MTTF, UER, MAMR: ¿qué hay detrás de las especificaciones más importantes de los HDD?

Las especificaciones más importantes de los discos duros modernos

Rainer W. Kaese, director senior de Desarrollo de Negocio de la división de Productos de Almacenamiento de Toshiba Electronics Europe ha explicado a Zonamovilidad que las unidades de disco duro (HDD) ofrecen altas capacidades de almacenamiento a bajo coste, pero en algunos casos los distintos modelos de HDD difieren considerablemente. Especificaciones como el tiempo medio hasta el fallo (MTTF) y la tasa de error irrecuperable (UER), así como las tecnologías empleadas -la grabación magnética escalonada (SMR) y la grabación magnética asistida por microondas (MAMR)-, nos ayudan a evaluar qué unidad se adapta mejor a cada aplicación específica. Este artículo proporciona una descripción general de las especificaciones más importantes y explica cómo se interrelacionan.

Los crecientes volúmenes de datos en empresas y hogares están provocando un rápido incremento de la necesidad de medios de almacenamiento de alta capacidad. Los discos duros siguen siendo la forma más común de almacenamiento porque se trata de un medio clásico en continuo desarrollo que, en comparación con la memoria flash, resulta significativamente más económico por unidad de capacidad. Aunque los precios de la memoria flash están cayendo, también está reduciéndose el de los HDD. En las grandes instalaciones de almacenamiento online en la nube y en los centros de datos corporativos, los discos duros siguen siendo tan populares como lo son en los sistemas de almacenamiento conectado a la red (NAS) y en las soluciones de almacenamiento para videovigilancia.

Sin embargo, no todos los discos duros son adecuados para todas las aplicaciones; de hecho, las unidades se adaptan de forma muy específica a diferentes ámbitos de aplicación. Los fabricantes hacen visibles estas diferencias dividiéndolos en diferentes clases de HDD o series de producto. Por lo general, dentro de su cartera de productos cuentan con unidades para PC, sistemas NAS, soluciones de video vigilancia y centros de datos.

Estas unidades pueden diferir en términos de interfaces, rendimiento y fiabilidad. Los modelos para PC y portátiles, por ejemplo, suelen diseñarse para un tiempo de funcionamiento diario de 8-16 horas y para una carga de trabajo anual de 55 TB. Por lo tanto, no tienen cabida en sistemas NAS o en servidores de almacenamiento ya que, si bien son más baratos, se desgastarían rápidamente debido al uso continuo y a las mayores cargas de escritura y lectura; lo que significa que la probabilidad de fallo aumentaría.

Por su parte, los discos duros para NAS, video vigilancia y empresariales deben ser compatibles con una operación 24/7 y soportar cargas de trabajo más elevadas. Para las unidades NAS y de video vigilancia esta ratio es generalmente de 180 TB, mientras que para las unidades empresariales es de 550 TB al año. Las especificaciones del fabricante para MTTF solo se aplican si se cumple este valor, conocido en las hojas de datos como "tasa de carga de trabajo" o "carga de trabajo nominal". Si se excede la carga de trabajo nominal, no se espera que el disco duro falle de forma inmediata, pero la probabilidad aumenta y el MTTF disminuye.

Los HDDs fiables reducen el esfuerzo de mantenimiento

El MTTF es un valor estadístico que describe el tiempo de funcionamiento promedio hasta que falla el HDD. Dependiendo del modelo de HDD, se sitúa entre 1 y 2,5 millones de horas. Para una sola unidad, este valor tiene una importancia limitada: dicha unidad podría fallar en cualquier momento, por lo que se requieren copias de seguridad periódicas y configuraciones RAID para protegerse contra una posible pérdida de datos. Sin embargo, con un número mayor de discos duros, el MTTF ayuda a estimar la frecuencia con la que pueden producirse fallos. Con un MTTF de 1 millón de horas y 1 millón de unidades, se esperaría un fallo de disco cada hora, o con 1.000 unidades, un fallo cada 1.000 horas.

Para los discos duros con una operación 24/7 días, la tasa anual de fallos (AFR) se puede determinar a partir del MTTF, que es más intuitivo en tanto que valor porcentual. De forma simplificada, se calcularía de la siguiente manera: tiempo operativo anual de 8.760 horas dividido por el MTTF en horas multiplicado por 100. Por tanto, una unidad empresarial con un MTTF de 1,4 millones de horas tiene una AFR de 0,625 %. En un centro de datos con 100.000 unidades, se espera que fallen 625 por año que, por consiguiente, necesitarán reemplazarse. Si el operador opta por unidades empresariales con un MTTF de 2,5 millones de horas, la AFR es del 0,35 % y es probable que solo 350 discos duros fallen en ese mismo período, 275 menos. De este modo, los costosos trabajos de mantenimiento se reducen significativamente.

