ATA vs. SCSI vs. RAID

Дисковая подсистема компьютера как важный инструмент для обработки растровой графики. Какой вариант быстрее?

В технологических процессах допечатной обработки изображений производительность компьютера играет важную роль. Во-первых, существуют определенные минимальные системные требования для профессиональной работы с графикой. Так, например, подготовить качественный полноцветный макет печатного издания, используя 14-дюймовый монитор и видеокарту, неспособную отображать 24-разрядный цвет, практически невозможно. Во-вторых, соответствие вашей рабочей платформы этим минимальным требованиям еще не означает, что работа с графическими файлами большого объема будет комфортной. Для повышения эффективности работы с компьютером, он должен обладать запасом производительности. Это позволяет выполнять даже ресурсоемкие операции (масштабирование, наложение фильтров на изображение и т. п.) достаточно быстро, а в идеале - в режиме реального времени. Немалый вклад в общую производительность графической станции вносит ее дисковая подсистема. Она становится "узким местом" системы при обработке файлов, объем которых сравним с объемом оперативной памяти компьютера.

Ситуация с жесткими дисками для платформы Wintel всегда выглядела следующим образом: существовали SCSI-винчестеры, ориентированные на Hi-End-сектор рынка, и параллельно предлагались менее дорогие IDE-варианты, предназначенные для установки в остальные системы. За последние пару лет произошел самый настоящий технологический прорыв в области накопителей с интерфейсом IDE - достаточно сказать, что если в конце 1998 года средним по всем показателям считался жесткий диск емкостью 4,3 Гбайт, с частотой вращения шпинделя 5400 об./мин и плотностью записи 2 Гбайт на пластину, то в конце 2000 года в среднюю категорию попадают диски объемом 40-45 Гбайт / 7200 об./мин / 15-20 Гбайт на пластину. При этом нормой становится использование стандарта ATA-100 и уменьшение шума работающего диска до величин порядка 30 дБ.

В области жестких дисков SCSI такого скачкообразного роста характеристик не наблюдалось - до сих пор средняя емкость для дисков этого стандарта находится на уровне 18 Гбайт при плотности записи порядка 6 Гбайт на пластину. Превосходство в производительности над IDE-дисками сохраняется благодаря другим важным параметрам - высокой частоте вращения шпинделя (10 000 об./мин являются нормой), большому объему встроенного буфера (от 4 до 8 Мбайт против 0,5-2 Мбайт у IDE-моделей), а также во многом благодаря особенностям SCSI-технологий вообще.

Тем не менее, современные жесткие диски стандарта IDE буквально наступают на пятки своим дорогим SCSI-собратьям. Самые весомые аргументы в пользу IDE-варианта дисковой подсистемы вашего компьютера - чрезвычайно низкая цена (в 2-4 раза меньше, чем у SCSI) при большой емкости, низком тепловыделении и уровне шума.

Ситуация подогревается еще и тем, что в последнее время популярными стали RAID-массивы дисковых накопителей стандарта IDE. До этого RAID-технологии применялись в основном для дисковых подсистем SCSI. Появление на рынке относительно недорогих IDE RAID-контроллеров позволило IDE-винчестерам еще больше расширить их рыночную нишу. Стандарт RAID 1 (Mirror) позволяет увеличить надежность дисковой подсистемы пропорционально количеству избыточных жестких дисков. Так, построив RAID-массив в режиме Mirror из двух одинаковых винчестеров, мы в два раза увеличиваем надежность хранения нашей информации (она дублируется) и заодно получаем приятный бонус в виде несколько увеличившейся скорости чтения с дискового массива (это возможно благодаря поочередному считыванию блоков информации с двух винчестеров и организации ее в единый поток; этим занимается на аппаратном уровне RAID-контроллер). В случае использования RAID 0 (режим STRIPE) мы получаем увеличение скорости нашей дисковой подсистемы пропорционально количеству дисков, составляющих массив - информация разбивается на небольшие блоки и "раскидывается" по дискам. Таким образом, чисто теоретически, можно было бы увеличить быстродействие дисковой подсистемы в количество раз, равное количеству винчестеров в массиве. К сожалению, на практике скорость увеличивается не так значительно, но об этом вы сможете прочитать ниже, оценив результаты тестов. Нельзя не отметить главный недостаток режима RAID 0 (Stripe) - надежность хранения информации уменьшается ровно в то количество раз, которое равно числу используемых винчестеров. Специально для устранения этого неприятного эффекта предназначен режим RAID 0+1 - своеобразная "смесь" режимов Mirror и Stripe. Для организации массива RAID 0+1 необходимы как минимум 4 жестких диска. Результат - надежность одиночного диска плюс двойной объем и увеличившееся быстродействие.

