Harddisk fabrikanten maken overstap naar 4 kB sectoren

31 reacties
Inhoudsopgave
  1. 1. Inleiding
  2. 2. Wat nu?
  3. 3. Voordelen
  4. 4. Nadelen
  5. 5. Oplossingen
  6. 6. Conclusie
  7. 7. Besproken producten
  8. 8. Reacties

Inleiding

Met de nog altijd groeiende opslagcapaciteit van de traditionele harde schijf wordt de fysieke grootte van één enkele sector steeds kleiner. Blikken we terug op het afgelopen jaar, dan zagen we in januari de eerste schijf geïntroduceerd worden die maar liefst 2 TB aan ruimte bood. Western Digital wist als eerste fabrikant platters met een capaciteit van 500 GB te produceren en had zodoende de primeur met haar Caviar Green Power reeks.

Nu -bijna een jaar later- hebben ook diverse andere fabrikanten schijven met deze opslagcapaciteit op de markt gebracht, maar varianten met een hogere capaciteit blijven vooralsnog uit. Dit is indicatief voor het feit dat langzamerhand de grens bij gebruik van de huidige technische specificaties in zicht komt.

Al sinds jaren worden harde schijven uitgerust met sectoren met een capaciteit van 512 bytes. Deze capaciteit bood een goede balans tussen de technische specificaties en het minimaliseren van ruimteverkwisting in de tijd dat de grootte van schijven nog uitgedrukt werd in megabytes. Met de huidige gigabytes en terabytes aan ruimte is deze sector grootte echter achterhaald.

Western Digital Caviar Green 2TB (SATA2, 32MB)

De Western Digital Caviar Green Power

Wat nu?

De fors gestegen datadichtheid en geslonken afmetingen van één enkele sector zorgen ervoor dat kleine foutjes steeds gemakkelijker in de data kunnen sluipen. Men spreekt in jargon ook wel van een signal-to-noise ratio om de gevoeligheid van potentieel optredende fouten aan te duiden. Des te kleiner deze ratio, des te gevoeliger de sectoren zijn voor fouten.

Om deze fouten te corrigeren wordt gebruik gemaakt van zogeheten Error Correcting Code (ECC) algoritmes. Aan de hand van een stukje extra data dat bij elke sector aanwezig kan de foutieve data hiermee gecorrigeerd worden. Met het steeds kleiner worden van de afzonderlijke sectoren, is ook de hoeveelheid ECC-overhead toegenomen. De afgelopen jaren is dan ook vooral veel moeite gestoken in het optimaliseren van de gebruikte ECC-algortimes, teneinde zoveel mogelijk sectoren te kunnen gebruiken voor het daadwerkelijk opslaan van gebruikersdata. 

Vroeg of laat komt er echter een moment dat de gewonnen opslagruimte door het verkleinen van de sectoren volledig teniet gedaan wordt door de benodigde extra overhead voor ECC-data. Zo’n tien jaar geleden werd al aangekondigd dat dit probleem zich op den duur zou manifesteren. Gelukkig stond het remedie toen ook al vast: vergroot de hoeveelheid data die per sector opgeslagen kan worden. Dit is precies waar de capaciteit van 512 bytes per sector weer om de hoek komt kijken.

4 kB sector grootte

Dus de volgende stap in het evolutionaire processor van de harde schijf is het opschroeven van de sector grootte, maar hoe groot moeten de sectoren dan worden? Het antwoord blijkt 4096 bytes te zijn, ofwel 4 kB en dus acht keer zo groot als de huidige sectoren. Door Western Digital is de overgang van 512 bytes sectoren naar 4k-sectoren gedoopt tot de Advanced Format Technology.

De keuze voor 4 kB wordt door meerdere factoren bepaald. Zo gebruikt de x86-architectuur onder water veelvuldig gebruik van datablokjes van 4 kB groot, bijvoorbeeld bij het lezen van en schrijven naar het werkgeheugen. Daarnaast rekenen ook diverse bestandsystemen, waaronder NTFS, EXT3 en HFS+, standaard met clusters van 4 kB groot. De clustergrootte van de huidige bestandssystemen zorgt er bovendien meteen voor dat 4 kB op het moment de maximale praktische sector grootte voor harde schijven is.

