Maxtor MaxLine III: когда очередь во благо

Про очередь команд в винчестерах многие слышали, но мало кто ее видел. А если и видели, то впоследствии оказывалось, что видели не совсем то, что ожидали. А если и то, что ожидали, то результаты были не те, на которые рассчитывали. оценить прирост от введения этой возможности до недавнего времени было сложно по очень простой причине -- не на чем. Но настал момент истины...

Чем дольше ты стоишь в очереди,
тем больше вероятность того,
что ты стоишь не в той очереди.
Артур Блох

Первой и наиболее активной компанией, обещавшей нам "золотые горы" от поддержки интерфейса Native SATA, была Seagate. Впрочем, она же была и единственной, кто с самого начала использовал этот интерфейс в своих жестких дисках. Остальные же успешно применяли "сериализаторы" -- мосты, превращавшие обычный PATA-диск в SATA. Впрочем, довольно длительное время никаких преимуществ от NSATA пользователь не получал. Это была "технология на вырост". Реальный прирост быстродействия был нам обещан со времени прихода на рынок чипсетов i915/925, в южном мосту которых должна была быть реализована поддержка Native Command Queuing -- маршрутизации очереди команд, вышедшей в качестве дополнения к стандарту SATA 1.0.

Maxtor MaxLine III

Но какой смысл был вводить в винчестеры поддержку технологии, которая появится в контроллерах завтрашнего дня? Никакого, поэтому никто и не вводил. Однако некоторые компании, решившие "выехать" на гребне популярности новомодного термина, вдруг вспомнили, что сортировка очереди команд, оказывается, предусмотрена и в PATA-интерфейсе. Первой заметила этот факт компания IBM, следом за ней -- Samsung. На рынок были выпущены ATA-винчестеры с поддержкой очереди команд. Тут же начались жаркие споры о преимуществах SATA NCQ перед аналогом из PATA, а также попытки оценить эффект от применения этой технологии в PATA-дисках. Долгое время и пользователи, и тестовые лаборатории шли к очень интересному заключению -- во-первых, даже заявленная в спецификации винчестера маршрутизация команд еще ни о чем не говорит (контроллеров соответствующих нет), а во-вторых, даже если удастся найти пару "винчестер-контроллер" с под-держкой TCQ (именно так NCQ именуется в терминах PATA), эффект от ее включения сложно увидеть даже вооруженным глазом.

О причинах этого, а также об особенностях функционирования NCQ читайте во врезке. А мы пока вернемся все-таки к жестким дискам. Как мы говорили вначале, более всего ратовала за эту технологию Seagate. Эта компания даже анонсировала новую серию дисков Barracuda 7200.8 с ее поддержкой. Но, наверное, в качестве небольшого наказания за столь длительные обещания без реальных действий судьба сыграла с производителем забавную шутку -- первым диском с поддержкой NCQ, попавшим во все независимые тестовые лаборатории, стала новая модель от... Maxtor. Причем и у нас этот винчестер оказался раньше, чем продукт Seagate, который будет доступен только осенью текущего года.

Итак, Maxtor MaxLine III. Это топовая линейка жестких дисков компании Maxtor, вышедшая совсем недавно и, по заявлениям производителя, ориентированная в первую очередь на корпоративный рынок. В модельном ряду MaxLine III пока присутствуют две модели емкостью 250 и 300 GB. К нам на тестирование попал диск объемом 250 GB.

Винчестер построен на пластинах емкостью 100 GB. И в старшей, и в младшей модели используются три пластины, но число головок составляет 6 и 5 соответственно. Объем буфера увеличен до 16 MB. Кстати, это первый рывок в данном направлении с тех времен, когда компания Western Digital впервые использовала 8 мегабайтовые буферы в своих винчес-терах. Заявленное время наработки на отказ -- больше 1 млн. ч, что уже вплотную приближается к аналогичным показателям SCSI HDD и более чем в два раза превышает значение MTBF для стандартных IDE-дисков. Производителем заявлена совместимость новой серии не только с грядущими контроллерами SATA 2.0, но и с SAS (Serial Attached SCSI). То есть "однодневкой" этот продукт никоим образом не является.

