Un mayor rendimiento en las unidades de disco duro proviene de dispositivos que tienen mejores características de rendimiento. [1] [2] Estas características de rendimiento se pueden agrupar en dos categorías: tiempo de acceso y tiempo (o velocidad) de transferencia de datos. [3]
El tiempo de acceso o tiempo de respuesta de una unidad giratoria es una medida del tiempo que tarda la unidad en poder transferir datos . Los factores que controlan este tiempo en un accionamiento giratorio están relacionados principalmente con la naturaleza mecánica de los discos giratorios y los cabezales móviles . Se compone de algunos elementos medibles de forma independiente que se suman para obtener un valor único al evaluar el rendimiento de un dispositivo de almacenamiento. El tiempo de acceso puede variar significativamente, por lo que normalmente lo proporcionan los fabricantes o se mide en puntos de referencia como promedio. [3] [4]
Los componentes clave que normalmente se suman para obtener el tiempo de acceso son: [2] [5]
Con unidades giratorias, el tiempo de búsqueda mide el tiempo que le toma al conjunto del cabezal en el brazo actuador viajar hasta la pista del disco donde se leerán o escribirán los datos. [5] Los datos en los medios se almacenan en sectores que están dispuestos en pistas circulares paralelas ( concéntricas o en espiral según el tipo de dispositivo ) y hay un actuador con un brazo que suspende un cabezal que puede transferir datos con ese medio. Cuando la unidad necesita leer o escribir un determinado sector, determina en qué pista se encuentra el sector. [6] Luego utiliza el actuador para mover el cabezal a esa pista en particular. Si la ubicación inicial del cabezal fuera la pista deseada, entonces el tiempo de búsqueda sería cero. Si la pista inicial era el borde más externo del medio y la pista deseada estaba en el borde más interno, entonces el tiempo de búsqueda sería el máximo para esa unidad. [7] [8] Los tiempos de búsqueda no son lineales en comparación con la distancia de búsqueda recorrida debido a factores de aceleración y desaceleración del brazo del actuador. [9]
El tiempo de búsqueda promedio de una unidad giratoria es el promedio de todos los tiempos de búsqueda posibles, que técnicamente es el tiempo para realizar todas las búsquedas posibles dividido por el número de todas las búsquedas posibles, pero en la práctica se determina mediante métodos estadísticos o simplemente se aproxima como el tiempo de un buscar más de un tercio del número de pistas. [5] [7] [10]
El primer HDD [11] tenía un tiempo de búsqueda promedio de aproximadamente 600 ms. [12] y a mediados de la década de 1970, los HDD estaban disponibles con tiempos de búsqueda de aproximadamente 25 ms. [13] Algunas de las primeras unidades de PC usaban un motor paso a paso para mover los cabezales y, como resultado, tenían tiempos de búsqueda tan lentos como 80 a 120 ms, pero esto se mejoró rápidamente con la actuación del tipo de bobina móvil en la década de 1980, reduciendo los tiempos de búsqueda a aproximadamente 20 ms. El tiempo de búsqueda ha seguido mejorando lentamente con el tiempo.
Las unidades de servidor de gama alta más rápidas de la actualidad tienen un tiempo de búsqueda de alrededor de 4 ms . [14] Algunos dispositivos móviles tienen unidades de 15 ms, siendo las unidades móviles más comunes de aproximadamente 12 ms [15] y las unidades de escritorio más comunes que suelen tener alrededor de 9 ms.
