Надежность носителей информации
Поломка носителя информации, жесткого диска, флешки, или SSD, не говоря уже про мобильные переносимые устройства, довольно частое явление, связанное с надежностью устройства, и условиями его эксплуатации.
Надежность работы устройства всегда зависит от качества используемых деталей, от качества сборки отдельных модулей в полностью функционирующее устройство. Весь процесс производства отслеживает служба технического контроля.
Для относительной оценки надежности устройства часто использубтся метрики AFR и MTBF и MTTF.
AFR и MTBF/MTTF
AFR (Annualized Failure Rate – частота отказов в год)
MTTF (Mean Time To Failure - среднее время до отказа)
MTBF (Mean Time Between Failure - среднее время между отказами)
Чем выше среднее время безотказной работы, тем надежнее устройство.
MTTF указывается в часах. Показатель MTTF может быть получен различными способами: использованием данных лабораторных испытаний, с использованием фактических данных об отказах в полевых условиях или с использованием моделей прогнозирования частоты отказов деталей.
MTTF = 1/(сумма частот отказов всех деталей).
Вот что говорит про это TOSHIBA.
«Вместо MTTF (Mean Time To Failure) иногда используется термин MTBF (среднее время между отказами). Среднее время безотказной работы означает время от одного отказа до следующего после устранения первого отказа. Поскольку компоненты хранилища обычно не подлежат ремонту, среднее время безотказной работы не имеет значения; Таким образом, MTTF является правильным термином в данном случае.»
White Paper I September 2015
Пример.
Типичное среднее время безотказной работы компонентов системы хранения, равное 1 миллиону часов, означает, что для популяции из 1 миллиона дисков, работающих в системах, можно ожидать отказа одного устройства в час, если оно работает в соответствии со спецификациями надежности. Из 1000 дисков это будет означать, что сбой может происходить каждые 1000 часов.
1 миллион часов равен 114 годам. Но это не означает, что один диск будет работать 114 лет, потому что спецификация MTTF действительна только для дисков, работающих в течение гарантийного срока.
А, вот, на сайте компании Seagate указано, что она больше не использует отраслевой стандарт «Среднее время наработки на отказ» (MTBF) для количественной оценки средней частоты отказов жестких дисков. Seagate переходит на другой стандарт: «Годовая частота отказов» (AFR).
Для приводов, работающих круглосуточно и без выходных, ожидаемая статистическая частота отказов в год может быть рассчитана на основе MTTF по следующей формуле:
Уменьшение на экспоненциальный член связано с тем, что в статистике должны учитываться уже неисправные диски. Однако для небольшого % AFR это снижение за счет уже отказавших дисков незначительно, и формула может быть аппроксимирована следующим образом:
Пример.
Среднее время наработки на отказ в 1 миллион часов будет означать, что AFR составит 0,876 %, или до 9 дисков из 1000 работающих дисков могут выйти из строя в течение года. Центры обработки данных должны будут заложить в бюджет такое количество ремонтов или замен дисков. При указанном MTTF в 1 миллион часов фактическая частота отказов составляет примерно 9 дисков на 1000 в течение года. Предположим, что эти накопители находились в пределах гарантийного срока и использовались в соответствии с эксплуатационными условиями и ограничениями по окружающей среде.
Более высокая частота отказов будет означать, что производитель не соответствует установленным требованиям по надежности.
Техническая документация на некоторые жесткие диски
Рассмотрим документацию на диски WD Gold.
