Итоги 2017 года: жесткие диски

Годовые итоги по жестким дискам всякий раз приходится начинать с пессимистичной ноты. Ни для кого не секрет, что твердотельные накопители неумолимо вытесняют с рынка своих магнитных предшественников. Наиболее стремительно этот процесс происходит в сфере клиентских устройств — мобильных и настольных ПК, а также корпоративных хранилищ класса mission-critical. С другой стороны, жесткие диски были и в обозримом будущем останутся востребованы как средство записи больших объемов данных, не требующих столь высокой скорости доступа, которую обеспечивают SSD. В потребительской сфере это домашние NAS, а в корпоративной — нижние эшелоны систем хранения данных с твердотельным кешем, хранилища «холодных» данных и промежуточные варианты, обозначаемые термином nearline.

Однако на протяжении 2017 года, вопреки историческому тренду, спрос на HDD практически не снизился по сравнению с рекордно низкими показателями середины 2016 года, а в конце уже был существенно выше. Поставки жестких дисков поддерживают на плаву высокие цены на NAND Flash-память, а в то же время три выживших производителя HDD (Seagate, Toshiba и WD) представили массу новых моделей.

3,5 дюймовые жесткие диски объемом 10–12 Тбайт, изначально родом из корпоративного сектора, распространились на рынке устройств для ПК и NAS, а серверные модели уже покорили объем 14 Тбайт. Вместе WD и HGST, которые являлись локомотивом развития HDD в последние годы, большую активность развернула Toshiba, выпустившая широкий спектр моделей для NAS и серверной стойки. Помимо традиционного роста емкости накопителей, 2017 год отличился сопутствующими технологическими достижениями. Герметичные жесткие диски, наполненные гелием, теперь вмещают вплоть до девяти пластин, а HDD объемом 10 Тбайт, как выяснилось, можно выпускать без гелия. На горизонте у жестких дисков маячит плеяда революционных технологий, некоторые из которых, как в очередной раз сулят производители, готовы к внедрению в ближайшем будущем.

⇡#Серверные HDD форм-фактора 3,5 дюйма

Рекорд в 12 Тбайт объема для отдельного жесткого диска форм-фактора 3,5 дюйма был поставлен HGST в 2016 году, но лишь спустя несколько месяцев компания начала массовые поставки серии Ultrastar He12. Впоследствии эта модель, лишенная ряда функций, появилась в каталоге Western Digital под маркой WD Gold. Скорость последовательного доступа к данным в этих устройствах достигает 255 Мбайт/с.

В отличие от Ultrastar He12, WD Gold выпускается исключительно с интерфейсом SATA, не поддерживает внутреннее шифрование, нативный доступ к 4-килобайтным секторам и технологию Media Cache, которая позволяет использовать участки, распределенные по поверхности пластин, в качестве буферных зон. Оба накопителя содержат по восемь пластин полезной емкостью 1,5 Тбайт в герметичном корпусе. И кстати, WD Gold остался единственной nearline-моделью в каталоге WD, т. к. серия WD Re отправилась на пенсию.

HGST Ultrastar He12 12 Тбайт

HGST Ultrastar Hs14 14 Тбайт

Следующей вехи, 14 Тбайт, HGST достигла за счет «черепичной» магнитной записи (SMR). Сама по себе SMR уже не рассматривается как основной способ увеличения плотности записи, но в новой модели Ultrastar Hs14 удалось в значительной степени компенсировать присущие этой технологии недостатки. В предыдущем эксперименте HGST с SMR, Ultrastar Ha10, приоритетным качеством накопителя была надежность, поэтому после каждой серии операций записи диск выполнял проверочное чтение всех дорожек, перекрывающихся с теми дорожками, данные в которых были модифицированы. Ultrastar Hs14 делает это только в случае появления ошибок записи. Благодаря этому изменению и увеличенной плотности записи (диск содержит восемь пластин по 1,75 Тбайт) в Hs14 удалось радикально увеличить скорость записи по сравнению с Ha10 и достичь линейной производительности в 233 Мбайт/с. Реализация SMR в Ultrastar Hs14 является host-managed. Это значит, что на операционную систему ложится задача такой организации команд ввода-вывода, при которой число операций RMW (read-modify-write), неизбежных при перезаписи данных на «черепичной» пластине, сводится к минимуму, а следовательно — жесткий диск работает на пике производительности. На данный момент ни одна из массово распространяемых ОС не обладает подобными функциями, поэтому HGST готова отгружать диски Ultrastar Hs14 лишь по запросу избранных покупателей.

