Итоги 2019 года: жесткие диски

Если изучить историческую статистику объема жестких дисков в пересчете на шпиндель, легко заметить, что в последнюю декаду темпы роста заметно сократились. Без помощи новаторских приемов чтения и записи, способных радикально изменить и усложнить принципы работы HDD (а следовательно, требующих серьезных научных изысканий), плотность данных на пластинах увеличивается довольно медленно. По сути, она уже приблизилась к очередному физическому пределу. После того как вошла в строй технология перпендикулярной записи, производители магнитных накопителей использовали преимущественно экстенсивные методы поддержания прогресса. Открылась возможность устанавливать на шпиндель больше пяти пластин (что раньше рассматривали в качестве практического максимума) — сначала с помощью накачки гелием, а затем и без него. В настоящий момент количество «блинов» в герметичных корпусах дошло до девяти, а в вентилируемых — до семи. Даже эти числа — не предел, но все же уплотнение пластин играет роль ситуативного решения и лишено какого бы то ни было долговременного потенциала.

Другой вызов, на который предстоит ответить разработчикам жестких дисков, связан с отношением скорости передачи данных к емкости устройства. С пропускной способностью в режиме линейного чтения/записи у современных HDD полный порядок. Благодаря высокой плотности записи она перешагнула за предел 250 Мбайт/с, а большеобъемные 3,5-дюймовые накопители по этому параметру достигли уровня 2,5-дюймовых дисков со скоростью вращения шпинделя 10–15 тыс об/мин и не уступают некоторым дешевым SSD. С другой стороны, быстродействие в операциях за секунду при обращении по произвольным адресам для жестких дисков представляет собой более-менее фиксированную величину, которую определяет, с одной стороны, скорость вращения пластин и их диаметр, а с другой — скорость перемещения актуатора. Как следствие, параллельно с тем, как увеличивается емкость, показатель IOPS в пересчете на терабайт данных неуклонно падает.

И наконец, по актуальным каталогам Seagate, Toshiba и Western Digital хорошо заметна строгая специализация жестких дисков на определенный сценарий эксплуатации, которая в дальнейшем будет только усиливаться. С другой стороны, давно очерчены менее приоритетные сферы применения, которые магнитные накопители пока не покидают окончательно, но технологический прогресс в них временно заморожен. Так, за весь год производители HDD представили на троих только одну розничную модель для установки в настольные компьютеры (да и та ориентирована скорее на рабочие станции, нежели на домашние ПК) и ни единого устройства в форм-факторе 2,5 дюйма для лэптопов. Серверные SFF-диски с интерфейсом SAS и вовсе не обновлялись уже пару лет подряд, хотя это обстоятельство еще может измениться, если принять в расчет последние новости от производителей стеклянных субстратов для пластин (об этом — в заключении статьи), которые как раз-таки используются в 2,5-дюймовых корпусах.

Основным направлением развития для современных жестких дисков стали серверные хранилища категории nearline для «холодных» и, если можно так выразиться, «прохладных» данных. Именно в этой области сосредоточены усилия компаний-производителей, а вслед за серверными HDD новые достижения перетекают в диски для отдельно стоящих и стоечных NAS. За минувший год такие устройства покорили объем в 16 Тбайт, близкий к пределу возможностей конвенциональных методов записи, и набрали по девять пластин на шпинделе в окружении гелиевой атмосферы. Впору говорить о том, что эволюция HDD наткнулась на очередной технологический барьер, но, к счастью, до внедрения в коммерческие модели наконец дошли новаторские технологии, которые сохранят возможность и дальше увеличивать объем винчестеров еще долгие годы, если не десятилетия. Все три производителя работают на теми или иными разновидностями записи при помощи дополнительных источников энергии (микроволновой или тепловой), а Western Digital уже поставляет первые партии 18-терабайтных накопителей с головками MAMR (Microwave Assisted Magnetic Recording). Если же взять передовые накопители WD для «холодных» данных объемом 20 Тбайт, то эти устройства собрали просто-таки бинго технологий, о которых мы твердим из года в год — и EAMR (Energy Assited Magnetic Recording), и TDMR (Two-Dimensional Magnetic Recording), и SMR (Shingled Magnetic Recording).

С другой стороны, производители предпринимают серьезные усилия для того, чтобы изменить плачевную ситуацию с отношением IOPS к объему данных. Широкое распространение получили алгоритмы кеширования при помощи Flash-памяти, выросшие из не слишком удачных экспериментов в рамках потребительских моделей, но есть и другое, радикальное решение, к которому пришла уже не только фирма Seagate, но и WD. Если планы производителей осуществятся, в 2020 году мы встретим серверные HDD с двумя актуаторами, которые смогут практически удвоить быстродействие в операциях с произвольным и последовательным доступом. У Seagate — в коммерческих поставках, а WD, возможно, успеет выпустить пробные партии двухактуаторных устройств.

