Disques durs professionnels : 2.5″ 10 000 tr/min VS 3.5″ 15 000 tr/min

Introduction

Le secteur du stockage est actuellement en pleine évolution. Le changement le plus perceptible est très certainement l’abandon progressif des plateaux rotatifs au profit de la mémoire flash, mais le segment des disques durs conventionnels mute également. Ce bon vieux support n’est en effet pas près de disparaître, et ce, pour une bonne raison : il est le seul qui permette d’atteindre des capacités très élevées à prix abordable.

Dans cet article, nous n’aborderons pas spécifiquement la thématique « flash ou disque dur » mais plutôt la transition qui est en train de s’opérer dans les entreprises, où un nombre croissant de disques durs au format 3,5″ se font remplacer par des modèles 2,5″. Tous les grands fabricants de disques durs proposent maintenant au moins une gamme de produits 2,5″ à usage professionnel ; certains ont même annoncé leur intention de laisser tomber les modèles 3,5″ à 15 000 tr/min, car les clients recherchant les performances se dirigent plutôt vers les SSD et ceux recherchant la capacité vers les disques durs 3,5″ conventionnels. Tout ce qu’il y a entre ces deux extrêmes sera bientôt dévolu aux modèles 2,5″, pour les raisons que nous allons expliquer dans les pages qui suivent.

Pour les entreprises, le mot, ou plutôt l’expression magique est « densité de stockage ». La plupart du temps, cela désigne la capacité par volume occupé. Le concept démarre au niveau du disque dur proprement dit avec la capacité par cm² ou par plateau ; il se prolonge au niveau du système environnant, les techniciens ayant besoin de savoir de quelle capacité ils vont disposer sur 1U, 2U, 4U ou même tout un rack de serveurs.

Toutefois, l’expression peut aussi désigner les performances d’une solution de stockage donnée, ce qui nous ramène à la transition du 3,5″ au 2,5″ : sachant que les performances d’un système monté en RAID évoluent proportionnellement au nombre de disques déployés, il est clair qu’un grand nombre de disques durs 2,5″ possède certains avantages sur un plus petit nombre de disques 3,5″.

Nous passerons en revue les performances, la consommation, la capacité de stockage et les applications envisageables des serveurs lames contenant des disques durs 2,5″. Enfin, n’oublions pas que le 2,5″ est en train de devenir la référence pour les SSD ; l’adoption de matériel à ce format facilitera donc à terme les remplacements de matériel. Commençons par la technologie flash.

De la mémoire flash partout ?

Dans quelques années, il est fort possible que l’on trouvera de la mémoire flash dans la plupart des ordinateurs de bureau et dans de nombreux serveurs, la capacité requise pour faire fonctionner un système d’exploitation, les applications courantes et les logiciels auxiliaires étant tout à fait raisonnable. À l’heure actuelle cependant, la montée en popularité des SSD s’opère essentiellement (a) dans le segment des produits à très bas coût, où la capacité de stockage et les performances n’ont aucune importance et (b) dans le segment des produits hautes performances.

Ce qui n’enlève rien aux avantages potentiels de la technologie flash :

• Performances en E/S sans équivalent : là où les disques durs pour entreprises sont capables de gérer quelques centaines d’opérations d’entrée/sortie par seconde, les bons SSD en gèrent des milliers. Un avantage significatif pour les applications professionnelles.
• Débit élevé : aujourd’hui, les meilleurs disques durs plafonnent à 200 Mo/s tandis que certains SSD vont bien au-delà de ce chiffre. Ils sont par ailleurs capables de maintenir sur la durée un débit moyen bien plus élevé.
• Peu de maintenance nécessaire : les données étant stockées de manière dynamique sur les différentes cellules de mémoire flash, les SSD ne doivent plus être défragmentés. Cette opération est même déconseillée.
• Rendement énergétique : alors que les disques durs nécessitent souvent jusqu’à 20 watts pour fonctionner, les SSD ne consomment généralement que quelques watts. Les résultats exprimés en débit par watt ou en opérations par watt peuvent par conséquent se révéler très impressionnants.

