Методика измерения энергопотребления жёстких дисков
Традиционно основными характеристиками жесткого диска, достойными подробного рассмотрения в обзорах, считаются его ёмкость и производительность – конечно, оба параметра (а особенно второй) хоть и имеют много разных аспектов, но по большому счёту, всё внимание авторов обзоров сводится к этим двум пунктам.
Такая же характеристика жёсткого диска, как его энергопотребление, долгое время оставалась за кадром. Казалось бы, она несущественна – ну на что может повлиять десяток ватт, когда современная видеокарта или процессор потребляют на порядок больше? – однако это не совсем так.
Во-первых, в последнее время тема энергосбережения стала весьма популярна среди производителей – скажем, новый стандарт Energy Star 4.0 указывает, что жёсткий диск должен потреблять в простое не более 7 Вт или не более 14 % от общего потребления компьютера (с учётом развитых режимов энергосбережения современных процессоров, 14 % от общего потребления офисного ПК в режиме простоя могут оказаться не такой уж большой величиной). Обусловлено это многими факторами – борьбой за экологию, проблемой постоянной нехватки мощности энергосистем в промышленно развитых странах, стремлением сократить счета за электроэнергию. Конечно, в масштабах одного компьютера экономия невелика, но если вспомнить, что в одном офисном здании в наше время могут стоять сотни компьютеров – цифры получаются вполне весомые.
Во-вторых, и это более значимо в, так сказать, наших персональных масштабах, энергопотребление винчестера равно его тепловыделению, тепловыделение при прочих равных условиях определяет его температуру, а температура – время наработки на отказ. Например, если обратиться к весьма известному исследованию компании Google » Failure Trends in a Large Disk Drive Population » (формат PDF, 242 кбайта), то увидим, что для новых винчестеров вероятность выхода из строя от температуры зависит слабо – а вот для уже отслуживших три года она резко увеличивается, если температура превышает 40°C.
Влияние температуры диска на вероятность отказа
(по данным Google)
Соответственно, выбрав более экономичный диск, мы при прочих равных условиях обеспечим меньшую его температуру – и большую надёжность в долгосрочном периоде. Особенно это важно для компактных microATX-корпусов, многие из которых не имеют возможности установки отдельного вентилятора для обдува жёстких дисков; впрочем, даже в полноразмерных корпусах при установке трёх-пяти дисков проблема их нагрева становится существенной.
В-третьих, жёсткие диски применяются не только в настольных компьютерах, но и в ноутбуках – до перехода на твердотельные флэш-накопители (SSD, Solid State Drive) нам всем ещё далеко. И хотя и в ноутбуке винчестер является далеко не самым прожорливым компонентом, совсем забывать о нём не стоит: свою лепту в продолжительность работы при питании от аккумулятора он вносит.
В-четвёртых, многие пользователи покупают 2,5″ жёсткие диски для использования в качестве переносных накопителей – в коробочках с USB-интерфейсом. Многие из подобных коробочек не имеют дополнительного питания, в то время как один разъём USB может обеспечить ток не более 500 мА – и в случае с некоторыми винчестерами, потребляющими больший ток, это приводит к проблемам: диск может работать нестабильно или же не распознаваться компьютером вообще.
Особенный же интерес измерениям энергопотребления винчестеров придаёт наметившаяся тенденция к гонке за экономичностью среди их производителей – так, буквально на днях компания Hitachi объявила о выпуске экономичных жёстких дисков Deskstar P7K500, предназначенных для настольных компьютеров, но при этом использующих технологии энергосбережения, уже отработанные в ноутбуках.
В данной статье мы укажем некоторые проблемы, возникающие при экспериментальном измерении энергопотребления жёстких дисков, и методы их решения. Описанная ниже методика будет в дальнейшем регулярно использоваться нами в тестах жёстких дисков.
