Как новые технологии повлияют на перспективы применения HDD в системах хранения корпоративного класса

Несмотря на революцию в области производства флеш-памяти, в результате которой она все более широко применяеется в устройствах самого разного класса — от смартфонов и планшетов до серверов и массивов хранения данных, технологии жестких дисков (HDD или НМЖД) продолжают развиваться: плотность записи повышается (соответственно, увеличивается и емкость), а производительность дисковых накопителей растет.

Технологии жестких дисков прошли долгий путь развития — накопителю HDD уже более 60 лет. Для дальнейшего увеличения плотности записи приходится изобретать непростые инженерные решения, но пока что емкость дисков продолжает возрастать, как и запросы предприятий, центров обработки данных. Ежегодно объемы данных увеличиваются на 40–60%, что требует все большей плотности их размещения на жестких дисках и повышения скорости доступа к ним. Согласно прогнозам IDC, по всему миру емкость систем хранения в ЦОДах будет ежегодно увеличиваться на 40%, а в крупных центрах обработки данных — вдвое (см. рис. 1).

Рис. 1. В июле Toshiba Electronics Europe представила новые HDD емкостью 6 Тбайт с интерфейсом SATA на 6 Гбит/с и скоростью вращения 7200 об/мин. Диски серии Toshiba MC04 позиционируются как решение для компаний, у которых темпы роста объемов сохраняемых данных очень высоки. Они рассчитаны на рабочую нагрузку 180 Tбайт в год, а MTBF составляет 800 тыс. ч

Между тем дальнейшее повышение емкости дисковых накопителей требует все более дорогостоящих и длительных разработок, поэтому HDD уже не дешевеют так же быстро, как это было раньше. Последние 10 лет плотность размещения данных на дисках увеличивалась в среднем на 28% в год. Однако, по прогнозам HGST (подразделения Western Digital), до 2020 года объемы корпоративных данных будут расти ежегодно на 55%, а плотность записи на пластину диска — лишь на 20%. Вместе с тем до «технологического потолка» плотности магнитной записи пока далеко.

Основными драйверами роста отрасли СХД в следующие два года аналитики называют твердотельные накопители корпоративного класса (среднегодовые темпы роста — более 47%), персональные устройства хранения данных (22%) и накопители большой емкости для предприятий (около 18%). Ближайшие перспективы — переход на более тонкие дисковые накопители (7 мм вместо 9,5 мм) для ПК, появление нового поколения гибридных дисков с улучшенными показателями цена/производительность, более широкое внедрение герметизированных гелиевых дисков.

BPMR И HAMR: НА ПУТИ К 100 ТЕРАБАЙТАМ

В технологии HAMR носитель из магнитного сплава нагревается лучом лазера, при этом меняется ориентация магнитной частицы. Еще в 2012 году производителям удалось с помощью данной технологии достичь плотности записи 1 Тбайт на квадратный дюйм. Ожидается, что совсем скоро этот показатель вырастет вчетверо, однако реализации HAMR в коммерческих продуктах придется подождать года два. Первые накопители, поддерживающие технологию HAMR, Seagate планирует представить в 2016 году, а к 2020-му рассчитывает выпустить на базе HAMR диск емкостью 30 Тбайт.

HGST намерена к 2021 году выпустить диски, использующие технологию Bit Patterned Media Recording (BPMR), которая с помощью нанолитографии разбивает магнитную среду, уменьшая «размеры бита». К 2025 году технологии BPMR и HAMR позволят довести плотность записи до 10 Тбайт на квадратный дюйм. По прогнозу консорциума Advanced Storage Technology Consortium, технологии записи, позволяющие хранить на жестких дисках до 100 Тбайт данных, появятся примерно через десять лет.

«Все эти технологии появились довольно давно и пока не смогли пройти стадию массового внедрения в производство. Тем временем накопители SSD сделали огромный скачок по всем характеристикам», — подчеркивает Владимир Свинаренко, старший менеджер продуктов и решений Huawei.

ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ ГЕЛИЕВЫЕ ДИСКИ

Тем временем несколько перспективных технологий HDD уже вышло на этап коммерческого внедрения. Особые надежды возлагаются на герметичные дисковые накопители, заполненные гелием. Плотность гелия в семь раз меньше, чем воздуха, а теплопроводность выше. Это позволяет уменьшить толщину пластин и снизить уровень вибраций.

