以上不同尺寸大小文件的顺序读取与写入性能：
图9：海量小文件的顺序读取/写入性能测试结果
从上图展示的测试结果来看，在64K和128K小文件测试中，MG10-D每秒可成功打开并传输的文件超1000个以上，随着文件尺寸的增大，每秒文件传输数开始下降，带宽则快速提升，在256K时达到最大带宽171MB/s；之后随着文件尺寸的增加，每秒文件传输数逐渐下降，带宽随之对应下降。
在文件顺序写入测试中（实际是重写），64K文件每秒可写入近950个，随着文件尺寸的增大，每秒写入数量逐步降低，写入带宽则随之提高。在1MB文件时达到最大带宽111MB/s。
在企业数据中心内，更多应用场景的数据传输特点是文件随机读写，图10展示的是不同尺寸大小文件的随机读取与写入性能测试结果：
图10：海量小文件随机读取/写入性能测试结果
图10测试结果显示，在20万小文件随机读取性能测试中，东芝MG10-D系列8TB硬盘在128K尺寸大小文件时，每秒成功打开并传输的文件数量最多，达到137个，对于HDD而言，这是一个极出色的性能成绩。随后，随着文件尺寸的增大，每秒打开数量降低，但带宽随之提高，在1MB尺寸文件时获得最大带宽38MB/s。
同理，在随机写入测试中，东芝MG10-D系列8TB硬盘在64K尺寸文件获得最大文件写入数量——每秒写入519个文件，随着测试文件尺寸的增大，每秒写入数量下降，但写入带宽逐渐上升，到1MB尺寸文件时获得最大带宽——97MB/s。
为何在文件性能测试中，随机写入性能远超随机读取性能？这是因为在测试中启用了硬盘写入缓存（Write Cache）。通常情况下，为了防止突然掉电导致缓存数据丢失，硬盘中的写入缓存大多处于关闭状态。而在本次测试中之所以打开写入缓存，这是因为东芝MG10-D系列硬盘中集成了持久写入缓存技术，即使突然掉电，该技术也能保证硬盘缓存中的数据安全。并且，该系列硬盘缓存都为512MB，更大容量意味着可以缓存更多数据，也意味着更好的性能。
以上两个测试结果显示，东芝MG10-D系列8TB硬盘对文件随机读取的加速效果低于随机写入，这是因为测试数据全部都是重新写入的新数据，没有调用到读缓存。而在文件随机写入测试中，下发的负载首先写入硬盘的写缓存（并经过排序），然后以类似顺序写入的方式写入硬盘，从测试结果来看，其加速效果非常明显，在64K文件大小时，每秒随机写入的文件数量约为顺序写入的55%，随着文件尺寸的增大，加速效果越发明显，在1MB文件大小时，随机写入带宽接近顺序写入带宽的90%（87%）。
在海量小文件存储系统中，存储的文件数量也会对文件读写性能带来影响（其他配置不变的情况下），此测试将评估128K尺寸文件大小下，不同文件数量对读写性能带来的影响，图11为测试结果：
图11：不同文件数量对存储性能的影响
在文件随机读取测试中，随着文件系统中文件数量的增加，每秒成功打开并传输的文件数量会随之下降，在超过10万个文件后，读取性能趋于平缓，响应时间也维持稳定。而在文件随机写入测试中，由于写入缓存的加速，虽然文件系统内文件数量显著增加，但每秒成功写入的文件数量依然平稳，响应时间也没有很大起伏，得益于缓存显著提升了企业文件系统的性能，尤其是写入性能。
上述结果均基于单机环境下对单块东芝MG10-D系列8TB硬盘进行测试获得，在企业实际环境中，存储系统通常有着数量多得多的硬盘。比如分布式存储，即使最小3节点也有多达36块硬盘，如果按上述测试数据推算，其能支持每秒最多3.6万个文件的并发访问。即使部署在传统双控阵列（12块硬盘）中，也能支持每秒最多近1.2万个文件的并发访问。更何况还有存储系统的内存/缓存加持，实现的系统综合实际性可高于上述数值。
本测试综合考虑HDD的性能后选择使用的是单机环境（i5-13600，14Core@2.7GHz，32G内存）进行测试，在测试中排除了系统内存、网络等因素的影响。在企业实际环境，如文件共享应用中，文件系统（NAS）缓存将会对文件读写性能带来利好，但不同的存储网络（GbE vs FC、10GbE vs 25GbE等）则会对测试结果带来较大影响，同时，客户端并发数量、读写负载混合比例等都会不同程度上影响文件系统性能。
3除了性能，硬盘还有其他优点
东芝MG10-D系列硬盘是东芝专为企业存储而研发改进的传统磁记录格式（CMR）硬盘家族，除了上述测试中所反映出的性能稳定性、可预测性外，为满足企业存储需求，东芝MG10-D系列硬盘还有着很多特点及可选择的附加功能，比如：
即时清理擦除（SIE）和自加密功能(SED)。很多企业，尤其是有着大规模数据中心的企业，因故障更换硬盘、报废硬盘后，如何处理被淘汰硬盘通常是一个难题，其上可能存放着企业敏感数据。而利用这两项安全功能，能帮助企业更好地处理数据安全风险。东芝MG10-D全容量系列硬盘均支持这两项功能。
持久写入缓存技术。可在保证最优写入性能（Write Cache启用）的基础上防范由于突然掉电导致缓存数据丢失的风险，帮助企业在保证数据安全的同时更好地应对突发业务波峰。
存储选择更灵活。东芝MG10-D系列硬盘不仅提供用于构建分布式存储的SATA接口硬盘，还提供满足企业存储阵列需求的SAS接口硬盘；企业还可根据业务所需灵活选择512e/4Kn或512n等不同扇区格式的硬盘，可无缝融入企业各种业务场景；1TB起步、最高10TB的容量规格也让企业拥有更灵活的选择。
图12：东芝MG10-D系列提供不同规格型号的硬盘，供企业按需求灵活选择
除上述特点以外，东芝MG10-D系列硬盘每年额定工作负载总传输率可达550TB；同时还具有很好的电源能效，在活跃待机模式下的功耗降至5.74W，相比上一代产品能耗节省方面也有很大提升。对于聚集了数万台服务器的企业数据中心，每一瓦的能耗节省都能为用户带来更好的成本管控制。
在很多企业数据中心的主流应用场景，HDD以其可预测的性能、更具性价比的投入、经验证的可靠性、更灵活的容量与接口选择，以及优异的兼容性等特点，能够更好地支撑企业业务的正常稳定运行。
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