Итоги 2016 года: жесткие диски

Жесткие диски из всех компонентов компьютера развиваются наиболее предсказуемо. Они неторопливо прирастают в объемах, а мы в ежегодном итоговом обзоре рапортуем о том, каких показателей достигли продукты той или иной компании. Однако 2016 год оказался на удивление активным для индустрии магнитных накопителей. Как известно, продажи жестких дисков неуклонно падают и летом достигли своего многолетнего минимума. Причины тому — снижение спроса на готовые компьютеры как таковые и растущая популярность SSD. Производители отреагировали на вызов, сосредоточив усилия на том классе HDD, который сейчас наиболее востребован, — дисках большого объема, в первую очередь серверных.

Последним нововведением, которое оказало большое влияние на характеристики корпоративных HDD, стал гелий. Долгое время с момента появления этой технологии в коммерческих устройствах она оставалась прерогативой накопителей одной компании — HGST. Но за прошедший год ситуация изменилась. Seagate выпустила свою первую модель для серверов в герметичном корпусе объемом 10 Тбайт, а затем гелий распространился и на клиентские предложения.

Новым рекордом объема HDD стали 12 Тбайт на базе перпендикулярной магнитной записи, а следующим рубежом будет 14 Тбайт с применением SMR (Shingled Magnetic Recording). Кроме того, Seagate в рамках реорганизации своей потребительской линейки представила 2,5-дюймовые накопители объемом вплоть до 5 Тбайт в корпусах высотой 15 мм (и это тоже SMR). Поговорим подробнее о переменах, которые произошли в каждой из категорий жестких дисков.

⇡#Серверные HDD: nearline процветают, mission-critical продолжают развиваться

3,5-дюймовые жесткие диски класса nearline (от near online), предназначенные для хранения больших массивов данных с умеренными требованиями к скорости доступа, остаются единственным классом HDD, вызывающим стабильный спрос на рынке. Благодаря развитию облачных сервисов и разрастанию пользовательских данных они будут востребованы еще долгие годы и падут под натиском SSD в последнюю очередь. Плотность информации и энергопотребление в пересчете на серверную стойку являются определяющими параметрами накопителя для дата-центров, и герметичные диски, наполненные гелием, здесь не имеют равных.

Компания HGST побила очередной рекорд емкости, выпустив гелиевый HDD серии Ultrastar He12 объемом 12 Тбайт. Благодаря пластинам полезной емкостью 1,7 Тбайт и скорости вращения шпинделя 7200 об/мин он также достиг впечатляющей для магнитного накопителя скорости последовательного доступа — 255 Мбайт/с.

Однако технология SMR вновь пришла на помощь для того, чтобы увеличить емкость HDD сверх пределов, установленных технологией перпендикулярной записи (PMR, Perpendicular Magnetic Recording) в ее современной форме. В ближайшее время HGST начнет продажи серии Ultrastar He14 с черепичной записью объемом вплоть до 14 Тбайт. Легко заметить, что разрыв по емкости между гелиевыми накопителями и HDD в стандартном вентилируемом корпусе велик как никогда: последние пока даже не преодолели отметку 8 Тбайт.

Что касается Western Digital, то продолжающаяся после исторической сделки интеграция управляющих и производственных структур HGST в объединенное предприятие позволила компании более четко разграничить, какой сегмент рынка HDD обслуживает та или иная торговая марка. Поскольку продукция самой WD по большей части ориентирована на индивидуального потребителя, ее серверный ассортимент сократили, отправив на пенсию такие наименования nearline-накопителей, как WD Se, WD Ae, WD Re+, а в категории mission-critital пал жертвой WD Xe. Основная серия Re осталась в строю и включает диски объемом не больше 6 Тбайт. В то же время WD выпустила собственные гелиевые HDD для ЦОД, построенные на разработках HGST, под маркой WD Gold — сначала в объеме 8, а затем 10 Тбайт.

