Итоги 2018 года: жесткие диски

Честно говоря, у нас были сомнения, стоит ли в этом году подводить итоги развития жестких дисков. Сами по себе механические накопители еще нескоро прекратят свое существование даже в домашних компьютерах, не говоря уже о хранилищах больших объемов информации, но широкая публика уже давно утратила интерес к тому, как производители HDD постепенно наращивают плотность магнитной записи и выпускают устройства все большего объема. Однако по крайней мере пока что, как нам кажется, традицию стоит продолжать. В прошедшем году индустрия освоила одну из ключевых технологий, необходимых для покорения новых рубежей емкости, TDMR (Two Dimensional Magnetic Recording — «двухмерная магнитная запись»), и теперь стоит на пороге значительных преобразований, связанных с внедрением термомагнитной записи.

2018 год позволил жестким дискам освоить объем в 15 Тбайт с применением черепичной записи данных (SMR — Shingled Magnetic Recording), а устройства на основе стандартной PMR (Perpendicular Magnetic Recording) доступны в конфигурации 14 Тбайт. Кроме того, возобновился прогресс в сфере тонких 2,5-дюймовых HDD с интерфейсом SATA, которые достигли 2 Тбайт без помощи SMR. В то же время ушли на покой целые семейства жестких дисков, которые производились ранее, но уже не соответствуют запросам покупателя, избалованного твердотельной памятью. Рассмотрим более подробно, как выглядит сегодня ландшафт рынка магнитных накопителей.

⇡#Серверные HDD форм-фактора 3,5 дюйма

Жесткие диски класса Nearline стоят на переднем крае борьбы за плотность записи и год за годом достигают новых показателей объема. В конце 2017 года Toshiba покорила отметку в 14 Тбайт за счет серии дисков MG07ACA, но затем ее каталог пополнился лишь аналогичными моделями под маркой MG07SCA объемом 12 и 14 Тбайт, разве что с интерфейсом SAS вместо SATA. Однако Toshiba проложила дорогу на рынок новейшим пластинам Showa Denko полезной емкостью 1,55 Тбайт с использованием стандартной перпендикулярной технологии записи, которые уже нашли применение и в потребительских устройствах.

Эстафету инноваций в этом году приняли Seagate и Western Digital. Так, Seagate представила Nearline-накопитель Exos X14 объемом 14 Тбайт. В отличие от аналогичного предложения Toshiba, герметичный корпус Exos X14, заполненный гелием, содержит восемь пластин емкостью 1,75 Тбайт каждая. Столь высокой плотности хранения данных удалось достигнуть за счет применения так называемой двухмерной магнитной записи, хотя в данном случае более корректно говорить о чтении. TDMR (Two Dimensional Magnetic Recording) — одна из технологий, внедрения которых в коммерческих жестких дисках мы ждали уже несколько лет. Этот прием сам по себе не приводит к увеличению плотности записи, но позволяет сделать более надежным чтение данных с близко расположенных дорожек. TDMR увеличивает соотношение «сигнал — шум» за счет применения массива головок, обрабатывающих одновременно одну или несколько дорожек. В новой модели Seagate она работает «поверх» стандартной перпендикулярной магнитной записи, а более изощренные методы — SMR или HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording) — не применяются. Чрезвычайно высокая емкость пластин в сочетании со скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин обязана сделать Exos X14 не только самым емким магнитным накопителем Seagate, но и наиболее производительным среди предложений класса Nearline, хотя конкретные спецификации новых моделей производитель пока не разглашает.

Серверные HDD производства Western Digital в минувшем году прошли полный ребрендинг как следствие интеграции наследия Hitachi Global Storage Technologies в объединенную корпорацию. Официально окончена жизнь массы Nearline-моделей небольшой емкости, которые раньше фигурировали на сайте HGST, и даже само упоминание HGST полностью исчезло из названия жестких дисков.

Так, накопители на платформе HelioSeal объемом от 8 до 12 Тбайт теперь сосредоточены под новой маркой WD Ultrastar DC HD500 (за исключением WD Gold, который еще сохраняет отдельный бренд). Компания пополнила эту серию диском DC HC530, который, подобно Exos X14 от Seagate, содержит восемь пластин по 1,75 Тбайт совокупной емкостью 14 Тбайт. Эта модель также обладает технологией TDMR в сочетании с перпендикулярной магнитной записью. В отличие от Seagate, Western Digital опубликовала подробные характеристики передового накопителя. Известно, что двухступенчатый актуатор нового поколения в Ultrastar DC HC530 несет две считывающих головки, а устойчивая скорость линейного чтения/записи достигает 267 Мбайт/с. Для ускорения операций произвольной записи применяется DRAM-буфер объемом 512 Мбайт и так называемая Media Cache — система резервных зон, распределенных по площади пластин.