Seagate также запустила в продажу серверный HDD объемом 12 Тбайт под маркой Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD, которая затем была переименована в Exos 12. Как и конкурирующий продукт от HGST, этот накопитель поставляется в конфигурациях с интерфейсом SATA либо SAS. В последнем случае поддерживается полнодисковое шифрование с функцией быстрой очистки данных и нативный доступ к 4К-разметке. В дисках такого класса Seagate использует сложную модель буферизации записи — Advanced Write Caching. Она включает Media Cache — распределенные по поверхности пластин участки резервных секторов, дублирование данных в DRAM и энергонезависимую память для экстренной записи в случае сбоя питания. Линейная производительность Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD 12 Тбайт составляет 261 Мбайт/с.

Seagate пока притормозила развитие жестких дисков с технологией SMR. Единственной подобной моделью в ее каталоге является Archive HDD объемом до 8 Тбайт, переименованный в Exos 5E8 в рамках кампании по ребрендингу корпоративных продуктов Seagate. В отличие от HGST Ultrastar Hs14, реализация SMR в Exos 5E8 является drive-managed: жесткий диск самостоятельно реорганизует команды записи данных и, как следствие, работает под управлением любых распространенных ОС.

Toshiba в последние годы не стремилась наращивать объемы своих жестких дисков столь же активно, как иные производители, и воздерживалась от применения гелия. В частности, на момент подведения итогов 2016 года компания могла предложить лишь 6 Тбайт объема — среди как потребительских, так и корпоративных HDD. Но за прошедшее с тех пор время Toshiba не только устранила технологическое отставание от соперников, но и выбилась в лидеры. Сперва появилась серия nearline-накопителей MG05ACA с интерфейсом SATA, в старшей модели которой используются шесть пластин полезной емкостью 1,33 Тбайт (общий объем 8 Тбайт), а затем — и серия MG06ACA, которая довела объем до 10 Тбайт с помощью семи пластин по 1,43 Тбайт. Скорость последовательного доступа к данным в MG05ACA и MG06ACA достигает 230 и 249 Мбайт/с соответственно. Подобно корпоративным дискам Seagate, Toshiba оснащает эти модели чипом Flash-памяти, которая используется для спасения данных в случае сбоя электропитания (PWC, Persistent Write Cache).

Примечательно, что, в то время как другие фирмы поставляют 10-терабайтные HDD исключительно в герметичных корпусах, наполненных гелием, Toshiba обошлась стандартной конструкцией с вентилируемым корпусом. Как видим, гелий уже не является обязательным условием для столь высокой плотности пластин, хотя до внедрения гелия производители не решались упаковывать в корпус больше чем пять штук.