Такие диски могут работать в условиях повышенных (на несколько градусов) рабочих температур, что является одним из важнейших условий создания энергоэффективных ЦОДов. По сравнению с обычными жесткими дисками HDD показатель энергопотребление/терабайт удается уменьшить почти на 50%.

Благодаря низкой плотности газа внутри корпуса накопителя появилась возможность поместить туда дополнительные пластины, за счет чего при сохранении форм-фактора повышается емкость. В результате число пластин в накопителе удалось увеличить с пяти до семи. Такие HDD производят уже несколько вендоров.

Специалисты компании HGST, разработавшей собственную патентованную технологию удержания гелия внутри накопителя и предоставляющей на такие диски пятилетнюю гарантию, уверены, что в ближайшие 10 лет гелиевые HDD будут фундаментом для создания новых решений. В HGST подсчитали, что их применение в крупных центрах обработки данных позволит снизить TCO на 22–33%. Гелиевые HDD позволяют добиться высокой плотности хранения данных, хорошего соотношения емкость/вес и емкость/площадь, а также минимального соотношения потребляемая мощность / емкость для корпоративных и облачных центров обработки данных.

Компания Western Digital еще в конце 2013 года сообщила о начале поставок наполненного гелием жесткого диска Ultrastar He6, предназначенного для корпоративного сектора. В 3,5-дюймовом жестком диске Ultrastar He6 используется семь пластин, а его емкость составляет 6 Тбайт. В режиме ожидания HDD потребляет 5,3 Вт и нагревается на 50C меньше, чем жесткие диски, заполненные воздухом. Это устройство с интерфейсами SATA 3 или SAS обеспечивает на 23% меньший уровень энергопотребления в режиме ожидания, а также лучшие показатели энергопотребления и массы на 1 Тбайт емкости — на 49 и 38% соответственно.

По прогнозам HGST, к 2017 году до 50% производственных мощностей по выпуску дисков будет занято выпуском моделей, заполненных гелием. К настоящему времени производители гелиевых жестких дисков добились высокой надежности своих продуктов: гарантированное время наработки на отказ (MTBF) составляет до 2,5 млн часов.

SMR: ЧЕРЕПИЧНАЯ МАГНИТНАЯ ЗАПИСЬ

Технология Shingled Magnetic Recording (SMR) позволяет увеличить емкость на 25%. В отличие от традиционной перпендикулярной записи, при которой дорожки располагаются бок о бок, при SMR они перекрываются, как черепица, поэтому их помещается больше. Свои лучшие возможности диски с технологией SMR демонстрируют при последовательной записи, что соответствует, например, рабочим нагрузкам активного архивирования.

В июне компания HGST анонсировала первый жесткий диск корпоративного класса емкостью 10 Тбайт. Ultrastar Archive Ha10, предназначенный для активного архивирования следующего поколения, является результатом комбинирования двух взаимодополняющих технологий — технологии герметизированных гелиевых дисков HelioSeal и SMR (см. рис. 2).

Рис. 2. Жесткий диск HGST Ultrastar Archive Ha10 с технологией SMR считается оптимальным решением корпоративного класса для активного архивирования. Чтобы достигнуть ожидаемой производительности Ultrastar Archive Ha10, приложения необходимо настроить на последовательную запись

Сейчас, по оценкам HGST, приложения для активного архивирования хранят 20–35% всех корпоративных данных, и в ближайшие пять лет эта доля превысит 50%. Ultrastar Archive Ha10 — третий в линейке гелиевых жестких дисков, разработанных и выпущенных компанией менее чем за два года. Среднее время наработки на отказ (MTBF) у этого жесткого диска — 2 млн часов.

Однако вероятность дальнейшего существенного увеличения плотности записи при помощи SMR невелика, к тому же у технологий, связанных с наполнением гелием, есть свои ограничения.

HDD ИЛИ SSD?

Пока вся отрасль ждет появления HAMR-дисков, твердотельные накопители продолжают совершенствоваться. Снижение цен на флеш-память наряду с замедлением темпов повышения плотности записи в жестких дисках заставляет задуматься, не придут ли на смену HDD флеш-накопители. В HGST ожидают, что в следующее десятилетие технологии HDD и SSD будут развиваться параллельно: полного вытеснения последними традиционных дисковых накопителей не предвидится.