Seagate, которая в последние годы наращивала плотность записи быстрее конкурентов, но пренебрегала гелием, все-таки признала эту технологию. Сначала появилась гелиевая модель Enterprise 3.5 HDD объемом 10 Тбайт (пластины полезной емкостью 1,43 Тбайт), которую мы протестировали этим летом и нашли ряд конструктивных преимуществ перед конкурирующей герметичной платформой HGST. Затем на ее основе компания подготовила ряд потребительских устройств для десктопа и NAS, о которых будет сказано ниже, а новая корпоративная модель объемом 12 Тбайт отправлена на тестирование избранным партнерам Seagate и появится на массовом рынке в 2017 году.

Наиболее емким диском с SMR в арсенале Seagate остается Archive HDD на 8 Тбайт. Если учесть, что стандартные 3,5-дюймовые накопители даже без гелия уже достигли такого объема, это направление пока не выглядит приоритетным для Seagate, хотя компания обещает расширить применение SMR в будущем и начала внедрять ее в клиентских устройствах.

Высокоскоростные винчестеры форм-фактора SFF (2,5 дюйма) со скоростью вращения шпинделя 15 тыс. об/мин постепенно уходят в прошлое, т. к. SSD могут предложить несравненно более высокую производительность для критически важных сервисов. При этом 10-тысячники какое-то время будут востребованы как промежуточный вариант между SSD и nearline-дисками.

Тем не менее на диски с 15 тыс. об/мин еще сохраняется заметный спрос, и Seagate представила линейку Enterprise Performance 15K HDD обновленной, шестой версии. Благодаря увеличенной плотности записи накопитель имеет объем в полтора раза больше аналогов (900 Гбайт) и наибольшую скорость последовательного чтения/записи среди жестких дисков — 315 Мбайт/с. Кроме того, некоторые конфигурации Enterprise Performance 15K HDD v6 включают двойной кеш — 256 Мбайт DRAM и 16 Гбайт NAND Flash-памяти. Последняя используется как для дублирования часто считываемой информации, так и для ускорения записи. Пропускная способность Enterprise Performance 15K HDD v6 при случайной записи блоков, как утверждает Seagate, возросла на 100% по сравнению с дисками предыдущего поколения (также оснащенными Flash-памятью).

На 2017 год Seagate запланировала апгрейд серии Enterprise Performance 10K HDD, которая пережила уже восемь итераций. А вот Western Digital не разделяет энтузиазма своего конкурента в отношении дисков класса mission-critical. Дальнейших планов по развитию этого направления у компании нет, а марка WD, как мы уже заметили, и вовсе ушла с этого рынка, когда объединенное предприятие закрыло линейку WD Xe. Портфолио накопителей Toshiba со скоростью вращения шпинделя 10/15 тыс. об/мин осталось неизменным с конца 2015 года и будут ли выпущены новые модели, нам неизвестно.

⇡#HDD для настольных ПК и NAS: рост объемов и пришествие гелия

В этом году мы впервые увидели герметичные корпуса, наполненные гелием, в клиентских накопителях. WD, используя механику HGST Ultrastar He8, выпустила несколько новинок для сетевых хранилищ под марками WD Red, Red Pro и Purple. Диски имеют семь пластин по 1,42 Тбайт общим объемом 8 Тбайт. При этом только Red Pro сохранила скорость вращения шпинделя 7200 об/мин, свойственную HGST He8, в то время как в прочих пластины вращаются со скоростью 5400 об/мин.

Десктопные серии WD Blue и WD Black, как и диски для систем видеонаблюдения Purple NV, остались на отметке 6 Тбайт.