Методика измерений
Для проведения точных измерений энергопотребления жёстких дисков мы собрали несложную электронную схему, позволяющую нам регистрировать ток произвольной формы, меняющийся с высокой частотой. Основная проблема заключается в том, что для таких измерений традиционно используется осциллограф – однако на его вход надо подавать напряжение, а не ток. Соответственно, нам нужен преобразователь ток-напряжение:
Последний представляет собой два шунта сопротивлением по 0,05 Ом, включённые в разрыв проводов питания тестируемого жёсткого диска. Соответственно, на каждый ампер потребляемого диском тока на шунте падает напряжение 0,05 В. Сигнал с шунта умножается операционным усилителем (LM324N) чуть менее чем в 20 раз – в результате на выходе мы получаем напряжение, пропорциональное потребляемому винчестером току, с масштабом 0,96 В на 1 А. Кроме того, нулевому потреблению жёсткого диска соответствует напряжение 1,525 В на выходе нашей схемы, поэтому полученный с неё сигнал пересчитывается из вольт U в амперы I по следующей формуле:
Для аккуратного измерения тока, меняющегося с большой скоростью, мы используем осциллограф Velleman PCSU-1000 , регистрирующий напряжение на выходе описанной выше схемы. Временная развёртка осциллографа устанавливается равной 0,5 мс/дел. (частота оцифровки 250 кГц, что достаточно для регистрации сигнала с частотой до 125 кГц), чувствительность – 0,5 В/дел. Развёртка осциллографа работает в автоматическом режиме, а снимаемые им осциллограммы передаются в специально написанную для их обработки программу, пересчитывающую полученные с осциллографа вольты в амперы по указанной выше формуле и подсчитывающую среднее и максимальное значения. На каждом этапе измерений для получения максимально точного результата снимается по 180 осциллограмм (измерения длятся 60 секунд, каждую секунду программа запрашивает с осциллографа по 3 осциллограммы), каждая осциллограмма имеет длину 4000 точек – то есть, итоговый результат рассчитывается по 720 тысячам замеров мгновенного потребляемого тока. При необходимости количество измерений можно увеличить. Так как упомянутый осциллограф – двухканальный, то, используя два преобразователя ток-напряжение, можно одновременно измерять потребление жёсткого диска по шинам и +5 В, и +12 В.
В результате обработки результатов измерений программа сообщает нам средний ток по шинам +12 В и +5 В в амперах (и соответствующую мощность в ваттах), а также максимальные зафиксированные значения тока.
Блок-схема измерительной системы
Описанная система подключается к жёсткому диску прямо в компьютере – в разрыв цепи питания. Данное обстоятельство позволяет без проблем измерять энергопотребление винчестеров под любыми типами нагрузок, которые мы можем смоделировать в тестах – например, в IOMeter.
Мультиметр против осциллографа
Но, спросят читатели, зачем такие сложности – усилитель, осциллограф, дополнительные программы. Ведь можно же взять обычный цифровой амперметр или мультиметр – и измерить все нужные токи им.
Увы, сколь-нибудь адекватные результаты с мультиметром можно получить только в простое, когда головки диска неподвижны. Для иллюстрации причины этого мы сняли осциллограмму потребляемого винчестером Maxtor Atlas 15K II тока при его тестировании в IOMeter в тесте «Random read». Красный цвет соответствует току, потребляемому по шине +5 В, синий – +12 В, уровень нуля отмечен чёрной горизонтальной линией, горизонтальная развёртка равна 5 мс/дел.:
Основная часть энергии, потребляемой диском по шине +12В, затрачивается на перемещение головок; импульсы идут парами: первый соответствует началу движения головки (разгон), второй – окончанию (торможение). Расстояние между ними варьируется от почти нуля до времени, необходимого на перемещение головки от одного края диска до другого – в зависимости от того, насколько диску «повезло» с двумя идущими подряд запросами. Перед началом перемещения головок видно также увеличение энергопотребления по шине +5 В – это активизируется электроника диска, «обдумывающая» очередной запрос.