Представления о производительности различных типов жестких дисков у многих пользователей зачастую сумбурны. Большинство людей знают только то, что "SCSI - это ужасно круто, намного быстрее, чем IDE", некоторые, из числа "продвинутых", искренне считают, что RAID-массив из двух дисков в режиме Stripe ровно в два раза быстрее одиночного винчестера. На самом деле в этой области сложилось много мифов, зачастую совсем неверных. Эта статья - попытка прояснить ситуацию, точно измерив быстродействие разных типов дисковых подсистем. Хотелось бы обратить особое внимание на то, что для оценки производительности использовались не синтетические наборы тестов (от которых, как правило, мало толку), а самые что ни на есть практические задачи из арсенала людей, профессионально занимающихся графикой на PC.

Итак, тестировались следующие варианты дисковых подсистем:

Для чистоты эксперимента, каждый вариант дисковой подсистемы устанавливался в систему абсолютно "с нуля". Диск (или дисковый массив) разбивался программой FDISK на три логических. При этом объем загрузочного раздела (логический диск С:\) всегда устанавливался равным 3 Гбайт. Остальное пространство делилось поровну между дисками D:\ и E:\. Операционная система устанавливалась на диск С:\, файл подкачки Photoshop располагался на диске D:\; там же находились тестовые файлы. Файловая система - FAT32.

Для того, чтобы дать хорошую нагрузку на дисковую подсистему и таким образом оценить ее производительность, объем оперативной памяти был ограничен до 128 Мбайт (притом, что в системах такого класса, предназначенных для работы с растровой графикой, 256 Мбайт являются начальным уровнем). Объем памяти, доступной программе Photoshop 5.5, устанавливался в 50% от общей свободной. Этот объем составлял примерно 57 Мбайт. Все тесты прогонялись с двумя файлами различного объема - размер первого составлял 1/5 от объема памяти, доступного Photoshop, размер второго - в 1.5 раза больше (см. таблицу 1). Это позволило получить данные о скорости выполнения той или иной операции в двух случаях: когда обрабатываемый файл с запасом помещается в оперативной памяти, и когда он там гарантированно не помещается целиком. Надо сказать, что для файла меньшего объема результаты, полученные на разных дисковых подсистемах, практически идентичны, что совсем неудивительно - основная обработка происходила в оперативной памяти. Различия в этом случае заметны только в операциях чтения/записи - при открытии и сохранении файла. Совсем другая картина наблюдалась при обработке файла большого объема. Поскольку файл не помещался целиком в оперативной памяти, Photoshop активно задействовал дисковую подсистему компьютера. Результаты этих тестов, как наиболее показательные, оформлены в виде диаграмм. Полные результаты, включающие в себя тесты с файлом меньшего объема, а также с более мощным процессором, можно увидеть в сводной таблице № 2.

Интересующиеся могут повторить все приведенные в этой статье тесты на других системах, поскольку все используемые настройки приведены в таблице. Тестовые файлы были созданы следующим образом: из каталога ... \Adobe\Photoshop5.5\Goodies\ Samples\ был взят файл CMYK balloons.tif. После перевода в формат RGB он был увеличен до размеров 2240x1680 и 6400x4800 пикселов, результатом чего стали два файла формата TIFF RGB объемом 10,7 и 89,7 Мбайт соответственно. Над полученными файлами и проводились все операции. После каждой операции результат отменялся командой Undo. Последняя операция (Save) производилась в формате CMYK. Каждый тест прогонялся три раза, результаты усреднялись. После каждого теста система перезагружалась.

Система № 1: Fujitsu MPD3130AT; i440BX, ATA-33

Жесткий диск Fujitsu серии MPD - вполне заслуженный ветеран. Полтора года тому назад винчестеры такого класса, как Fujitsu MPD, Quantum CR и прочие их аналоги являлись самыми быстрыми в секторе жестких дисков стандарта IDE. Этот винчестер имеет три пластины емкостью по 4,32 Гбайт, 6 головок чтения/записи и встроенный буфер объемом 512 Кбайт. Среднее время поиска - 9,5/10,5 мс (чтение/запись), частота вращения шпинделя - 5400 об./мин, уровень шума - 36 дБ. Поддерживается стандарт АТА-66, однако это не более, чем маркетинговый ход, поскольку скорость передачи данных находится в пределах 14,5-26,1 Мбайт/с, что полностью вписывается в возможности стандарта АТА-33 (33,3 Мбайт/с).

