Características de rendimiento de la unidad de disco duro

El mayor rendimiento de los discos duros proviene de dispositivos que tienen mejores características de rendimiento. ^{[1] [2]} Estas características de rendimiento se pueden agrupar en dos categorías: tiempo de acceso y tiempo (o velocidad) de transferencia de datos. ^[3]

El tiempo de acceso o tiempo de respuesta de una unidad rotatoria es una medida del tiempo que tarda la unidad en poder transferir datos . Los factores que controlan este tiempo en una unidad rotatoria están relacionados principalmente con la naturaleza mecánica de los discos rotatorios y los cabezales móviles . Está compuesto por unos pocos elementos medibles independientemente que se suman para obtener un único valor al evaluar el rendimiento de un dispositivo de almacenamiento. El tiempo de acceso puede variar significativamente, por lo que normalmente lo proporcionan los fabricantes o lo miden en puntos de referencia como un promedio. ^{[3] [4]}

Los componentes clave que normalmente se suman para obtener el tiempo de acceso son: ^{[2] [5]}

• Busca tiempo
• Latencia rotacional
• Tiempo de procesamiento del comando
• Hora de asentarse

En el caso de las unidades rotatorias, el tiempo de búsqueda mide el tiempo que tarda el conjunto de cabezales en el brazo del actuador en llegar a la pista del disco donde se leerán o escribirán los datos. ^[5] Los datos del medio se almacenan en sectores que están dispuestos en pistas circulares paralelas ( concéntricas o espirales según el tipo de dispositivo ) y hay un actuador con un brazo que suspende un cabezal que puede transferir datos con ese medio. Cuando la unidad necesita leer o escribir un determinado sector, determina en qué pista se encuentra el sector. ^[6] Luego, utiliza el actuador para mover el cabezal a esa pista en particular. Si la ubicación inicial del cabezal era la pista deseada, el tiempo de búsqueda sería cero. Si la pista inicial era el borde más externo del medio y la pista deseada estaba en el borde más interno, entonces el tiempo de búsqueda sería el máximo para esa unidad. ^{[7] [8]} Los tiempos de búsqueda no son lineales en comparación con la distancia de búsqueda recorrida debido a factores de aceleración y desaceleración del brazo del actuador. ^[9]

El tiempo de búsqueda promedio de una unidad giratoria es el promedio de todos los tiempos de búsqueda posibles, que técnicamente es el tiempo para realizar todas las búsquedas posibles dividido por el número de todas las búsquedas posibles, pero en la práctica se determina mediante métodos estadísticos o simplemente se aproxima como el tiempo de una búsqueda sobre un tercio del número de pistas. ^{[5] [7] [10]}

El primer HDD ^[11] tenía un tiempo de búsqueda promedio de aproximadamente 600 ms. ^[12] y a mediados de la década de 1970, los HDD estaban disponibles con tiempos de búsqueda de aproximadamente 25 ms. ^[13] Algunas de las primeras unidades de PC usaban un motor paso a paso para mover los cabezales y, como resultado, tenían tiempos de búsqueda tan lentos como 80-120 ms, pero esto se mejoró rápidamente con la actuación de tipo bobina móvil en la década de 1980, reduciendo los tiempos de búsqueda a alrededor de 20 ms. El tiempo de búsqueda ha seguido mejorando lentamente con el tiempo.

Las unidades de servidor de alta gama más rápidas de la actualidad tienen un tiempo de búsqueda de alrededor de 4  ms . ^[14] Algunos dispositivos móviles tienen unidades de 15 ms, siendo las unidades móviles más comunes de alrededor de 12 ms ^[15] y las unidades de escritorio más comunes suelen rondar los 9 ms.

Otras dos medidas de búsqueda a las que se hace referencia con menos frecuencia son la de pista a pista y la de carrera completa . La medida de pista a pista es el tiempo necesario para pasar de una pista a una pista adyacente. ^[5] Este es el tiempo de búsqueda más corto (más rápido) posible. En los discos duros, este suele estar entre 0,2 y 0,8 ms. ^[16] La medida de carrera completa es el tiempo necesario para pasar de la pista más externa a la pista más interna. Este es el tiempo de búsqueda más largo (más lento) posible. ^[7]

El término "recorrido corto" se utiliza en entornos de almacenamiento empresarial para describir un HDD que tiene una capacidad total restringida a propósito, de modo que el actuador solo tiene que mover los cabezales a lo largo de un número menor de pistas en total. ^[17] Esto limita la distancia máxima a la que pueden estar los cabezales desde cualquier punto de la unidad, lo que reduce su tiempo de búsqueda promedio, pero también restringe la capacidad total de la unidad. Este tiempo de búsqueda reducido permite que el HDD aumente la cantidad de IOPS disponibles de la unidad. El costo y la energía por byte utilizable de almacenamiento aumentan a medida que se reduce el rango máximo de pistas. ^{[18] [19]}