В ближайшие годы накопители HDD останутся самым экономичным решением для хранения данных. К 2020 году их емкость вырастет в 10–20 раз. Пока что твердотельные накопители (SSD) не составляли конкуренции HDD — скорее, дополняли традиционные диски. Но в будущем ситуация может измениться.

Если прогресс в разработке SSD-накопителей продолжится прежними темпами, то через несколько лет дискам HDD придется столкнуться с жесткой конкуренцией — их применение может ограничиться нишевыми приложениями. Правда, для этого цены на SSD должны значительно снизиться.

Емкость накопителей на флеш-памяти стремительно растет (см. рис. 3). «Техпроцесс по нормам 14–15 нм — предельный для NAND. Единственный путь — создавать многослойные структуры класса 3D NAND. Например, у Toshiba это технология BiCS. Кроме того, производители будут стараться делать ячейки многоуровневыми для увеличения плотности записи», — рассказывает Игорь Макаров, менеджер по продажам OСZ storage Solutions (A Toshiba Group Company). В 2013 году производственные процессы позволяли создавать лишь 24 слоя, в 2014-м — 36, теперь уже 48. Память, созданная по технологии 3D NAND, доказала свою работоспособность и эффективность.

Рис. 3. Твердотельные накопители HyperX Predator SSD компании Kingston с интерфейсом PCIe Gen 2.0 x4 и форм-фактором M.2 отличаются большой емкостью и высокой скоростью работы (скорость считывания — до 1400 Мбит/с, скорость записи — до 1000 Мбит/с)

В августе на конференции Flash Memory Summit в Калифорнии компания Samsung представила самый емкий в мире накопитель SSD. На диске с форм-фактором 2,5 дюйма может храниться 16 Тбайт данных. И это при том, что емкость традиционных жестких дисков HDD сейчас не превышает 10 Тбайт. Такой емкости Samsung смогла добиться благодаря «трехмерной» памяти 3D V-NAND с 48 слоями TLC (см. рис. 4).

Рис. 4. 16 Тбайт — такова емкость 2,5-дюймового накопителя SSD, представленного недавно компанией Samsung (в настоящее время этот показатель не превышает 10 Тбайт). В новых микросхемах NAND Samsung удалось уместить 48 слоев памяти 3D V-NAND с трехбитными ячейками

Появление нового типа энергонезависимой памяти 3D XPoint (разработка Intel и Micron Technology) обещает значительно повысить производительность твердотельных накопителей, однако в полной мере использовать скорость первых SSD на базе памяти 3D XPoint не удастся из-за ограничений современных интерфейсов по быстродействию. Первые накопители Intel Optane будут использовать интерфейсы PCI Express 3.0 и выпускаться в форм-факторах PCIe-карт или модулей DIMM с 288 контактами. Предполагается, что такие накопители найдут применение в ЦОДах для хранения часто запрашиваемых «горячих» данных (см. рис. 5).

Рис. 4. 16 Тбайт — такова емкость 2,5-дюймового накопителя SSD, представленного недавно компанией Samsung (в настоящее время этот показатель не превышает 10 Тбайт). В новых микросхемах NAND Samsung удалось уместить 48 слоев памяти 3D V-NAND с трехбитными ячейками

«В серверах с транзакционной нагрузкой на смену накопителям HDD корпоративного класса постепенно приходят SSD, причем соотношение в пользу последних могло бы изменяться намного быстрее, если бы не консервативность ИТ-персонала и некоторые предрассудки, порожденные проблемами, которые возникали при эксплуатации первого поколения SSD, — рассказывает Игорь Макаров. — Вместе с тем HDD продолжают себя прекрасно чувствовать в сегменте хранения «холодных», редко используемых или архивных данных, а гибридизация, применение SSD в качестве кэш-памяти HDD, дает возможность этим двум типам накопителей сосуществовать и дополнять друг друга. Пожалуй, только в сегменте SAS для ответственных задач и FC-накопителей устройства HDD будут полностью заменены на SSD».

«Уже сейчас HDD со скоростью вращения 15К от компании Huawei сравнялись в цене с SSD аналогичного объема, — отмечает Владимир Свинаренко. — Что касается NL-SAS HDD большой емкости, то эта ниша пока останется недосягаемой для SSD, но темпы развития технологий позволяют надеяться на то, что в ближайшие пять лет HDD емкостью 4–6 Тбайт будут заменены дешевеющими твердотельными накопителями».