Toshiba AMG07AC 14 Тбайт

На отметке 10 Тбайт успехи HDD-подразделения Toshiba в 2017 году не закончились. Именно этой компании принадлежит честь представить первый в индустрии жесткий диск объемом 14 Тбайт. Старшая модель MG07ACA с такой емкостью содержит девять пластин по 1,55 Тбайт, и в данном случае производителю все-таки пришлось прибегнуть к помощи «веселящего газа». Кроме того, Toshiba использовала магнитные пластины Showa Denko, толщина которых уменьшена с 0,8 до 0,635 мм по сравнению предыдущим поколением, и двухступенчатый актуатор с новыми головками TDK. Расстояние между пластинами в MG07ACA составляет всего 1,58 мм. В серию также входит модель объемом 12 Тбайт на базе восьми пластин, а быстродействие дисков составляет 250 и 260 Мбайт/с при линейном чтении/записи данных. Единственный вариант интерфейса для подключения MG07ACA к хост-контроллеру — SATA. Для защиты данных в случае потери питания предусмотрена технология PWC. Коммерческие поставки дисков этого семейства начнутся в 1–2-м кварталах 2018 года.

⇡#Серверные HDD форм-фактора 2,5 дюйма (SFF)

Перспективы жестких дисков форм-фактора SFF (Small Form Factor) со скоростью вращения 10–15 тыс. об/мин выглядят мрачно на фоне широкого внедрения твердотельной памяти в mission-critical-хранилищах, но в итоге быстрейшие из магнитных накопителей продолжают поступать в продажу, а производители выпускают новые модели этой категории.

Seagate представила девятое поколение дисков Enterprise Performance 10K HDD под маркой Exos 10E2400 со скоростью вращения шпинделя 10 тыс. об/мин. Объем в этой серии достигает 2,4 Тбайт, а производительность линейного чтения/записи — 279 Мбайт/с. Серия дисков Enterprise Performance 15K HDD v6 (объем до 900 Гбайт, скорость линейного чтения/записи — до 300 Мбайт/с), которую Seagate обновила в 2016 году, осталась в строю и теперь носит имя Exos 15E900.

Для ускорения операций записи в накопителях форм-фактора SFF Seagate применяет технологию Advanced Write Caching, в которой сочетаются кеширующие зоны на поверхности пластин и буфер DRAM с резервированием данных в твердотельной памяти. Кроме того, Flash-память здесь используется и для обслуживания операций чтения за счет кеширования часто повторяющихся запросов.

Toshiba довела объемы своих SFF-моделей до уровня Seagate: 2,4 Тбайт для десятитысячников и 900 Гбайт — для HDD со скоростью вращения шпинделя 15 тыс. об/мин. В серии AL15SEB достигнута производительность 260 Мбайт/с (при нестандартной скорости 10,5 тыс об/мин), а в AL14SXB — 290 Мбайт/с. Все эти накопители оснащены PWC (Persistent Write Cache) на основе Flash-памяти для резервирования данных на случай сбоя питания.

HGST по-прежнему поставляет жесткие диски серий Ultrastar C10K1800 и Ultrastar C15K600 с максимальным объемом 1800/900 Гбайт соответственно и технологией Media Cache.

HDD для настольных ПК и NAS

В 2016 году Seagate и WD адаптировали наработки с использованием гелия к производству жестких дисков для настольных ПК и NAS. С тех пор Western Digital увеличила объем накопителей в семействах WD Red, Red Pro и Purple с 8 до 10 Тбайт за счет семи пластин полезной емкостью 1,43 Тбайт. Среди этих моделей только Red Pro обладает скорость вращения шпинделя 7200 об/мин, в то время как прочие довольствуются 5400 об/мин. Диски серии WD Blue и WD Black все еще не превышают по объему 6 Тбайт.

Вторая половина холдинга Western Digital, HGST, представила новую модель Deskstar NAS, аналогичную по характеристикам Red Pro, в составе коробочного набора для розничной продажи. Напротив, обычные диски серии Deskstar для настольных ПК давно остановились на отметке 4 Тбайт.

Seagate вновь предлагает наиболее емкие накопители среди всех производителей жестких дисков для сетевых хранилищ. Представленные в 2016 году серии BarraCuda Pro, IronWolf и IronWolf Pro пополнились моделями объемом 12 Тбайт на базе восьми пластин по 1,5 Тбайт. Диски IronWolf объемом от 6 Тбайт, а также все IronWolf Pro и BarraCuda Pro характеризуются скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин, остальные — 5900 об/мин.