Medido en dBA , el ruido audible es significativo para ciertas aplicaciones, como DVR , grabación de audio digital y computadoras silenciosas . Los discos de bajo ruido generalmente utilizan cojinetes de fluido , velocidades de rotación más bajas (generalmente 5400 rpm) y reducen la velocidad de búsqueda bajo carga ( AAM ) para reducir los clics audibles y los crujidos. Las unidades en factores de forma más pequeños (por ejemplo, 2,5 pulgadas) suelen ser más silenciosas que las unidades más grandes. ^[20]

Algunas unidades de disco duro de escritorio y portátiles permiten al usuario hacer un equilibrio entre el rendimiento de búsqueda y el ruido de la unidad. Por ejemplo, Seagate ofrece un conjunto de características en algunas unidades llamadas Sound Barrier Technology que incluyen alguna capacidad de reducción de ruido y vibración controlada por el usuario o el sistema. Los tiempos de búsqueda más cortos suelen requerir un mayor uso de energía para mover rápidamente los cabezales a lo largo del plato, lo que provoca ruidos fuertes del cojinete de pivote y mayores vibraciones del dispositivo a medida que los cabezales se aceleran rápidamente durante el inicio del movimiento de búsqueda y se desaceleran al final del mismo. El funcionamiento silencioso reduce la velocidad de movimiento y las tasas de aceleración, pero a costa de un rendimiento de búsqueda reducido. ^[21]

La latencia rotacional (a veces llamada retraso rotacional o simplemente latencia ) es el retraso de espera para que la rotación del disco lleve el sector de disco requerido debajo del cabezal de lectura-escritura. ^[22] Depende de la velocidad rotacional de un disco (o motor de husillo ), medida en revoluciones por minuto (RPM). ^{[5] [23]} Para la mayoría de las unidades basadas en medios magnéticos, la latencia rotacional promedio se basa típicamente en la relación empírica de que la latencia promedio en milisegundos para dicha unidad es la mitad del período rotacional. La latencia rotacional máxima es el tiempo que lleva hacer una rotación completa excluyendo cualquier tiempo de giro (ya que la parte relevante del disco puede haber pasado justo por el cabezal cuando llegó la solicitud). ^[24]

• Latencia máxima = 60/rpm
• Latencia media = 0,5*Latencia máxima

Por lo tanto, la latencia rotacional y el tiempo de acceso resultante se pueden mejorar (disminuir) aumentando la velocidad rotacional de los discos. ^[5] Esto también tiene el beneficio de mejorar (aumentar) el rendimiento (que se analiza más adelante en este artículo).

La velocidad del motor del husillo puede utilizar uno de dos tipos de métodos de rotación del disco: 1) velocidad lineal constante (CLV), utilizada principalmente en almacenamiento óptico, varía la velocidad de rotación del disco óptico dependiendo de la posición del cabezal, y 2) velocidad angular constante (CAV), utilizada en discos duros, unidades de disco flexibles estándar, algunos sistemas de discos ópticos y discos de audio de vinilo , hace girar el medio a una velocidad constante independientemente de dónde esté posicionado el cabezal.

Otro problema surge cuando las densidades de bits de la superficie son constantes o no. Por lo general, con una velocidad de giro CAV, las densidades no son constantes, de modo que las pistas externas largas tienen la misma cantidad de bits que las pistas internas más cortas. Cuando la densidad de bits es constante, las pistas externas tienen más bits que las pistas internas y generalmente se combina con una velocidad de giro CLV. En ambos esquemas, las velocidades de transferencia de bits contiguos son constantes. Este no es el caso con otros esquemas, como el uso de una densidad de bits constante con una velocidad de giro CAV.