Unas condiciones ambientales adecuadas son esenciales

Menos graves que los fallos son los errores de lectura, que normalmente se compensan mediante la corrección interna de errores. Esto no siempre tiene éxito, por lo que la tasa de error irrecuperable (UER) es un indicador clave del disco duro. Las fuentes de UER pueden variar: el polvo, la radiación electromagnética o una operación de escritura mal ejecutada se encuentran entre las principales razones por las que los datos almacenados en una parte determinada de un disco pueden no ser legibles. Para las unidades para PC, NAS y HDD de video vigilancia es 1 entre 1.014, con un error de bit incorregible por cada 1.014 bits leídos de promedio, es decir, cada 12,5 TB. Por el contrario, los discos duros empresariales con un UER de 1 entre 1.015 solo experimentan un error de lectura cada 125 TB.

Si la carga de trabajo anual de un disco duro para PC (55 TB) se distribuye uniformemente, ocurrirá un error de lectura incorregible cada 2,7 meses aproximadamente. Sin embargo, si se enfrentara a la carga de trabajo anual de un disco duro empresarial (550), habría un error cada 0,27 meses, es decir, cada ocho días aproximadamente.

Tanto el MTTF como la UER solo se cumplen si los discos duros se utilizan en las condiciones ambientales especificadas por el fabricante. Las unidades para PC, por ejemplo, están generalmente diseñadas para funcionar a una temperatura de entre 0 y 60°C, mientras que las unidades empresariales lo están para funcionar a una temperatura de 5 a 55°C; después de todo, se instalan en sistemas alojados en salas o centros de datos con aire acondicionado.

Los fabricantes también proporcionan información sobre la sensibilidad a golpes y vibraciones. A este respecto, los discos duros NAS y empresariales son algo menos sensibles que los discos duros para PC o video vigilancia, porque son varios los que se incorporan en un solo dispositivo. Las vibraciones rotacionales pueden amplificarse entre sí, razón por la cual los modelos NAS y empresariales están equipados con sensores de vibración y mecanismos de control especiales que registran y compensan esta situación.

Escritura más rápida en las pistas de datos externas

Además de la fiabilidad, los factores más importantes en los discos duros son el rendimiento y el consumo de energía. El rendimiento más elevado lo ofrecen los de rendimiento especial que funcionan a 10.500 o 15.000 revoluciones por minuto (RPM), pero durante años se han visto cada vez más desplazados por unidades de estado sólido (SSD). Mientras tanto, los discos duros empresariales con 7.200 RPM ya ofrecen un rendimiento secuencial de hasta 280 MB/s y hasta 400 operaciones de entrada/salida por segundo (IOPS). Los sistemas de almacenamiento con unas pocas docenas de estas unidades alcanzan más de 5 GB/s y más de 10.000 IOPS, suficiente para muchas aplicaciones actuales.

Sin embargo, el rendimiento de los discos duros disminuye en función de su nivel de llenado porque las pistas de datos externas, en las se escribe primero en los discos magnéticos giratorios, son más largas y contienen más datos que las internas. Durante una rotación, el cabezal de lectura y escritura simplemente puede escribir o leer más datos en el exterior que en el interior. La "tasa de datos sostenida" declarada por los fabricantes en las especificaciones siempre se refiere a las pistas externas; más dentro, este valor puede reducirse aproximadamente dos tercios.

Por lo general, todas las categorías de discos duros están conectadas mediante una interfaz SATA; solo los discos duros de alto rendimiento mencionados antes están disponibles exclusivamente con una interfaz SAS. Hoy en día, la velocidad de datos de 6 Gbit/s (denominada SATA 3.3) es estándar para la interfaz SATA, con compatibilidad con las versiones anteriores de 3 y 1,5 Gbit/s.

Los HDD empresariales están disponibles con interfaces SATA o SAS, y SAS ofrece características importantes de las que SATA carece, incluyendo mayor intensidad de señal, protección de datos extremo a extremo y puerto dual. Sin embargo, SAS resulta más costoso y tiene unos requerimientos de energía ligeramente más altos. No obstante, para las empresas que desean optimizar sus costes energéticos existen otras palancas: en primer lugar, la modernización de su infraestructura de disco duro. Dado que la mayor parte de la energía de un HDD se necesita para la rotación de los ejes, la capacidad de almacenamiento y la carga de trabajo solo tienen una pequeña influencia en el consumo de energía. Por lo tanto, unos pocos HDD de alta capacidad resultan más económicos que muchos HDD pequeños.