⇡#Серверные HDD форм-фактора 3,5 дюйма

Важным событием для жестких дисков в 2019 году стала премьера накопителей Toshiba серии MG08, которые первыми среди коммерческих моделей освоили объем 16 Тбайт на одном шпинделе. Дорога в лидеры открылась японской фирме благодаря тонким магнитным пластинам Showa Denko с полезной емкостью 1,78 Тбайт и новому шасси, способному вместить девять таких дисков. А для того, чтобы гарантировать надежное извлечение данных из пластин высокой плотности, производителям HDD пришлось после отметки 14 Тбайт и выше использовать технологию так называемой двухмерной магнитной записи (TDMR), которая в действительности представляет собой метод чтения соседних дорожек одновременно несколькими головками, расположенными на одном лепестке актуатора. Заметим, что TDMR пока не позволяет параллельно считывать данные из нескольких дорожек и нужна лишь для того, чтобы увеличить отношение «сигнал – шум».

В накопителях столь внушительной емкости, как Toshiba MG08, проблема низкой пропускной способности в IOPS на терабайт объема стоит как никогда остро. В качестве консервативного решения Toshiba применят микросхему Flash-памяти, которая играет роль второго уровня кеш-памяти после буфера DRAM и вместе с тем способствует повышенной отказоустойчивости: в случае аварийного отключения питания твердотельный кеш позволяет спасти данные, отправленные хост-контроллером на запись. Впрочем, эта опция (Persistent Write Cache) фигурирует только в спецификациях дисков с эмуляцией 512-байтовой разметки, которая несет особенную угрозу при сбое питания в силу необходимости выполнять операцию read-modify-write при каждой записи логических блоков, не совпадающих с границами физических секторов. Означает ли это, что варианты MG08 с нативным доступом к 4К-секторам вовсе лишены Flash-микросхем (что маловероятно, если учитывать бонус к быстродействию), или что с них всего лишь сняли функцию резервного копирования — нам не известно. Но, как бы то ни было, твердотельная память в этом и других серверных винчестерах кеширует только операции записи и совсем не помогает нарастить IOPS при чтении данных. В этом должны помочь алгоритмы алгоритмы Dynamic Cache, которые, как утверждает Toshiba, оптимальным образом распределяют пространство DRAM-буфера между операциями чтения и записи (как бы размыто ни звучала эта формулировка).

Seagate, чтобы выйти на уровень 16 Тбайт в серверном накопителе Exos X16, фактически повторила рецепт Toshiba: такая же полезная емкость магнитных пластин, тоже девять «блинов» на одном шпинделе и чтение при помощи TDMR. Любопытно, что ранее Seagate планировала начать массовые поставки другой версии винчестера — с меньшим количеством пластин, но увеличенной плотностью данных, которая стала возможной благодаря термомагнитной записи. Тестовые партии дисков Exos с HAMR отправились избранным партнерам компании еще в конце 2018 года, но до широкого рынка так и не дошли. Внедрение HAMR в коммерческих устройствах Seagate начнет уже с более высокой планки емкости. А что касается настоящего Exos X16, то, помимо конфигурации пластин в шасси, а также стандартных паспортных данных производительности и отказоустойчивости, об использованных в нем вспомогательных технологиях известно довольно мало. Так, в nearline-дисках Seagate и высокопроизводительных винчестерах форм-фактора 2,5 дюйма применяется алгоритм Advanced Write Caching, значительно снижающий время отклика HDD при операциях записи мелких блоков и, отчасти, чтения. В полной конфигурации AWC опирается на резервные участки, разбросанные по поверхности пластин, куда сгруппированные в DRAM-буфере данные случайных запросов сбрасываются в последовательном порядке (Media Cache), а также на небольшой объем энергонезависимой памяти для спасения данных при аварийном отключении питания. Кроме того, жесткий диск всегда хранит зеркальную копию содержимого DRAM-буфера, которая позволяет хост-контроллеру мгновенно считывать горячие данные. Документация Seagate не говорит, есть ли AWC в Exos X16, но если судить по данным независимых тестов быстродействия, в каком-то объеме эта технология здесь все-таки используется.

16-Seagate Exos X16

В отличие от Seagate, которая, по всей видимости, испытывает непредвиденные трудности с переходом от нынешнего способа записи данных к термомагнитному методу, Western Digital уже внедрила в коммерческие устройства альтернативную конструкцию на основе микроволнового излучателя (MAMR — Microwave Assisted MagneticRecording). Подробнее о том, чем отличаются друг от друга технологии HAMR и MAMR и какими преимуществами и недостатками характеризуется каждая из них, мы расскажем позже, а пока ограничимся сухими цифрами достижений Western Digital. Две модели Ultrastar DC HC550 объемом 16 и 18 Тбайт построены на базе девяти пластин полезной емкостью 2 Тбайт каждая (заметим, чтобы удвоить плотность записи после того, как Hitachi выпустила первый HDD на терабайтных пластинах, индустрии потребовались долгие восемь лет) и нуждаются в TDMR для операций чтения. Похоже, что младшая из них новинок является винчестером short-stroke, то есть часть площади магнитных пластин в ней просто не используется. 16-терабайтный Ultrastar DC HC550 нужен WD в основном для валидации новых технологий, так как новая серия пока распространяется среди избранных партнеров фирмы, а массовые продажи стартуют лишь в 2020 году.