Данная модель -- первый жесткий диск в модельном ряду Maxtor (и не только Maxtor), который использует интерфейс Native SATA без микросхем-конвертеров. Это позволило в полной мере реализовать механизмы NCQ и горячего подключения диска. Существуют также варианты этих накопителей и с привычным интерфейсом АТА/133. Частота вращения шпинделя в дисках серии MaxLine III -- 7200 об/мин, следовательно, единст-венные "десятитысячники" с SATA по-прежнему присутствуют только в линейке продуктов Western Digital.

Ну что ж, описательную часть можно считать законченной и переходить к испытательной.

NCQ в действии

Измерение производительности оценивалось в двух режимах -- в качестве диска для рабочей станции или небольшого сервера (пакет IOMeter, однодисковая конфигурация и массив RAID 0 из двух дисков), а также в качестве винчестера для настольной системы (пакеты Winbench 99 и FC Test).

IOMeter (однодисковая конфигурация). Во всех используемых моделях ситуация аналогичная -- как со включенной, так и с выключенной поддержкой NCQ в новых дисках Maxtor наблюдается рост производительности с ростом нагрузки. При этом при включении маршрутизации очереди команд MaxLine III ощутимо увеличивает скорость работы. И на очереди глубиной в 64 запроса он уже опережает диски WD740GD, но при количестве запросов 256 наблюдается резкое падение производительности этого диска. Однако это справедливо только при включенном NCQ, при его выключении быстродействие продолжает увеличиваться.

IOMeter (RAID 0, два диска). А вот здесь ситуация иная -- при включении NCQ новый винчестер от Maxtor начиная с 16 запросов резко вырывается в абсолютные лидеры, существенно опережая массив из двух Raptor 2. Этот же массив, но с отключенным NCQ демонстрирует скорость выше, чем у обычных SATA-дисков, но уступает WD740GD. Как и ожидалось, реализация NCQ в RAID-массивах дает внушительный эффект, гораздо больший, чем для одиночного диска.

Теперь перейдем к "десктопной" части. В пакете Winbench диски Maxtor в обоих режимах становятся абсолютными лидерами и демонстрируют очень высокое быстродействие в обоих подтестах. А вот время копирования файлов оказалось весьма интересным -- по-прежнему Maxtor в лидерах, но влияние NCQ в данном случае минимально. Причина очевидна -- маршрутизация очереди команд наиболее эффективна при множественных асинхронных запросах к винчестеру (смешанные команды на чтение/запись разных участков диска), а вот при линейных операциях копирования набора файлов NCQ не дает должного эффекта, так как операции последовательные и сортировать практически нечего. Этот момент нужно учитывать при выборе винчестера -- если в основном преобладают линейные операции с диском, то новая функция в диске окажется практически невостребованной.

Выводы

В целом, результат, показанный MaxLine III, можно назвать превосходным. Отличное быстродействие, реально работающая маршрутизация команд, низкий уровень шума и демократичная цена (около $160 за 250 гигабайтовую модель на западном рынке) делают этот диск очень привлекательным приобретением. Из минусов можно отметить только уровень нагрева. Недостаток один, но весьма существенный -- даже вне корпуса после интенсивной эксплуатации блок электроники и шасси диска нагреваются так, что прикоснуться к ним попросту невозможно. Так что об охлаждении придется позаботиться, иначе в корпусе без дополнительного охлаждения этот диск проживет бурную, но очень недолгую жизнь...

Ну а в остальном, похоже, мы видим нового чемпиона на рынке жестких дисков. Сложно говорить об этом с абсолютной уверенностью, так как рассмотренный нами винчестер пока единственный в своем классе. Подождем выхода на рынок конкурентов. Но то, что Maxtor удалось выпустить отличный продукт, -- факт неоспоримый.

NCQ -- в чем фокус?

О реализации поддержки очереди команд в IDE/SATA-винчестерах говорят уже давно. Практически все уже в курсе, что эта функция позволяет существенно поднять производительность накопителя. Но вот в каких задачах и за счет чего -- знают далеко не все. Поэтому мы попытаемся немного приподнять завесу над этим таинственным термином -- "очередь команд" -- и разобраться, что же это такое?

