Итоги 2019 года: жесткие диски

⇡#HAMR, MAMR… EAMR, EPMR — что происходит?

Два крупнейших производителя жестких дисков — Seagate и Western Digital, которые в настоящее время удерживают 75-процентную долю рынка на двоих, вплотную подошли к массовым поставкам накопителей, основанных на принципах термомагнитной (или «микроволново-магнитной») записи. Это могло произойти намного раньше, однако Seagate по тем или иным причинам перечеркнула надежды на появление HDD с технологией HAMR в широком доступе в 2019 году и вместо этого достигла объема 16 Тбайт на шпиндель за счет обычной перпендикулярной записи, считывания дорожки несколькими головками (TDMR), а главное — увеличенного до девяти штук стека пластин. Но оказалось, что и это не предел возможностей для существующих технологий. Согласно последним заявлениям компании, 18-терабайтные накопители семейства Exos поступят в продажу уже в первой половине 2020 года. Это опять-таки будут винчестеры без HAMR и, вероятнее всего, на аппаратной платформе, родственной Exos X16, только с еще немного увеличенной емкостью пластин. В то же время Seagate планирует вернуться к нишевой технологии черепичной записи, которую, казалось бы, давно забросила (последний такой HDD у Seagate в настоящий момент имеет емкость 8 Тбайт): 20-терабайтный винчестер с SMR для хранения холодных данных также пополнит каталог Exos в 2020 году.

Тем не менее Seagate вовсе не отказывается от далеко идущих планов, связанных с HAMR. Первое время ветки устройств на базе обычной и термомагнитной записи будут развиваться параллельно, но будущее, разумеется, принадлежит последней. Seagate опубликовала не только обновленный roadmap, но и набор интересных технических подробностей — о том, какие задачи ее инженерам пришлось решить на пути к коммерческому внедрению HAMR, а также показатели отказоустойчивости и плотности записи в первых поколениях термомагнитных HDD. Напомним, что сама необходимость в HAMR вызвана применением ферромагнитной поверхности, сделанной из сплавов с высокой коэрцитивной силой (значением напряженности магнитного поля, необходимого для изменения заряда), которые, в свою очередь, позволяют значительно уменьшить размер домена и уплотнить дорожки секторов без риска утраты информации в результате спонтанного размагничивания. Однако и запись данных на подобный материал вынуждает использовать электромагнит высокой мощности, водрузить который на актуатор HDD либо не представляется возможным, либо нецелесообразно с практической точки зрения.

Вместо этого одновременно с записывающей головкой в термомагнитных накопителях работает миниатюрный лазер (NFT — Near-Field Optical Transducer), который нагревает поверхность вплоть до 450 °С, тем самым временно снижая ее коэрцитивную силу. Однако термомагнитный метод влечет за собой не только перемены в принципах работы жесткого диска на фундаментальном уровне, каких технология HDD не знала со своего рождения в 1954 году, но и набор скрытых недостатков. Правда, основной недостаток, который ожидаешь увидеть, когда речь заходит про лазер, HAMR-дискам не свойственен. Вопреки возможным опасениям, HAMR вносит незначительный вклад в энергопотребление, и при мощности самого лазера в 20 мВт общая мощность 16-терабайтного накопителя Seagate не превышает 12 Вт, вполне обыденных для стандартной 3,5-дюймовой корзины. Реальная опасность — это износ ферромагнитной пленки под воздействием постоянного нагрева и охлаждения, с которым, вероятно, придется бороться при помощи алгоритмов выравнивания нагрузки, подобным тем, что применяются в твердотельной памяти. Да и сам NFT постепенно разрушается в ходе эксплуатации. Впрочем, что касается головок, Seagate оценивает ресурс каждой в 4 Пбайт записанных данных, а остальные компоненты диска, включая изготовленные самой компанией магнитные пластины и детали, купленные у сторонних поставщиков, должны по меньшей мере соответствовать расчетной годовой нагрузке в 550 Тбайт, типичной для современных серверных устройств.

Термомагнитные винчестеры объемом 16 Тбайт Seagate отправила на пробу избранным партнерам еще в декабре 2018 года, но, вопреки ожиданиям, эти устройства никогда не выйдут за пределы испытательных партий. Крупные коммерческие поставки начнутся лишь в конце 2020 года, зато сразу с отметки 20 Тбайт. Вместе с тем лабораторные тесты Seagate уже показали жизнеспособность пластин для HAMR с плотностью данных 2,381 Тбит/дюйм² и полезной емкостью в 3 Тбайт (на 68 % больше по сравнению с 1,78 Тбайт, которые используются в обычных 16-терабайтных винчестерах). HDD с гелием, укомплектованные восемью такими пластинами, будут иметь объем в 24 Тбайт. В свою очередь, передовые экспериментальные образцы ферромагнитной поверхности достигают плотности данных в 10 Тбит/дюйм², и в конечном счете Seagate планирует увеличить объем, доступный на одном шпинделе, до 50 Тбайт уже к 2026 году.