Впрочем, нас интересует не столько механика работы винчестера, сколько характеристики импульсов. Как вы видите, во-первых, их амплитуда очень высока (в 4-5 раз больше постоянной составляющей), во-вторых, передний фронт почти вертикален, а продолжительность всего импульса может составлять менее миллисекунды. Каковы шансы «поймать» этот пик мультиметром?
Увы, они равны нулю. Мультиметры – это устройства, в основе своей предназначенные для работы с постоянным напряжением (и, соответственно, постоянным током), в них попросту не используются быстрые АЦП, ибо в этом нет никакого смысла. Типичный мультиметр осуществляет измерения с периодом порядка нескольких десятых долей секунды, что на два порядка (!) больше продолжительности импульса тока, порождённого перемещением головок жёсткого диска.
Для большей наглядности мы разложили представленную выше осциллограмму в спектр:
Как вы видите, в данном случае мы имеем большой пик в нуле (постоянная составляющая тока), довольно высокий и более-менее постоянный уровень в диапазоне до нескольких десятков килогерц, высокий всплеск на 42,8 кГц – и ещё один всплеск на 85,6 кГц. Соответственно, чтобы адекватно измерить параметры такого сигнала, нам нужно устройство, способное работать с частотами хотя бы до 100 кГц – и мультиметр к подобным явно не относится.
Для проверки этой теории мы использовали два почти случайным образом выбранных мультиметра – недорогой Mastech M890G и более серьёзный Uni-Trend UT70D . Последний, помимо прочего, обладает функцией индикации среднего, минимального и максимального значений за заданный отрезок времени.
Итак, снова запускаем IOMeter, режим «Random Read», жёсткий диск Maxtor Atlas 15K II – и под стрекот головок смотрим, что покажут нам мультиметры. Так как каждый из них может измерять только одно значение (в отличие от двухканального осциллографа), то подключали мы их к 12-вольтовому каналу.
На первом из них, Mastech M890G, понять что-либо трудно – значение на экране постоянно скачет, в максимуме достигая примерно 2,9 В, в минимуме проваливаясь примерно до 2,4 В. Пользуясь приведённой выше формулой, мы без труда переводим замеченные числа в ток потребления: от 0,84 А до 1,32 А. Уже здесь ясно, что мультиметр явно привирает: на осциллограмме выше отчётливо видно, что разница между максимальным и минимальным значениями намного больше полутора раз; выделить же из скачущих цифр среднее значение и вовсе невозможно.
К счастью, у нас есть ещё UT70D, который умеет среднее значение подсчитывать аппаратно – более того, он ещё может и передавать данные на компьютер по интерфейсу RS-232, так что результаты измерений мы представим сразу в виде снимка экрана:
Слева вы видите окно нашей собственной программы, обрабатывающей данные с осциллографа, справа – окно программы, получающей данные от мультиметра. На последнем большими цифрами указано среднее значение, ниже можно увидеть максимальное и минимальное значения. Мультиметр переключался в режим подсчёта среднего значения одновременно с запуском нашей программы и находился в этом режиме те же 60 секунд, что длился набор данных с осциллографа.
Итак, по показаниям мультиметра: среднее потребление – 1,06 А, максимальное – 1,13 А. По результатам обработки данных с осциллографа: среднее потребление – 1,04 А, максимальное – 2,71 А. Как видите, мультиметр довольно точно показал среднее значение, но, увы, ни одного пика потребления «поймать» так и не смог.
При этом, вообще говоря, нельзя даже сказать, что любой цифровой мультиметр будет правильно показывать хотя бы среднее значение: мы лишь экспериментальным путём установили, что конкретно наша модель UT70D конкретно на данном винчестере показывает весьма похожее на правду число. Будут ли столь же адекватны показания других мультиметров или хотя бы этого же мультиметра на других винчестерах (то есть с другим характером потребляемого тока) – мы не знаем.