Les SSD bien conçus sont capables d’afficher un débit, un rendement énergétique et des performances en E/S considérablement supérieures à ceux des disques durs. Pourtant, malgré tout ce potentiel, ils ne sont pas encore prêts à s’imposer sur le marché du « mainstream », qui représente tout de même plus des trois quarts du parc installé, desktops et serveurs confondus. Ils sont en effet encore limités par les problèmes suivants :

• Capacité : les SSD à usage professionnel sont pour la plupart encore limités à des capacités de 32 à 256 Go, alors que les disques durs pour entreprises atteignent les 600 Go et que les modèles haute capacité grimpent jusqu’à 2 To.
• Coût : le prix minimal des SSD pour entreprises est du niveau du prix maximal des disques durs professionnels.
• Validation : bon nombre de disques durs sont déjà validés pour certains environnements spécifiques, ce qui n’est bien souvent pas le cas des SSD. On parle ici non seulement de la compatibilité et de la fiabilité, mais également de la prévisibilité des performances. Tant qu’on les fait fonctionner dans les conditions prévues, les disques durs validés affichent en effet les performances prévues.

La conclusion est donc simple : la technologie flash peut être bien supérieure à celle des disques durs, mais si vous voulez faire les choses correctement, vous partez de rien…

2,5″ contre 3,5″ : exemples de disques durs

Il convient de mentionner une série d’éléments avant de décrire plus en détail les disques durs que nous avons utilisés comme exemples des deux formats.

Tout d’abord, il faut savoir que les disques durs 2,5″ pour entreprises sont plus épais que ceux prévus pour le grand public : alors que ces derniers font 9,5 mm (portables) ou 12,5 mm (stockage amovible), tous les modèles professionnels ont une épaisseur de 15 mm. Pourquoi ? Parce qu’ils doivent généralement accueillir trois plateaux. Certes, c’est aussi bien souvent le cas des produits 12,5 mm, mais ceux-ci ne doivent jamais tourner à 10 000, voire 15 000 tr/min.

Notons également que les plateaux que contiennent les disques durs pour entreprises ont le même diamètre, qu’ils soient au format 2,5″ ou 3,5″, ce qui montre bien que le principal avantage de ces derniers réside dans la capacité à accueillir quatre plateaux ou plus. Mais nous nous engageons là sur le terrain de la capacité maximale, ce qui, comme nous l’avons déjà dit, n’est pas l’objet de ces produits professionnels.

3,5″ : Fujitsu MBA3147RC (15 000 tr/min, 147 Go)

Pour ce comparatif, nous avons opté pour le Fujitsu MBA3147RC, un disque dur 3,5″ de 147 Go très représentatif du segment des disques durs professionnels hautes performances. Il est équipé d’un tampon de 16 Mo, d’une interface SAS 3 Gbit/s et affiche un MTBF de 1,4 millions d’heures. Toshiba, qui a racheté Fujitsu l’an dernier, n’a pas l’intention de lancer de modèle 3,5″ de 600 Go, raison pour laquelle la gamme MBA s’arrêt à 300 Go.

Parmi les autres produits populaires dans ce segment, on peut citer l’Hitachi Ultrastar 15K ou le Seagate Cheetah 15K. Notons bien qu’il existe des modèles 3,5″ 15 000 tr/min plus récents que le Fujitsu ; leur débit serait plus important (probablement 150 à 200 Mo/s) mais pas leurs performances en E/S, car il existe un limite physique à l’accélération des têtes de lecture/écriture.

2,5″ : Toshiba MBF2600RC (10 025 tr/min, 600 Go)

Le Toshiba MBF2600RC est l’un des disques durs 2,5″ pour entreprises les plus récents du marché et le plus volumineux de la gamme MBF. Il s’agit de l’un des premiers modèles à être dotés d’une interface SAS 6 Gbit/s ; son cache sera donc deux fois plus rapide, mais il apparaît clairement que cette donnée est secondaire en situation réelle, le débit ne passant jamais la barre de 147 Mo/s, ce qui est plus que notre Fujitsu 3,5″, mais ne pourrait en aucun cas se mesurer aux derniers modèles 3,5″ tournant à 15 000 tr/min. Les performances en E/S, par contre, dépendent majoritairement de la vitesse de rotation et de sa résultante directe, la latence de rotation.

Parmi les produits similaires, citons l’Hitachi C10K300 et le Seagate NS.2, bien que seul ce dernier soit disponible en version 600 Go.

Performances et consommation

Nous avons déjà mentionné les performances et la consommation, mais il peut être utile d’examiner plus en détails les deux types de disques durs.