Western Digital развивает собственный вариант технологии, которую начали обозначать зонтичным термином EAMR (Energy-Assisted Magnetic Recording), но представители компании неоднократно выступали с критикой собственно термомагнитной записи, указывая на присущие ей трудности внедрения, а также на вероятные проблемы с износом пластин и отказоустойчивостью. Вместо лазера, разогревающего поверхность на сотен градусов, WD предпочитает микроволновый излучатель (STO — Spin Torque Oscillator), работающий на частотах 20–40 ГГц, который решает ту же задачу снижения коэрцитивной силы, но без вреда для срока службы диска. Кроме того, по заявлению WD, переход от привычных методов записи к MAMR не влечет за собой столь же глубоких изменений в устройстве самих пластин, как в случае HAMR. А в свежих 18- и 20-терабайтных накопителях Western Digital так и вовсе обошлась частичной имплементацией MAMR, о которой не известно практически ничего, за исключением того факта, что разработчики отказались от STO-головок в пользу какого-то иного источника микроволнового излучения. Зато для этого придумали еще одну аббревиатуру — EPMR (Energy-Enhanced Perpendicular Magnetic Recording).

WD твердо намерена использовать ту или иную разновидность MAMR в ближайшие годы, но в действительности компания никогда не прекращала собственные разработки в области термомагнитной записи. Более того, оба ведущих производителя жестких дисков — и Seagate, и WD — согласны с тем, что именно HAMR открывает наибольший потенциал для роста плотности записи среди всех ответвлений EAMR. Western Digital готова еще раз взвесить все аргументы за и против термомагнитной записи, когда придет черед винчестеров с емкостью 24 и 30 Тбайт, а дальние горизонты просматриваются вплоть до 50 Тбайт на одном шпинделе. И разумеется, как и Seagate вместе с Toshiba, WD вынуждена использовать блок головок TDMR при любой емкости свыше 14 Тбайт на шпиндель, так как EAMR сама по себе нисколько не помогает считывать данные с чрезвычайно тесно расположенных дорожек.

Кроме того, WD продолжает инвестировать ресурсы в другой двигатель плотности записи — SMR. Western Digital была и остается главным апологетом этой технологии среди трех поставщиков жестких дисков, в то время как Seagate затормозила работу над SMR несколько лет тому назад, а Toshiba только готовится к тому, чтобы вывести на рынок свои первые «черепичные» накопители. Сегодня большинство датацентров сторонятся SMR-дисков из-за свойственной последним низкой производительности в операциях записи данных, но если не брать во внимание морально устаревшие 8-гигабайтные модели Seagate, SMR всегда позволяет увеличить плотность хранения данных в пересчете на шпиндель на 2 Тбайт по сравнению с передовыми достижениями PRM. Прогноз WD, основанный на непрерывно возрастающих запросах к объему HDD, гласит, что уже в 2023 году больше половины данных в ЦОД будут размещены на SMR-устройствах, в сфере которых Western Digital планирует удерживать лидирующую позицию. В отличие от Seagate, WD сразу сделала ставку на так называемые host-managed-накопители, возлагающие на хост-контроллер всю ответственность за эффективную компоновку данных. Это позволило клиентам и партнерам WD сформировать программно-аппаратную инфраструктуру вокруг SMR, которая в какой-то мере компенсирует издержки технологии.

Что касается третьего члена сложившейся олигополии в индустрии HDD, Toshiba, то азиаты доселе никогда не выражали интереса к SMR и, с другой стороны, хранили молчание о своих намерениях — несомненно, давно существующих — относительно EAMR. Однако спустя несколько лет после того, как Western Digital пришлось отдать Toshiba часть мощностей для производства 3,5-дюймовых HDD в ходе сложной сделки с покупкой HGST, японский производитель сначала сократил технологическое отставание от западных соперников по герметичным корпусам и плотности записи, затем начал использовать TDMR, а теперь готовится проставить галочки напротив двух оставшихся пунктов — SMR и EAMR. Поставщик магнитных пластин Showa Denko, с которым сотрудничает Toshiba, объявил о завершении работ над продуктом нового поколения с полезной емкостью 2 Тбайт. Они рассчитаны на запись при помощи микроволновых головок, а существующее шасси Toshiba с девятипластинным стеком (которое, как мы знаем на примере WD, наверняка не требует глубоких изменений для интеграции MAMR), позволит компании довольно быстро наладить массовое производство HDD объемом 18 Тбайт. Пробные поставки новинок уже должны были начаться в прошедшем году, а массовые продажи запланированы в 2020-м. В свою очередь, еще через год Toshiba намерена представить свой 20-терабайтный накопитель, и не исключено, что это будет HDD, основанный сразу на десяти (!) магнитных пластинах. По крайней мере такая удивительная конструкция фигурирует в официальном roadmap’е японцев. С другой стороны, на волне возродившегося интереса к SMR соответствующие модели появятся и в каталоге Toshiba, сразу в комбинации с MAMR. Наконец, и Showa Denko, и сама Toshiba признают, что рано или поздно возникнет необходимость перейти от MAMR к HAMR, но ни один из партнеров пока не озвучил даже примерных сроков выхода проекта из лабораторной стадии.