И, разумеется, пытаться измерять мультиметром пиковые значения вообще бессмысленно. В нашем случае они даже близко не похожи на правду; более того, если ваш мультиметр вдруг показывает большие значения, из этого никак не следует, что он их показывает правильно – эту правильность можно установить лишь в результате сравнения с полноценной измерительной системой на базе осциллографа, а если у вас есть такая система, то зачем пользоваться мультиметром.
Диета НЖМД 2: потребление и тепловыделение жестких дисков класса Enterprise
Энергопотребление и тепловыделение современных накопителей на жестких магнитных дисках, имеющих, как правило, значительно меньший диапазон рабочих температур (от +5 до +55 градусов Цельсия, реже от 0 до +60 С), чем большинство других компьютерных компонентов — это одна из проблем, на которую пользователи все чаще обращают внимание. Производительность жестких дисков растет, как и скорость процессоров или графических ускорителей. Но, к счастью, здесь нет того бурного роста тепловыделения (с увеличением быстродействия), который наблюдается у центральных и графических процессоров в последние лет десять. Тем не менее, общие требования по экономии электропитания и по лимитированной нагрузочной и охлаждающей способности конкретных компьютерных шасси все чаще заставляют пользователей задумываться и о том, сколько «кушают» их винчестеры. Причем, данные вопросы задаются не только пользователями (и производителями) ноутбуков, где каждые полватта способны повлиять не только на температуру накопителя в узком и плохо вентилируемом пространстве, но и на время автономной работы всего ноутбука (за которое обычно всеми силами борются). И не только потребителями и сборщиками настольных персональных компьютеров, где вследствие резкого роста прожорливости процессоров и видеокарт на винчестеры остается лишь крупица мощности бюджетных блоков питания.
Но вопросы потребления и тепловыделения накопителей все настойчивее волнуют и тех, кто по долгу службы работает с высокопроизводительными профессиональными средствами хранения данных на жестких дисках, принадлежащих к так называемому сегменту Enterprise, то есть дискам для корпоративных применений. Помимо прочего, здесь играет роль и то, что надежность и долговечность работы этих накопителей существенно зависит от их рабочей температуры — исследования показывают, что повышение температуры жесткого диска на 5 градусов оказывает такое же влияние на надежность, как переход от 10-процентной к 100-процентной загрузке диска работой! А каждый градус его температуры вниз эквивалентен 10-процентному росту времени жизни накопителя. Применение же мощных охлаждающих систем не всегда оправдано ввиду их большого шума и немалой стоимости. В целом же, экономия и экономичность — это те факторы, о которых никогда не следует забывать при принятии решений. Поэтому наша попытка в очередной раз обратиться к теме энергопотребления и тепловыделения жестких дисков в практической плоскости носит не только «познавательный», но и чисто прикладной характер.
