Gagnez en performances en découpant votre disque dur

Introduction

Les SSD sont la coqueluche du moment. Si l’on en croit ce qu’on peut lire sur de multiples sites Internet, les disques à mémoire flash sont sur le point de prendre le contrôle du marché du stockage. Ils sont perçus comme plus efficaces, plus rapides que les disques durs – et peut-être un poil plus chers. La vérité est quelque peu différente cependant ; la mémoire flash n’a toujours qu’une toute petite part de marché, pour de nombreuses raisons. Le bon vieux disque dur n’est pas encore mort, et nous allons lui donner encore un autre argument : la technologie dite du “Short Stroking”.

HDD Vs. SSD

Permettez-nous de clarifier un point : nous n’avons pas de parti pris en faveur des disques durs ou des SSD. Chaque technologie a ses propres avantages et inconvénients, et chacune peut trouver sa place lorsqu’elle est déployée de manière intelligente. Les avantages des SSD sont des temps d’accès quasiment inexistants, et de très hautes performances d’entrées/sorties. En outre, la mémoire Flash est devenue abordable pour des capacités inférieures à 32 Go. Enfin, les SSD peuvent se montrer étonnamment économes en énergie.
 
Malheureusement, beaucoup de SSD actuellement sur le marché ne sont pas encore au point. Pour comprendre pourquoi, il vous faut comprendre la différence entre mémoire MLC et mémoire SLC. La MLC (Multi-Level Cell) est très efficace en lecture des données, mais n’est pas du tout adaptée si l’on cherche de grandes vitesses d’écriture, surtout si ces écritures se font à des positions aléatoires. La Flash SLC est supérieure, mais aussi plus onéreuse. Certains disques à mémoire MLC sont très abordables, mais les SSD réellement performants, en SLC, sont toujours très coûteux.

La consommation énergétique et la fiabilité sont deux problèmes supplémentaires. Le niveau de performance et le rendement énergétique dépendent en grande partie de la qualité du contrôleur utilisé. Certains produits disponibles aujourd’hui sont exceptionnels, mais l’exception a un coût.

Les disques durs résistent

Les disques durs conventionnels sont devenus extrêmement bon marché, un disque dur de 1 To coûtant aujourd’hui moins de 100 €. Leur très grande capacité, leur bas prix et leur omniprésence sont les meilleures raisons de continuer à utiliser des disques durs. Et bien qu’ils constituent un mélange de composants magnétiques, mécaniques et électroniques, les disques durs sont généralement fiables et robustes. Les disques “qualité entreprise” doivent passer des tests de torture et obtenir des certifications très strictes avant d’être employés pour des usages critiques. Au contraire, la fiabilité des SSD sur le long terme est toujours incertaine, par manque de recul sur cette technologie récente, ce qui pousse nombre d’entreprises à l’éviter.

Compenser le handicap physique

Le principal inconvénient des disques durs est le retard induit par le temps que mettent les têtes de lecture à entrer en mouvement. Si ce n’est pas un problème pour les opérations de lecture ou d’écriture séquentielles – un point sur lequel les disques sont encore souvent plus rapides que les SSD d’entrée ou de milieu de gamme -, cela handicape grandement les performances lors d’opérations de lecture ou d’écriture aléatoires.

Lorsqu’il s’agit d’accéder à des informations dispersées sur la totalité de la surface du disque, même les plus rapides des disques durs à 15 000 tr/min peuvent voir leur débit tomber de 150 Mo/s à quelques kilooctets par seconde. Autrement dit, le disque perd le plus clair de son temps à repositionner ses têtes. Ne pourrait-on pas limiter ces déplacements ? Justement, on peut ! Nous allons examiner dans cet article une méthode appelée “Short Stroking” (frappe courte), et visant à minimiser l’activité mécanique des disques en limitant artificiellement leur capacité.