Накопители Ultrastar DC HC550, как и предыдущие большеобъемные диски Ultrastar, наверняка не обошлись без технологии Media Cache — резервных зон магнитной поверхности для быстрой обработки случайных запросов на запись. А начиная с 10-терабайтных серверных HDD, WD использует для кеширования операций записи еще и небольшой объем твердотельной памяти (Media Cache Plus). Однако полные спецификации новинок, включая оценки быстродействия, производитель еще не раскрывает, пока не завершатся испытания пробных партий. То же относится к родственной девятипластинной модели Ultrastar DC HC650, достигшей объема 20 Тбайт за счет черепичной записи (SMR) в комбинации с MAMR и TDMR. Благодаря такому списку внушительных аббревиатур Ultrastar DC HC650 стал самым технологичным из всех когда-либо выпущенных жестких дисков, однако специфика работы SMR отводит ему роль хранилища архивных данных или, в лучшем случае, такого рода информации, которую редко требуется перезаписывать, но часто считывать. Как и другие черепичные винчестеры WD, Ultrastar DC HC650 принадлежит к категории host-managed, то есть нуждается в прямом управлении запросами на запись, чтобы эффективно использовать емкость пластин и минимизировать число длительных операций read-modify-write.

WD Ultrastar DC HC550 и DC HC650

⇡#HDD для настольных ПК и NAS

Совокупный ассортимент трех производителей жестких дисков в потребительской сфере, как обычно, пополнился накопителями увеличенной емкости на серверном шасси в герметичном корпусе. Western Digital взяла за основу nearline-модель Ultrastar DC HC530 с восемью пластинами полезной емкостью 1,75 Тбайт и удалила невостребованные в домашних и мелкоофисных сетевых хранилищах опции — поддержку интерфейса SAS, сквозное шифрование, а также, к сожалению, Media Cache. В результате получилась 14-терабайтная версия Red Pro и аналогичный накопитель для систем видеонаблюдения WD Purple. Вдобавок к этому у стандартной версии Red скорость вращения шпинделя понижена до 5400 об/мин. Единственные примечательные особенности новых дисков для NAS — технология считывания дорожек TDMR и увеличенные показатели линейной скорости обращения к данным по сравнению с винчестерами меньшего объема.

Почти все то же самое можно сказать о новейших представителях торговых марок Seagate IronWolf и IronWolf Proобъемом 16 Тбайт, которые опираются на достижения Exos X16, однако нужно согласиться с тем, что Seagate по-прежнему идет на шаг впереди Western Digital в объеме винчестеров с интерфейсом SATA для сетевых хранилищ.

Компания Toshiba, которая в последние годы прилагает большие усилия для того, чтобы сделать свой бренд более привлекательным на потребительском рынке накопителей, тоже поспешила выпустить два жестких диска емкостью 16 Тбайт — X300 для рабочих станций и N300 для NAS. Нетрудно догадаться, что прообразом для них стал винчестер-рекордсмен Toshiba MG08 на базе девяти пластин по 1,78 Тбайт, но опять-таки были исключены за ненадобностью изощренные серверные функции. Кеширование операций записи при помощи твердотельной памяти, скорее всего, тоже утрачено, а представители серии X300 в добавок ко всему не подготовлены к работе в режиме 24/7.

Параллельно с розничными большеобъемными моделями X300 и N300 японцы без особой огласки начали отгружать OEM-партнерам десктопные накопители MD07ACA объемом 12 и 14 Тбайт, которые являются аналогом X300, в то время как ранее представленные год тому назад MN07ACA дублируют N300. Старшие представители обеих семейств представляют собой девятипластинные HDD с полезной емкостью «блина» 1,56 Тбайт и, соответственно, внушительной скоростью линейного чтения/записи.

Наконец, для полноты картины стоит отметить винчестеры Toshiba DT02-V, рассчитанные на системы видеонаблюдения базового уровня. Новые модели объемом 2, 4 и 6 Тбайт заменят устаревшие накопители MD04ABA-V, представленные еще в 2014 году. Возросшая с тех пор плотность записи позволила инженерам Toshiba нарастить пиковую производительность со скромных 157 до 185 Мбайт/с, вполне респектабельных по меркам HDD со скоростью вращения шпинделя 5400 об/мин.