«Развитие систем видеонаблюдения также потребует внедрения емких и недорогих жестких дисков. Накопители SSD смогут заменить HDD на транспорте, где традиционные диски просто не в состоянии выдерживать вибрации и температурные колебания. На SSD можно будет выполнять обработку фрагментов данных, хранящихся на HDD. Однозначно одно: флеш-накопители не вытеснят HDD, — считает Игорь Макаров. — Что касается более близкой перспективы, то в сегменте серверных HDD со скоростями вращения 10K и 15K жесткие диски могут уступить свое место накопителям SSD. HDD же станут применяться в качестве емких и дешевых хранилищ холодных данных».

«Пользователи ПК предпочитают применять SSD для загрузки операционной системы и программ, в то время как HDD служит основным пространством хранения данных. Некоторые сегменты рынка — домашние NAS, специализированные диски для записи видеонаблюдения, диски для хранения медиаконтента — практически целиком заняты жесткими дисками, — подчеркивает Александр Новичихин, глава представительства Seagate в России и СНГ. — В сегменте центров обработки данных тоже лидируют жесткие диски».

Алексей Аверин, технический директор компании Violin Memory в России и СНГ, придерживается иного мнения: «Мы видим четкую тенденцию перехода от жестких дисков на флеш-накопители. Связано это с тем, что технологии дисков уже не развиваются — растет только емкость. При этом производительность и, самое главное, время отклика практически не изменились с момента изобретения HDD. Запросы же клиентов постоянно растут, они начинают искать альтернативу и останавливают свой выбор на флеш-СХД. Уже сейчас стоимость 1 терабайта полезной емкости такой СХД сравнима с этим показателем для дисковой системы хранения. Зачем покупать диски, когда по той же цене можно получить флеш-систему с многократно меньшим временем отклика и практически неограниченным запасом производительности? Технологии дедупликации и компрессии делают флеш-СХД еще более привлекательными, а форм-фактор и низкое энергопотребление открывают дополнительные возможности для консолидации». По его словам клиенты Violin рассматривают HDD только в качестве носителя для архивных данных, да и в этой нише, как считают в компании, отказ от них — лишь вопрос времени. Даже по консервативным прогнозам аналитиков, к 2019 году 20% традиционных массивов старшего класса будут заменены на флеш-системы (Solid State Array, SSA), а уже к 2017 году ожидается пятикратный рост мирового рынка флеш-систем в денежном выражении.

HDD+SSD

Тем временем развитие могут получить новые классы устройств — гибридные HDD со встроенной флеш-памятью и сдвоенные HDD (HDD+SSD). Несмотря на активность конкурентов в области разработки гибридных накопителей, в HGST считают, что будущее все же за сдвоенными дисками, поскольку они дешевле и производительнее гибридов, их конфигурация гибче, а возможности оптимизации размещения данных на более высоком файловом уровне заметно выше. По производительности такие диски сопоставимы с SSD и на 37% опережают гибридные. По мнению сотрудников этой компании, корпоративному сектору не требуются гибридные HDD: в серверах будут применяться в основном встроенные SSD с интерфейсом PCIe (для ускорения операций) и обычные HDD.

«Гибридизация SSD и HDD, скорее всего, будет реализовываться на уровне ОС. Гибридные накопители SSHD оказались компромиссным решением, не унаследовавшим лучшие качества SSD и HDD, — отмечает Игорь Макаров. — SSD компенсируют ограничения жестких дисков в плане скорости случайного доступа, а жесткие диски позволяют снизить общую стоимость накопителя и обес-

печивают долгий срок службы. Иными словами, сдвоенные диски — комбинация из SSD небольшой емкости и емкого HDD — обеспечат высокие скорости ввода-вывода данных для требовательных приложений и большой объем для хранения данных. Такая комбинация поможет найти оптимальный баланс между ценой и производительностью».