WD101KRYZ – 10ТБ, WD8002FRYZ – 8ТБ, WD6002FRYZ – 6ТБ, WD4002FYYZ – 4ТБ, WD2005FBYZ – 2ТБ, WD1005FBYZ – 1ТБ
Здесь мы видим, что диски объемом от 1ТБ до 6ТБ имеют одинаковый MTFB = 2000000 часов, и, соответственно, одинаковый AFR = 0,44%. Это говорит о том, что в течении 1 года из 2000000 дисков могут выйти из строя 8800 дисков. Однако, в таблице над этими данными есть маленькие цифры для уточнений, цифры 5 и 6. И видно, что для моделей 4ТБ и 6ТБ MTFB и AFR расчитаны при других условиях, при меньшей годовой нагрузке передачи данных. Следовательно, они менее надежные чем модели 1ТБ и 2ТБ. Что и следовало ожидать.
Дальше еще интересней. Исходя из характеристик указанных в этой таблице, жесткие диски WD101KRYZ И WD8002FRYZ имеют надежность (AFR= 0,35; 7 пластин и 14 головок) выше, чем у WD6002FRYZ (AFR= 0,35; 4 пластины 8 головок). По каким причинам так происходит не понятно, в документации не указано.
Немного по поводу годовых нагрузок.
В документации под уточнением 5 для дисков 1ТБ и 2ТБ:
«Спецификации MTBF и AFR продукта основаны на базовой температуре работы 40°C и типичной рабочей нагрузке системы 219 ТБ/год. Рабочая нагрузка определяется как объем пользовательских данных, передаваемых на жесткий диск или с него. Продукт рассчитан на рабочие нагрузки до 550 ТБ в год.»
Теперь, разберемся, что это значит на практике. Расчитаем расчетную нагрузку для диска в одни сутки: 360 дней / 550ТБ = 664ГБ/сутки. Это общий объем записанных и прочитанных данных жестким диском за одни сутки.
С скоростью чтения или записи 100МБ/сек можно прочитать или записать 360ГБ в час, 8,64ТБ в 24 часа.
Следовательно, при такой интенсивности использования надежность жеского диска будет уменьшаться, и, возможно, он будет подлежать замене раньше установленного гарантийного срока.
Раздача только торрентов на скорости 5МБ/сек – 432ГБ/сутки – 157,680ТБ/год, если 10МБ/сек – 315,360ТБ/год. Для дисков WD Gold 1ТБ WD1005FBYZ и 2ТБ WD2005FBYZ эта нагрузка вписывается в пределы расчетной 550ТБ в год. Но для дисков объемом от 4ТБ до 10ТБ уже не вписывается, так как для них все расчеты приведены с типичной нагрузкой 219ТБ в год:
«Спецификации MTBF и AFR продукта основаны на базовой температуре работы 40°C и типичной рабочей нагрузке системы 219 ТБ/год. Рабочая нагрузка определяется как объем пользовательских данных, передаваемых на жесткий диск или с него.»
Следовательно, надежность диска в пределах работы гарантийного срока, предположительно, будет снижаться.
При работе в системах с большими нагрузками объемы передаваемых данных могут быть в разы больше, что означает резкое экспоненциальное уменьшение надежности.
А вот и WD Red Plus:
WD140EFGX, WD140EFFX – 14ТБ; WD120EFBX, WD120EFAX – 12ТБ; WD101EFBX, WD10EFAX – 10ТБ; WD80EFBX, WD80EFAX, WD80EFZX, WD80EFZZ – 8ТБ; WD60EFZX – 6ТБ; WD40EFZX – 4ТБ; WD30EFZX – 3ТБ; WD20EFZX – 2ТБ; WD10EFRX, WD10JFCX – 1ТБ
У WD Red Plus из спецификации, почему то, пропала характеристика AFR. Но, ее очень просто расчитать. AFR = 0,87%. А это значит что надежность в несколько раз ниже чем у WD Gold, так как по сноске 9 для этих дисков написано:
« Спецификации MTBF основаны на выборочной совокупности и оцениваются статистическими измерениями и алгоритмами ускорения при типичных условиях эксплуатации: 90 ТБ/год и температуре диска 40°C. При превышении этих параметров, и температуры привода до 65°C, произойдет снижение характеристик MTBF. Среднее время безотказной работы не определяет надежность отдельного диска и не является гарантией.»