Клиентский ассортимент Seagate, с другой стороны, было полностью переработано. Все новинки 2016 года и предыдущие предложения, оставшиеся в строю, реорганизованы под четырьмя торговыми марками. Диски для настольных ПК теперь продаются под знакомым именем BarraCuda (BarraCuda Pro), которое когда-то неразрывно ассоциировалось с накопителями Seagate, но на несколько лет уступило место более официальному наименованию Desktop HDD и служило для различения различных серий устройств в документах. Помимо BarraCuda, представлены марки FireCuda — диски с буфером Flash-памяти, IronWolf (IronWolf Pro) — для NAS и SkyHawk — для систем видеонаблюдения.

Костяк линеек BarraCuda, IronWolf и SkyHawk сформировали представленные в предыдущие годы модели из серий Desktop HDD, NAS HDD и Surveillance HDD соответственно, однако Seagate добавила к ним конфигурации объемом 8 Тбайт в вентилируемом корпусе (шесть пластин по 1,33 Тбайт), которые используют механику, ранее опробованную в накопителях Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD и Enterprise NAS HDD. Вершиной развития стали 10-терабайтные гелиевые модели (1,43 Тбайт на пластину). Серия BarraCuda характеризуется скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин, остальные — 5900 об/мин.

А вот диски FireCuda единственные среди всех новинок Seagate в 3,5-дюймовом форм-факторе уменьшились в объемах. Это совершенно новые гибридные HDD, представленные на замену линейке Seagate Desktop SSHD. Как и предшественники, диски оснащаются чипом Flash-памяти объемом 8 Гбайт, вот только максимальная емкость накопителя сократилась с 4 до 2 Тбайт (две пластины емкостью 1 Тбайт, вращающиеся со скоростью 7200 об/мин).

HGST, отлученная антимонопольными регуляторами от OEM-поставок клиентских HDD после слияния с Western Digital, по-прежнему продает жесткие диски для десктопов и NAS в виде коробочных комплектов для апгрейда. Наиболее емкой моделью среди них является HGST Deskstar NAS на 8 Тбайт, которая обладает скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин и, как мы предполагаем, комплектуется шестью пластинами полезной емкостью 1,33 Тбайт. Линейка HGST Deskstar, напротив, давно не обновлялась и может предложить только 4-терабайтную модель на базе пяти пластин по 800 Гбайт (7200 об/мин).

Клиентские магнитные накопители Toshiba по-прежнему ограничены емкостью 6 Тбайт (7200 об/мин).

⇡#2,5-дюймовые HDD с интерфейсом SATA: SMR и объем вплоть до 5 Тбайт

750 Гбайт на пластину в рамках традиционной технологии PMR остаются пределом для 2,5-дюймовых HDD со скоростью вращения шпинделя 5400–7200 об/мин, да и то подобные пластины применяет лишь Toshiba в линейке MQ03ABB. В других продуктах всех производителей по-прежнему используются пластины по 500 Гбайт.

Ранее Seagate сделала попытку преодолеть это ограничение при помощи черепичной записи, которая позволила довести емкость пластины в серии устройств Mobile HDD до 1 Тбайт, а объем диска — до 2 Тбайт. Однако производитель не остановился на достигнутом и выпустил под маркой BarraCuda новую серию винчестеров с SMR.

Помимо дисков в 7-миллиметровых корпусах, в нее вошли модели высотой 15 мм, достигающие объема 5 Тбайт. Максимальная скорость последовательного чтения/записи составляет 130/140 Мбайт/с для толстых и тонких накопителей соответственно при скорости вращения шпинделя 5400 об/мин (сравните с показателями 145–169 Мбайт/с, доступными мобильным HDD компании с PRM-пластинами).

Для того чтобы сократить падение быстродействия при перезаписи секторов, свойственноe SMR, Seagate использует несколько хитростей. Участки накладывающихся дорожек на пластине организованы в полосы. Кроме того, пластина имеет область, отформатированную по стандартной технологии PMR. Наконец, BarraCuda оснащается крупным буфером DRAM (128 Мбайт) и 8 Гбайт NAND Flash-памяти. При нагрузке логика контроллера стремится производить запись блоков в твердотельный кеш или PMR-области, чтобы в освободившееся время разместить информацию на SMR-дорожках.