Fujitsu MPD3130AT показал себя как надежный, тихий винчестер. При работе шума вращающегося шпинделя почти не слышно, но звук позиционируемых головок явственно различим. Греется диск очень мало - даже при длительной работе корпус остается прохладным или едва теплым.

В тестах MPD3130AT существенно проигрывает всем остальным участникам, что совсем неудивительно, учитывая разницу характеристик с ближайшим конкурентом WD200 (частота вращения - 5400 и 7200 об./мин соответственно, плотность записи - 4,3 Гбайт на пластину против 20 Гбайт).

Тестирование на двух различных операционных системах дало несколько противоречивые результаты: в Windows 98 заметно быстрее выполняются операции открытия и сохранения файла, а в Windows 2000 - все остальные. В остальном - никаких сюрпризов.

Система № 2: Western Digital WD200; i440BX, ATA-33.

WD200 - представитель нового поколения жестких дисков. Основные параметры - 7200 об./мин, увеличенный до 2048 Кбайт внутренний кэш, плотность записи - 20 Гбайт на пластину. Диск имеет одну пластину и две головки. Среднее время поиска заявлено производителем как 8,9/10,9 мс, что не очень отличается от характеристик Fujitsu MPD3130AT. Тем не менее, WD200 заметно быстрее. Во-первых, сказывается больший объем встроенного буфера. Во-вторых, скорость обмена на участке "буфер-поверхность" достигает впечатляющих 30,5-50 Мбайт/с - все-таки 20 Гбайт на пластину - нешуточная плотность записи.

В работе диск показал себя с самой положительной стороны - несмотря на повышенную скорость вращения шпинделя, он оказался тише Fujitsu MPD (заявленный уровень шума - 30 дБ). Перемещения головок практически не слышны.

С тепловыделением дела обстоят похуже, но вполне приемлемо. После часа интенсивной работы винчестер нагрелся градусов до 45, т.е. на ощупь был довольно теплым, но не горячим.

В целом данная конфигурация оставила очень благоприятное впечатление и является несомненным чемпионом по соотношению "цена-производительность". Судите сами - при цене порядка 130 долл. этот винчестер образует вполне законченное решение с встроенным контроллером АТА-33 чипсета 440ВХ. И никаких проблем с Windows 98, как это наблюдается в случае использования АТА-100.

Система № 3: Western Digital WD200; ATA-100 Promise FastTrak100 (SPAN).

Тесты выявили очень интересный момент - при использовании интерфейса АТА-100 в Windows 98 производительность дисковой подсистемы оказалась в большинстве случаях ниже, чем при использовании АТА-33. А в отдельных случаях наблюдалось просто катастрофическое (в 5-10 раз) падение производительности! Поскольку в Windows 2000 результаты были абсолютно предсказуемыми (то есть АТА-100 оказался, как и положено, быстрее АТА-33), это дает основания подозревать в некорректной работе связку Windows 98 + ATA-100. Возможно причина кроется в конкретной модели контроллера - Promise FastTrak100. К тому же, большинство тестов выполнялось быстрее в Windows 2000.

Из всего этого можно сделать логичный вывод - для серьезной работы с графикой Windows 98 не подходит. Если вы хотите использовать последние достижения в области IDE, а именно интерфейс АТА-100 или RAID-массив в режиме STRIPE - лучше работать с ОС семейства NT (Windows NT 4.0 или Windows 2000), которые в таких режимах ведут себя более корректно.

При использовании ОС Windows 2000 выигрыш от перехода с АТА-33 на АТА-100 есть, но он невелик.

Система № 4: два диска Western Digital WD200 + HPT370 UDMA/ATA 100 Raid Controller(STRIPE).

И, наконец, в деле был испытан RAID-массив из двух одинаковых жестких дисков в режиме чередования блоков данных (STRIPE). Использовался размер блока 64 Кбайт, как наиболее оптимальный (по данным других независимых испытаний). Теоретически быстродействие такой дисковой подсистемы может быть в 2 раза больше, чем у диска-одиночки. Но результаты тестов не оставляют поводов для оптимизма. В подавляющем большинстве задач выигрыш в производительности составляет 5-15% относительно одиночного диска с интерфейсом АТА-100.