Le Short Stroking, comment ça marche

Les SSD à base de mémoire Flash SLC sont supérieurs à n’importe quel disque dur sur des tâches d’accès aléatoires intensifs tels que des requêtes de bases de données, de serveurs Web ou de stations de travail. Dans ces cas-là, les disques durs sont typiquement capables d’assurer quelques centaines d’opérations d’E/S par seconde au maximum, alors que les SSD peuvent atteindre plusieurs milliers d’E/S par seconde. Plus le nombre de transactions à servir augmente, plus la différence s’accroit. Les baies de disques durs deviennent alors obsolètes. Dans celles-ci, les dizaines de disques durs seront progressivement remplacées par quelques SSD. Cette transition s’accompagnera en outre d’économies d’énergie significatives.

Cependant, toutes les applications de stockage en ligne ne nécessitent pas des performances maximales, et la plupart des consommateurs préfère la fiabilité à la performance à tout prix. C’est un avantage incontournable des disques durs conventionnels.

Définir le champ d’application

Le “Short stroking” a pour but de minimiser les délais de repositionnement des têtes de lecture néfastes aux performances, en minimisant la surface utilisée sur chaque plateau. Prenons un exemple simple : un disque dur de 1 To peut-être fait de trois plateaux de 333 Go chaque. Si on utilise seulement 10 % de la capacité, en se limitant aux secteurs situés sur la périphérie des plateaux qui sont les plus rapides, les têtes auront beaucoup moins de déplacement à effectuer.

Évidemment, la première conséquence du “Short stroking” est la diminution de la capacité. Dans notre exemple, chaque plateau serait limité à 33 Go, pour un total de 100 Go. Mais cela est compensé par des temps d’accès nettement plus courts, et des performances d’E/S fortement améliorées, le disque ayant beaucoup moins “d’activité physique” à faire.

Considérations liminaires

La réduction de la capacité de stockage ne nous semble pas un problème. Le but ici est de maximiser les performances. Et puis les capacités disponibles aujourd’hui sont bien suffisantes. Qui plus est, la capacité des SSD “qualité entreprise” est généralement limitée aussi à 32 Go. En outre, le short stroking est généralement appliqué à des baies de multiples disques durs en RAID, donc la capacité totale peut être fixée selon les besoins.
Le short stroking peut en outre avoir un impact positif sur la durée de vie des disques durs, la réduction du nombre de déplacements des têtes diminuant l’usure globale de la mécanique. Mais assez de considérations théoriques, voyons ce que cela donne en pratique.

Les candidats au test : Ultrastar 15K450 et Deskstar 7K1000.B

Lors de l’élaboration de ce test, nous avons discuté avec Hitachi. La société s’est rapidement montrée intéressée et a souhaité nous aider. Nous avons donc reçu quatre disques durs serveurs SAS Ultrastar 15K450 de 450 Go chaque, mais aussi quatre disques durs “normaux” Deskstar 7K1000.B de 250 Go. Et Hitachi nous a fourni un utilitaire logiciel appelé Niagara, qui nous a permis de paramétrer très facilement nos disques, en sélectionnant quels secteurs devaient être utilisés pour stocker les données. Examinons tout d’abord les disques et le fonctionnement de l’utilitaire Niagara avons de passer aux benchmarks.

Hitachi Ultrastar 15K450, 450 Go, SAS/300

L’Ultrastar 15K450 est disponible depuis quelque temps. Son test date d’août 2008, mais gardez à l’esprit que la durée de vie commerciale des produits d’entreprise est plus longue que celles des produits grand public. Hitachi offre des modèles de 450 Go, 300 Go, et 147 Go, tous équipés d’un tampon de 16 Mo et tournant à 15 000 tr/min. Les résultats les plus impressionnants sont les débits de 157 Mo/s en lecture et 140 Mo/s en écriture. Seuls les SSD de dernière génération peuvent faire mieux, et il faut vraiment choisir un SSD rapide pour dépasser le débit minimum de 98 Mo/s de l’Ultrastar.