Performances

Le graphique de performances ci-dessus fait la synthèse de l’ensemble de nos résultats, le débit et les performances en E/S étant pondérés à 40 % chacun et les performances sous PCMark Vantage à 20 % Vous pouvez passer par les pages « Résultats » pour obtenir les résultats individuels, mais dans l’ensemble, les conclusions sont plutôt évidentes : les nouveaux disques durs 2,5″ / 600 Go / 10 000 tr/min affichent des débit plus que corrects, à 150 Mo/s environ, mais ils ne rejoignent pas encore les modèles 3,5″ / 15 000 tr/min en termes de performances en E/S. Il n’en reste pas moins que ce petit écart reste tout à fait acceptable à la lumière des autres avantages que les 2,5″ ont sur les 3,5″.

Consommation

La consommation est l’autre grand facteur de différenciation. Alors que le modèle 3,5″ à 15 000 tr/min consomme entre 7,8 watts (au repos) et 12,4 watts (applications), le Toshiba MBF2600RC 2,5″ 600 Go divise à peu près l’addition par deux. La consommation de maximale de 7,1 watts est appréciable, celle au repos l’est encore plus (3,5 watts) et le rendement énergétique mérite le détour : la baisse de performances n’étant que relativement légère, il est évident que les performances par watt (et même la capacité par watts) sont en faveur des produits 2,5″.

Capacité et coût

Sur le plan de la capacité de stockage, il y a une série d’éléments à prendre en compte avant d’aborder les chiffres et leur signification.

En règle générale, les fabricants de disques durs font tout pour réduire au maximum le nombre de plateaux rotatifs que contiennent leurs produits. Les modèles à un seul plateau sont ainsi particulièrement intéressants sur le marché grand public, où le coût doit impérativement être aussi faible que possible.

Il est cependant nécessaire de passer à plusieurs plateaux pour atteindre une capacité plus élevée ou pour être certain de respecter certaines normes de fiabilité. Le problème pour les disques durs 3,5″ à 15 000 tr/min est qu’ils ont besoin de beaucoup de plateaux pour afficher à la fois des performances élevées et une grande capacité, et que ces plateaux ont un coût ; problème exacerbé par le fait que les modèles 3,5″ à 7200 tr/min affichent trois fois plus de capacité pour trois fois moins cher et que les SSD conquièrent peu à peu le terrain des performances.

Reste donc les capacités intermédiaires, qui représentent la tendance dominante sur le marché professionnel. Et là, on se rend compte que ce sont les disques durs au format 2,5″ qui tirent le mieux leur épingle du jeu : certes, les performances sont légèrement en retrait, mais la consommation, le rendement et le coût compensent largement cette perte, qui est en outre généralement résorbée à la génération de produits suivante. Les modèles 2,5″ à 10 000 tr/min actuels atteignent 200 Go par plateau, ce qui permet à Seagate et Toshiba de proposer des produits à 300, 450 et 600 Go ; Hitachi ne devrait pas tarder à faire de même.

Les 3,5″ professionnels : capacité…

Sachant que l’on case dans un rack bien plus de disques durs 2,5″ que de disques durs 3,5″, il apparaît rapidement que les premiers permettent d’atteindre une densité de stockage et un rendement par gigaoctet bien plus intéressants. Dans tous les cas, deux disques durs 2,5″ de 300 Go à 10 000 tr/min montés en RAID sont plus performants qu’un seul disque dur 3,5″ de 600 Go à 15 000 tr/min, alors que le coût et la consommation sont comparables.

…ET performances

Il est certain qu’à l’heure actuelle, il faut encore plusieurs disques durs 2,5″ pour arriver aux niveaux de performances, de capacité ou de rendement des modèles 3,5″. Dans le cas des grands environnements, cependant, ce n’est pas nécessairement un problème, dans la mesure où l’on ne réfléchit plus tant en termes de disques durs pris individuellement qu’en termes d’unités JBOD complètes. Prenons un exemple simple :

Nous devons concevoir pour un serveur de fichiers un système de stockage capable de gérer à tout moment 1000 opérations d’E/S par seconde et de fournir au minimum 3 To de capacité nette totale. L’idéal serait un module stockage sur 1U ; ce qui correspond à quatre disques durs 3,5″. Au vu des produits actuellement disponibles sur le marché, nous pourrions donc disposer de quatre disques durs de 600 Go à 15 000 tr/min ; pas de problème pour les performances, mais nous n’atteignons pas la capacité requise. Il serait possible de passer à un module sur 2U pour pouvoir poser plus de disques, mais cela augmenterait le coût. L’alternative ? Un module stockage sur 1U capable de contenir 10 disques durs 2,5″. Nous y installons six disques durs de 600 Go à 10 000 tr/min tels que notre Toshiba MBF2600RC ; montés en RAID5, ils nous donnent à la fois la capacité et les performances requises, et ce, pour un coût et une consommation réduits et avec un rendement énergétique bien supérieur à celui de la solution 3,5″.

