Rambler's Top100
 
Статьи
Сергей ОРЛОВ  20 июня 2018

HDD и SSD: будущее систем хранения

Флеш-память, производство которой переживает революцию, все чаще применяется в устройствах разных классов, но и жесткие диски продолжают совершенствоваться. Какую роль в отрасли хранения данных будут играть оба типа накопителей?

С каждым годом объем обрабатываемых и хранимых данных увеличивается. Так, IDC прогнозирует, что общее количество создаваемых в мире данных с 2018 по 2025 гг. вырастет с примерно 33 до 160 зеттабайт (рис. 1). Поэтому необходимо также постоянно наращивать производительность ИТ-систем и емкость хранилищ. Таким требованиям отвечают две технологии: твердотельные накопители (SSD) с высокой скоростью доступа к данным и емкие жесткие диски (HDD). Если для одних приложений лучше подойдет SSD, то для других традиционные жесткие диски остаются предпочтительным вариантом. И, похоже, такое положение дел сохранится в обозримом будущем.

 Источник: IDC Data Age 2025, 2017

Рис. 1. Рост объема создаваемых данных

HDD против SSD

 
Пластина диска

Источник: https://www.backblaze.com

Рис. 2. Основные компоненты HDD и SSD

В новые ноутбуки, исключая, может быть, самые дешевые модели, уже давно устанавливают накопители SSD (рис. 2). Их преимущества очевидны: они компактнее, чем жесткий диск, быстрее, тише, долговечнее, не подвержены отказам из-за магнитных полей и ударов. Ударостойкость SSD-накопителей как в рабочем, так и в нерабочем состоянии достигает 1500 г, в то время как HDD в нерабочем состоянии могут выдержать удар силой 350 г, а при работе -- всего 55 г. SSD также характеризуются значительно меньшей задержкой (латентностью) и малым временем доступа к данным. Но они заметно дороже. Сегодня типичная цена 2,5-дюймового накопителя SSD на 512 Гбайт -- $140--170, в то время как 3,5-дюймовый накопитель HDD емкостью 512 Гбайт обойдется в $44--65.

Разница довольно существенная, но поскольку SSD-накопитель помогает сделать ноутбук легче и устойчивее к неизбежным ударам, обеспечивает более быструю загрузку и запуск приложений, а также увеличивает скорость работы с большими файлами, он своих денег стоит. Высокая скорость работы с данными важна и для настольных ПК, поэтому их тоже все чаще оснащают SSD.

Центры обработки данных -- совсем другая история. Наиболее важные параметры хранения данных в ЦОДе -- надежность, плотность хранения и стоимость. SSD сильны в первых двух областях, но в последней пока проигрывают.

Накопители с более высокой емкостью обеспечивают большую плотность хранения, уменьшают расходы за счет менее частого обслуживания и снижения энергопотребления. В настоящее время в ЦОДах используются диски емкостью до 10--12 Тбайт. SSD сопоставимой емкости обойдутся примерно в $1000 за 1 Тбайт, т.е. значительно дороже соответствующего жесткого диска. Стоимость SSD еще не достигла того уровня, который сделал бы их применение безусловно выгодным с учетом предоставляемых преимуществ, поэтому можно предположить, что в ближайшем будущем в качестве основных накопителей будут использоваться жесткие диски. По данным IDC, более 90% поставок накопителей корпоративного класса сегодня приходится на HDD. К 2025 г. доля SSD составит почти 20% объема поставок (рис. 3).

Источник: IDC Data Age 2025, 2017

Рис. 3. Структура поставок накопителей корпоративного класса

Производители ожидают, что в обозримой перспективе жесткие диски и твердотельные накопители будут сосуществовать во всех областях -- дома, в системах корпоративного класса и в ЦОДах. При этом клиенты будут выбирать, какие именно технологии и продукты лучше всего подходят для тех или иных задач.

