东芝企业级MG09 16TB HDD的参数配置

以下文章来源于存储随笔，作者古猫先生

一、引言

前段时间，小编结合网友的提问，写了一篇关于固态硬盘SSD断电数据保存的文章（断电的固态硬盘数据能放多久？），一经发布引起数码圈的热议，文章超过8万+阅读量，上百条留言讨论。

小编发现，原来很多人都不知道固态硬盘SSD有断电保存的风险。在这里再强调下在JEDEC存储规范中，对固态硬盘SSD有断电数据保持的时间要求：

消费级SSD要求在30度环境下断电存放，数据至少保持1年

企业级SSD要求在40度环境下断电存放，数据至少保持3个月

有同学看到这个信息，吓得赶紧打开尘封已久的SSD，来了一波回忆杀。在这里小编再次建议：重要数据记得备份！重要数据记得备份！重要数据记得备份！

机械硬盘好像已经远离大家视野，组装电脑都是拼速度，选用固态硬盘，而且现在PCIe 4.0/5.0的速度更是让大家享受着速度的激情！通过这个话题，又引起了大家对机械硬盘的关注。

在这个数字宇宙膨胀的时代，机械硬盘（HDD）这位老将虽然面对固态硬盘（SSD）新秀的风驰电掣，却依旧笑而不语，稳坐钓鱼台。你可能会问：“在速度与激情并重的今天，慢条斯理的HDD凭什么还能占有一席之地？”

HDD以“海量不贵”的姿态傲视群雄，特别是当你需要备份整个银河系的数据时（夸张了点，但你懂的），HDD的性价比让你的钱包笑得比谁都灿烂。相比之下，SSD虽快，但价格就像火箭发射，让人直呼“高攀不起”。机械硬盘的最大优势之一在于其单位存储成本相对较低。随着技术的进步，单块HDD的容量已经突破了20TB甚至更高，且每GB的成本远低于同等容量的SSD。

其次，谈到数据备份，HDD可是出了名的“耐得住寂寞”。它就像是个忠实的老管家，默默无闻地守护着你的陈年往事（数据），哪怕你多年后想找回那封尘封的情书，HDD依然能帮你从记忆深处挖出来。不像某些“闪存贵族”（SSD），一旦长时间断电，数据可能就“闪”没了。

HDD这位老兵，虽然动作慢，但在各种恶劣环境下都证明了自己的耐用性。机械硬盘通过磁记录方式存储数据，理论上具有更长的数据保存期限。对于需要长期归档的数据而言，HDD提供了更为可靠的存储选项。如果设备遭遇不测，HDD相对更容易能找回丢失的宝藏。SSD虽然速度快，但在数据恢复方面，如果故障后想要找回数据，机会渺茫。

机械硬盘与固态硬盘的共存，就像老顽童与新潮少年的搭档，各有千秋，相得益彰。在这个数据爆炸的年代，它们一个快如闪电，一个沉稳如山，共同守护着我们这个数字世界的点点滴滴，让信息的海洋既波澜壮阔，又井然有序。

二、机械硬盘HDD推荐

今天给大家推荐两款东芝企业级16T HDD，分别是MG08 16T（MG08ACA16T) 和MG09 16T（MG09ACA16T），东芝MG08/MG09系列16TB硬盘通过采用充氦密封设计、成熟稳定的记录技术、高转速、高年写入量等特性，在可靠性方面表现出色。

东芝的MG08系列采用了更为精准的双读头(TDMR)技术，而MG09系列在此基础上更引入了FC-MAMR（微波辅助磁记录）技术。充氦密封设计减少了内部气流摩擦，这意味着磁头在读写过程中遇到的阻力更小，可以降低能耗并提高效率。充氦密封设计允许更密集的盘片布局，从而在不增加物理尺寸的情况下提高存储容量。

本文我们就结合这两款盘的参数配置，深入探讨下HDD性能和稳定性的几个关键因素！

1. 可靠性关键指标

首先，东芝MG系列是企业级HDD，可靠性相对个人客户或监控盘都有很大的区别。跟可靠性相关的主要参数包括MTBF、UBER（也就是不可修复错误率）、年化工作负载。

(1) MTBF(Mean Time Between Failures，平均无故障时间)原理

MTBF是电子产品可靠性的一种基本参数，在规定的条件下和规定的时间内，产品的总运行时间与故障总次数之比。它通常用于评估产品的可靠性水平。

MTBF的原理基于概率统计的基础，它假设产品的故障符合指数分布，即故障率是恒定的。评估MTBF时，通常在电子产品“浴盆曲线”中的平稳期，是指设备或系统发生两次故障之间的平均时间，通常以小时为单位。