Sans aucun doute, il s’agit d’un excellent disque dur, qui ne perd la face devant les meilleurs SSD que par la faute de ses temps d’accès. Dans notre test original, nous avions mesuré un temps d’accès moyen de 5,9 ms. Cette fois, nous avons mesuré 6,0 ms, ce qui ne fait pas beaucoup de différence. Sans vouloir déflorer le suspens, disons tout de suite que l’utilisation du short stroking nous a permis de diviser ce chiffre par deux. C’est bien sûr toujours très loin des 0,1 ms et moins atteints par les SSD, mais cela fait une énorme différence en pratique. Les débits profitent également du short stroking, les minimums se rapprochant agréablement des maximums.

Hitachi Deskstar 7K1000.B, 250 Go, SATA/300

Nous allons également tester le disque grand public Deskstar 7K1000.B, puisque ces modèles sont de plus en plus utilisés par les entreprises pour certaines applications où la capacité maximum prime sur la performance. Pour ces besoins, Hitachi comme Seagate ont lancé des versions légèrement modifiées, comme les Ultrastar A7K1000 ou la famille des Barracuda ES, qui sera d’ailleurs bientôt remplacée par la gamme Constellation. Le Deskstar 7K1000.B est disponible dans plusieurs capacités, jusqu’à 1 To. Nous disposions de la version 250 Go pour ce test, qui est vraiment très bon marché. Par conséquent, constituer une grappe RAID de six de ces disques, voire plus, peut se faire à un coût très raisonnable. Le 7K1000.B est la seconde génération des disques “téraoctet” de Hitachi, et bien qu’il n’atteigne pas les temps d’accès records des modèles “entreprise” du constructeur, ses débits et sa consommation sont très bons. 

Niagara, la clé du Short Stroking

L’utilitaire Niagara 2.2.9.0 est léger, et ne requiert aucune installation. Il n’est à notre connaissance disponible que pour les clients grands comptes d’Hitachi, pas encore pour le grand public. Cela dit, cet utilitaire n’est requis que pour les disques durs à interface SAS. On peut obtenir à peu près les mêmes résultats via l’utilitaire Hitachi Feature Tool, disponible au téléchargement sur hitachigst.com. Une fois le programme lancé, il est logique de commencer par protéger les disques que l’on ne souhaite pas modifier. Cette étape est très utile et empêche de commettre des erreurs dans des configurations à multiples disques durs. Les paramètres sélectionnés par la suite ne seront appliqués qu’aux disques non protégés.

Re-Formater

Niagara offre plusieurs fonctions, y compris un auto-test des disques et quelques options de configuration. Le processus de formatage, indispensable dans le cadre du short stroking, n’est pas très simple, mais reste logique. Il faut d’abord sélectionner le bouton “format” pour passer à l’étape suivante, et formater le disque en le limitant à un certain nombre de blocs. Sur la capture d’écran ci-dessous, nous avons sélectionné l’intégralité des blocs du disque, ce qui résulte en un total de 450 Go.

Dans cet exemple, nous formatons 879 097 968 blocs, de 512 octets chaque, ce qui fait donc 450 098 158 616 octets. Comme vous le savez, pour les fabricants de disques durs, 1 kilooctet égale 1000 octets, par conséquent un disque de 450 milliards d’octets fait 450 Go. La capacité réelle n’est cependant que 419,19 Gio, où 1 Gio = 1024 octets. Vieux débat.

Nous avons formaté notre 15K450 de 450 Go de trois manières différentes, pour atteindre soit 450 Go (100 % de la capacité nominale), soit 44 Go (10 %) ou 20 Go (4 %). La capture d’écran suivante montre le disque limité à 44 Go. Cette configuration nous fut recommandée par Hitachi, car elle couvre les trois premières zones du 15K450.

Dans cet exemple, seuls 90 151 200 blocs de 512 octets sont formatés, pour un total de 44 Go.

Nous avons rencontré un seul problème durant ce processus : l’utilitaire refusait de reformater les disques SAS lorsqu’ils étaient branchés à notre carte contrôleur RAID Adaptec 5805. La remplacer par un contrôleur SAS non-RAID Adaptec 48300 résolut ce problème.