По мере роста объемов продаж HDD и SSD будет увеличиваться емкость накопителей обоих типов. Поскольку для многих приложений использование SSD дает преимущества, флеш-накопители станут постепенно заменять жесткие диски во всех сценариях, кроме тех, где требуется большая емкость хранилища. Доля SSD в объеме продаж накопителей увеличится, однако общий рост объемов данных приведет к повышению спроса как на SSD, так и на жесткие диски.

Будущее HDD

История HDD -- это история усовершенствований и инноваций. С момента своего создания в 1956 г. жесткий диск уменьшился в размерах 57тыс. раз, емкость хранения выросла в 1 млн раз, а стоимость снизилась в 2 тыс. раз. Цена за 1 Гбайт за 60 лет упала в 2 млрд раз.

Производители жестких дисков добились значительных успехов, уменьшив размер пластин и, следовательно, время поиска, увеличив плотность записи, усовершенствовав технологии чтения/записи. Увеличилось количество головок чтения/записи, появились новые интерфейсы шины, благодаря заполнению корпуса гелием уменьшилось трение.

 
Источник: https://www.backblaze.com

Рис. 4. Технологии записи

В 2005 г. была внедрена технология перпендикулярной записи, которая позволила достичь плотности более 100 Гбит на 1 кв. дюйм (рис. 4). Технология размеченного хранения данных (Bit Patterned Media Recording, BPMR), предложенная компанией Toshiba в 2010 г., также способствовала повышению плотности записи. BPMR с помощью нанолитографии разбивает магнитную среду, уменьшая «размеры» бита. Ожидается, что к 2025 г. благодаря использованию технологий BPMR и HAMR удастся довести плотность записи до 10 Тбайт на 1 кв. дюйм.

Увеличению плотности хранения и общей емкости накопителя служит и технология черепичной магнитной записи (Shingled Magnetic Recording, SMR). Суть технологии в том, что новая записываемая дорожка перекрывает часть ранее записанной дорожки (рис. 5). Предыдущая дорожка сужается, т.е. плотность записи повышается. Этот подход был выбран потому, что из-за физических ограничений записывающие головки нельзя сузить настолько же, насколько считывающие головки.

 
Источник: https://www.backblaze.com

Рис. 5. Интервал между дорожками при использовании технологии SMR

Еще в 2002 г. компания Seagate успешно продемонстрировала магнитную запись с нагревом носителя (Heat-Assisted Magnetic Recording, HAMR), которая осуществляется с помощью лазера. Это увеличивает плотность и в итоге может привести к созданию к 2019 г. 20-терабайтного диска.

Western Digital заявляет, что ее конкурирующая технология микроволновой магнитной записи (Microwave-Assisted Magnetic Recording, MAMR) позволит к 2025 г. довести емкость диска до 40 Тбайт. Некоторые эксперты отрасли и производители дисков прогнозируют еще большее повышение плотности записи, что обеспечит в следующем десятилетии создание дисков емкостью до 100 Тбайт. Помимо тепла и микроволн, для увеличения плотности записи предполагается использовать экстремальное охлаждение.

Так что жесткие диски -- вполне перспективные устройства хранения, ставить на них крест рано. В ближайшем будущем должно появиться новое поколение гибридных дисков (использующих SSD в качестве кэш-памяти HDD) с улучшенными показателями цена/производительность, расширится применение герметизированных гелиевых дисков. Гибридизация даст возможность двум типам накопителей сосуществовать и дополнять друг друга.

Многие перечисленные выше технологии HDD появились достаточно давно, но еще не дошли до стадии массового внедрения, а накопители SSD тем временем сделали огромный скачок по всем характеристикам.

Перспективы твердотельных накопителей

В накопителях SSD используется, как правило, флеш-память типа NAND трех основных разновидностей -- SLC, MLC и TLC. Память SLC (одноуровневая ячейка) хранит один бит данных, MLC (многоуровневая ячейка) хранит два бита, TLC (трехуровневая ячейка) – три. Есть еще 3D NAND, которая хотя и отличается компоновкой, работает по тем же принципам. Одна из тенденций в технологии флеш-памяти -- четырехуровневая (quad-level-cell, QLC) NAND. Ее ячейки имеют 16 уровней заряда, т.е. могут хранить четыре бита данных.