Voordelen

Het belangrijkste voordeel is al genoemd: de 4k-sectoren stellen schijffabrikanten in staat relatief eenvoudig schijven van groter dan 2 TB te ontwerpen. Een tweede voordeel is dat het gebruik van 4k-sectoren een één-op-één relatie tussen meerdere hardwarecomponenten realiseert, waarmee de complexiteit van de datastromen onderling verminderd wordt.

Minder overhead met sectorenvan 4096 bytesgroot

Qua prestaties verwacht Western Digital dat met alleen de overgang van 512 naar 4096 bytes sectoren al zo'n 7 tot 11 % aan opslagruimte te winnen is. Doordat de sectoren groter worden zal de ECC-data naar schatting ruim driemaal zo efficiënt opgeslagen kunnen worden, waardoor de overhead significant afneemt. Ter vergelijk: één blokje ECC-data voor een sector van 4 kB neemt ongeveer 100 bytes in beslag; dezelfde ECC-data voor acht sectoren van 512 bytes (waarvan de som weer 4 kB is) beslaat maar liefst 320 bytes. De beperktere en efficiënter opgeslagen ECC-overhead zorgt er bovendien voor dat eventuele datacorrupties vele malen sneller gecorrigeerd kunnen worden.

Nadelen

Helaas is niet alles goud wat blinkt. Omdat een overstap naar 4k-sectoren niet zonder meer kan plaatsvinden, zullen de komende jaren als overgangsperiode fungeren. Tijdens deze periode zullen 4k-harde schijven sectoren van 512 bytes groot emuleren door elke 4k-sector in acht stukjes van 512 bytes aan het besturingssysteem te presenteren. Dit heeft als keerzijde dat de clusters van een partitie potentieel verkeerd uitgelijnd kunnen worden ten opzichte van de fysieke sectoren op de harde schijf. Dit heeft tot gevolg dat de prestaties van de schijf dramatisch kelderen, met name bij random write acties. Uit test van Western Digital bleek dat in dat geval voor het wijzigen van één sector altijd een Read-Modify-Write handeling nodig was in plaats van een rechttoe rechtaan write. Dit probleem vertoont veel overeenkomsten met het schrijven van zogeheten dirty datablokken bij solid state drives.

Boven de emulatie van 4k-sectoren in acht 512 bytessectoren, onder een verkeerde uitlijning

Gelukkig houden de meeste besturingssystemen rekening met de uitlijning van partities op 4k-schijven. Linux en OS X blijken vlekkeloos met 4k-sectoren overweg te kunnen en ook bij Windows 7, 2008 en Vista zal zich in de meeste gevallen geen probleem voordoen. Enkel bepaalde imaging- en cloningsoftware wil nog wel eens roet in het eten gooien wat betreft deze besturingssystemen van Microsoft.

Het grootste struikelpunt blijkt echter Windows XP te zijn. Dit besturingssysteem heeft namelijk de neiging om altijd precies één 512 bytes sector naast de start van een 4k-sector te beginnen met een partitie. Betekent dit dan dat Windows XP en 4k-sectoren een no-go is? Nee, ook hier bestaat een oplossing voor.

