Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 2 2018
Сергей ОРЛОВ  05 сентября 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. 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.

HDD против SSD

В новые ноутбуки, исключая, может быть, самые дешевые модели, уже давно устанавливают накопители SSD (рис. 1). 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.

 
                          Рис. 1. 
Основные компоненты HDD и SSD
 
 
          Рис. 2. Структура поставок накопителей корпоративного класса
 
 
                                     
                                Рис. 3. 
Технологии записи
 
 
           
              Рис. 4.
 Интервал между дорожками при использовании
                                              технологии SMR
 

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. 2).

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 в 57 тыс. 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.

В 2005 г. была внедрена технология перпендикулярной записи, которая позволила достичь плотности более 100 Гбит на 1 кв. дюйм (рис. 3). 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. 4). 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.

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) – 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. таблицу).

         Основные преимущества применения SSD в ЦОДе
 

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.

SSD и СХД

Цифровая трансформация предприятий ста­вит новые задачи быстрой обработки больших объемов данных. Существенно измениться должна и архитектура приложений, работающих с такими системами хранения. Последние два года вендоры отмечают быстрый рост спроса на комплектацию СХД накопителями SSD.

Это закономерно. Ведь для построения СХД производительностью 500 тыс. IOPS потребуется 2500 жестких дисков со скоростью вращения 15K об/мин – или всего один флеш-массив. Такие массивы хорошо подходят для систем виртуализации и облачных сервисов, а технологии дедупликации и сжатия данных приближают стоимость хранения данных на SSD к показателям HDD.

Внедрение твердотельных накопителей – одна из основных тенденций на рынке систем хранения данных. Все ведущие производители таких систем включили в свои линейки бездисковые массивы (All-Flash Array, AFA), построенные на SSD. Твердотельные накопители корпоративного класса – значимый драйвер роста отрасли СХД.

По данным IDC, на мировом рынке СХД в 2017 г. первое место по объему продаж заняла компания HPE, опередив прежнего лидера рынка Dell EMC. Росту рынка (впервые за несколько кварталов) способствовал спрос на флеш-мас­сивы и конвергентные/гиперконвергентные системы. Новые решения наглядно демонстрируют эту тенденцию.

Рис. 5. Массивы Dell EMC SCv3000В ноябре прошлого года Dell EMC анонсировала новые системы хранения начального уровня – массивы SCv3000 (рис. 5) с новыми шестиядерными процессорами Intel, удвоенной емкостью оперативной памяти и утроенной пропускной способностью. Производительность СХД выросла на 50% – до 270 тыс. IOPS. Технология Data Prog­res­sion позволяет использовать в этих гибридных системах на флеш-памяти автоматическое много­уровневое хранение (тиринг) с гибкой настройкой конфигурации, уменьшает требуемую для хранения данных емкость на 90%. Технология Live Migrate обеспечивает миграцию данных и балансирование нагрузки, а Live Volume – автоматическую обработку отказов и восстановление на уровне тома, что дает возможность без прерывания продолжать работу в случае сбоев или отказов.

Наряду с аппаратной платформой производители СХД совершенствуют и программное обеспечение. Например, новое ПО NetApp ONTAP 9.3 благодаря оптимизации полосы пропускания с целью повышения IOPS и снижения латентности обеспечивает 40%-ное повышение производительности по сравнению с предыдущей версией и 30%-ную экономию емкости за счет усовершенствованной дедупликации.

Рис.6. Система хранения Huawei OceanStor Dorado18000 V3

Этим инновации вендоров не ограничиваются. Как сообщает компания Huawei, в ее новой сис­теме хранения OceanStor Dorado18000 V3 (рис. 6), которая разработана для высоконагруженных критически важных сервисов, используются технология Flash-Ice на основе графенового рассеяния (Graphene Dissipation Technology, GDT) и динамический алгоритм теплового баланса (Dyna­mic Heat Balance Algorithm), что позволяет повысить рассеивание тепла и продлить срок службы твердотельных накопителей на 20%. Максимальная производительность этой СХД составляет 7 млн IOPS, а постоянное значение задержки – 0,5 мс.

Huawei также идет по пути упрощения управления СХД. Для этого в OceanStor Dorado18000 V3 применяются средства интеллектуального управления eService. Они оптимизируют процессы управления СХД на основе технологий искусственного интеллекта (ИИ) и больших данных, реализуя автоматическое развертывание и диагностическое обслуживание. В частности, система может предвидеть ограничения по производительности и емкости и подсказывать оптимальные решения.

Рис. 7. Гибридный массив Fujitsu Eternus

В 2017 году компания Fujitsu обновила свою линейку систем хранения Eternus (рис. 7). Гибридные массивы Eternus DX60 S4, DX100 S4 и DX200 S4 предназначены для малого и среднего бизнеса, обеспечивают вдвое большую масштабируемость емкости (до 4 Пбайт) и способны обрабатывать втрое больше транзакций. По заявлению производителя, они гарантируют доступность данных на уровне «шести девяток» (99,9999%). Новинки поддерживают функции мгновенных снимков, дедупликации, синхронной и асинхронной репликации, многоуровневого хранения с использованием SSD и HDD, управления качеством обслуживания (QoS).