Гибридные винчестеры FireCuda в форм-факторе 2,5 дюйма, в отличие от своих десктопных собратьев, также базируются на технологии SMR и по основным характеристикам идентичны моделям BarraCuda в корпусах высотой 7 мм, за исключением пластин с чуть более высокой (хотя разница пренебрежимо мала и не отражается на полезной емкости) плотностью записи. Отличие от BarraCuda состоит в том, что твердотельный кеш тут задействован для ускорения не только операций записи, но и чтения. Как и предыдущее предложение Seagate в этой категории — Seagate Laptop SSHD, новинка определяет паттерн доступа к наиболее востребованным данным и копирует их во Flash-память.

К слову, в арсенале Seagate больше нет мобильных винчестеров Laptop Ultrathin HDD высотой 5 мм. Подобные предложения остались только у Western Digital в линейке WD Blue.

⇡#Планы на ближайшее будущее

Гелий дал возможность устанавливать в корпуса HDD на одну пластину больше, чем раньше, и повысить точность позиционирования головок на дорожке. С другой стороны, «черепичное» форматирование позволяет более экономно использовать площадь пластины за счет взаимного наложения дорожек. Однако эти методы лишь приближают индустрию к фундаментальным ограничениям перпендикулярной магнитной записи, а следующий рывок емкости принесут более смелые технологические решения, которые, вероятно, будут использоваться в комбинации как с гелием, так и с SMR.

Существует т. н. суперпарамагнитный предел, определяющий минимальный размер отдельно взятого «зерна» из нескольких сотен, которые составляют домен, хранящий один бит информации. Для достаточно малого зерна разница в энергии состояний «нуля» и «единицы» уже сравнима с энергией температурных колебаний, что влечет повышенный риск потери заряда.

Наиболее перспективным решением этой проблемы является термомагнитная запись — HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording). В рамках этой технологии в пластинах HDD вместо сплавов кобальта (как сейчас) будут применяться другие материалы (к примеру, сплав железа и платины или сплавы на основе золота), обладающие более высокой коэрцитивной силой – напряженностью магнитного поля, необходимой для размагничивания. А чтобы временно сделать субстрат более восприимчивым изменению заряда, его требуется нагреть лазером или источником микроволнового излучения в момент прохождения записывающей головки.

Теоретический предел плотности записи при использовании HAMR оценивается в 50 Тбит/дюйм², что дает объем 80 Тбайт на пластину жесткого диска форм-фактора 3,5 дюйма. Исследования в этой области производители HDD проводят уже многие годы, и в 2017-м технология HAMR, согласно планам Seagate, принесет первые плоды. Компания планирует начать опытные поставки винчестеров нового поколения, обладающих вдвое большей плотностью записи по сравнению с существующими устройствами, а еще через год, если все сложится удачно, они поступят на массовый рынок. Конечно, чтобы HAMR нашла применение в клиентских HDD, понадобится дополнительное время.

Другая технология, TDMR (Two-Dimensional Magnetic Recording), направлена не столько на повышение плотности записи как таковой (хотя позволит это сделать на 5–10% при использовании стандартной PMR), сколько на то, чтобы сделать более надежным считывание информации с пластин при плотной разметке, а это в особенности важно для SMR и HAMR. При достаточно малой ширине дорожки считывающая головка собирает помехи с соседних дорожек. Инженеры предлагают бороться с этим, используя массив головок, обрабатывающих одновременно одну или несколько дорожек. Первыми такими устройствами станут диски Seagate Enterprise Performance 10K HDD девятой серии, запланированные к выходу в 2017 году.

Другие из производителей жестких дисков также проявляют интерес к технологиям HAMR и TDMR, но о конкретных планах объединенного предприятия HGST и WD, с одной стороны и Toshiba, с другой на этот счет нам пока ничего не известно.