El consumo de energía se ha vuelto cada vez más importante, no solo en dispositivos móviles como computadoras portátiles sino también en los mercados de servidores y computadoras de escritorio. El aumento de la densidad de máquinas en los centros de datos ha provocado problemas para suministrar suficiente energía a los dispositivos (especialmente para el arranque ) y deshacerse del calor residual producido posteriormente, así como preocupaciones ambientales y de costos eléctricos (consulte computación ecológica ). La mayoría de las unidades de disco duro actuales admiten alguna forma de administración de energía que utiliza una serie de modos de energía específicos que ahorran energía al reducir el rendimiento. Cuando se implementa, un HDD cambiará entre un modo de energía completa a uno o más modos de ahorro de energía en función del uso de la unidad. La recuperación del modo más profundo, generalmente llamado Suspensión donde la unidad se detiene o se reduce la velocidad de giro , puede tardar varios segundos en estar completamente operativa, lo que aumenta la latencia resultante. ^[25] Los fabricantes de unidades también están produciendo unidades ecológicas que incluyen algunas características adicionales que reducen la energía, pero pueden afectar negativamente la latencia, incluidas velocidades de husillo más bajas y cabezales de estacionamiento fuera del medio para reducir la fricción. ^[26]

ElEl tiempo de procesamiento de comandos osobrecarga de comandoses el tiempo que tarda la electrónica de control en establecer la comunicación necesaria entre los distintos componentes del dispositivo para poder leer o escribir los datos. Este tiempo es del orden de 3μs, mucho menor que otros tiempos de sobrecarga, por lo que generalmente se ignora al realizar pruebas comparativas de hardware.^[2][27]

ElEl tiempo de asentamiento es el tiempo que tardan los cabezales enasentarseen la pista de destino y dejar de vibrar para no leer ni escribirfuera de la pista. Este tiempo suele ser muy pequeño, normalmente menos de 100 μs, y los fabricantes de discos duros modernos lo tienen en cuenta en sus especificaciones de tiempo de búsqueda.^[28]

La tasa de transferencia de datos de una unidad (también llamada rendimiento ) cubre tanto la tasa interna (que mueve los datos entre la superficie del disco y el controlador de la unidad) como la tasa externa (que mueve los datos entre el controlador de la unidad y el sistema host). La tasa de transferencia de datos medible será la más baja (más lenta) de las dos tasas. La tasa de transferencia de datos sostenida o el rendimiento sostenido de una unidad será la más baja de las tasas interna y externa sostenida. La tasa sostenida es menor o igual que la tasa máxima o de ráfaga porque no tiene el beneficio de ninguna memoria caché o búfer en la unidad. La tasa interna está determinada además por la tasa del medio, el tiempo de sobrecarga del sector, el tiempo de conmutación del cabezal y el tiempo de conmutación del cilindro. ^{[5] [29]}

Tarifa de medios

Velocidad a la que la unidad puede leer bits de la superficie del medio.

Tiempo de sobrecarga del sector

Tiempo adicional (bytes entre sectores) necesario para las estructuras de control y otra información necesaria para administrar la unidad, localizar y validar datos y realizar otras funciones de soporte. ^[30]

Tiempo de cambio de cabeza

Se requiere tiempo adicional para cambiar eléctricamente de un cabezal a otro, realinear el cabezal con la pista y comenzar a leer; solo se aplica a unidades de cabezales múltiples y es de aproximadamente 1 a 2 ms. ^[30]

Tiempo de conmutación del cilindro

Tiempo adicional necesario para pasar a la primera pista del siguiente cilindro y comenzar a leer; se utiliza el nombre de cilindro porque normalmente se leen todas las pistas de una unidad con más de un cabezal o superficie de datos antes de mover el actuador. Este tiempo suele ser aproximadamente el doble del tiempo de búsqueda de pista a pista. En 2001, era de aproximadamente 2 a 3 ms. ^[31]

La velocidad de transferencia de datos (lectura/escritura) se puede medir escribiendo un archivo grande en el disco utilizando herramientas especiales de generación de archivos y luego leyendo el archivo.

• Según las especificaciones del proveedor, se encuentran disponibles velocidades de transferencia sostenidas de hasta 204 MB/s. ^[32] A partir de 2010 ^[actualizar], un HDD de escritorio típico de 7200 RPM tiene una velocidad de transferencia de datos de "disco a búfer " de hasta 1030 Mbit/s. ^[33] Esta velocidad depende de la ubicación de la pista, por lo que será mayor en las zonas externas (donde hay más sectores de datos por pista) y menor en las zonas internas (donde hay menos sectores de datos por pista); y generalmente es algo mayor para unidades de 10 000 RPM.
• Las unidades de disquete mantienen velocidades de transferencia de datos "de disco a búfer " que son uno o dos órdenes de magnitud inferiores a las de los discos duros.
• Las velocidades sostenidas de transferencia de datos "de disco a búfer " varían entre las familias de unidades de disco óptico: los CD 1x más lentos alcanzan los 1,23 Mbit/s, como un disquete, mientras que una unidad Blu-ray 12x de alto rendimiento a 432 Mbit/s se acerca al rendimiento de los discos duros.