Одним словом, результаты неутешительные. Рекомендовать построение массива RAID 0 можно лишь тому, кто хочет вытянуть максимальную производительность из технологии IDE, невзирая на все вышеописанные недостатки. Но это может понадобиться разве что тем, кто занимается вводом несжатого видео на PC.

Система № 5: Fujitsu MAJ 3182 MP + SCSI-контроллер Adaptec 29160N.

Последний участник "соревнований" - SCSI-винчестер весьма высокого класса. Надо сказать, что MAJ 3182 был выбран в качестве "верхней планки" данного теста. Что ж, свое превосходство этому жесткому диску удалось показать наглядно - практически во всех тестах он идет "ноздря в ноздрю" со своим главным соперником - RAID-массивом в режиме STRIPE.

Представление о потенциальных возможностях Fujitsu MAJ 3182 MP могут дать и его характеристики. Частота вращения шпинделя - 10 025 об./мин, количество дисков - 3, головок - 5, среднее время поиска - 4,7/5,2 мс, объем встроенного буфера - 4096 Кбайт. Используется интерфейс SCSI Ultra160, обеспечивающий синхронную скорость передачи данных на участке "буфер-контроллер" в 160 Мбайт/с.

Все эти впечатляющие параметры сказались на энергопотреблении и шумности винчестера. Греется Fujitsu MAJ 3182 MP просто ужасно - температура корпуса после продолжительной работы поднимается, наверное, до 60°С, если не больше - корпус явственно обжигает пальцы. Уровень шума при работе тоже не маленький - 40 дБ. И самый главный недостаток - цена. На момент написания этих строк комплект из жесткого диска и контроллера SCSI-160 стоил в Москве около 500 долл.

Итоги

Итак, по результатам тестов хотелось бы сделать несколько выводов, которые будут полезны тем, кто собирается модернизировать дисковую подсистему своей графической станции.

1. Диски предыдущих поколений с небольшой плотностью записи и малым объемом встроенного буфера значительно проигрывают современным моделям по всем основным параметрам - скорости, емкости и бесшумности. Смело меняйте старенький винчестер класса Fujitsu MPD на новый высокооборотистый жесткий диск с повышенной плотностью записи (15-20 Гбайт на пластину) и большим объемом кэша (2 Мбайт). Выигрыш в производительности может составлять 100 и более процентов. Причем все сказанное остается в силе даже при использовании интерфейса АТА-33.
2. Переход с АТА-33 на АТА-100 не дает большого прироста производительности. Покупать отдельный контроллер АТА-100, пусть и недорогой (порядка 30 долл.), на мой взгляд не стоит. Подходящий вариант - наличие на системной плате "бесплатного" встроенного контроллера этого стандарта.
3. RAID-массив в режиме STRIPE показал очень хорошую производительность - на уровне "десятитысячника" SCSI, а зачастую и выше. При этом нужно учитывать очень привлекательную стоимость такой конфигурации, ведь два винчестера, составляющих массив, вместе с недорогим RAID-контроллером от Highpoint стоят меньше, чем один SCSI винчестер без контроллера! (130+130+30 = 290 долл.). И плюс ко всему, мы получаем огромную, по сравнению со SCSI-вариантом, емкость - 40 Гбайт. Единственный, но очень большой минус - уменьшение надежности хранения данных в 2 раза. Впрочем, если дисковый массив такого типа будет использоваться в качестве средства для оперативной работы, а не как долговременного хранилища ценной информации, его приобретение более чем оправдано.
4. SCSI-винчестеры верхнего уровня, как и следовало ожидать, обладают высочайшей производительностью.

Однако, учитывая высокую цену, большое тепловыделение и уровень шума таких устройств, приобретение их оправдано только в том случае, когда нужна бескомпромиссно высокая производительность (и надежность дисковой подсистемы, ведь SCSI-винчестеры всегда славились своей надежностью и большой наработкой на отказ).

В заключение хотелось бы обратить внимание читателей на две строки в последней таблице - результаты измерений при замене процессора Pentium-III-650E (частота системной шины 100 МГц) на Pentium-III-866EB (FSB 133 МГц). Как видно, замена процессора на ощутимо более мощный не дает большого разброса результатов. Это показывает, что выбранная методика тестирования была правильной (низкая "процессорозависимость", основная нагрузка ложится на дисковую подсистему).

С Андреем Никулиным можно связаться по электронной почте: joint831@yahoo.com.

Редакция благодарит за помощь компании Elko Moscow, SMS, "Пирит" и "Русский Стиль", предоставившие оборудование для тестирования.

назад