Но прежде чем переходить к основной теме, давайте попробуем ответить на вопрос -- зачем нужно было введение поддержки NCQ? Для этого вспомним, какие операции при чтении/записи отнимают львиную долю "винчестерного времени". Это, безусловно, процесс поиска необходимого сектора и позиционирования на нем магнитной головки. "Классический" жесткий диск, выполняющий команды контроллера, оперирует с поступающими запросами в той последовательности, в которой они поступили контроллеру от приложений. Если к накопителю обращаются несколько приложений, а тем более в асинхронном режиме, запросы могут приходить далеко не в самой оптимальной, с точки зрения диска, последовательности. Напрашивается аналогия с лифтом -- если кабина будет реагировать на запрос каждого пассажира не в порядке очередности этажей в здании, а в порядке захода пассажиров в лифт, маршрут получится весьма далеким от идеального. К примеру -- "первый этаж--пятый--второй--седьмой--третий--восьмой". Оптимальный маршрут? Нет. Очевидное решение -- перестройка запросов после их получения. Именно так и работает NCQ в протоколе SATA.

Поддержка этого протокола, являющегося расширением SATA 1.0 и обязательной частью SATA 2.0, позволяет:

Обращаться к контроллеру нескольким приложениям одновременно (пассажиры зашли в лифт, и каждый нажимает кнопку необходимого ему этажа).

Перестраивать динамически очередь запросов внутри буфера контроллера оптимальным с точки зрения скорости выполнения образом в зависимости от положения головок жесткого диска (после выбора необходимых этажей лифт проходит маршрут не в порядке нажатых кнопок, а в порядке следования этажей в здании).

Кроме того, запросы могут сортироваться в то время, пока накопитель уже отрабатывает какую-либо команду. Да и сам винчестер с поддержкой NCQ может выбирать запросы из буфера в той последовательности, в которой ему их "удобнее" выполнять. Таким образом, при использовании механизма сортировки очереди команд минимизируется время поиска и увеличивается скорость передачи данных.

Однако поддержка маршрутизации очереди команд не является прерогативой SATA-протокола. Эта функция появилась еще в протоколе PATA в 1997 г. Но производители не спешили реализовывать ее в своих продуктах по причине низкой эффективности сортировки команд в АТА-протоколе. Ниже мы попытаемся объяснить причину такой ситуации. Суть проблемы в следующем -- маршрутизация очереди запросов в PATA-протоколе требовала модификации механизма передачи данных. В случае использования маршрутизации каждая операция разбивалась на два этапа -- передача команды и непосредственно передача данных. Для каждой команды контроллером генерируется инструкция Service, определяющая порядок передачи данных по этому запросу. Затем контроллером включается режим DMA (прямого доступа к памяти), и лишь после этого следует пересылка данных от винчестера к контроллеру. В итоге на каждый маршрутизируемый запрос мы получаем одно дополнительное прерывание контроллера жесткого диска. Плюс к этому в случае неполной поддержки сортировки очереди команд после выдачи команды Service в драйвере контроллера возникают неопределенные временные задержки. Все это и обусловило низкую эффективность PATA-маршрутизации.

В случае с SATA все иначе -- никакой модификации базового протокола не требуется (отсюда и название Native Command Queuing -- "родная очередь команд"). Дополнительно вводятся лишь две новые операции -- Read First Party DMA и Write First Party DMA для чтения и записи соответственно. Драйвер контроллера определяет наличие поддержки NCQ накопителем и выставляет флаг в таблице идентификации устройств. После чего работа с маршрутизируемыми командами идет без дополнительных задержек с использованием двух вышеописанных вызовов. Кроме того, на одном контроллере могут мирно соседствовать накопители как с поддержкой NCQ, так и без нее. Как мы уже сказали, контроллер различает их по выставленным флагам идентификации.

В целом, механизм NCQ очень похож на маршрутизируемую очередь команд в протоколе SCSI, но в отличие от нее максимальная глубина очереди составляет всего 32 вопроса, а не 256.

На сегодняшний день поддержка NCQ реализована в южных мостах ICH6 чипсетов серий i915/i925 (Grantsdale/Alderwood). Кроме того, ведущие производители чипсетов для SATA-контроллеров вводят эту поддержку в свои новые наборы микросхем. А учитывая очень скорое появление SATA 2.0 продуктов, поддержка NCQ в которых является не расширением (как в SATA 1.0), а обязательной частью спецификации, есть надежда на реализацию в недалеком будущем этой технологии в массовых устройствах.

Конфигурация тестовой системы
Процессор	Intel Pentium 4 (Northwood) 3,2 GHz
Материнская плата	ABIT IC7-MAX3 (чипсет i875P)
Память	GEIL PC4200 (DDR400, 2x512 MB)
Жесткий диск	Western Digital WD300BB 30 GB 7200 об/мин
ОС	Windows XP Professional SP1, DirectX 9.0b