Конструктивные особенности механики. Механическая надежность

Механическая надёжность серверных накопителей определяется прежде всего качеством используемых специальных материалов, дорогостоящих компонентов и узлов. Применяется очень жесткая конструкция корпуса (1) и верхней крышки, что способствует гашению вибрации, возникающих при интенсивной работе жесткого диска. Высококачественный шпиндель (2) рассчитан на длительную работу на очень высоких оборотах с минимальной вибрацией и биениями.

Относительно небольшой позиционер (3) имеет максимально жесткую и лёгкую конструкцию для минимального времени перемещения на нужную дорожку. Такой облегченный позиционер обладает малым моментом инерции и не требует очень больших токов управления.

Дополнительно в приводе блока магнитных головок используются очень мощные постоянные магниты (4). Это также позволяет облегчить токовый режим цепей управления катушкой позиционера, и, тем самым увеличить надежность этого важного узла накопителя.

Дополнительная защита от вибраций достигается точной балансировкой всего позиционера в сборе, а также использованием высококачественных сверхдолговечных подшипников.

В серверные накопители устанавливаются лучшие магнитные диски, имеющие минимальное количество дефектных участков. Сами дисковые пластины имеют меньший диаметр и повышенную жесткость (5) для уменьшения рабочих вибрации.

Высококачественные магнитные головки, тщательно подобраны по идентичности параметров в блок магнитных головок. Пружинная подвеска каждой магнитной головки обеспечивает высокую идентичность воздушного зазора и очень короткое время «успокоения» слайдера головки после любого перемещения за счет повышенной жесткости.

В работе серверных накопителей недопустимы даже единичные редкие сбои при считывании и записи информации. Это достигается низкой продольной и поперечной плотностью записи данных, т.е. информационные отпечатки на магнитной поверхности имеют относительно большие размеры. Это в свою очередь позволяет иметь считывающий элемент магнитной головки большего размера, получить лучшее соотношение сигнал чтения/шум, увеличить высоту «полёта» головки над диском. Относительно широкие треки позволяют сделать серверный накопитель менее чувствительным к вибрациям и иметь на порядок меньше ошибок при считывании данных.

Особенности электроники. Электрическая надёжность

Серверные накопители на жестких магнитных дисках имеют очень надёжную плату - контроллер, рассчитанную для непрерывной работы при высокой температуре. По сравнению с жесткими дисками для других применений, такой контроллер содержит на 50% больше электронных компонентов, за счет которых увеличивается быстродействие винчестера, его отказоустойчивость и надёжность.

      

Электроника серверного накопителя (слева), контроллера обычного накопителя (справа)

Плата контроллера серверного накопителя для получения максимальной производительности оснащена двумя процессорами. Один процессор управляет потоками данных в накопителе и через SCSI интерфейс. Второй процессор производит быструю трансляцию логического адреса в физические координаты места расположения информации на поверхности диска.

Контроллеры серверных накопителей имеют SCSI интерфейс для передачи данных или его разновидности: последовательный SCSI (SAS) или Fibre Channel. Эти интерфейсы обеспечивают повышенную надёжность и скорость передачи данных в условиях: многозадачности, позволяют подключить любое количество жестких дисков в RAID массивы, аппаратно поддерживают горячую замену накопителей.

Цепи питания контроллеров серверных накопителей оснащены защитой от помех, возникающих при одновременной работе большого числа жестких дисков и от пусковых помех при разгоне шпинделя, стартующего диска для исключения выхода из строя при горячем подключении.

Заводское тестирование

Для оценки надёжности, выявления брака и расчета значения наработки на отказ, выборочные партии серверных накопителей в течение нескольких месяцев испытываются в термокамере при высокой температуре. При этом имитируется непрерывная интенсивная работа сервера.

Заводская надежность серверного накопителя

Для сравнения приводятся характеристики заводской надежности накопителей для настольных компьютеров. Они имеют вдвое меньшую надежность даже при значительно меньших рабочих температурах.

Заводская надежность обычного накопителя

Заводские испытания проводятся от идеальных источников питания, чтобы основными факторами, влияющими на надежность, были температура и механический износ. В таких случаях жесткие диски не могут выходит из строя по причинам, связанным с электропитанием, что наблюдается в реальных условиях эксплуатации. Этим вызвано несоответствие расчетных значений надежности и реальных сроков работы жестких дисков.

Технические характеристики

• Тип интерфейса: SCSI, последовательный SCSI (SAS), Fibre Channel
• Форм-фактор: 3,5 дюйма
• Форматированная ёмкость: 36–300 Gb
• Количество дисков: 2-4 шт.
• Количество магнитных головок: 4-8 шт.
• Скорость вращения дисков: 10–15 тыс. об/мин
• Время задержки при чтении/записи: 2–3 мс.
• Время поиска: 3.6–5.2 мс.
• Ошибки канала чтения: 1 сектор на 10¹⁵
• Рабочая температура: 5–55 ^oС
• Рабочий цикл: 24х7х365
• Среднее время наработки на отказ: 1.2 млн. часов и более. ( Tкорпуса=50 ^oC)
• Среднее время наработки на отказ: 600 тыс. часов и более. ( Tкорпуса=80 ^oC)
• Уровень вибрации без снижения производительности: не менее 21 рад/с²
• Уровень вибрации 50% снижения производительности: не менее 55 рад/с²
• Максимальная потребляемая мощность: 15–20W
• Заводская гарантия: 5 лет
• Стоимость: соизмерима со стоимостью обычного компьютера

Сравнение эксплуатационных характеристик

Реальный RAID–массив из серверных жестких дисков SCSI на 15000 об/мин. способен работать от трёх до семи раз быстрее аналогичного RAID–массива АТА на 7200 об/мин.

В многодисковых серверах во время работы накопителей присутствует высокий уровень вибрации. Серверные накопители способны работать без сбоев при уровне вибраций в 21 рад/с², а тот же показатель для обычных жестких дисков значительно меньше 10 рад/с².

В реальных условиях, серверные накопители показывают надежность и долговечность, в несколько раз превышающие надежность и долговечность накопителей других применений, находящихся в равных условиях.

Долговечность серверных и обычных накопителей при интенсивных нагрузках

Фактор электропитания здесь играет меньшую роль, чем температура и механическая долговечность, т.к. используются специализированные блоки питания, отсутствуют большие перепады токов нагрузки и применяется индивидуальное охлаждение каждого жесткого диска.

Область применения

Серверные накопители находят применение в высокопроизводительных системах хранения и потоковой обработки данных максимальной готовности, где доступность и надёжность данных имеет критическое значение и риск простоя должен быть полностью исключён.

Обсудить статью на форуме