Otras dos mediciones de búsqueda a las que se hace referencia con menos frecuencia son pista a pista y carrera completa . La medición vía a vía es el tiempo necesario para pasar de una vía a una vía adyacente. [5] Este es el tiempo de búsqueda más corto (más rápido) posible. En los discos duros, esto suele estar entre 0,2 y 0,8 ms. [16] La medición de la carrera completa es el tiempo necesario para pasar de la pista más exterior a la pista más interior. Este es el tiempo de búsqueda más largo (más lento) posible. [7]
Carreras cortas es un término utilizado en entornos de almacenamiento empresarial para describir una unidad de disco duro cuya capacidad total está restringida deliberadamente para que el actuador solo tenga que mover los cabezales a través de un número menor de pistas totales. [17] Esto limita la distancia máxima a la que pueden estar los cabezales desde cualquier punto de la unidad, reduciendo así su tiempo de búsqueda promedio, pero también restringe la capacidad total de la unidad. Este tiempo de búsqueda reducido permite que el disco duro aumente la cantidad de IOPS disponibles en la unidad. El costo y la energía por byte utilizable de almacenamiento aumentan a medida que se reduce el rango máximo de seguimiento. [18] [19]
Medido en dBA , el ruido audible es significativo para ciertas aplicaciones, como DVR , grabación de audio digital y computadoras silenciosas . Los discos de bajo ruido suelen utilizar cojinetes fluidos , velocidades de rotación más bajas (generalmente 5400 rpm) y reducen la velocidad de búsqueda bajo carga ( AAM ) para reducir los clics audibles y los crujidos. Las unidades de formato más pequeño (por ejemplo, 2,5 pulgadas) suelen ser más silenciosas que las unidades más grandes. [20]
Algunas unidades de disco de escritorio y portátiles permiten al usuario hacer un equilibrio entre el rendimiento de búsqueda y el ruido de la unidad. Por ejemplo, Seagate ofrece un conjunto de características en algunas unidades llamado Sound Barrier Technology que incluye alguna capacidad de reducción de ruido y vibración controlada por el usuario o el sistema. Los tiempos de búsqueda más cortos generalmente requieren un mayor uso de energía para mover rápidamente los cabezales a través del plato, lo que provoca ruidos fuertes en el cojinete de pivote y mayores vibraciones del dispositivo a medida que los cabezales se aceleran rápidamente durante el inicio del movimiento de búsqueda y se desaceleran al final del movimiento de búsqueda. . El funcionamiento silencioso reduce la velocidad de movimiento y las tasas de aceleración, pero a costa de un rendimiento de búsqueda reducido. [21]
La latencia rotacional (a veces llamada retraso rotacional o simplemente latencia ) es el retraso que espera que la rotación del disco coloque el sector del disco requerido debajo del cabezal de lectura y escritura. [22] Depende de la velocidad de rotación de un disco (o motor de husillo ), medida en revoluciones por minuto (RPM). [5] [23] Para la mayoría de las unidades basadas en medios magnéticos, la latencia rotacional promedio generalmente se basa en la relación empírica de que la latencia promedio en milisegundos para dicha unidad es la mitad del período de rotación. La latencia rotacional máxima es el tiempo que lleva realizar una rotación completa excluyendo cualquier tiempo de giro (ya que es posible que la parte relevante del disco haya pasado por la cabeza cuando llegó la solicitud). [24]
Por lo tanto, la latencia rotacional y el tiempo de acceso resultante se pueden mejorar (disminuir) aumentando la velocidad de rotación de los discos. [5] Esto también tiene el beneficio de mejorar (aumentar) el rendimiento (que se analiza más adelante en este artículo).
La velocidad del motor del husillo puede utilizar uno de dos tipos de métodos de rotación del disco: 1) velocidad lineal constante (CLV), utilizada principalmente en almacenamiento óptico, varía la velocidad de rotación del disco óptico dependiendo de la posición del cabezal, y 2) constante La velocidad angular (CAV), utilizada en HDD, FDD estándar, algunos sistemas de discos ópticos y discos de audio de vinilo , hace girar el medio a una velocidad constante independientemente de dónde esté colocado el cabezal.
Se produce otra arruga dependiendo de si las densidades de las brocas superficiales son constantes. Por lo general, con una velocidad de giro CAV, las densidades no son constantes, de modo que las pistas exteriores largas tengan el mismo número de bits que las pistas interiores más cortas. Cuando la densidad de bits es constante, las pistas exteriores tienen más bits que las pistas interiores y generalmente se combina con una velocidad de giro CLV. En ambos esquemas las velocidades de transferencia de bits contiguos son constantes. Este no es el caso con otros esquemas, como el uso de una densidad de bits constante con una velocidad de giro CAV.
El consumo de energía se ha vuelto cada vez más importante, no sólo en dispositivos móviles como las computadoras portátiles, sino también en los mercados de servidores y computadoras de escritorio. El aumento de la densidad de las máquinas de los centros de datos ha generado problemas para suministrar suficiente energía a los dispositivos (especialmente para el funcionamiento ) y para eliminar el calor residual producido posteriormente, así como preocupaciones ambientales y de costos eléctricos (consulte informática ecológica ). La mayoría de las unidades de disco duro actuales admiten alguna forma de administración de energía que utiliza varios modos de energía específicos que ahorran energía al reducir el rendimiento. Cuando se implemente, un HDD cambiará entre un modo de potencia total a uno o más modos de ahorro de energía en función del uso de la unidad. La recuperación desde el modo más profundo, normalmente llamado Suspensión, donde la unidad se detiene o apaga , puede tardar hasta varios segundos en estar completamente operativa, lo que aumenta la latencia resultante. [25] Los fabricantes de unidades también están produciendo unidades ecológicas que incluyen algunas características adicionales que reducen la potencia, pero que pueden afectar negativamente a la latencia, incluidas velocidades más bajas del eje y estacionamiento de cabezales fuera del medio para reducir la fricción. [26]