Un estándar ampliamente utilizado actualmente para la interfaz "buffer-a-computadora" es SATA de 3.0 Gbit/s, que puede enviar alrededor de 300 megabytes/s (codificación de 10 bits) desde el buffer a la computadora y, por lo tanto, todavía está cómodamente por delante de las velocidades de transferencia de disco a buffer actuales.

Los SSD no tienen los mismos límites internos que los HDD, por lo que sus tasas de transferencia internas y externas a menudo maximizan las capacidades de la interfaz de la unidad al host.

La velocidad de transferencia puede verse afectada por la fragmentación del sistema de archivos y la disposición de los archivos. La desfragmentación es un procedimiento que se utiliza para minimizar el retraso en la recuperación de datos moviendo los elementos relacionados a áreas físicamente próximas en el disco. ^[34] Algunos sistemas operativos de computadoras realizan la desfragmentación automáticamente. Aunque la desfragmentación automática tiene como objetivo reducir los retrasos en el acceso, el procedimiento puede ralentizar la respuesta cuando se realiza mientras la computadora está en uso. ^[35]

La velocidad de transferencia de datos de los discos duros depende de la velocidad de rotación de los discos y de la densidad de grabación de datos. Debido a que el calor y la vibración limitan la velocidad de rotación, aumentar la densidad se ha convertido en el método principal para mejorar las velocidades de transferencia secuencial. ^[36] La densidad de área (la cantidad de bits que se pueden almacenar en un área determinada del disco) se ha incrementado con el tiempo al aumentar tanto la cantidad de pistas en el disco como la cantidad de sectores por pista. Esto último aumentará la velocidad de transferencia de datos para una velocidad de RPM determinada. La mejora del rendimiento de la velocidad de transferencia de datos se correlaciona con la densidad de área solo al aumentar la densidad de bits de la superficie lineal de una pista (sectores por pista). Simplemente aumentar la cantidad de pistas en un disco puede afectar los tiempos de búsqueda, pero no las velocidades de transferencia brutas. Según los observadores y analistas de la industria para 2011 a 2016, ^{[37] [38]} "La hoja de ruta actual predice no más de un 20%/año de mejora en la densidad de bits". ^[39] Los tiempos de búsqueda no han seguido el ritmo de los aumentos de rendimiento, que a su vez no han seguido el ritmo del crecimiento en la densidad de bits y la capacidad de almacenamiento.

El intercalado de sectores es una característica de los dispositivos que está en su mayor parte obsoleta y que está relacionada con la velocidad de datos. Se remonta a cuando las computadoras eran demasiado lentas para poder leer grandes flujos continuos de datos. El intercalado introducía espacios entre los sectores de datos para dar tiempo a que el equipo lento se preparara para leer el siguiente bloque de datos. Sin el intercalado, el siguiente sector lógico llegaría al cabezal de lectura/escritura antes de que el equipo estuviera listo, lo que obligaría al sistema a esperar otra revolución completa del disco antes de poder realizar la lectura.

Sin embargo, debido a que el intercalado introduce retrasos físicos intencionales entre bloques de datos, lo que reduce la velocidad de datos, establecer el intercalado en una relación mayor que la requerida provoca retrasos innecesarios para el equipo que tiene el rendimiento necesario para leer sectores más rápidamente. Por lo tanto, la relación de intercalado generalmente fue elegida por el usuario final para adaptarse a las capacidades de rendimiento de su sistema informático particular cuando se instaló la unidad por primera vez en su sistema.

La tecnología moderna es capaz de leer datos tan rápido como se pueden obtener de los platos giratorios, por lo que ya no se utiliza el entrelazado.

El consumo de energía se ha vuelto cada vez más importante, no solo en dispositivos móviles como computadoras portátiles, sino también en los mercados de servidores y computadoras de escritorio. El aumento de la densidad de máquinas del centro de datos ha provocado problemas para suministrar suficiente energía a los dispositivos (especialmente para la puesta en marcha) y deshacerse del calor residual producido posteriormente, así como preocupaciones ambientales y de costos eléctricos (ver computación verde ). La disipación de calor está vinculada directamente al consumo de energía y, a medida que las unidades envejecen, las tasas de falla del disco aumentan a temperaturas de unidad más altas. ^[40] Existen problemas similares para las grandes empresas con miles de PC de escritorio. Las unidades de formato más pequeño a menudo usan menos energía que las unidades más grandes. Un desarrollo interesante en esta área es controlar activamente la velocidad de búsqueda para que el cabezal llegue a su destino justo a tiempo para leer el sector, en lugar de llegar lo más rápido posible y luego tener que esperar a que el sector vuelva (es decir, la latencia rotacional). ^[41] Muchas de las empresas de discos duros ahora están produciendo unidades ecológicas que requieren mucha menos energía y refrigeración. Muchos de estos Green Drives giran más lentamente (<5.400 rpm en comparación con 7.200, 10.000 o 15.000 rpm), lo que genera menos calor. El consumo de energía también se puede reducir estacionando los cabezales de la unidad cuando el disco no está en uso, lo que reduce la fricción, ajustando las velocidades de giro ^[42] y desactivando los componentes internos cuando no están en uso ^{[43] .}