Напомню, что ранее мы уже рассматривали на систематизированной основе вопросы энергопотребления и тепловыделения трехдюймовых жестких дисков для настольных компьютеров и производительных двухдюймовых накопителей для ноутбуков. И будем возвращаться к этой теме еще не раз. Но сегодня пришла пора поговорить о наиболее дорогих и критичных к отказам (в том числе, из-за перегрева или проблем с питанием) накопителям Enterprise-сегмента, к коим мы вслед за производителями причисляем жесткие диски форм-факторов 3,5 и 2,5 дюйма со скоростью вращения 10 и 15 тысяч оборотов в минуту и интерфейсами Ultra320 SCSI и Serial Attached SCSI (SAS) (Fibre Channel пока оставим в стороне). А также определенные профессиональные модели со скоростью вращения 7200 об./мин, интерфейсом Serial ATA (позднее SATA 2.5) и высокой емкостью (400-500 Гбайт, пока недоступной SCSI-моделям), выполненные на базе существующих настольных винчестеров этих же производителей, но слегка модернизированных по конструкции и управляющей микропрограмме с целью повысить надежность и улучшить работу в профессиональных задачах. К последним, то есть к профессиональным жестким дискам с интерфейсом Serial ATA и скоростью вращения 7200 об./мин., мы отнесем традиционные серии Maxtor MaXLine III и MaXLine Pro 500 (а также более раннюю MaXLine II), недавно появившуюся Seagate NL35 (проф. аналог старших моделей Barracuda 7200.8 и 7200.9), а также Western Digital Caviar RE и RE2 (в частности, недавно появившуюся 400-гигабайтную модель WD4000YR). К сожалению, Hitachi GST не выделяет свои диски Deskstar 7K400 и 7K500 (объемом 400 и 500 Гбайт соответственно) в «профессиональную» линейку, хотя по многим характеристикам они могут быть к ней причислены. Поэтому мы в данном обзоре привлечем к рассмотрению и их, наряду с вышеперечисленными семитысячниками и всеми текущими SCSI-сериями, обзор которых сделан нами, например, в недавней статье. Кроме того, здесь примет участие и первый (из реально появившихся в России) из дисков с SAS-интерфейсом — Seagate Cheetah 15K.4 SAS.
Подробные обоснования нашего подхода к анализу энергопотребления и тепловыделения жестких дисков (и почему в единицах мощности это практически одно и то же) вы можете найти в нашем предыдущем обзоре на эту тему. Поэтому без лишних слов переходим к цифрам. Напомню лишь, что мы сознательно не будем использовать температуру жестких дисков как меру их тепловыделения, поскольку, на наш взгляд, делать это в типичных случаях просто бесполезно, то есть почти не имеет практического смысла (обоснование нашего подхода см. по лику выше). Кроме того, измеряя энергопотребление (вместо температуры), мы получаем ряд полезной дополнительной информации.
Спецификации энергопотребления жестких дисков
Чтобы нам было, от чего оттолкнуться, в таблице 1 приведу данные по энергопотреблению основных серий профессиональных дисков, указанные в их спецификациях.
Таблица 1. Мощность энергопотребления (ватт) жестких дисков для профессиональных применений (согласно спецификациям)
Что такое потребляемая мощность жесткого диска 1 Тб: сколько это
Сколько мощности потребляет жесткий диск на 1 терабайт?
-
если уменьшить потребляемую мощность жесткого диска компьютера, тогда можно снизить общую мощность устройства;
-
раз компьютер будет потреблять меньше энергии, значит, ее нужно будет меньше производить;
-
раз нужно будет меньше производить энергии, значит, будет расходоваться меньше природных ресурсов;
-
и т. д.
Потребляемая мощность жесткого диска
-
в режиме ожидания или покоя — 1-3 Вт;
-
в обычном рабочем режиме — 4-10 Вт;
-
при нагрузках — 15-25 Вт;
-
при первоначальной загрузке операционной системы потребляемая мощность может кратковременно возрастать до 35-60 Вт.
Заключение
Сколько мощности потребляет жесткий диск на 1 терабайт? Потребляемая мощность такого жесткого диска будет зависеть от его размера и фирмы-производителя. Как-то снизить энергопотребление уже установленного диска не получится, потому что при работе на компьютере диск в любом случае будет задействован и будет потреблять необходимую ему энергию. Поэтому остается либо вообще не работать на компьютере, либо заменить существующий диск на энергосберегающий.
Мы будем очень благодарны
если под понравившемся материалом Вы нажмёте одну из кнопок социальных сетей и поделитесь с друзьями.
Источник https://fcenter.ru/online/hardarticles/hdd/22623-Metodika_izmereniya_energopotrebleniya_zhestkih_diskov
Источник https://www.ixbt.com/storage/hddpower-pro.shtml
Источник https://codernet.ru/articles/drugoe/chto_takoe_potreblyaemaya_moshhnost_zhestkogo_diska_1_tb_skolko_eto/