HDs, parte 3: Performance e RAID

Desempenho

O desempenho do HD é determinado basicamente pela densidade dos discos, velocidade de rotação e, em menor grau, pelo tamanho do cache de leitura e suporte ao NCQ. Por ser um componente mecânico, não existe muito o que os fabricantes possam fazer para melhorar o desempenho de forma considerável sem mexer nestes fatores.

Outra questão é que o mercado de HDs é um ramo incrivelmente competitivo, de forma que tecnologias revolucionárias, como, por exemplo, a técnica de gravação perpendicular são rapidamente adotadas por todos os fabricantes já que, os que não são capazes de acompanhar a evolução tecnológica, simplesmente não conseguem se manter no mercado.

Em se tratando de HDs "normais", destinados ao mercado de consumo, dois HDs produzidos na mesma época, com a mesma velocidade de rotação e a mesma quantidade de cache tendem a possuir um desempenho muito parecido.

Na hora da compra você deve ser preocupar mais em não levar para casa HDs antigos, baseados em tecnologias obsoletas que por algum motivo tenham ficado parados no estoque dos distribuidores. Um HD de 120 GB produzido em 2007, muito provavelmente possuirá um único platter e será mais rápido que um HD produzido um ano atrás, com a mesma capacidade, mas que utilize dois platers, mesmo que ambos sejam de 7200 RPM e sejam vendidos por mais ou menos o mesmo preço.

Existem ainda casos de HDs "premium", que utilizam tecnologias recentemente introduzidas ou mudanças radicais no design e desta forma conseguem ficar um passo à frente em termos de desempenho. Eles naturalmente ficam no topo das tabelas comparativas, mas em geral não são uma boa opção de compra fora de nichos muito específicos, pois sempre possuem um custo por megabyte muito mais alto.

Um bom exemplo são os Maxtor Atlas 15K II, uma série de HDs SCSI que até 2006 estavam entre os mais rápidos do mercado, em detrimento da capacidade de armazenamento.

Como você pode ver na foto abaixo, embora o Atlas 15K II fosse um HD de 3.5", internamente ele utilizava discos de 2.5", similares aos usados em notebooks. O menor diâmetro dos discos reduz a capacidade de armazenamento, mas permitiu que os discos girassem a 15.000 RPM. O menor diâmetro também permitiu reduzir o tempo de acesso (já que a distância a ser percorrida pelas cabeças de leitura era menor) o que, combinado com outras melhorias, resultou num HD Ultra 320 SCSI com tempo de acesso de apenas 5.5 ms e taxa de leitura seqüencial (nas trilhas externas) de 98 MB/s:

O problema é que além de caro, a capacidade de armazenamento era pequena, mesmo para os padrões da época. O modelo com 1 platter armazenava apenas 37 GB, enquanto o modelo com 4 armazenava 147 GB. Ou seja, você pagaria até US$ 1.000 para ter uma capacidade equivalente à de um HD low-end.

De uma forma geral, o melhor em termos de custo benefício é comprar HDs de geração atual, escolhendo entre os modelos de baixo custo e substituir o HD a cada 18 ou 24 meses, se possível revendendo o antigo (por algum motivo os HDs costumam ser um ítem valorizado no mercado de componentes usados, talvez por que todo mundo sempre precisa de mais espaço ;). Desta forma, você vai conseguir sempre manter o seu equipamento relativamente atualizado, gastando pouco.

Acaba sendo muito melhor do que gastar o dobro, tentando comprar "o melhor HD", que vai estar desatualizado da mesma forma daqui a dois anos. Tenha em mente que a vida útil de qualquer equipamento é limitada, então só vale à pena gastar mais se o ganho de desempenho realmente for lhe trazer um retorno tangível ao longo deste período.

Num servidor, o investimento em HDs topo de linha pode compensar em muitos casos, já que um melhor desempenho equivale a mais requisições e, consequentemente, mais clientes atendidos. A perda acumulada de algumas visitas, ao longo de alguns anos, poderia corresponder a um prejuízo equivalente várias vezes o valor investido nos HDs, por exemplo.

Mas, tenha em mente que o perfil de uso de disco em um servidor é bem diferente do uso em um desktop típico, sem contar que, dada a sua importância, pequenos ganhos de desempenho podem realmente compensar pequenas extravagâncias, o que não é o caso de um desktop típico.

Por mais que você mantenha vários programas abertos e realize muitas operações ao mesmo tempo, não vai conseguir chegar nem perto do que acontece num servidor web, por exemplo, que precisa responder a um grande volume de requisições simultâneas a cada segundo.

Num servidor típico, são realizadas um enorme número de pequenas leituras, que são usadas para montar as páginas ou arquivos que serão enviados aos clientes. Um fórum com um grande número de mensagens, pode facilmente resultar num banco de dados de 10 ou mesmo 20 GB, contendo uma infinidade de pequenas mensagens de texto e ter 300 ou 500 visitantes simultâneos.