Pour conclure cet exemple, voyons ce qu’il aurait donné avec des SSD. Certes, un seul suffirait pour répondre au critère de performances, mais il en faudrait au moins 24 (à 128 Go l’unité) pour atteindre l’objectif de capacité. Et encore, nous n’avons pas encore de redondance. Si l’on ajoute le RAID, les contrôleurs compatibles, les armoires et les boîtiers de stockage, la question du coût… bref, inutile d’aller plus loin, c’est totalement impraticable.

Serveurs en rack

Examinons de plus près la question du nombre de disques durs que l’on peut installer dans un serveur en rack typique. Les chiffres suivants correspondant à des boîtiers dans lesquels on insère uniquement des disques par l’avant. Il existe des modèles dans lesquels on peut les insérer à l’avant et à l’arrière, mais ils sont toujours destinés à une utilisation bien spécifique (souvent du JBOD). Il y a également des produits plus polyvalents, offrant par exemple deux systèmes différents dans le même boîtier, la possibilité d’insérer un lecteur de disques optiques, un panneau d’interfaces, etc. Et certains produits n’acceptent pas autant de disques durs que ce que nous indiquons ci-dessous.

Les serveurs au format 2U peuvent héberger 20 disques 2,5″ installés horizontalement ou 24 disques installés verticalement. Notons que les fonds de paniers et les baies prennent moins de place que sur les systèmes 3,5″, les disques 2,5″ affichant des dimensions bien plus petites.

Les produits 3U acceptent généralement 16 disques 3,5″ ; les boîtiers 2,5″ de 3U et plus sont rares, ce qui se comprend au vu de la capacité déjà très importante des modèles 2U.

Solutions spécialisées et serveurs lames

Solutions spécialisées

Il existe des solutions spécialisées qui permettent de concentrer un maximum de capacité de traitement dans un minimum d’espace. C’est par exemple le cas du Supermicro SC809T-1200B, un boîtier 1U contenant deux serveurs assortis de quatre baies 2,5″ chacun. Les commandes des serveurs devant être placées à l’avant, ce système ne peut évidemment pas accueillir les 10 disques 2,5″ qu’un boîtier 1U normal peut physiquement accueillir.

Serveurs lames

La photo ci-dessus est celle d’un petit serveur 12U composé de trois éléments : un ordinateur 4U en bas, un boîtier 7U contenant 10 lames au milieu et un serveur en rack 2U en haut.

Les lames sont toujours fournies en boîtiers de 7U pouvant contenir jusqu’à 10 serveurs ou modules. La grosse différence par rapport aux serveurs en rack est que ces derniers ont toujours leur propre alimentation et leur propre interface réseau, alors que sur les lames, ces éléments sont communs. Il s’agit de loin du moyen le plus efficace pour augmenter la densité de stockage (ou de traitement).

C’est là qu’apparaît l’un des plus gros avantages des disques durs 2,5″ sur les modèles 3,5″ : ces derniers ne passent pas dans les lames ; tous les serveurs de ce type sont équipés de disques 2,5″, qui prennent non seulement moins de place, mais consomment également moins. On peut installer jusqu’à 60 disques dans un boîtier de 10 lames, ce qui, avec des Toshiba MBF2600RC, donnerait une consommation totale de 426 watts en charge (60 x 7,1 watts). Un chiffre qui n’est pas à prendre comme la consommation de pointe mais bien comme une simple estimation de départ ; en 3,5″, le même nombre de disques nécessiterait au minimum un boîtier 9U et 744 watts.

La plupart des lames peuvent accueillir trois ou six disques durs 2,5″, ce qui permet de mettre en place un système de redondance et d’obtenir des performances correctes.