Гибридные HDD FireCuda по объему все еще не превышают 8 Тбайт, а накопители для систем видеонаблюдения SkyHawk — 10 Тбайт, но Seagate ввела дополнительную модель SkyHawk AI объемом вплоть до 12 Тбайт. Теперь даже производители жестких дисков поддерживают ажиотаж вокруг машинного обучения, ведь особенность прошивки SkyHawk AI в том, что, помимо непрерывной записи видео с 64 камер наблюдения посредством команд ATA Streaming Feature Set, диск обеспечивает достаточную скорость для 16 потоков чтения, которые может задействовать нейронная сеть, анализирующая данные. В отличие от стандартных моделей SkyHawk, в дисках с пометкой AI скорость вращения шпинделя увеличена с 5900 до 7200 об/мин.

Toshiba N300 8 Тбайт

Toshiba выпустила аналоги своих nearline-дисков объемом 8 и 10 Тбайт со скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин в категории потребительских HDD. Серия N300 с максимальным объемом 8 Тбайт (без гелия, шесть пластин по 1,33 Тбайт) предназначена для NAS, а родственная ей X300 — для настольных ПК. Диски семейства MD06ACA-V ориентированы на системы видеонаблюдения и содержат вплоть до семи 1,43-терабайтных пластин общим объемом 10 Тбайт. В отличие от корпоративных моделей, клиентские диски Toshiba лишены поддержки PWC (Persistent Write Cache).

2,5-дюймовые HDD с интерфейсом SATA

Максимальная емкость 2,5-дюймового жесткого диска в корпусе 7 мм для мобильных ПК по-прежнему составляет 2 Тбайт с применением технологии SMR, а в корпусе 15 мм возможен объем 5 Тбайт. На данный момент единственными накопителями с таким набором характеристик являются Seagate BarraCuda и гибридная модель FireCuda. Кстати, FireCuda — единственный из выживших на рынке мобильных «гибридов», т. к. WD прекратила производство подобных устройств.

Высшим достижением традиционной технологии перпендикулярной магнитной записи (PRM) в жестком диске форм-фактора 2,5 дюйма с интерфейсом SATA остается 3 Тбайт — таким накопителем с толщиной корпуса 15 мм на базе четырех пластин по 750 Гбайт располагает Toshiba (серия MQ03ABB). Существуют и 4-терабайтные модели, но они используются исключительно в составе портативных накопителей и не продаются по отдельности.

Другие производители, помимо Seagate и Toshiba, готовы предложить только 2 Тбайт в 15-миллиметровом корпусе (это новинка 2017 года в серии WD Blue). Предельной емкостью тонких дисков (7 и 9,5 мм) остается 1 Тбайт. В этом не является исключением и единственный жесткий диск для NAS компактного форм-фактора — WD Red.

Что касается дисков в ультратонких корпусах (5 мм), то они официально прекратили свое существование после того, как WD сняла с производства соответствующую модель WD Blue.

⇡#Планы на ближайшее будущее

В ближайшие год-два продолжится рост емкости 3,5-дюймовых жестких дисков с применением традиционной технологии перпендикулярной магнитной записи (PMR). Это может происходить за счет увеличения плотности данных при сохранении существующего «стандарта» на количество пластин. Тогда Seagate и WD выпустят nearline-накопители объемом 14 Тбайт, основанные на восьми пластинах полезной емкостью 1,8 Тбайт. Альтернативой является плотная упаковка существующих пластин емкостью 1,55 Тбайт по 9 штук в герметичные корпуса, заполненные гелием, как это уже сделала Toshiba. Возможно и сочетание обоих подходов, которое позволит создать жесткие диски объемом 16 Тбайт.