Los variadores consumen más energía, brevemente, al ponerse en marcha (giro). Aunque esto tiene poco efecto directo en el consumo total de energía, la potencia máxima exigida a la fuente de alimentación, y por lo tanto su potencia nominal requerida, se puede reducir en sistemas con varios variadores controlando el momento en que se ponen en marcha.

• En las unidades de disco duro SCSI, el controlador SCSI puede controlar directamente el aumento y la desaceleración de las unidades.
• Algunas unidades de disco duro ATA paralela (PATA) y ATA serial (SATA) admiten el encendido en modo de espera (PUIS): cada unidad no se pone en marcha hasta que el controlador o el BIOS del sistema emitan un comando específico para hacerlo. Esto permite configurar el sistema para que escalone el arranque del disco y limite la demanda máxima de energía al encenderlo.
• Algunas unidades de disco duro SATA II y posteriores admiten el giro escalonado , lo que permite que la computadora haga girar las unidades en secuencia para reducir la carga en la fuente de alimentación al arrancar. ^[44]

La mayoría de los discos duros actuales admiten algún tipo de gestión de energía que utiliza una serie de modos de energía específicos que ahorran energía al reducir el rendimiento. Cuando se implementa, un disco duro cambiará entre un modo de máxima potencia y uno o más modos de ahorro de energía en función del uso del disco. La recuperación desde el modo más profundo, normalmente llamado Suspensión, puede tardar varios segundos. ^[45]

La resistencia a los golpes es especialmente importante para los dispositivos móviles. Algunas computadoras portátiles ahora incluyen una protección activa del disco duro que bloquea los cabezales del disco si el equipo se cae, con suerte antes del impacto, para ofrecer la mayor posibilidad posible de supervivencia en tal caso. La tolerancia máxima a los golpes hasta la fecha es de 350 g para el equipo en funcionamiento y de 1000 g para el equipo que no está en funcionamiento. ^[46]

Esta sección necesita ser ampliada . Puedes ayudar agregándole algo. ( Noviembre 2020 )

Los discos duros que utilizan grabación magnética en tejas (SMR) difieren significativamente en las características de rendimiento de escritura de los discos convencionales (CMR). En particular, las escrituras aleatorias sostenidas son significativamente más lentas en los discos SMR. ^[47] Como la tecnología SMR causa una degradación en el rendimiento de escritura, algunos discos duros nuevos con tecnología SMR híbrida (que permite ajustar la relación de la parte SMR y la parte CMR de forma dinámica) pueden tener distintas características con diferentes relaciones SMR/CMR. ^[48]

Los dispositivos de estado sólido (SSD) no tienen partes móviles. La mayoría de los atributos relacionados con el movimiento de los componentes mecánicos no son aplicables para medir su rendimiento, pero sí se ven afectados por algunos elementos eléctricos que provocan un retraso de acceso medible. ^[49]

La medición del tiempo de búsqueda consiste únicamente en probar circuitos electrónicos que preparan una ubicación particular en la memoria del dispositivo de almacenamiento. Los SSD típicos tendrán un tiempo de búsqueda de entre 0,08 y 0,16 ms. ^[16]

Los SSD basados ​​en memoria flash no necesitan desfragmentación. Sin embargo, debido a que los sistemas de archivos escriben páginas de datos que son más pequeñas (2K, 4K, 8K o 16K) que los bloques de datos administrados por el SSD (de 256 KB a 4 MB, por lo tanto, de 128 a 256 páginas por bloque), ^[50] con el tiempo, el rendimiento de escritura de un SSD puede degradarse a medida que la unidad se llena de páginas que son parciales o que ya no son necesarias para el sistema de archivos. Esto se puede mejorar con un comando TRIM del sistema o con la recolección de basura interna . La memoria flash se desgasta con el tiempo a medida que se escribe repetidamente en ella; las escrituras requeridas por la desfragmentación desgastan la unidad sin ventaja de velocidad. ^[51]

• vRPM
• Propulsión híbrida
• IOPS
• Niveles RAID estándar