以下文章來源于存儲隨筆，作者古貓先生

一、引言

前段時間，小編結合網友的提問，寫了一篇關于固態硬盤SSD斷電數據保存的文章（斷電的固態硬盤數據能放多久？），一經發布引起數碼圈的熱議，文章超過8萬+閱讀量，上百條留言討論。

小編發現，原來很多人都不知道固態硬盤SSD有斷電保存的風險。在這里再強調下在JEDEC存儲規范中，對固態硬盤SSD有斷電數據保持的時間要求：

消費級SSD要求在30度環境下斷電存放，數據至少保持1年

企業級SSD要求在40度環境下斷電存放，數據至少保持3個月

有同學看到這個信息，嚇得趕緊打開塵封已久的SSD，來了一波回憶殺。在這里小編再次建議：重要數據記得備份！重要數據記得備份！重要數據記得備份！

機械硬盤好像已經遠離大家視野，組裝電腦都是拼速度，選用固態硬盤，而且現在PCIe 4.0/5.0的速度更是讓大家享受著速度的激情！通過這個話題，又引起了大家對機械硬盤的關注。

在這個數字宇宙膨脹的時代，機械硬盤（HDD）這位老將雖然面對固態硬盤（SSD）新秀的風馳電掣，卻依舊笑而不語，穩坐釣魚臺。你可能會問：“在速度與激情并重的今天，慢條斯理的HDD憑什么還能占有一席之地？”

HDD以“海量不貴”的姿態傲視群雄，特別是當你需要備份整個銀河系的數據時（夸張了點，但你懂的），HDD的性價比讓你的錢包笑得比誰都燦爛。相比之下，SSD雖快，但價格就像火箭發射，讓人直呼“高攀不起”。機械硬盤的最大優勢之一在于其單位存儲成本相對較低。隨著技術的進步，單塊HDD的容量已經突破了20TB甚至更高，且每GB的成本遠低于同等容量的SSD。

其次，談到數據備份，HDD可是出了名的“耐得住寂寞”。它就像是個忠實的老管家，默默無聞地守護著你的陳年往事（數據），哪怕你多年后想找回那封塵封的情書，HDD依然能幫你從記憶深處挖出來。不像某些“閃存貴族”（SSD），一旦長時間斷電，數據可能就“閃”沒了。

HDD這位老兵，雖然動作慢，但在各種惡劣環境下都證明了自己的耐用性。機械硬盤通過磁記錄方式存儲數據，理論上具有更長的數據保存期限。對于需要長期歸檔的數據而言，HDD提供了更為可靠的存儲選項。如果設備遭遇不測，HDD相對更容易能找回丟失的寶藏。SSD雖然速度快，但在數據恢復方面，如果故障后想要找回數據，機會渺茫。

機械硬盤與固態硬盤的共存，就像老頑童與新潮少年的搭檔，各有千秋，相得益彰。在這個數據爆炸的年代，它們一個快如閃電，一個沉穩如山，共同守護著我們這個數字世界的點點滴滴，讓信息的海洋既波瀾壯闊，又井然有序。

二、機械硬盤HDD推薦

今天給大家推薦兩款東芝企業級16T HDD，分別是MG08 16T（MG08ACA16T) 和MG09 16T（MG09ACA16T），東芝MG08/MG09系列16TB硬盤通過采用充氦密封設計、成熟穩定的記錄技術、高轉速、高年寫入量等特性，在可靠性方面表現出色。

東芝的MG08系列采用了更為精準的雙讀頭(TDMR)技術，而MG09系列在此基礎上更引入了FC-MAMR（微波輔助磁記錄）技術。充氦密封設計減少了內部氣流摩擦，這意味著磁頭在讀寫過程中遇到的阻力更小，可以降低能耗并提高效率。充氦密封設計允許更密集的盤片布局，從而在不增加物理尺寸的情況下提高存儲容量。

本文我們就結合這兩款盤的參數配置，深入探討下HDD性能和穩定性的幾個關鍵因素！

1. 可靠性關鍵指標

首先，東芝MG系列是企業級HDD，可靠性相對個人客戶或監控盤都有很大的區別。跟可靠性相關的主要參數包括MTBF、UBER（也就是不可修復錯誤率）、年化工作負載。

(1) MTBF(Mean Time Between Failures，平均無故障時間)原理

MTBF是電子產品可靠性的一種基本參數，在規定的條件下和規定的時間內，產品的總運行時間與故障總次數之比。它通常用于評估產品的可靠性水平。

MTBF的原理基于概率統計的基礎，它假設產品的故障符合指數分布，即故障率是恒定的。評估MTBF時，通常在電子產品“浴盆曲線”中的平穩期，是指設備或系統發生兩次故障之間的平均時間，通常以小時為單位。