AFR（Annual Failure Rate，年化故障率）是指一年内设备故障的概率。它的计算公式为：AFR=总故障次数/总工作时间×100%。

将MTBF和AFR的计算公式结合起来，可以得到它们之间的换算关系：

AFR=24小时*365天*1/MTBF×100%

例如，如果一块硬盘的MTBF为250万小时，则它的AFR为：

AFR=24 x 365 x 1/(250万小时) x 100%≈0.35%，表示每10000块硬盘同时7x24小时连续工作平均每年故障35块。

(2) UBER（Uncorrectable/UnrecoverableBit Error Rate）概念

如果文件损坏，常见可能是发生了Media Error，这就得先了解下UBER的定义。UBER是指硬盘在应用了所有特定的错误纠正机制后依然无法修复的每比特读取的数据错误数量占总读取数量的比例。

UBER是表征数据读取过程数据出错的概率，企业级HDD UBER行业标准是1E-15，也就是说，HDD每读取114TB的数据有可能发生一个bit的错误。在可靠性评估过程中，我们还会使用一个9's量级的参数来体现耐久性，比如HDD的UBER是1e-15，也就是在读取10^15bit中，有一个错误。以4K扇区硬盘为例，换算出10^15bits/（4096bytes*8bits/byte）=3.05E+10, 我们就称这个是10个9的耐久性

所以，由于硬件本身的特性，硬盘虽可靠性颇高，但是不可避免完全不出现错误，再次提醒大家，重要数据要记得数据备份。

当然，Media Error在企业级和消费级使用场景都是非常常见的故障模式，硬盘会有大量预留的空间用于坏块替换，此时硬件本身并未出现严重损伤，也不必看到坏块出现恐慌，类似于硬盘“偶感风寒的小感冒”。

企业级分布式存储，通常采用多副本备份机制，确保数据在多个位置存储，从而提高数据的可靠性和容错能力。定期进行数据的一致性校验，通过checksum校验等方法检测数据的完整性，并及时修复发现的问题。

此外，另外一种方式，是使用RAID卡等硬件设备，利用RAID技术提供数据冗余，当单个硬盘出现media error时，可以通过RAID的校验信息进行数据恢复。

(3) 工作负载率限制 (WRL)

工作负载率限制 (Workload Rate Limit, WRL) 是一种衡量硬盘工作强度的方法，它可以帮助判断硬盘的工作负载是否在其设计参数范围内。如果工作负载符合设计预期，则硬盘的年度失效率 (AFR) 可以保持稳定；反之，如果超出预期，则硬盘的故障概率会增加。

不同类型的硬盘具有不同的WRL值：

企业级硬盘：通常设计承受每年300TB至550TB的工作负载。

特殊用途硬盘（如NAS、归档、视频和监控系列）：每年的设计工作负载为180TB。

客户端硬盘（桌面和笔记本电脑硬盘）：每年的工作负载限制为55TB。

无论是在使用的第一个月内达到WRL还是在一年内逐步达到，只要不超过WRL，硬盘的故障率就不会加速增长。当实际的年化工作负载超过硬盘的WRL时，硬盘的可靠性会下降，故障率也会大幅提升。