Résultat du formatage pour Short Stroking

Et voilà à quoi nos disques ressemblent une fois formatés avec 20 Go ou 44 Go de capacité. Nous aurions pu choisir d’autres capacités, mais nous avons décidé dans un premier temps de nous limiter à ces deux capacités.

Et via l’Hitachi Feature Tool ?

Comme nous l’avons mentionné, l’utilitaire Niagara ne fonctionne pas sur les disques grand public SATA tels que les Deskstar 7K1000.B. Pour ceux-là, il nous a fallu recourir au Hitachi Feature Tool, téléchargeable sur Hitachigst.com. Cet utilitaire ne manipule pas les blocs LBA, mais directement la capacité globale, ce qui rend son utilisation un peu plus facile. Les résultats sont les mêmes cependant. nous avons configuré nos 7K1000.B avec des capacités de 250 Go (100 %), 33 Go (13 %) et 12 Go (5 %).

Configuration de test, SSD Flash et temps d’accès

Des SSD pour référence

Comme point de comparaison, nous avons choisi deux SSD : le Mtron Pro 7500, un modèle 3,5″ “entreprise” en mémoire SLC, et un modèle Samsung 64 Go plus grand public, trouvé par exemple dans les PC portables Lenovo X300.

Temps d’accès

Bien que le short stroking ne mette pas les disques durs à égalité avec les SSD, nous avons constaté qu’il diminuait le temps d’accès des modèles SAS de 40 %, et même de 50 % celui des modèles SATA. Ces gains sont similaires lorsque les disques sont configurés en grappe RAID. Puisqu’il est illusoire d’espérer que les futurs disques durs aient des temps d’accès inférieurs aux modèles actuels, le short stroking apparaît comme le meilleur moyen d’améliorer les temps d’accès de manière notable. Il permet même à un disque tout à fait standard comme le 7K1000.B de dépasser les disques durs à 10 000 tr/min !

Débits

Alors que les débits de lecture et d’écriture bénéficient très peu du short stroking en moyenne, les taux de transfert minimums progressent de manière étonnante. Un disque comme l’Ultrastar 15K450  tombent classiquement de 160 Mo/s maximum à 100 Mo/s. Mais lorsqu’on limite sa capacité par le short stroking, le débit minimum reste très proche du maximum, ce qui garantit la meilleure vitesse, à tout moment.

Performances d’E/S : UltraStrar 15K450

Examinons tout d’abord les performances des disques durs 15 000 tr/min. Voici les résultats obtenus lorsqu’ils sont configurés à 450 Go, 44 Go, et 20 Go de capacité.

Réduire la liberté de mouvements des têtes de lecture en limitant la capacité du disque a un impact impressionnant : les performances d’E/S sur les trois tests “base de données”, “serveur de fichiers”, et “station de travail” doublent littéralement lorsque le nombre de requêtes simultanées est élevé. Et même avec des requêtes uniques, la rapidité augmente de 65 %. Et dans le cas type “serveur de fichiers”, on peut même gagner plus que 100 %. Ces gains sont bien plus élevés que ce que n’importe quelle nouvelle génération de disques durs pourrait apporter.

Performances d’E/S : Deskstar 7K1000.B

Les bénéfices constatés sur les disques 7 200 tr/min Deskstar 7K1000.B ne sont pas aussi significatifs que dans le cas des Ultrastar 15K450, car plus le disque est rapide, plus il peut tirer parti de la réduction de l’amplitude de déplacement des têtes. Mais moindre ne veut pas dire nul. Voyez plutôt.

La performance d’E/S augmente de 40 % à 60 % sur le Deskstar 7K1000.B.

Disques durs en RAID contre SSD

Nous voilà rendus aux tests sans doute les plus importants de cet article. Intéressons-nous aux performances de nos disques durs short stroked lorsqu’ils sont utilisés seuls, ou assemblés en grappe RAID 0 de deux et quatre disques. Nous les opposerons alors aux deux SSD Mtron et Samsung. Dans les graphiques qui suivent, nous n’avons montré que les configurations short stroked les plus rapides.

