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傳統硬碟若要增加資料儲存密度，可以往增加內部碟片數量與磁錄密度著手，前者牽扯到運作廢熱與讀寫頭飛行穩定性問題，目前以填充氮氣方式獲得良好的改善，後者可以改用 SMR 疊瓦式紀錄，卻需要更多心力處理相關問題；Toshiba 推出第七代企業級容量型硬碟，以 CMR 紀錄避免寫入效能不穩定。
SMR 寫入程序繁複
在不擴建機房的前提之下，若是想要增加儲存容量，就只能從提升儲存密度著手。 SMR（Shingled Magnetic Recording）疊瓦式磁紀錄在過去數年的現場應用，已被證實為有效提升儲存密度的方法之一，透過重疊部分寫入磁軌達成更緊密的磁軌密度，相較傳統寫入方式可以提升 25％ 以上的儲存資料量。
但也由於寫入時重疊部分磁軌，必須將多個磁軌組合成 1 個帶（band），若此帶部分區域需要更動，需要將整個帶的資料讀出，變更資料後再以帶為單位全部寫入。此種寫入作業對於隨機寫入延遲影響甚鉅，讓需要機械式移動操作的傳統硬碟更不適合隨機作業。目前可以利用隨機作業循序排列化，或是硬碟內部規劃一部分傳統寫入區，先行將資料寫入至 CMR 紀錄區，待空閒時再將資料移至 SMR 紀錄區等方式降低效能衝擊。
由於 SMR 的此種特性，比較適合做為 WORM（Write Once Read Many）應用或是冷儲存，若要往更高的儲存層級進攻較為困難。Toshiba 利用自家對於小型化硬碟機構的認知，推出包含 9 張碟片 18 顆讀寫頭的 MG07ACA 系列 14TB 版本，利用氦氣填充克服碟片數量增加帶來的相關挑戰，紀錄方式依然採用傳統 CMR，因此適合近線儲存應用。
Toshiba MG07ACA 14TB 規格
- 產品型號：MG07ACA14TE
- 外觀形式：3.5吋/半高
- 介面速度：SATA 6Gb/s
- 轉速：7200RPM
- 容量：14TB
- 磁頭載卸次數：600000
- 年負載量：550TB
- 不可復原讀取錯誤：＜10 per 1016 bits
- 電源需求：5 V DC +10%/-7%，12 V DC ±10 %
- 其它：2500000hrs MTTF、氦氣填充
使用 CMR 紀錄的 14TB 填氦硬碟
MG07ACA 為 Toshiba 替資料中心近線應用所推出的第七代 3.5 吋規格產品，並推出 12TB 與 14TB 容量，其中 14TB 容量版本整合 9 片磁錄碟片，為業界首款整合如此多碟片的 3.5 吋產品。透過填充氦氣，讀寫頭在碟片上的「飛行」狀態能夠更為穩定，提升磁軌定位時的精度，同時也比一般空氣阻力小，降低運作耗電量。
而為了在 3.5 吋半高尺寸內部放入 9 張碟片，Toshiba 借鏡自家 2.5 吋產品線組裝經驗，減少碟盤厚度以及碟盤間距，因此讀寫驅動臂和印刷電路板零組件需要重新設計，金屬封裝外殼也是如此，並以高精密度組裝與雷射焊接工藝密封，避免氦氣溢出導致產品無法運作。
▲受測產品完整型號為 MG07ACA14TE，為整合 9 張碟片的 14TB 版本，採用 CMR 記錄方式。
▲硬碟外部的資訊貼紙標示，+12V 和 +5V 需要 0.75A 和 0.7A，對比非填氦傳統硬碟耗電量大幅下降，儲存格式為 512e。
▲內部填充氦氣並以雷射焊接，側邊依然安排完整螺絲鎖孔未省略，能夠相容大多數安裝空間設計。
MG07ACA 系列封裝 9 張碟片版本，每張碟片厚度縮減至 0.635mm，前一代則是採用 0.8mm 厚度，同時縮減碟片間距離，達成整合 9 張碟片的目標。與此同時，填充氦氣和高精度組裝也可以帶來降低耗電量的效果，對比前代，每 TB 耗電量下降 40％，對於高密度佈建的資料中心而言可省下 1 筆不小的持續運作成本。
▲傳輸速度相容 SATA 6Gb/s、3Gb/s、1.5Gb/s，介面雖然採用 SATA 3.3 規範，並未在第三接腳安排 PWDIS 功能，因而相容過往的電源供應器或是抽取盒。
▲電路板反裝，避免意外碰觸外露晶片導致損毀。
對於一般消費者而言，MG07ACA 同時在一般 3C 通路銷售，能夠以簡便的方式享受新一代技術，特別是那些需要高容量硬碟卻不想為 SMR 煩心的玩家。該系列擁有 250 萬小時的 MTTF、讀寫磁頭載卸次數高達 60 萬次、不可復原讀取錯誤為企業級規格、待機噪音僅為 20dB，除了企業近線應用，家庭使用者也能夠作為資料儲存碟、高效能 NAS 硬碟等。
▲拆下電路板，主要控制晶片以及馬達控制晶片加裝導熱墊，利用金屬外殼散去廢熱，其餘空間安排海綿填充。
▲電路板使用常見的 L 型設計。
▲Avaga DT02S2 控制晶片，採用裸晶方式封裝。
▲快取緩衝記憶體為 256MB，使用 SK Hynix H5TQ2G63GFR，最高支援 DDR3-1866。
▲馬達控制晶片為 STMicroelectronics Smooth L7291。
▲電路板多處設置震動感應器，將感測資料交由控制晶片修正，避免高密度佈建的震動影響存取效能。
▲MG07ACA 企業級容量型硬碟規格，具備 4Kn 和 512e 磁區紀錄格式，以及 SIE（Sanitize Instant Erase）功能可供選擇。