AFR（Annual Failure Rate，年化故障率）是指一年內設備故障的概率。它的計算公式為：AFR=總故障次數/總工作時間×100%。

將MTBF和AFR的計算公式結合起來，可以得到它們之間的換算關系：

AFR=24小時*365天*1/MTBF×100%

例如，如果一塊硬盤的MTBF為250萬小時，則它的AFR為：

AFR=24 x 365 x 1/(250萬小時) x 100%≈0.35%，表示每10000塊硬盤同時7x24小時連續工作平均每年故障35塊。

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

如果文件損壞，常見可能是發生了Media Error，這就得先了解下UBER的定義。UBER是指硬盤在應用了所有特定的錯誤糾正機制后依然無法修復的每比特讀取的數據錯誤數量占總讀取數量的比例。

UBER是表征數據讀取過程數據出錯的概率，企業級HDD UBER行業標準是1E-15，也就是說，HDD每讀取114TB的數據有可能發生一個bit的錯誤。在可靠性評估過程中，我們還會使用一個9's量級的參數來體現耐久性，比如HDD的UBER是1e-15，也就是在讀取10^15bit中，有一個錯誤。以4K扇區硬盤為例，換算出10^15bits/（4096bytes*8bits/byte）=3.05E+10, 我們就稱這個是10個9的耐久性

所以，由于硬件本身的特性，硬盤雖可靠性頗高，但是不可避免完全不出現錯誤，再次提醒大家，重要數據要記得數據備份。

當然，Media Error在企業級和消費級使用場景都是非常常見的故障模式，硬盤會有大量預留的空間用于壞塊替換，此時硬件本身并未出現嚴重損傷，也不必看到壞塊出現恐慌，類似于硬盤“偶感風寒的小感冒”。

企業級分布式存儲，通常采用多副本備份機制，確保數據在多個位置存儲，從而提高數據的可靠性和容錯能力。定期進行數據的一致性校驗，通過checksum校驗等方法檢測數據的完整性，并及時修復發現的問題。

此外，另外一種方式，是使用RAID卡等硬件設備，利用RAID技術提供數據冗余，當單個硬盤出現media error時，可以通過RAID的校驗信息進行數據恢復。

(3) 工作負載率限制 (WRL)

工作負載率限制 (Workload Rate Limit, WRL) 是一種衡量硬盤工作強度的方法，它可以幫助判斷硬盤的工作負載是否在其設計參數范圍內。如果工作負載符合設計預期，則硬盤的年度失效率 (AFR) 可以保持穩定；反之，如果超出預期，則硬盤的故障概率會增加。

不同類型的硬盤具有不同的WRL值：

企業級硬盤：通常設計承受每年300TB至550TB的工作負載。

特殊用途硬盤（如NAS、歸檔、視頻和監控系列）：每年的設計工作負載為180TB。

客戶端硬盤（桌面和筆記本電腦硬盤）：每年的工作負載限制為55TB。

無論是在使用的第一個月內達到WRL還是在一年內逐步達到，只要不超過WRL，硬盤的故障率就不會加速增長。當實際的年化工作負載超過硬盤的WRL時，硬盤的可靠性會下降，故障率也會大幅提升。