ElEl tiempo de procesamiento de comandos osobrecarga de comandoses el tiempo que tarda la electrónica del variador en establecer la comunicación necesaria entre los distintos componentes del dispositivo para que pueda leer o escribir los datos. Esto es del orden de 3μs, mucho menos que otros tiempos de sobrecarga, por lo que generalmente se ignora cuando se compara el hardware.[2][27]
ElEl tiempo de estabilización es el tiempo que tardan los cabezales enestabilizarseen la pista objetivo y dejar de vibrar para no leer ni cancelarla pista. Este tiempo suele ser muy pequeño, normalmente inferior a 100 μs, y los fabricantes de discos duros modernos lo tienen en cuenta en sus especificaciones de tiempo de búsqueda.[28]
La velocidad de transferencia de datos de una unidad (también llamada rendimiento ) cubre tanto la velocidad interna (mover datos entre la superficie del disco y el controlador en la unidad) como la velocidad externa (mover datos entre el controlador en la unidad y el sistema host). La velocidad de transferencia de datos medible será la más baja (más lenta) de las dos velocidades. La tasa sostenida de transferencia de datos o el rendimiento sostenido de una unidad será la menor entre las tasas internas y externas sostenidas. La velocidad sostenida es menor o igual a la velocidad máxima o de ráfaga porque no tiene el beneficio de ninguna memoria caché o buffer en la unidad. La tasa interna está determinada además por la tasa de medios, el tiempo de sobrecarga del sector, el tiempo de cambio de cabezal y el tiempo de cambio de cilindro. [5] [29]
La velocidad de transferencia de datos (lectura/escritura) se puede medir escribiendo un archivo grande en el disco utilizando herramientas especiales de generación de archivos y luego volviendo a leer el archivo.
Un estándar actualmente ampliamente utilizado para la interfaz "búfer a computadora" es SATA de 3,0 Gbit/s, que puede enviar alrededor de 300 megabytes/s (codificación de 10 bits) desde el búfer a la computadora y, por lo tanto, todavía está cómodamente por delante de tasas de transferencia de disco a búfer actuales.
Los SSD no tienen los mismos límites internos que los HDD, por lo que sus tasas de transferencia interna y externa a menudo maximizan las capacidades de la interfaz de la unidad al host.
La velocidad de transferencia puede verse influenciada por la fragmentación del sistema de archivos y el diseño de los archivos. La desfragmentación es un procedimiento utilizado para minimizar el retraso en la recuperación de datos moviendo elementos relacionados a áreas físicamente próximas del disco. [34] Algunos sistemas operativos de computadora realizan la desfragmentación automáticamente. Aunque la desfragmentación automática tiene como objetivo reducir los retrasos en el acceso, el procedimiento puede ralentizar la respuesta cuando se realiza mientras la computadora está en uso. [35]
La velocidad de transferencia de datos del HDD depende de la velocidad de rotación de los discos y de la densidad de grabación de datos. Debido a que el calor y la vibración limitan la velocidad de rotación, aumentar la densidad se ha convertido en el método principal para mejorar las tasas de transferencia secuencial. [36] La densidad de área (el número de bits que se pueden almacenar en una determinada área del disco) se ha incrementado con el tiempo al aumentar tanto el número de pistas en el disco como el número de sectores por pista. Este último aumentará la tasa de transferencia de datos para una velocidad de RPM determinada. La mejora del rendimiento de la velocidad de transferencia de datos se correlaciona con la densidad de área sólo aumentando la densidad de bits de la superficie lineal de una pista (sectores por pista). El simple hecho de aumentar el número de pistas en un disco puede afectar los tiempos de búsqueda, pero no las tasas de transferencia brutas. Según observadores y analistas de la industria para el período 2011 a 2016, [37] [38] “La hoja de ruta actual predice no más de un 20% anual de mejora en la densidad de bits”. [39] Los tiempos de búsqueda no han seguido el ritmo de los aumentos de rendimiento, que a su vez no han seguido el crecimiento de la densidad de bits y la capacidad de almacenamiento.
La intercalación sectorial es una característica del dispositivo en su mayoría obsoleta relacionada con la velocidad de datos, que se remonta a cuando las computadoras eran demasiado lentas para poder leer grandes flujos continuos de datos. El entrelazado introdujo brechas entre los sectores de datos para dar tiempo a que los equipos lentos se prepararan para leer el siguiente bloque de datos. Sin entrelazado, el siguiente sector lógico llegaría al cabezal de lectura/escritura antes de que el equipo estuviera listo, lo que requeriría que el sistema esperara otra revolución completa del disco antes de poder realizar la lectura.
Sin embargo, debido a que el entrelazado introduce retrasos físicos intencionales entre bloques de datos, lo que reduce la velocidad de datos, establecer el entrelazado en una proporción superior a la requerida provoca retrasos innecesarios para los equipos que tienen el rendimiento necesario para leer sectores más rápidamente. Por lo tanto, el usuario final solía elegir la relación de entrelazado para adaptarse a las capacidades de rendimiento de su sistema informático particular cuando la unidad se instaló por primera vez en su sistema.