▲一般運作溫度可達 38℃（室溫 24℃，裸機無加裝風扇），另外支援 APM 進階電源管理。
讀寫超越 270MB/s，寫入快取有感
CrystalDiskMark 6.0.0 歷經重大改版，最新版本變成較為適合測試 SSD，但我們還是將它納入傳統硬碟的測試之中，大致上先行檢視硬碟的能耐，MG07ACA14TE 連續讀寫均可達 270MB/s左右，而廠商表定規格則為 248MiB/s 左右，實測速度高出不少。
▲CrystalDiskMark 連續讀寫均為 270MB/s 左右。
接著利用 ATTO Disk Benchmark 量測在不同的傳輸區塊大小之下，這款硬碟的傳輸速度。首先是 Overlapped I/O 傳輸模式，並手動將佇列深度調整至 8，大約在 4KB 傳輸區塊即可達到最大讀取速度，而寫入則是要等到 8KB 左右，兩者最高約為 280MB/s 以及 276MB/s。Neither 模式則是需要加大至 64KB 區塊大小，最高擁有 279MB/s 和 276MB/s 的讀寫效能。
▲ATTO Disk Benchmark Overlapped I/O 佇列深度 8，最高傳輸速度可以來到 280MB/s 左右。
▲ATTO Disk Benchmark Neither 模式，最高讀寫速度約為 279MB/s 和 276MB/s。
老牌測試軟體 HD Tune Pro 內建多種測試方式，多數均瞄準傳統硬碟特性，能夠給予相當完整的效能評估。硬碟碟盤全空間讀取與寫入測試，外圈讀寫可達 265.7MB/s 以及 260.1MB/s，內圈則為 115.3MB/s 和 114.7MB/s，平均值突破 200MB/s 來到 206.3MB/s 以及 204.4MB/s。隨機寫入存取時間則受到快取機制影響，平均值為相當低的 0.197ms，讀取則是表現不錯的 12.4ms。
▲HD Tune Pro 全空間讀取測試，外圈最快達 265.7MB/s，隨機存取時間為 12.4 ms。
▲HD Tune Pro 全空間寫入測試，外圈最快為 260.1MB/s，隨機存取則因為寫入快取的緣故，延遲時間是相當優秀的 0.197ms。
不同傳輸區塊大小的隨機存取時間，512Byte、4K、64K 讀取 IOPS 均為 12.5ms/80IOPS 左右，而隨機任意大小則為 17ms/58IOPS。寫入傳輸區塊 64KB 以下均可享受快取加速，存取時間在 1ms 以下，IOPS 表現則是 1883IOPS～4594IOPS 不等。本次受測的 512e 版本導入 Persistent Write Cache 技術，意外斷電時利用馬達剩餘的旋轉慣性電動勢，將還在快取內部的資料寫入至非揮發性記憶體當中。
▲不同區塊大小的隨機讀取約為 12.5ms/80IOPS 左右。
▲受惠於寫入快取機制，傳輸區塊 64KB 以下的隨機寫入時間平均不到 1ms。
若是使用固定 4KB 大小，讀取與寫入指令分別占去 70％ 與 30％，量測佇列深度對於隨機存取 IOPS 的影響，於佇列深度 32（AHCI 規範最大深度）表現為 202.994IOPS，並依據佇列深度變淺而往下遞減，佇列深度為 1 的表現為 108.482IOPS。
▲MG07ACA14TE 在佇列深度 32 時，讀寫比例各佔 70％ 與 30％ 的 4K 隨機讀寫表現為 202.994IOPS。
▲各種佇列深度的 4K 隨機讀寫 70/30 實際 IOPS 數據。
大容量的非 SMR 硬碟
透過 SMR 紀錄形式確實能夠增加儲存密度，倘若遇到隨機寫入較為頻繁的工作類型，則會受限於 SMR 寫入方式而讓效能變得不可預期。因此傳統硬碟若是遇到工作負載包含較多的隨機寫入，還是選擇傳統的 CMR 紀錄方式硬碟為佳。
透過填充氦氣以及 Toshiba 自身的設計組裝經驗，於 3.5 吋機身之內塞入 9 張碟片達成 14TB 容量，讓 CMR 記錄方式也能夠追上 SMR 的容量密度，不會讓管理人員顧此失彼。企業級耐用規格以及 5 年保固，以及在市面上能夠輕易買到的方便性，除了企業用途之外，一般消費者也能夠輕易地入手。
廠商資訊
台灣東芝電子零組件 http://www.sdd.toshiba.com.tw
產品資訊
MG07ACAxxx 系列 https://toshiba.semicon-storage.com/tw/product/storage-products/enterprise-hdd/mg07acaxxx.html
測試平台
- 處理器：Intel Core i7-8700K
- 散熱器：Cooler Master X6
- 主機板：Asus ROG STRIX Z370-I GAMING
- 記憶體：Team T-FORCE NIGHT HAWK DDR4 3200 16GB Kit @2666MHz
- 系統碟：Plextor M9Pe(G)
- 作業系統：Microsoft Windows 10 Pro 64bit 1709
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