在評估硬盤可靠性時，還需考慮環境條件的影響：

如果存儲設備溫度過高，即使在WRL范圍內運行，其故障率也會比符合制造商規格的設備更高。

在振動較大的環境中使用硬盤（例如，在高度活躍的機箱內）也會影響硬盤的性能和可靠性。

講完前面的原理分析，大家再來看看MG09與視頻監控盤的可靠性對比數據：

MTTF：企業級MG09是250萬小時，監控級別盤是100萬小時，企業級是監控級別盤的2.5倍

UBER：企業級MG09是1*10^-15, 監控級別盤是1*10^-14，相差一個數量級。

年化工作負載：企業級MG09是550TB/年，監控級別盤是180TB/年。

MG08/MG09可靠性數據：

傳統視頻監控使用盤的可靠性數據：

從可靠性角度來看， MG08/MG09 16TB HDD作為是作為數據備份很不錯的一個選擇，因為是企業級標準，比普通的HDD可靠性要高很多。

2. 性能關鍵指標

談到HDD，性能這塊是不能跟SSD相比了，也不是HDD擅長的點。我們這個部分，重點是測試基本性能跟官網SPEC相比，并討論測試性能過程中要關注的幾個方面：

(1) 基本性能

首先，看下官方宣稱數據：

MG08 16T：write buffer寫緩存 512MiB，順序最大的性能262MiB/s。

MG09 16T：write buffer寫緩存同樣是512MiB，順序最大的性能268MiB/s。

針對基本性能測試（512e，FIO測試配置：QD=16，Write Cache寫緩存關閉）發現：

128K順序讀寫：相比MG08，MG09順序讀寫性能均有小幅度的提升

4K隨機讀寫：相比MG08，MG09隨機讀差異不大，隨機寫部分性能提升很大

(2) Write Cache寫緩存影響

寫緩存（Write Cache）是一種用于提高硬盤寫入性能的技術。它的工作原理是將要寫入硬盤的數據暫時存儲在一個高速緩存中，而不是立即寫入到硬盤的磁盤表面。數據在緩存中可以得到重新排序，以更順序的方式寫入到磁盤表面，這樣做的好處是可以顯著減少硬盤磁頭移動次數，加快數據處理速度。同時一定程度上也可利用硬盤空閑時間來完成寫緩存中的數據寫入磁盤的動作，以便更快的響應主機的其它指令。

Write Cache打開狀態：

當寫緩存打開時，數據首先被寫入到緩存中，隨后再異步地寫入到磁盤。這種方法大大提高了寫入性能，因為緩存的速度遠高于磁盤寫入的速度。

缺點是如果在數據完全寫入磁盤之前發生電源故障，可能會導致數據丟失。

Write Cache關閉狀態：

在寫緩存關閉的情況下，每次寫入請求都會直接寫入磁盤，這保證了數據的安全性，因為即使發生電源故障，數據也不會丟失。

缺點是寫入性能較低，尤其是對于頻繁的小文件寫入操作，每次寫入都需要等待磁頭移動到位，增加了延遲時間。

不過，東芝HDD有個優勢就是，盤內部采用了Persistent Write Cache Technology（持久寫緩存技術），在寫緩存關閉的情況下也可最大限度的實現和寫緩存打開狀態下相當的寫入性能。

通常，在測試過程中，Write Cache寫緩存的打開或者關閉，對HDD隨機寫性能產生較大影響，如下實際測試對比分析發現，東芝這兩個盤MG08/MG09 Write Cache寫緩存的打開或者關閉，對隨機寫影響很小，說明東芝在這部分有相應的優化，最大限度抹平了關閉寫緩存對性能的影響。

(3) 測試范圍對讀寫性能的影響

在使用FIO測試過程，通常有一項關于測試范圍（--size）的設置，比如這個以下fio測試中size設置10G，也就是代表在10G范圍進行隨機讀。

[global]
ioengine=libaio    # 使用異步 I/O 引擎
direct=1           # 直接 I/O，繞過操作系統緩存
numjobs=1          # 并發任務數量
iodepth=16         # I/O 深度
runtime=300        # 測試運行時間（秒）
time_based         # 基于時間的測試
randrepeat=0       # 不重復隨機種子
bs=4k#數據塊大小
rw=randread        # 隨機讀操作
size=10G           # 文件大小
filename=/mnt/testfile # 測試文件路徑
group_reporting    # 以組的形式報告結果
name=random_read   # fio測試名稱

在HDD性能測試中，這個測試范圍對性能也有很大的性能影響，需要重點關注。根據實際測試對比數據如下：

4K隨機寫（WCD寫緩存關閉）：測試范圍影響差異不是很大

4K隨機讀：測試范圍影響非常明顯，比如MG09全盤隨機讀IOPS=170，在10%范圍的隨機讀IOPS可以達到306，性能測試超過80%。

這個影響的原理是HDD尋道時間的影響。HDD 尋道時間，即磁頭移動到正確磁道所需的時間。

在全盤范圍內進行隨機讀寫時，磁頭需要頻繁地從磁盤的一端移動到另一端，這會導致較高的尋道時間。

相比之下，當只測試硬盤的10%時，磁頭的移動范圍大大減小，這減少了尋道時間。

(4)4K測試對齊的性能影響

當前市面主流的硬盤格式為512e, 即硬盤的邏輯扇區大小為512字節，但物理扇區大小為4k字節，如果文件系統或分區未進行4K對齊，則每次讀寫操作可能跨越多個物理扇區，導致不必要的額外讀寫操作，降低了效率。4K對齊可以減少硬盤尋道時間和等待時間，從而改善整體響應時間，使系統啟動和應用程序運行更快。

如下實際測試數據分析對比數據顯示：

隨機寫：對于MG08/MG09兩款盤，影響基本差不多。非4K對齊時，隨機寫性能影響非常大，比如MG09，4K對齊時，4K隨機寫IOPS=473，非4K對齊場景，4K隨機寫IOPS只有258，基本跌了45%

隨機讀：從MG08/MG09兩款盤測試來看，非4K對齊對隨機讀基本沒有太大影響

綜上所述，無論是從可靠性還是性能的角度來看，MG08和MG09系列硬盤都是值得信賴的選擇。