N’est-ce pas agréable de constater qu’une grappe d’au moins deux disques durs grand public short stroked peuvent faire mieux qu’un seul SSD dans ce test type “base de données” ?

Les SSD à mémoire Flash se comportent mieux dans le test “serveur de fichiers”, puisqu’il faut au moins quatre disques durs pour battre un unique SSD. Mais le coût de quatre disques durs et d’un contrôleur RAID reste nettement inférieur à celui d’un de ces SSD.

Pas de contestation possible ici : les SSD enterrent tout simplement les disques durs RAID ou pas, short stroking ou pas, quand la charge simule celle d’un serveur Web, constituée en majorité de lectures aléatoires de petits blocs de données. Le short stroking améliore bien sûr les choses, mais les SSD sont largement hors de portée.

Le test “station de travail” révèle par contre que quatre disques durs short stroked en RAID 0 peuvent dépasser un SSD. Insistons encore sur le facteur coût : quatre disques SATA de 250 Go très bon marché vous reviendront moins cher qu’un SSD, tout en offrant une plus grande capacité, même une fois castrés par le short stroking.

Performances d’E/S : les moyennes

Conclusion

Les résultats de nos tests sont une vraie révélation. Bien qu’il ne fasse aucun doute que les disques durs magnéto-mécaniques traditionnels n’auront plus aucune chance face aux futurs SSD, il est étonnant de constater qu’une légère optimisation logicielle est suffisamment puissante pour augmenter leurs performances d’E/S d’au moins quelques pour cent, voire carrément la doubler. Gardez à l’esprit que nous ne parlons ici que des performances d’E/S, des temps d’accès, qui sont les critères les plus importants pour refléter la réactivité d’un système au démarrage, au lancement d’applications, ou pour des serveurs. Les débits séquentiels peuvent bénéficier du Short Stroking, mais ils ne progressent pas de manière flagrante.

Le prix de la performance

Nos tests ne remettent pas en cause le fait qu’un seul SSD digne de ce nom sera plus performant que n’importe quelle grappe de disques durs même Short Stroked. Cependant, le coût total doit être pris en compte. À l’heure actuelle, un disque dur Hitachi 7K1000.B de 250 Go peut se trouver pour une quarantaine d’euros, voire moins. En prendre quatre, limiter leur capacité à un niveau raisonnable, et les assembler en grappe RAID 0 ou 5 vous permettra d’au moins tripler le débit maximum, tout en multipliant les performances d’E/S. Un SSD aussi abordable que ce montage (160 €), d’une capacité équivalente, si cela peut se trouver, ne pourra très probablement pas délivrer des performances comparables. Au vu des résultats que la plupart des SSD à bas prix ont obtenus dans nos comparatifs précédents, nous ne vous les recommandons vraiment pas.

Vous avez besoin du RAID

Bien sûr, tout ceci n’est valable que si vous pouvez utiliser le RAID, mais même des cartes mères de milieu ou d’entrée de gamme offrent cette possibilité de nos jours. Le RAID 0 n’est envisageable que pour des données non sensibles, si vous souhaitez la vitesse maximum. Pour une partition système, vous devriez plutôt opter pour le RAID 5 ou le RAID 10, afin d’être sûr que votre système survivra au crash de l’un des disques.

Le short stroking c’est puissant

De notre point de vue, le short stroking n’est pas seulement intéressant pour des configurations neuves. Il est également une très bonne solution pour donner une seconde jeunesse à un serveur ou une station de travail existante, une fois que l’on a déterminé la capacité dont on a vraiment besoin. Si sur un serveur critique, seul un tiers ou moins de la capacité de stockage totale est utilisée, nous vous recommandons chaudement de penser à sacrifier quelques gigaoctets en échange de meilleures performances d’E/S. Cela vous permettra peut-être de retarder une mise à jour matérielle de quelques mois, ce qui n’est probablement pas ce que souhaitent les constructeurs de disques durs, mais ce qui nous paraît une bonne idée dans le contexte économique présent.