Следовательно, раздача только торрентов на скорости 5МБ/сек – 432ГБ/сутки – 157,680ТБ/год уже приведет к сильному снижению расчетной надежности в пределах гарантийного срока для дисков этого типа.
Для WD SSD дисков предназначенных для работы в NAS системах точные цифры AFR и MTBF/MTTF отсутствуют:
Написано, что расчетные данные о MTTF основаны на внутреннем тестировании стресс-тестом Telcordia. В графе среднего время между отказами MTTF написано «до 2M».
Жесткие диски WD Blue:
WD80EAZZ – 8ТБ; WD60EZAZ – 6ТБ; WD40EZAZ – 4ТБ; WD30EZAZ – 3ТБ; WD20EZBX, WD20EZAZ – 2ТБ; WD10EZRZ, WD10EZEX – 1ТБ; WD5000AZRZ, WD5000AZLX – 500ГБ.
В этой спецификации информации о AFR и MTBF/MTTF нет.
Жесткие диски WD Blue Mobile:
WD20SPZX – 2ТБ; WD10SPZX -1ТБ; WD5000LPZX – 500ГБ; WD320LPCX, WD320LPVX – 320ГБ.
Про AFR и MTBF/MTTF данных нет.
Расчетные данные AFR и MTBF/MTTF для карт памяти SanDisk microSD в технической документации не приводятся:
Теперь, посмотрим на производителя Seagate.
Популярные диски формата 2,5 дюйма для мобильных устройств:
ST2000LM010, ST2000LM007 (2 пластины 4 головки) – 2ТБ;
ST1500LM012 (2 пластины 4 головки) – 1,5ТБ;
ST1000LM038, ST1000LM035 (1 пластина 2 головки) – 2ТБ;
ST500LM033, ST500LM030 (1 пластина 2 головки) – 2ТБ;
Как видно, модели разные, и конструктивно отличаются количеством рабочих поверхностей, но характеристики надежности почему-то одинаковые.
К сожалению, на продукцию такого уровня расчеты надежности AFR и MTBF/MTTF не приводятся. Но указывается, что «средняя годовая оценка рабочей нагрузки: <55 ТБ/год. В спецификациях продукта предполагается, что рабочая нагрузка ввода-вывода не превышает среднего годового предела рабочей нагрузки в 55 ТБ/год. Рабочие нагрузки, превышающие годовую норму, могут ухудшить и повлиять на надежность работы устройства. Среднегодовой предел рабочей нагрузки указан в единицах ТБ за календарный год.»
55ТБ/год – много это, или мало? Равномерная нагрузка 55ТБ/год = 150,7ГБ/день.
Посмотрим на Seagate SAS модели:
ST4000NM0023, ST4000NM0043, ST4000NM0063 – 4ТБ
ST3000NM0023, ST3000NM0043, ST3000NM0063 – 4ТБ
ST2000NM0023, ST2000NM0043, ST2000NM0063 – 4ТБ
ST1000NM0023, ST1000NM0043, ST1000NM0063 – 4ТБ
AFR = 0,63%, MTBF=1400000 часов. Это значит, что через год работы в условиях, оговоренных технической документацией, из 1000 накопителей может выйти из строя 0,63%, то есть 6 – 7 дисков. Смущает то, что надежность приводится одинаковая для всех жестких дисков данного семейства.
Некоторые Seagate SSD модели:
AFR = 0,58%, но при условии «Total Terabytes Written (TBW) Over Warranty Period».
Для примера возьмем ST480FP0021. Гарантийный период = 5лет, общее количество записанных терабайт (TBW) за гарантийный период = 350ТБ, то есть надежность будет равна 0,58% при ежедневной средней нагрузке = (350ТБ/5лет = 70ТБ в год; 70ТБ/365дней = 192ГБ в день) 192ГБ в день.