Para cada página a ser exibida, o servidor precisa ler várias entradas dentro do banco de dados (o tópico propriamente dito, informações sobre os usuários e assim por diante). Mesmo com o uso de caches, não é difícil imaginar que tantas requisições simultâneas levam o desempenho dos HDs ao limite. Neste cenário, qualquer redução no tempo de acesso representa um grande ganho de desempenho.

Num desktop, o HD acaba sendo mais relacionado ao tempo de boot e carregamento dos programas, por isso a taxa de transferência acaba sendo o ítem mais importante. A única operação que se aproxima um pouco do que acontece nos servidores é o uso intensivo de swap, onde o HD também precisa realizar um grande número de pequenas leituras. Entretanto, nestes casos o problema não seria o HD, mas sim a falta de memória RAM. O único swap bom é o swap que não é feito :).

Em casos onde você realmente faz questão do melhor desempenho, normalmente faz mais sentido usar 2 ou 4 HDs medianos em RAID 0 do que comprar um único HD topo de linha. Considere também a compra mais de mais memória RAM (já que mais memória significa menor uso de swap e mais cache de disco) e também o uso o ReadyBoost do Vista em conjunto com um Pendrive de 2 GB ou mais. Para a maioria das tarefas, o ganho de desempenho é maior do que o uso de um HD mais rápido.

Existem ainda casos onde o desempenho simplesmente não é um fator importante, como por exemplo no caso de HDs secundários, usados apenas para guardar arquivos ou fazer backup, onde você acessa os dados apenas esporadicamente. Nestes casos, o melhor negócio é simplesmente procurar os HDs com o menor custo por megabyte, dentro da capacidade de que você precisa e escolher um baseado na reputação do fabricante. Em casos como este, um HD mais lento, de 5400 RPM pode ser até desejável, já que eles consomem menos energia e geram menos calor que os de 7200 RPM.

De qualquer forma, é importante entender os fatores que determinam o desempenho dos HDs, de forma a não ser enganado pelas frases floridas usadas pelos fabricantes e não fazer feio nas rodas de amigos :).

Tempo de Busca (Seek Time)

Ao comparar dois HDs fabricados na mesma época, que utilizam a mesma velocidade de rotação e possuem uma capacidade e número de discos similar (o que indica que possuem mais ou menos a mesma densidade), o tempo de busca é provavelmente o único fator que pode diferir de forma significativa entre os dois.

O tempo de busca indica o tempo que a cabeça de leitura demora para ir de uma trilha à outra do disco ou seja, indica a performance do actuator usado no HD. O tempo de busca é importante, pois ele é o fator que mais influencia no tempo de acesso e consequentemente na performance geral do HD.

Existem três índices diferentes para o cálculo do tempo de busca: Full Stroke, Track-to-Track e Average.

O primeiro (full stroke) indica o tempo que a cabeça de leitura demora para se deslocar da primeira até a última trilha do HD, o que normalmente demora entre 15 e 20 milessegundos. Como é o maior dos três, este valor não costuma ser divulgado muito abertamente pelos fabricantes.

O Track-to-Track é justamente o oposto; o tempo que a cabeça demora para mudar de uma trilha para a seguinte. Como a distância a ser percorrida é muito pequena, ele costuma ser muito baixo, inferior a 1 milessegundo. Como ele é o valor mais baixo dos três, muitos fabricantes divulgam o valor do Track-to-Track nas especificações, omitindo os outros dois.

Finalmente, temos o Average (valor médio), que é justamente um meio termo entre os dois. Ele indica o tempo médio que a cabeça demora para se locomover até um setor aleatório do HD. Ao pesquisar especificações, procure justamente se informar sobre o valor average, já que ele é o mais indicativo dos três.

Aqui temos as especificações de um Samsung HD300LJ, um HD de 300 GB e 7.200 RPM, que era um modelo de médio custo no início de 2007:

• Track to Track: 0.8 ms

• Average: 8.9 ms

• Full Stroke: 18 ms
  

Aqui temos as de um Western Digital Raptor X, um "topo de linha" de 10.000 RPM, que utiliza platers de 2.5". O menor diâmetro dos discos faz com que ele tenha apenas 150 GB de capacidade (2 discos), mas em troca permitiu obter tempos de acesso bem mais baixos:

• Read Seek Time: 4.6 ms

• Write Seek Time: 5.2 ms (average)

• Track-To-Track Seek Time: 0.4 ms (average)

• Full Stroke Seek: 10.2 ms (average)

Veja que as descrições usadas pela Samsung e pela Western Digital são ligeiramente diferentes.

Tanto o "Average" da Samsung, quanto o "Read Seek Time" da WD referem-se ao tempo de busca médio para operações de leitura. A WD incluiu também o Write Seek Time, que é o tempo de busca para operações de gravação, que é sempre um pouco mais alto e por isso nem sempre divulgado nas especificações.

Como você pode ver, estes são dois exemplos extremos. O Raptor possui tempos de busca quase 50% menores, mas em compensação é mais caro e possui menos da metade da capacidade do Samsung. Você acaba pagando muito mais caro pela maior performance.