В то время как Seagate давно охладела к черепичной магнитной записи (самый свежий из таких HDD у Seagate имеет емкость 8 Тбайт), а Toshiba вовсе не производила дисков с SMR, Western Digital продолжает использовать эту технологию для покорения рубежей емкости, пока недоступных в рамках стандартной перпендикулярной записи, пусть и с поддержкой TDMR. Последний SMR-накопитель, несущий имя HGST (Ultrastar Hs14, 14 Тбайт), теперь продается под маркой Ultrastar DC HC620 вместе с новым диском объемом 15 Тбайт. Младшая модель этой серии оснащена восемью пластинами объемом 1,75 Тбайт, а старшая — таким же количеством по 1,875 Тбайт. Максимальное устойчивое быстродействие в операциях линейного чтения/записи у них составляет 233 и 255 Мбайт/с соответственно.

Ultrastar DC HC620 объемом 15 Тбайт — это самый «крупный» жесткий диск, который индустрия породила в настоящий момент, но не будем забывать, что технология SMR вызывает чрезвычайно сильное падение производительности при удалении и перезаписи данных из-за необходимости выполнить RMW (Read-Modify-Write). Впрочем, в новейших моделях Western Digital этот фактор в какой-то степени скомпенсирован отсутствием проверочного чтения блока дорожек при каждой операции RMW. Кроме того, Ultrastar DC HC620 является так называемым host-managed-накопителем (в отличие от старых предложений Seagate). Это значит, что операционная система должна организовать поток команд таким образом, чтобы свести к минимуму число операций RMW, но большинство ОС не обладает такими функциями.

Прежде чем WD избавилась от названия HGST в маркировке жестких дисков, на рынок успели попасть накопители HGST Ultrastar 7K6 и Ultrastar 7K8, которые затем были собраны в серию Ultrastar DC HC300. Отличительной чертой этих HDD является чрезвычайно высокая плотность записи, достигнутая с помощью «чистой» PRM без подспорья в виде технологии SMR или TDMR. WD использовала четыре пластины емкостью 1,5 Тбайт в модели объемом 6 Тбайт и пять таких пластин в модели на 8 Тбайт, старшем представителе семейства. За счет сравнительно небольшого числа пластин разработчики Ultrastar DC HC300 обошлись без герметичного корпуса, наполненного гелием, а высокая плотность записи обеспечивает устойчивую скорость линейного доступа к данным на уровне 255 Мбайт/с.

Western Digital очистила каталог HGST от множества устаревших моделей небольшой емкости. В строю осталась только серия Ultrastar DC HC200, представленная в 2016 году под именем Ultrastar 7K2. Она включает HDD с интерфейсом SATA объемом 1 и 2 Тбайт с размером сектора 512 байт — последняя характеристика важна для определенных приложений, не приспособленных к современной разметке блоков по 4 Кбайт.

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

Жесткие диски со скоростью вращения шпинделя 10–15 тыс. об/мин постепенно уходят со сцены под давлением твердотельных накопителей. Накопители HGST Ultrastar C10K1800 и Ultrastar C15K600 исчезли из списка актуальных предложений Western Digital, хотя какие-то остатки все еще можно найти в продаже. В игре остались только Seagate и Toshiba, но за прошедший год ни та ни другая компания не представила новых моделей высокопроизводительных HDD форм-фактора SFF.

Seagate все так же предлагает устройства марки Exos 10E2400 со скоростью вращения шпинделя 10 тыс. об/мин и максимальным объемом 2,4 Тбайт, а также 15-тысячники Exos 15E900 объемом до 900 Гбайт. У Nearline-дисков непрерывно возрастает объем, но пропускная способность в операциях за секунду стоит на месте, а значит, SFF-модели Seagate остаются востребованными, особенно благодаря сложной системе буферов, которая включает Flash-память для кеширования операций чтения и резервные зоны на поверхности пластин для ускорения записи. Кроме того, у Seagate есть семейство 2,5-дюймовых серверных накопителей начального уровня Exos 7E2000: это устройства объемом вплоть до 2 Тбайт со скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин, которые поставляются только с интерфейсом SATA.

Альтернативой 2,5-дюймовым серверным HDD Seagate являются новинки 2017 года от Toshiba из серий AL15SEB (10,5 тыс. об/мин) и AL14SXB (15 тыс об/мин) с объемом вплоть до 2,4 Тбайт и 900 Гбайт соответственно.

⇡#HDD для настольных ПК и NAS

Потребительские HDD с каждым годом все больше похожи на Nearline-модели соответствующих производителей. Десктопные серии снимаются с производства или давно не обновлялись, а накопители для NAS различного типа процветают и не уступают по основным характеристикам своим серверным прототипам.