Дальнейшее увеличение плотности записи сталкивается с пределом технологии PRM в ее «чистом» виде. Т. н. суперпарамагнитный предел диктует минимальный размер отдельно взятого зерна из нескольких сотен зерен, составляющих магнитный домен на поверхности пластины. Для зерна, соответствующего суперпарамагнитному пределу, разница в энергии состояний «нуля» и «единицы» уже сравнима с энергией температурных колебаний, что влечет повышенный риск перемены заряда. В рамках технологии HAMR в магнитных пластинах вместо сплавов кобальта (как сейчас) будут применяться другие материалы (к примеру, сплав железа и платины или сплавы на основе золота), обладающие повышенной способностью сохранять заряд (и, как следствие, сопротивляться его изменению). А для того, чтобы временно сделать материал более восприимчивым к записи, его предлагается нагревать лазером или источником микроволнового излучения (MAMR) 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.

Seagate обещала начать опытные поставки устройств на основе HAMR в 2017 г., но в результате планы сдвинулись на 2018-й, а в 2019 году настанет время коммерческих партий жестких дисков объемом вплоть до 20 Тбайт. Затем Seagate готова ежегодно увеличивать плотность записи на 30% — с 2 до 6 Тбит/дюйм². Для сравнения, в современных HDD с пластинами полезной емкости 1,5 Тбайт плотность записи составляет 923 Гбит/дюйм².

Western Digital, с другой стороны, сделала ставку на альтернативный вариант технологии — MAMR — и не столь оптимистична в отношении сроков ее внедрения: старт производства дисков WD с применением MAMR запланирован на 2019 г. Достижимой плотностью записи WD считает 4 Тбит/дюйм² — меньше, чем у Seagate, но у MAMR есть ряд преимуществ по сравнению с HAMR: ее дешевле внедрить в производство, а при работе HDD отсутствует нагрев магнитной пластины, который снижает общую надежность устройства и влечет потребность в механизмах выравнивания износа на уровне хост-контроллера.

Другая технология, над которой активно работают производители жестких дисков, 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 чтение с пластин, обладающих высокой плотностью записи. Помимо суперпарамагнитного предела, существует отдельная сложность считывания информации с близко расположенных дорожек. Инженеры предлагают повысить соотношение «сигнал — шум», используя массив головок, обрабатывающих одновременно одну или несколько дорожек. Дебют этого метода в коммерческих накопителях ожидался в 2017 г., но, скорее всего, TDMR будут использовать не раньше, чем получит распространение HAMR/MAMR. Кстати, все три технологии можно комбинировать и с «черепичной» записью, SMR.

В отношении быстродействия все вышеперечисленные решения оказывают влияние лишь на скорость линейного чтения/записи данных. Время отклика HDD по-прежнему определяется скоростью вращения шпинделя и подвижностью актуаторного рычага. Увеличение первого параметра свыше 7200 об/мин для 3,5-дюймовых жестких дисков и 15 тыс. об/мин для SFF давно признано нецелесообразным, а вот актуатор Seagate предложила усовершенствовать, и, на первый взгляд, самым простым способом — путем размещения двух таких компонентов в корпусе единственного HDD. Эта идея сама по себе не нова для разработчиков жестких дисков, но до последнего времени коммерческое внедрение накопителей с двумя и более актуаторами считалось лишенным смысла ввиду высокой сложности производства и неочевидной пользы, ведь задачу параллелизма в серверных хранилищах решают массивы. Но теперь, когда жесткие диски достигают столь высокой емкости, как 12 или 14 Тбайт, слишком много запросов, обращенных к массиву, попадает на отдельный HDD, и Seagate решила, что время двойного актуатора наконец пришло. Внедрение такой конструкции в коммерческих моделях, согласно заявлению компании, запланировано на «ближайшее будущее», и похоже, что двойной актуатор рассматривается в первую очередь как спутник технологий, увеличивающих плотность записи на пластинах, — таких как HAMR.