В то же время другая японская фирма — HOYA, — которая занимается производством стеклянных субстратов для магнитных пластин, начала стройку новой фабрики, оснащенной по последнему слову техники. Стеклянные субстраты используются преимущественно в 2,5-дюймовых HDD, поскольку имеют ряд преимуществ по сравнению с алюминиевыми аналогами — они тоньше, легче, жестче и в настоящий момент практически вытеснили металлическую подложку в компактных накопителях. Если компании, занимающиеся производством пластин на основе готовых субстратов (Seagate, WD и Showa Denko, на которую опирается Toshiba), сочтут нужным, мы еще увидим диски — как для лэптопов, так и для серверов — нового поколения с повышенной плотностью записи. Впрочем, HOYA дала понять, что открывает новую фабрику не только и не столько ради пластин для 2,5-дюймовых HDD. Cтекло уже нашло широкое применение в форм-факторе 3,5 дюйма, а комбинация ферромагнитной пленки из определенных материалов и стеклянного субстрата расценивается как наиболее подходящая среда для пресловутой термомагнитной записи, которая гарантирует максимальную устойчивость заряда и срок жизни под воздействием экстремальных температур.

⇡#Двухактуаторные накопители Seagate и Western Digital

Наряду с EAMR в новостях про HDD последних двух лет прогремела еще одна революционная технология, которой, похоже, предстоит стать неотъемлемой частью современных жестких дисков — по крайней мере в серверной среде и моделях большого объема. Seagate довольно давно объявила о намерении выпустить устройства, оснащенные двумя независимыми актуаторами, за счет которых фактически удвоится пропускная способность накопителя как в показателях Мбайт/с, так и в IOPS. Последнее особенно важно, так как линейная скорость чтения/записи возрастает параллельно с плотностью данных на магнитных пластинах, а вот производительность в операциях за секунду остается более-менее постоянной величиной и, следовательно, количество IOPS на Тбайт объема неуклонно падает. Так, современный HDD обеспечивает совершенно мизерную удельную производительность в районе 6–10 IOPS на Тбайт. В рамках эшелонированных хранилищ, включающих прослойку SSD для оперативного доступа к горячим данным, удается до поры до времени компенсировать этот недостаток, а развитые системы кеширования (резервные зоны на поверхности пластин и твердотельная память) и настройка микропрограммы HDD на определенную латентность позволили отложить фундаментальное решение проблемы еще на несколько лет. И тем не менее, когда приходится считывать или записывать данные непосредственно с магнитной поверхности, большеобъемные жесткие диски уже приблизились к нижней границе пропускной способности в 5 IOPS на Тбайт, которую диктуют стандарты QoS некоторых передовых ЦОД.

Первый накопитель Seagate с двухактуаторной системой MACH.2 — Exos 2X14 — содержит восемь пластин совокупным объемом 14 Тбайт. В отличие от давнишних экспериментов с подобными конструкциями, в данном случае актуаторы имеют общую ось вращения, но все также нуждаются в сложной управляющей логике и высокопроизводительном чипе-контроллере. Новинка достигает пропускной способности в 160 IOPS (при чтении блоков минимального размера), в то время как типичный показатель для стандартных серверных 3,5-дюймовых дисков составляет около 80 IOPS. Если же сравнивать со скоростными SFF-накопителям, то у винчестеров со скоростью вращения шпинделя 10 тыс об/мин речь идет о 150 IOPS, а у 15-тысячников — о 200, но при небольших объемах, в пределах 2,4 Тбайт или 900 Гбайт диски этого класса по-прежнему лидируют по соотношению IOPS на Тбайт. В то же время два актуатора позволили практически удвоить скорость доступа Exos 2X14 в линейном порядке — вплоть до 480–500 Мбайт/с. По сути, новинка представляет собой аналог двух винчестеров вполовину меньшего объема, но занимает один слот и потребляет меньше электроэнергии: указанная предельная мощность в 13,3 Вт не слишком превосходит пиковые показатели в районе 10 Вт, характерные для стандартных HDD. То же производитель говорит и о планируемых ценах устройств, когда они поступят на массовый рынок.

На данном этапе Exos 2X14 предоставляется избранным партнерам Seagate для полевых испытаний, но фирма не дает каких-либо прогнозов о широкой доступности инновационных жестких дисков. Не исключено, что именно эта модель так никогда и не выйдет за пределы тестовых партии, но часть грядущих большеобъемных накопителей с термомагнитной записью Seagate твердо намерена оборудовать двумя актуаторами. А вот пришествие MACH.2 в пространство потребительских моделей для настольных ПК и NAS остается под вопросом. Дело в том, что Exos 2X14 представлен хост-контроллеру как два независимых устройства на разных LUN интерфейса SAS, и даже полную совместимость с некоторыми RAID HBA производитель не гарантирует. С другой стороны, потребительский стандарт SATA 6 Гбит/с, хоть и обеспечивает резерв пропускной способности, в котором нуждается Exos 2X14, совершенно не знаком с понятием LUN. Как следствие, Seagate придется сперва модифицировать жесткий диск таким образом, чтобы распределение нагрузки между двумя актуаторами было прозрачным для хост-контроллера.