La tecnología moderna es capaz de leer datos tan rápido como se pueden obtener de los platos giratorios, por lo que ya no se utiliza el entrelazado.
El consumo de energía se ha vuelto cada vez más importante, no sólo en dispositivos móviles como las computadoras portátiles, sino también en los mercados de servidores y computadoras de escritorio. El aumento de la densidad de las máquinas de los centros de datos ha generado problemas para suministrar suficiente energía a los dispositivos (especialmente para el encendido) y para eliminar el calor residual producido posteriormente, así como preocupaciones ambientales y de costos eléctricos (consulte informática ecológica ). La disipación de calor está directamente relacionada con el consumo de energía y, a medida que las unidades envejecen, las tasas de fallas de los discos aumentan a temperaturas más altas. [40] Existen problemas similares para las grandes empresas con miles de PC de escritorio. Las unidades de formato más pequeñas suelen consumir menos energía que las unidades más grandes. Un desarrollo interesante en esta área es controlar activamente la velocidad de búsqueda para que la cabeza llegue a su destino justo a tiempo para leer el sector, en lugar de llegar lo más rápido posible y luego tener que esperar a que el sector llegue (es decir, el latencia rotacional). [41] Muchas de las empresas de discos duros ahora están produciendo unidades ecológicas que requieren mucha menos energía y refrigeración. Muchos de estos Green Drives giran más lento (<5400 rpm en comparación con 7200, 10000 o 15000 rpm), generando así menos calor. El consumo de energía también se puede reducir estacionando los cabezales de transmisión cuando el disco no está en uso, reduciendo la fricción, ajustando las velocidades de giro [42] y desactivando los componentes internos cuando no está en uso. [43]
Las unidades consumen más energía, brevemente, al arrancar (girar). Aunque esto tiene poco efecto directo sobre el consumo total de energía, la potencia máxima demandada de la fuente de alimentación y, por tanto, su clasificación requerida, se puede reducir en sistemas con varios variadores controlando cuándo giran.
La mayoría de las unidades de disco duro actuales admiten alguna forma de administración de energía que utiliza varios modos de energía específicos que ahorran energía al reducir el rendimiento. Cuando se implemente, una unidad de disco duro cambiará entre un modo de potencia total y uno o más modos de ahorro de energía en función del uso de la unidad. La recuperación del modo más profundo, normalmente llamado Suspensión, puede tardar hasta varios segundos. [45]
La resistencia a los golpes es especialmente importante para los dispositivos móviles. Algunas computadoras portátiles ahora incluyen protección activa del disco duro que estaciona los cabezales del disco si la máquina se cae, con suerte antes del impacto, para ofrecer la mayor posibilidad posible de supervivencia en tal evento. La tolerancia máxima a los golpes hasta la fecha es de 350 g en funcionamiento y 1.000 g en reposo. [46]
Los discos duros que utilizan grabación magnética intercalada (SMR) difieren significativamente en las características de rendimiento de escritura de las unidades convencionales (CMR). En particular, las escrituras aleatorias sostenidas son significativamente más lentas en las unidades SMR. [47] Como la tecnología SMR causa una degradación en el rendimiento de escritura, algunos HDD nuevos con tecnología SMR híbrida (que permite ajustar dinámicamente la proporción de la parte SMR y la parte CMR) pueden tener varias características bajo diferentes proporciones SMR/CMR. [48]
Los dispositivos de estado sólido (SSD) no tienen partes móviles. La mayoría de los atributos relacionados con el movimiento de componentes mecánicos no son aplicables para medir su desempeño, pero se ven afectados por algunos elementos de base eléctrica que causan un retraso de acceso mensurable. [49]
La medición del tiempo de búsqueda consiste únicamente en probar circuitos electrónicos que preparan una ubicación particular en la memoria del dispositivo de almacenamiento. Los SSD típicos tendrán un tiempo de búsqueda de entre 0,08 y 0,16 ms. [dieciséis]
Los SSD basados en memoria flash no necesitan desfragmentación. Sin embargo, debido a que los sistemas de archivos escriben páginas de datos que son más pequeñas (2K, 4K, 8K o 16K) que los bloques de datos administrados por el SSD (de 256KB a 4MB, por lo tanto, de 128 a 256 páginas por bloque), [50] más Con el tiempo, el rendimiento de escritura de una SSD puede degradarse a medida que la unidad se llena de páginas que son parciales o que el sistema de archivos ya no necesita. Esto se puede mejorar mediante un comando TRIM del sistema o mediante la recolección de basura interna . La memoria flash se desgasta con el tiempo a medida que se escribe repetidamente en ella; las escrituras requeridas por la desfragmentación desgastan la unidad sin ninguna ventaja de velocidad. [51]
unidad de disco verde.
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