Когда-то память QLC NAND считалась практически нереализуемой из-за малого срока службы ячеек. Переход с плоской структуры QLC NAND (2D) на 3D NAND позволил использовать старые технологии, в которых ячейки памяти были крупнее. Это привело к созданию нового, более надежного типа ячеек с большим количеством циклов перезаписи. QLC NAND в 3D-версии дает возможность изготавливать более быстрые и емкие SSD. В результате стоимость SSD-накопителя емкостью 512 Гбайт может опуститься ниже $100.

По пути создания многослойных структур 3D NAND для увеличения емкости накопителей на основе флеш-памяти пошли многие производители, включая Intel, Samsung и Toshiba. Они стараются сделать ячейки многоуровневыми для увеличения плотности записи. В 2013 г. производственные процессы позволяли создавать лишь 24 слоя, в 2014-м -- 36, в 2015-м -- 48, затем -- 64. Например, первые микросхемы 3D QLC NAND компании Toshiba, анонсированные в 2017 г., имеют емкость 96 Гбайт и используют 64 слоя. Память, созданная по технологии 3D NAND, доказала свою работоспособность и эффективность.

SSD в ЦОДе

Оборудование, используемое в дата-центрах, должно быть способно бесперебойно работать в режиме 24 × 7, обеспечивать высокую производительность, легко масштабироваться, настраиваться и управляться, а также отличаться адекватной стоимостью владения. Применение в ЦОДах накопителей SSD отвечает практически всем этим требованиям (см. табл.).

Таблица. Основные преимущества применения SSD в ЦОДе

Характеристика

Пояснение

Низкое энергопотребление

При большом числе накопителей применение SSD существенно снижает плату за электроэнергию

Высокая скорость

Для ускорения доступа к данным можно использовать кэширование БД и других данных, что влияет на общую производительность приложений или системы

Отсутствие вибрации

Уменьшение вибрации повышает надежность, снижает требования к жесткости конструкции стоек

Низкий уровень шума

По мере развертывания все большего количества SSD ЦОДы будут становиться более тихими

Малое тепловыделение

Чем меньше выделяется тепла, тем ниже требования к охлаждению и мощности, потребляемой в ЦОДе

Быстрая загрузка

Чем быстрее будет загружаться система хранения данных или сервер, тем лучше

Высокая плотность

ЦОДы смогут хранить больше данных в меньшем пространстве, что повышает эффективность во всех областях (мощность, охлаждение и т.д.)

Оптимальное соотношение производительность/стоимость хранения

Применение SSD для «горячих», а HDD для «холодных» данных в сочетании с механизмами их автоматического перемещения по уровням хранения повышает эффективность ИТ-инфраструктуры


В серверах с транзакционной нагрузкой на смену накопителям HDD корпоративного класса постепенно приходят SSD. Вместе с тем HDD продолжают занимать свою нишу в сегменте хранения «холодных», редко используемых или архивных данных. Флеш-память становится необходимым звеном в инфраструктуре хранения и ключевым компонентом гиперконвергентных решений, помогает эффективнее перемещать и хранить данные.

Например, компания HPE рекомендует для увеличения производительности аналитических приложений применять «ускорители ввода-вывода» -- флеш-накопители, устанавливаемые в слот расширения PCIe, а также флеш-массивы и гибридные системы хранения с накопителями обоих типов. Это ускорит обработку больших данных и бизнес-аналитику.

Уменьшить задержки и свести к минимуму издержки протоколов, связанные с хранением, помогает технология NVMe (Non-Volatile Memory Express). Она позволяет повысить общую производительность системы, особенно в таких ресурсоемких задачах, как виртуализация, обработка больших данных и высокопроизводительные вычисления.

Сергей Орлов, независимый эксперт
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!