在评估硬盘可靠性时，还需考虑环境条件的影响：

如果存储设备温度过高，即使在WRL范围内运行，其故障率也会比符合制造商规格的设备更高。

在振动较大的环境中使用硬盘（例如，在高度活跃的机箱内）也会影响硬盘的性能和可靠性。

讲完前面的原理分析，大家再来看看MG09与视频监控盘的可靠性对比数据：

MTTF：企业级MG09是250万小时，监控级别盘是100万小时，企业级是监控级别盘的2.5倍

UBER：企业级MG09是1*10^-15, 监控级别盘是1*10^-14，相差一个数量级。

年化工作负载：企业级MG09是550TB/年，监控级别盘是180TB/年。

MG08/MG09可靠性数据：

传统视频监控使用盘的可靠性数据：

从可靠性角度来看， MG08/MG09 16TB HDD作为是作为数据备份很不错的一个选择，因为是企业级标准，比普通的HDD可靠性要高很多。

2. 性能关键指标

谈到HDD，性能这块是不能跟SSD相比了，也不是HDD擅长的点。我们这个部分，重点是测试基本性能跟官网SPEC相比，并讨论测试性能过程中要关注的几个方面：

(1) 基本性能

首先，看下官方宣称数据：

MG08 16T：write buffer写缓存 512MiB，顺序最大的性能262MiB/s。

MG09 16T：write buffer写缓存同样是512MiB，顺序最大的性能268MiB/s。

针对基本性能测试（512e，FIO测试配置：QD=16，Write Cache写缓存关闭）发现：

128K顺序读写：相比MG08，MG09顺序读写性能均有小幅度的提升

4K随机读写：相比MG08，MG09随机读差异不大，随机写部分性能提升很大

(2) Write Cache写缓存影响

写缓存（Write Cache）是一种用于提高硬盘写入性能的技术。它的工作原理是将要写入硬盘的数据暂时存储在一个高速缓存中，而不是立即写入到硬盘的磁盘表面。数据在缓存中可以得到重新排序，以更顺序的方式写入到磁盘表面，这样做的好处是可以显著减少硬盘磁头移动次数，加快数据处理速度。同时一定程度上也可利用硬盘空闲时间来完成写缓存中的数据写入磁盘的动作，以便更快的响应主机的其它指令。

Write Cache打开状态：

当写缓存打开时，数据首先被写入到缓存中，随后再异步地写入到磁盘。这种方法大大提高了写入性能，因为缓存的速度远高于磁盘写入的速度。

缺点是如果在数据完全写入磁盘之前发生电源故障，可能会导致数据丢失。

Write Cache关闭状态：

在写缓存关闭的情况下，每次写入请求都会直接写入磁盘，这保证了数据的安全性，因为即使发生电源故障，数据也不会丢失。

缺点是写入性能较低，尤其是对于频繁的小文件写入操作，每次写入都需要等待磁头移动到位，增加了延迟时间。

不过，东芝HDD有个优势就是，盘内部采用了Persistent Write Cache Technology（持久写缓存技术），在写缓存关闭的情况下也可最大限度的实现和写缓存打开状态下相当的写入性能。

通常，在测试过程中，Write Cache写缓存的打开或者关闭，对HDD随机写性能产生较大影响，如下实际测试对比分析发现，东芝这两个盘MG08/MG09 Write Cache写缓存的打开或者关闭，对随机写影响很小，说明东芝在这部分有相应的优化，最大限度抹平了关闭写缓存对性能的影响。

(3) 测试范围对读写性能的影响

在使用FIO测试过程，通常有一项关于测试范围（--size）的设置，比如这个以下fio测试中size设置10G，也就是代表在10G范围进行随机读。

[global]
ioengine=libaio    # 使用异步 I/O 引擎
direct=1           # 直接 I/O，绕过操作系统缓存
numjobs=1          # 并发任务数量
iodepth=16         # I/O 深度
runtime=300        # 测试运行时间（秒）
time_based         # 基于时间的测试
randrepeat=0       # 不重复随机种子
bs=4k#数据块大小
rw=randread        # 随机读操作
size=10G           # 文件大小
filename=/mnt/testfile # 测试文件路径
group_reporting    # 以组的形式报告结果
name=random_read   # fio测试名称

在HDD性能测试中，这个测试范围对性能也有很大的性能影响，需要重点关注。根据实际测试对比数据如下：

4K随机写（WCD写缓存关闭）：测试范围影响差异不是很大

4K随机读：测试范围影响非常明显，比如MG09全盘随机读IOPS=170，在10%范围的随机读IOPS可以达到306，性能测试超过80%。

这个影响的原理是HDD寻道时间的影响。HDD 寻道时间，即磁头移动到正确磁道所需的时间。

在全盘范围内进行随机读写时，磁头需要频繁地从磁盘的一端移动到另一端，这会导致较高的寻道时间。

相比之下，当只测试硬盘的10%时，磁头的移动范围大大减小，这减少了寻道时间。

(4)4K测试对齐的性能影响

当前市面主流的硬盘格式为512e, 即硬盘的逻辑扇区大小为512字节，但物理扇区大小为4k字节，如果文件系统或分区未进行4K对齐，则每次读写操作可能跨越多个物理扇区，导致不必要的额外读写操作，降低了效率。4K对齐可以减少硬盘寻道时间和等待时间，从而改善整体响应时间，使系统启动和应用程序运行更快。

如下实际测试数据分析对比数据显示：

随机写：对于MG08/MG09两款盘，影响基本差不多。非4K对齐时，随机写性能影响非常大，比如MG09，4K对齐时，4K随机写IOPS=473，非4K对齐场景，4K随机写IOPS只有258，基本跌了45%

随机读：从MG08/MG09两款盘测试来看，非4K对齐对随机读基本没有太大影响

综上所述，无论是从可靠性还是性能的角度来看，MG08和MG09系列硬盘都是值得信赖的选择。