El estándar SAS utilizado actualmente se denomina SAS-3.0, a veces llamado SAS3, y ofrece una velocidad de 12 GBit/s, también con compatibilidad con versiones anteriores de 6, 3 y 1,5 GBit/s. También existe SAS4 con operación de 24 GBit/s, pero no se utiliza para discos duros porque la tasa de datos está limitada por la mecánica.

Diferentes tamaños de bloque ofrecen flexibilidad

En las especificaciones de los discos duros empresariales también suele haber una indicación del tamaño del bloque: 512n, 512e o 4Kn. Este es el tamaño de los bloques lógicos que pueden escribirse o leerse en un disco duro. En el pasado siempre era de 512 bytes, por lo que las unidades tenían sectores nativos de 512 bytes, de ahí la 'n' en la designación. Posteriormente, se introdujeron sectores más grandes de 4 kBytes para escribir y leer bloques más grandes, lo que facilita la gestión de discos duros de gran capacidad. Además, la corrección de errores también funciona de manera más eficiente con bloques más grandes.

Los sistemas operativos y de archivo modernos pueden manejar sectores nativos de 4 KByte en discos duros, pero las versiones anteriores a menudo no pueden hacerlo. Por lo tanto, con 512e se desarrolló un formato que se basa en sectores de 4 KByte, pero emula ocho sectores de 512 byte en cada uno de ellos. Los sistemas operativos y de archivo más antiguos habitualmente pueden escribir y leer bloques de 512 bytes. Sin embargo, al escribir, puede producirse una pérdida de velocidad si no se escribe todo el sector de 4 KByte. El disco duro primero debe leer todo el sector de 4 KByte para llenar una o más de sus áreas de 512 byte emuladas y luego volver a escribir el sector, por lo que se incurre en una operación de lectura adicional.

Los diferentes tamaños de bloque de los modelos empresariales de HDD proporcionan a las empresas la flexibilidad de elegir las unidades que mejor se adapten a sus sistemas operativos y de archivo. Las unidades de disco duro empresariales también ofrecen opciones de seguridad flexibles, generalmente denominadas unidad de auto cifrado (SED) y limpieza de borrado instantáneo (SIE) en las especificaciones. SED es un cifrado basado en hardware directamente a través del disco duro, que no solo es muy seguro, sino que también alivia el sistema en el que está instalado. SIE es una opción para borrar inmediatamente de forma segura todos los datos en lugar de requerirse una tediosa sobre escritura.

SMR y MAMR proporcionan más espacio de almacenamiento

Los distintos modelos de HDD también difieren en función de la tecnología de grabación utilizada: grabación magnética convencional (CMR), SMR y MAMR. CMR ha estado en uso durante años y antes se denominaba grabación magnética perpendicular (PMR) para distinguirla de la tecnología predecesora de grabación magnética longitudinal (LMR). Dado que PMR se ha utilizado durante 15 años, hoy en día a menudo se denomina "convencional". Sin embargo, PMR/CMR ha alcanzado su límite de 16 TB por unidad.

SMR aumenta la densidad de almacenamiento al trabajar con pistas de datos superpuestas, lo que genera una mayor densidad de grabación. La lectura de las pistas funciona como antes, pero al sobrescribir una pista existente, primero deben leerse los datos de la pista superpuesta y luego volver a escribirlos con los nuevos datos. Esto puede causar fluctuaciones en la velocidad de escritura, pero las cachés y los algoritmos de almacenamiento en caché las detectarán. SMR se usa principalmente en los HDD para PC y video vigilancia porque no tienen que manejar altas cargas de escritura sostenidas con accesos aleatorios. Para escrituras ocasionales o flujos de datos secuenciales, como los que entregan las cámaras de vigilancia, SMR resulta ideal.

Por su parte, los discos duros empresariales de mayor capacidad dependerán de MAMR. Con esta tecnología, un elemento generador de microondas en el cabezal de escritura ayuda a enfocar el flujo magnético, de forma que para escribir se necesita menos energía. Por tanto, el cabezal de escritura puede ser más pequeño y escribir bits de forma más densa. Actualmente MAMR se utiliza en discos duros de 18 TB y 20 TB, y con los avances en esta tecnología, en el futuro se esperan discos duros de hasta 30 TB.

Puesto que no es necesario escribir datos superpuestos, MAMR no está sujeta a las restricciones y limitaciones de rendimiento asociadas a la tecnología SMR. Los discos duros con MAMR alcanzan el mismo nivel que sus predecesores PMR/CMR. También es técnicamente posible una combinación de MAMR y SMR, pero actualmente se practica de forma muy limitada. Con una combinación de estos dos métodos, no pasará mucho tiempo antes de que la industria pueda beneficiarse de capacidades de hasta 40 TB, pero nuevamente, con las limitaciones de rendimiento típicas de SMR cuando se trate de acceso de escritura aleatorio.