Компания Lenovo представила в 2017 г. новинку иного класса. Ее система Distributed Sto­rage Solution рассчитана на хранение большого объ­ема как структурированных, так и неструктурированных данных и предназначена для программно определяемых ЦОДов. Особенности СХД – простая масштабируемость, технологии высокоскоростного (до 100 Гбит/с) доступа, включая Infiniband и Ethernet.

Рис. 8. Система «Полибайт» компании RCNTEC

На отечественном рынке СХД, конечно, представлены и российские разработки. Например, на основе программно-аппаратного комплекса «Полибайт» (рис. 8) компании RCNTEC можно создать облачное хранилище емкостью до сотен петабайт с трехкратным резервированием. Комплекс ориентирован на крупные корпорации, частные и государственные проекты, нуждающиеся в надежном хранении неограниченных объемов данных. Он может содержать диски различного типа, что позволяет решать разные задачи. ПО «Полибайт» создано в RCNTEC, а производится система в России.

Система не имеет традиционных централизованных контроллеров, которые обрабатывают данные. Клиенты СХД взаимодействуют напрямую с модулями хранения. Модульная архитектура дает возможность создать систему с массовым параллелизмом, в которой операции ввода-вывода выполняются в распределенной среде, а с увеличением емкости линейно растет производительность.

Другая российская компания, Aerodisk, предлагает хранилища Aerodisk Engine, предназначенные для систем виртуализации, баз данных, видеонаблюдения и высоконагруженных корпоративных систем. Эти СХД поддерживают многоуровневое хранение, кэширование на SSD, дедупликацию, локальную и удаленную репликацию, а также интеграцию с ПО VMware. Масштабируемые СХД Aerodisk Engine выпускаются в конфигурации только на твердотельных накопителях или в конфигурации гибридного хранилища.

SSD, облака и ИИ

В условиях стремительного роста объемов данных хорошим выходом становятся облачные хранилища. Использование в них накопителей SSD позволяет провайдеру гарантировать параметры IOPS в SLA. Облачные хранилища для бизнеса дают возможность достаточно надежно и недорого хранить данные, обеспечивать доступ к ним вне зависимости от местонахождения пользователя, легко масштабировать ресурсы. Сокращаются затраты на создание и техническое обслуживание ИТ-инфраструктуры. Нет необходимости приобретать собственные СХД и прочее инфраструктурное оборудование, нести расходы по его администрированию, обновлению, обеспечению безопасности.

Продукты накопительного класса – SCM (Sto­rage-Class Memory) могут сделать массивы хранения быстрее и эффективнее, а благодаря поддержке интерфейса NVMe в серверах и системах хранения можно будет задействовать более эффективный стек аппаратного и программного обеспечения. Суть решений SCM в использовании флеш-памяти в качестве ОЗУ или ее дополнения.

Предпринимаются попытки объединить хранилища данных с возможностями автоматизации, искусственного интеллекта и машинного обучения. Эти перспективы демонстрирует новый облачный сервис Oracle Autonomous Data Warehouse Cloud Service. Этот сервис избавляет администратора баз данных от целого ряда задач: планирования параметров оборудования, организации резервного копирования, применения патчей, организации защиты данных и аварийного восстановления. Все это делается автоматически и автономно, утверждают в Oracle. Кроме того, Autonomous Data Warehouse Cloud постоянно оптимизирует ресурсы системы на основе входящих запросов, что обеспечивает высокую производительность без какой-либо настройки вручную или вмешательства администраторов.

Не забывает об облаках и NetApp. Совместно с Microsoft в облаке Azure ею реализован сервис выделения томов файловой системы NFS с заданными параметрами готовности, производительности и защиты данных, причем возможна репликация подобных томов из облака на площадку клиента.

По прогнозам NetApp, благодаря механизмам метаданных вскоре можно будет принимать решения по их транспортировке, категоризации, анализу и защите, автоматически определять права доступа и способы обработки, что даст возможность выстраивать процессы без участия человека. Тиринг станет более интеллектуальным, многоуровневое хранение данных – более детализированным.

В том же направлении продвигается HPE. Ее технология выработки рекомендаций InfoSight нацелена на создание «автономных дата-центров». Сначала она будет применяться в системах хранения HPE 3Par на основе флеш-памяти, а затем появится и в других решениях компании. В платформе прогнозной аналитики Info­Sight задействована технология выработки рекомендаций с помощью ИИ. Предполагается, что такой подход приведет к созданию автономных ЦОДов, способных самостоятельно модифицироваться и оптимизироваться.

Dell EMC адаптирует и внедряет новейшие разработки в области микропроцессоров, такие как графические процессоры, тензорные процессоры или программируемые вентильные матрицы, чтобы создать автономное самоуправляемое хранилище.

Цель подобных разработок – упростить и автоматизировать управление ИТ-инфраструктурой, прогнозирование возможных проблем и получение рекомендаций по увеличению производительности, а также сократить операционные затраты.

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