«Безусловно, продажи SSD растут, но по сравнению с жестким диском стоимость флеш-памяти продолжает оставаться высокой. Кроме того, не стоит забывать и о технологических ограничениях по количеству операций перезаписи в ячейках на SSD, и о росте объема данных и количества мобильных устройств. Эти факторы способствуют определенному сегментированию рынка устройств хранения информации, — рассказывает Александр Новичихин. — Многие потребители к критически важным показателям относят емкость устройства хранения. Для них Seagate предлагает гибридные жесткие диски, сочетающие скоростные характеристики SSD и высокую емкость HDD».

СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ HDD

Технологии HDD продолжают совершенствоваться, и производители будут увеличивать плотность записи и емкость дисковых накопителей. «HAMR, SMR, HDD с гелием и гибридные HDD — технологии сегодняшнего дня, — говорит Игорь Макаров. — Технология HAMR, пожалуй, наиболее интересна, причем ее можно использовать в комбинации с SMR и в гелиевых дисках. Гибридные HDD, где могут применяться все упомянутые технологии, каждая из которых имеет свои плюсы и минусы, пригодятся для решения конкретных задач и создания специализированных дисковых накопителей».

«Все новые технологии жестких дисков интересны и перспективны в своих областях применения, — уверен Александр Новичихин. — Например, HAMR и SMR позволяют существенно повысить емкость жесткого диска, что, безусловно, необходимо ввиду роста потребностей ЦОДов. Параллельно будет повышаться интерес и к специализированным корпоративным дискам, в основу которых положен принцип объектного хранения данных — эта технология применяется в дисках Seagate Kinetic. Энергопотребление, емкость и надежность могут стать ключевыми параметрами именно для таких дисков».

Меняются не только технологии HDD. С ростом плотности записи все более популярным становится 2,5-дюймовый форм-фактор, отмечает Игорь Макаров. 3,5-дюймовые HDD остаются хорошим выбором для облачных сред, хранилищ данных и архивных устройств.

«Форм-фактор накопителей уже претерпел изменения. Стандартные форматы — 2,5 и тем более 3,5 дюйма — становятся слишком громоздкими, — замечает Сергей Чаукин, специалист по технической поддержке компании Kingston Technology. — На смену им придет стандарт M.2 — стандартизированный формат платы без корпуса, уже больше похожий на модуль памяти, чем на привычный жесткий диск».

По мнению Владимира Свинаренко, в следующие три года основная масса дисков будет иметь форм-фактор 2,5 дюйма, однако тенденция к уменьшению размеров постепенно набирает силу. Что касается скоростей вращения, то диски 15К будут замещаться на SSD, а в 2017–2018 годах твердотельные накопители вытеснят и диски 10К. В ближайшем будущем в СХД появятся HDD NL-SAS емкостью 6–10 Тбайт для «неактивных» данных и пул SSD для всех остальных задач. А вот гибридные SSHD имеют мало шансов прижиться в корпоративном сегменте (см. рис. 6).

Рис. 6. Прогноз снижения стоимости HDD и SSD (по данным Huawei)

«Вскоре в корпоративных системах хранения на смену привычным уровням хранения «медленный — средний — быстрый», которые реализуются соответственно на дисках SATA/NL — SAS SAS — SSD, придут уровни хранения «медленный — быстрый — сверхбыстрый», которые будут реализованы на носителях NL-SAS — SSD — PCI-Flash соответственно. Причем уровень PCI-Flash будет работать и как расширитель основной кэш-памяти дискового массива, и как отдельный уровень хранения для наиболее критичных данных с точки зрения производительности, — предсказывает Александр Яковлев, менеджер по развитию бизнеса СХД в компании Fujitsu. — Использование PCI-Flash в сегодняшних системах хранения уже дает весьма существенный прирост производительности OLTP-приложений. Другим направлением развития станет увеличение емкости дисков NL-SAS для эффективного и дешевого хранения больших объемов данных, причем специальные требования будут предъявляться к надежности такого носителя».

«Вероятно, в ближайшее время мы не увидим внедрения новых скоростей вращения и новых форм-факторов, отличных от традиционных 2,5 и 3,5 дюйма. Все внимание производителей будет направлено на совершенствование продуктов в разных сегментах рынка и на попытки сделать диски наиболее эффективными в зависимости от области применения», — считает Александр Новичихин.

Специализация накопителей, разнообразие их видов и характеристик позволят создавать гибкие и производительные решения, оптимизированные для разных видов нагрузок и областей применения.

Сергей Орлов — ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: sorlov@lanmag.ru.