Besturingssysteem gebruikt voor partitioneren Schone installatie (1 partitie) Schone installatie (>1 partitie) Clone ( 1 partitie) USB² (1 partitie)
Windows XP Jumper¹ of WD Align WD Align WD Align WD Align
Windows Vista / 7 - WD Align - -
OS X / Linux - - - -
¹ Plaats jumper vóór aanvang van de installatie
² Verwijder eerst alle andere USB-opslagapparaten

Oplossingen

Western Digital biedt gebruikers zelfs een tweetal opties om een verkeerde uitlijning te voorkomen en bijvoorbeeld Windows XP toch te kunnen gebruiken met 4k-harde schijven. De eerste is met behulp van een jumper over de pinnetjes 7 en 8 op de harde schijf. Deze zorgt ervoor dat alle sectoren op de schijf met 512 bytes opschuiven, waardoor de 512 bytes afwijking van Windows XP gecompenseerd wordt. Kenners omschrijven deze oplossing echter meer als een hack en het heeft bovendien als nadeel dat het alleen gegarandeerd goed gaat in het geval van één enkele partitie. Bij meerdere partities kan het verkeerd uitlijnen alsnog optreden.

De tweede, meer elegante oplossing is met behulp van een stukje software -dat Western Digital aanbiedt onder de noemer WD Align- alle sectoren correct uit te lijnen. Deze software, hoewel primitief, zorgt ervoor dat in alle gevallen verkeerd uitgelijnde sectoren gecorrigeerd worden. Hierbij is enkel de hoeveelheid data die verplaatst moet worden van invloed op de duur van het uitlijnen en het is dan ook aan te raden de software meteen na het installeren van Windows te draaien.

Western Digital

De eerste harde schijven van Western Digital die gebruikmaken van 4k-sectoren, ofwel Advanced Format Technology implementeren, zullen zoals gezegd een drietal varianten binnen de Caviar Green Power serie zijn. Het betreft de modellen die gebruikmaken van 500 GB platters, een 64 MB grote cache hebben en het achtervoegsel 'EARS' bij het modelnummer meekrijgen. Naar verluidt zullen deze binnenkort gedistribueerd worden en tezamen met de reeds bestaande uitvoeringen op de plank komen te liggen. Qua uiterlijk zullen de nieuwkomers dus te onderscheiden zijn van de reeds in de omloop zijnde modellen en bovendien met behulp van Western Digital’s Align tool te identificeren.

De 64 MByte cache en het achtervoegsel 'EARS' betekent dat deze schijf een sector grootte van 4 kB heeft.

Conclusie

De overgang van sectoren met een grootte van 512 naar 4096 bytes is de volgende stap in de ontwikkeling van de traditionele harde schijf met platters. Voor zowel de schijffabrikant als de consument biedt dit de nodige voordelen. Voor de meeste gebruikers zal de stap zich vrijwel vlekkeloos en ongemerkt voltrekken, maar wie van plan was komend jaar een harde schijf met een opslagcapaciteit van meer dan 1 TB te kopen en daar Windows XP op te installeren, doet er goed aan de sector groottes in de gaten te houden.

Naast Western Digital hebben ook andere schijffabrikanten de overstap naar 4 kB sectoren op het programma staan. Zeer waarschijnlijk zullen ook zij komend jaar met soortgelijke schijven aankomen. De echte overstap naar 4k-schijven zonder 512 bytes sectoremulatie zal vermoedelijk nog tot 2014 op zich laten wachten. Dat is namelijk het moment dat de officiële ondersteuning voor Windows XP afloopt.


Besproken producten

Vergelijk alle producten

Vergelijk  

Product

Prijs

Western Digital Caviar Green 1.5TB (SATA2, 64MB)

Western Digital Caviar Green 1.5TB (SATA2, 64MB)

  • Harddisk
  • 1.5 TB
  • 5400 rpm
  • Serial ATA 300
  • 3.5 inch
Niet verkrijgbaar
Western Digital Caviar Green 1TB (SATA2, 64MB)

Western Digital Caviar Green 1TB (SATA2, 64MB)

  • Harddisk
  • 1 TB
  • 5400 rpm
  • Serial ATA 300
  • 3.5 inch
Niet verkrijgbaar
Western Digital Caviar Green 2TB (SATA2, 64MB)

Western Digital Caviar Green 2TB (SATA2, 64MB)

  • Harddisk
  • 2 TB
  • 5400 rpm
  • Serial ATA 300
  • 3.5 inch
Niet verkrijgbaar
0
*