HDD性能x2沒那麼簡單：雙磁頭臂硬碟測試分析
截至週末，我看到今年OCP全球峯會的pdf資料又更新了一部分，這次我網盤分享第二部分共47個文檔：
2019 OCP Global Summit – Part2 演講資料網盤打包下載
鏈接：https://pan.baidu.com/s/1c0M6bcpItvlww7tL3nQYaw
提取碼：fkb2
註：大家也可以點擊本文底部「閱讀原文」轉至下載頁面。
結合上次分享的《2019 OCP Global Summit會議資料下載 - Part 1》，解壓縮後兩部分目錄可以直接合併。
下面接著聊一個比較「久」的話題——20年前我剛工作時就和硬碟打交道。四年前的OCP 2015期間我還專門整理出過2份中文ppt資料：
《OCP開源硬體1：IP硬碟&存儲密度》
《OCP開源硬體2：SMR硬碟技術路線之爭》
同時給大家推薦我寫的另外2篇：
《這些硬碟參數你都懂嗎？（上）-從案例引發的討論》
《這些硬碟參數你都懂嗎？（下）-監控選型與系統設計》
今天要寫的是微軟在OCP上的一個技術分享《HDD IOPS – The Never Ending Story》，具體點說是關於即將正式發布的雙磁頭臂HDD機械硬碟（Multi Actuator Drivers）。
雙磁頭臂提速原理：單盤2個LUN獨立工作
如上圖，希捷和WD都準備了這種產品，其硬體結構上也比較類似。現有的硬碟是每個碟片正反面2個讀寫磁頭，如果8碟HDD一共就是16個磁頭。以此為例換成雙磁頭臂設計，上面4個碟片的磁頭就會由磁頭臂1來帶動，而磁頭臂2則負責下面4個碟片的8個磁頭。見下圖：
如果上下兩部分獨立並行工作的話，不難理解雙磁頭臂HDD的理論性能接近於翻倍。但是沒有免費的午餐，增加一個磁頭臂需要多一個電機，帶來功耗和成本的上升；同時對（機箱）機械結構設計也有挑戰，這一點我會放在後面說。
自從有了SSD之後，高轉速（10k、15k）硬碟的日子越來越不好過，因為它們以前的高IOPS低延時優勢在快閃記憶體面前幾乎變得一文不值。未來的HDD市場主流都是7200轉乃至5x00轉的天下，但隨著單盤容量增大平均每TB的IOPS性能越來越低，所以只能用於NL近線存儲，比如：照片/視頻、數據分析（如Hadoop）、機器學習等，以及冷數據歸檔。
上圖中有一條「Dual Actuator」的曲線，不知為什麼在14TB的標點上IOPS提升看來沒有一倍？我們還是以下文中的具體測試數據為準吧。
我覺得這張原理圖相當清晰：每個磁頭臂負責的一半碟片擁有各自的通道和伺服系統，雖然它們都經過硬碟的Cache緩存和單一SAS lane與主機通信，但是會分別映射出2個LUN。如果我沒理解錯的話，系統會看到「2塊獨立的硬碟」，這樣做看似有點粗暴，卻是提升性能最簡單有效的辦法。
思考題：假設在普通的伺服器/工作站上使用雙磁頭臂硬碟，應該建議怎樣配置呢？當然很可能你需要連接在SAS RAID或HBA卡上。
早期性能測試結果：隨機寫略低、順序寫QD1掉速？
點開圖片後雙擊可放大，以下同。橫坐標依次為4KB（1-64隊列深度）、8KB…4MB、8MB，我記得SATA規範隊列深度是32，這裡用SAS介面就比較有必要了。
上面引用自希捷MACH.2的早期測試結果，可以看出雙磁頭臂硬碟2個LUN的隨機讀性能可以同時達到最大，這樣總IOPS就從最大200翻倍達到最大400左右。
雙磁頭臂HDD的隨機寫似乎要慢一些，每個LUN最高IOPS都在150多。相比之下，傳統單磁頭臂硬碟的寫IOPS也會比讀慢一點。
順序讀性能也相當理想，LUN0和LUN1各自都有超過250MB/s，加在一起就是500MB/s了，理論上6Gb/s SATA也夠，但用SAS（12Gb/s）的理由我剛說過。
雙磁頭臂HDD的順序寫最大帶寬與順序讀相仿，但低隊列深度（主要是QD=1）的表現看來比較差。不知正式上市後是否還會如此？
系統設計要點、怎樣用效果好？
我們來看看系統設計要點。
- 首先，由於雙磁頭臂硬碟功耗變大，對機箱的散熱和供電需求提高了；
- 其次，每塊盤可以提供更高的順序流（帶寬），存儲平臺的網路介面速度匹配嗎？SAS Expander的上行帶寬夠不夠？
- 微軟Project Olympus項目中的J2010磁碟櫃，已經驗證過支持這些新的高性能硬碟。
上圖中的AV是Anti-Vibration的縮寫吧？
Olympus J2010是一款4U 88盤（3.5英寸）JBOD機箱，它的每塊硬碟供電最多支持13W。微軟表示將會面對雙磁頭臂硬碟測試確認RV/AV性能。這裡的RV應該是指旋轉振動，除了本文開頭推薦的鏈接中有介紹之外，我還在《硬碟在真實環境中的抗振能力對比》專門討論過這個主題。
擴展閱讀：《Facebook如何將硬碟性能損失由90%降低到2%》
最後，演講者指出多磁頭臂硬碟單獨不能作為解決方案，也就是說要配合存儲系統的設計，這樣基本上侷限在企業級/數據中心應用了。微軟還表示仍然需要降低長尾延時，並需要與硬碟廠商在IO優先順序方面配合工作。
回到我上文中提出的思考題，我腦子裡最簡單的使用方式：
- 比如我有一塊多磁頭臂硬碟，2個LUN直接做個RAID 0如何？
- 比如我有多塊多磁頭臂硬碟，將每個HDD的LUN 0做一組RAID，餘下的LUN 1做另一組RAID，或者再跨越2個LUN整個RAID10/50/60啥的？需要考慮的問題是，如果只有某塊盤的1個LUN故障，替換硬碟Rebuild重建時，2個LUN只能一起動吧。
- 多副本、EC糾刪碼的情況以此類推...
最後希望我寫的對大家有幫助。還有些待將來確定的東西，總要不斷跟著業界發展學習，這就是技術有意思的地方吧：）
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