Tempo de Latência (Latency Time)

Dentro do disco rígido, os discos magnéticos giram continuamente. Por isso, dificilmente os setores a serem lidos estarão sob a cabeça de leitura/gravação no exato momento de executar a operação, podendo, no pior dos casos, ser necessário uma volta completa do disco até o setor desejado passar novamente sob a cabeça de leitura.

O tempo de latência é tão importante quanto o tempo de busca. Felizmente, ele é fácil de ser calculado, bastando dividir 60 pela velocidade de rotação do HD em RPM (rotações por minuto), e multiplicar por 1000. Teremos então o tempo de latência em milessegundos. Um HD de 5400 RPM, por exemplo, terá um tempo de latência de 11.11 milessegundos (o tempo de uma rotação), já que 60 ÷ 5200 x 1000 = 11.11.

Geralmente é usado o tempo médio de latência, que corresponde à metade de uma rotação do disco, assumindo que os setores desejados estarão, em média, a meio caminho da cabeça de leitura. Um HD de 5400 RPM teria um tempo de latência médio de 5.55 ms, um de 7.200 RPM de 4.15 ms e um de 10.000 RPM de apenas 3 ms.

Muitos fabricantes publicam o tempo de latência médio nas especificações ao invés do tempo de busca ou o tempo de acesso (já que ele é menor), o que acaba confundindo os desavisados.

Tempo de Acesso (Access Time)

O tempo de acesso é a combinação do tempo de busca e do tempo de latência, o tempo médio necessário para realizar um acesso a um setor aleatório do HD.

Assim que o comando é processado, a cabeça de leitura é movida para a trilha especificada (tempo de busca) e aguarda até que a rotação dos discos a faça passar pelo setor especificado (tempo de latência). Aos dois, somamos também o settle time (o tempo que a cabeça de leitura demora para estabilizar depois de movimentada) e o command overhead time, que é o tempo que a placa controladora demora para processar o comando e iniciar ambas as operações. Estes dois valores são bem menos significantes (somam algo em torno de 0.5 ms), por isso nem sempre são divulgados pelos fabricantes, embora também entrem na conta.

Os fabricantes calculam o tempo de latência dos HDs de formas diferentes, tornando difícil uma comparação direta. O ideal é que você mesmo calcule o tempo de acesso médio com base nas informações anteriores.

Para isso, basta somar o tempo de busca médio (Average) e o tempo de latência, calculado com base na velocidade de rotação dos discos. Como é muito difícil encontrar o settle time e o command overhead time nas especificações, você pode adicionar 0.5 ms, que é um valor aproximado.

O Samsung HD300LJ tem tempo de busca de 8.9 ms e latência de 4.15 ms. Adicionando os 0.5 ms temos um total de 14.55 ms.

Um Seagate ST3200822A (um modelo IDE, de 200 GB) tem tempo de busca de 8.5 ms. Como ele também é um modelo de 7.200 RPM, a latência também é de 4.15 ms o que (incluindo os 0.5 ms) daria um total de 14.15 ms.

O Raptor X tem apenas 4.6 ms de tempo de busca e, por ser um HD de 10.000 RPM, tem latência de 3 ms. Somando os 0.5 ms, teríamos um total de 9.1 ms.

Veja que a diferença entre o HD300LJ ST3200822A é muito pequena. O Raptor consegue ser 35% mais rápido, mas em compensação é muito mais caro, como vimos.

Apesar de importante, o tempo de acesso é um fator que não deve ser superestimado. Ele afeta o desempenho do HD quando estão sido lidos uma grande quantidade de arquivos pequenos, espalhados pelo HD, mas não afeta muito a taxa de transferência seqüencial, que é o que você vê ao carregar um programa pesado ou copiar uma grande quantidade de arquivos, por exemplo.

Head Switch Time

Um disco rígido é composto internamente por (na grande maioria dos casos) de 1 a 4 discos, sendo que temos uma cabeça de leitura para cada face. Mesmo possuindo várias cabeças de leitura, apenas uma delas pode ser usada de cada vez, de forma que a controladora precisa constantemente chavear entre elas durante a leitura ou gravação dos dados.

Você poderia perguntar por que os dados não são organizados de forma que a controladora pudesse ler e gravar usando todas as cabeças simultaneamente, com cada uma armazenando parte dos arquivos, como em uma espécie de "RAID interno". O problema aqui é que é tecnicamente impossível manter as trilhas dos diferentes discos perfeitamente alinhadas entre si.

Quando a controladora chaveia de uma cabeça de leitura para a outra, é necessário executar o procedimento normal de posicionamento, onde ela verifica as marcações servo dos discos e o braço de leitura move-se para a posição apropriada.

Devido a isso, o chaveamento acaba demorando um pouco mais que poderíamos pensar inicialmente. Ele é apenas um pouco menor que o tempo de busca Track-to-Track e quase sempre proporcional a ele.

Embora ele não seja um fator tão significativo quanto o tempo de acesso, ele acaba sendo um fator importante para a taxa de leitura seqüencial do HD, já que a controladora lê um cilindro por vez, chaveando entre todas as cabeças antes de ir para o próximo.