Configuration de test et courbes de débit

Courbe de débit :Fujitsu MBA3147RC

Courbe de débit :Toshiba MBF2600RC

Débits

Débit en lecture

Débit en écriture

Débit moyen en streaming (lecture/écriture)

Débit du cache

Performances en E/S et temps d’accès

Profil « base de données »

Profil « serveur de fichiers »

Profil « serveur web »

Profil « station de travail »

Lecture en streaming (opérations/s)

Écriture en streaming (opérations/s)

Temps d’accès (lecture/écriture)

Performances applicatives (PCMark Vantage)

Ne perdons pas de vue le fait que PCMark Vantage n’est absolument pas un outil de benchmark destinés aux serveurs. Ses tests disques durs sont toutefois utiles lorsqu’il s’agit de faire apparaître les différences entre plusieurs modèles. Les résultats obtenus dépendent plus du débit que des performances en E/S.

Chargement des applications

Performances dans les jeux

Édition vidéo

Applications Windows

Démarrage de Windows

Score global

Température, consommation et rendement

Température de surface

La température ne varie pas vraiment, le modèle 3,5″ disposant d’une surface de dissipation bien plus importante.

Consommation au repos

3,5 watts d’un côté, 7,8 watts de l’autre ; la différence est considérable quand on sait que les performances ne varient pas du tout dans les mêmes proportions.

Consommation en lecture séquentielle

Même constat pour la consommation en débit séquentiel : 6,1 watts contre 11,3 watts, avantage pour modèle 2,5″.

Consommation en lecture vidéo

Le Toshiba MBF2600RC 2,5″ est très proche de sa consommation au repos lorsqu’il doit fournir un débit constant mais limité. Le Fujitsu MBA3147RC 3,5″ à 15 000 tr/min, par contre, s’approche plus de sa consommation de pointe.

Efficacité énergétique (lecture séquentielle)

C’est ici que le modèle 2,5″ dévoile son jeu : ses performances de débit par watts sont plus de deux fois supérieures à celles du modèles 3,5″ haute vitesse.

Efficacité énergétique (lecture/écriture aléatoire)

L’écart de rendement en mode « station de travail » est moins important, mais toujours nettement en faveur du disque dur 2,5″.

Conclusion

Nous simplifierions si nous disions que les disques durs 2,5″ sont supérieurs aux modèles 3,5″ : ils ne sont pas meilleurs dans tous les domaines et il faut tenir compte de certaines données comme la densité de stockage et la vitesse de rotation. La situation se résume cependant très facilement : ces prochaines années, les disques durs 3,5″ à 7200 tr/min vont continuer à dominer le segment « haute capacité », et les modèles 2,5″ vont de plus en plus s’imposer dans les serveurs (le Toshiba MBF2600RC que nous avons utilisé pour ce comparatif n’est qu’un simple exemple, mais il es représentatif). Les SSD, quant à eux, vont peu à peu prendre de l’importance, mais resteront dans un premier temps cantonnés au segment des performances, où ils vont remplacer les disques durs 15 000 tr/min.

Avant toute chose, il faut rappeler que la vitesse de rotation (et la technologie employée) déterminent les performances en débit. Les performances en E/S, par contre, dépendent plus de la vitesse de mouvement des têtes de lecture/écriture, qui commence à atteindre certaines limites physiques. Dans les disques durs pour entreprises, le diamètre des plateaux est généralement identique, que l’on parle de modèles 3,5″ ou 2,5″, ce qui signifie que les performances en E/S ne varient pour ainsi dire pas. D’après nos tests, le Fujitsu 3,5″ n’est plus rapide que le Toshiba 2,5″ que parce qu’il tourne à 15 000 tr/min au lieu de 10 025 tr/min, ce qui veut dire que sa latence de rotation est plus faible. Un mot sur l’interface : le SAS 6 Gbit/s n’a d’avantages sur le 3 Gbit/s que dans le cas des connexions entre les unités JBOD ou les fonds de paniers et le contrôleur ; cela ne change rien quand on parle de disques pris individuellement.

Tout bien considéré, il n’est pas si difficile de comprendre pourquoi les entreprises abandonnent de plus en plus les disques durs 3,5″ au profit des modèles 2,5″. On en met généralement deux fois plus dans un même volume de rack, ils sont les seuls à pouvoir rentrer dans les lames, leur consommation réduite pour des performances pratiquement identiques leur confèrent un rendement énergétique bien plus élevé, et leurs faibles dimensions leur permettent d’afficher une capacité de stockage deux fois plus importante…