Так, большая часть потребительских моделей Seagate теперь доступна в объеме 14 Тбайт. Среди них серии BarraCuda Pro, IronWolf (модели объемом от 6 до 14 Тбайт), IronWolf Pro и SkyHawk Pro обладают скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин, и только диски SkyHawk без слова Pro в названии довольствуются частотой 5900 об/мин. Нетрудно догадаться, что дебютанты основаны на аппаратной платформе, впервые испытанной в корпоративном жестком диске Exos X14. Они выполнены в герметичном корпусе, заполненном гелием, и содержат по восемь магнитных пластин полезной емкостью 1,75 Тбайт с технологией TDMR. Несмотря на повышенную плотность записи (в сравнении с показателем прошлогодних новинок объемом 12 Тбайт), максимальная устойчивая скорость линейного чтения/записи не возросла и составляет 255 Мбайт/с. Накопители Seagate для NAS и рабочих станций отличаются от серверного прообраза типом хост-интерфейса (SATA вместо SAS), емкостью буфера (256 вместо 512 Мбайт) и отсутствием специфических функций, таких как внутреннее шифрование. Несмотря на общую платформу, потребительские серии дисков Seagate рассчитаны на особенные сценарии использования с разной интенсивностью нагрузки и характеризуются различными данными отказоустойчивости.

HDD базового уровня для настольных ПК (BarraCuda) от Seagate все еще ограничены планкой 8 Тбайт при скорости вращения шпинделя 5400 об/мин, а вот гибридный накопитель FireCuda — явный кандидат на вылет: производитель снял с продажи все модификации этого SSHD (Solid State Hard Drive) объемом выше 2 Тбайт.

Western Digital в 2018 году представила лишь один жесткий диск потребительского класса — WD Purple для систем видеонаблюдения объемом 12 Тбайт (скорость вращения шпинделя 7200 об/мин). Он содержит восемь пластин полезной емкостью 1,5 Тбайт в герметичном корпусе и обеспечивает последовательный доступ к данным на скорости 235 Мбайт/с. Остальные HDD для NAS и DAS (WD Red на 5400 об/мин и Red Pro — 7200 об/мин) по-прежнему доступны в объемах не больше 10 Тбайт. Развитие накопителей для десктопных ПК в сериях WD Blue и WD Black давно заморожено, остановившись на отметке 6 Тбайт. Кроме того, реорганизация модельного ряда, который раньше был доступен под брендом HGST, привела к исчезновению коробочных продуктов Deskstar, включая серию Deskstar NAS на основе WD Red Pro.

Toshiba в последние годы усилила свое присутствие на розничном рынке внутренних накопителей. Взяв за основу серию MG07SCA, которая впервые в индустрии достигла объема 14 Тбайт с применением стандартной технологии PMR, японская компания сперва представила две OEM-модели MN07ACA объемом 12 и 14 Тбайт со скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин. Затем появились аналогичные устройства в семействах X300 и N300, предназначенные для настольных ПК и NAS/DAS соответственно. HDD под марками MN07ACA и N300, как и серверные устройства серии MG07SCA, содержат беспрецедентно крупный стек магнитных пластин (вплоть до девяти пластин полезной емкостью 1,55 Тбайт в 14-терабайтной модели). По сравнению с корпоративными HDD они характеризуются не столь высокой отказоустойчивостью, но по прежнему готовы работать в режиме 24/7. Серия X300 лишена такой возможности. Устойчивая скорость доступа к данным в N300 и X300 достигает 260 Мбайт/с.

Розничное название S300 получили жесткие диски Toshiba для систем видеонаблюдения серии MD06ACA-V. В этом семействе представлены модели объемом вплоть до 10 Тбайт, и, несмотря на большое количество пластин (вплоть до семи, каждая полезной емкостью 1429 Гбайт), все они обходится без гелия. Остальные параметры жестких дисков этого семейства включают скорость вращения шпинделя 7200 об/мин и устойчивую пропускную способность вплоть до 248 Мбайт/с.

Одновременно с S300 японцы представили родственную серию Toshiba V300, которая рассчитана на применение в серверах видеонаблюдения стартового уровня и ТВ-приставках. В нее входят накопители объемом от 500 Гбайт до 3 Тбайт на пластинах полезной емкостью 1 Тбайт, а скорость вращения шпинделя не превышает 5940 об/мин. И наконец, по-прежнему существуют устройства Toshiba P300, готовые работать в качестве загрузочного диска офисной «печатной машинки»: объем в пределах 3 Тбайт и скорость вращения шпинделя 7200 об/мин.

⇡#2,5-дюймовые HDD с интерфейсом SATA

Успехи в повышении плотности данных медленнее всего распространяются на жесткие диски для мобильных ПК и портативных накопителей. Чтобы достигнуть объема 1 Тбайт в «плоских» HDD толщиной 7 мм, прежде было необходимо использовать две пластины, но в устройствах серии L200 (а также их OEM-аналогах под кодом MQ04ABD200) Toshiba обошлась одной благодаря технологиям девятого поколения Showa Denko. Как следствие, двухпластинные модели в корпусах 9,5 мм теперь достигают емкости 2 Тбайт. Шпиндели в этих накопителях вращаются с частотой 5400 об/мин, но данные быстродействия опубликованы не были.

В прошлом такие показатели плотности записи были возможны исключительно с применением технологии SMR. К числу устройств, опирающихся на эту технологию, относятся 7-миллиметровые винчестеры Seagate BarraCuda, FireCuda, а также незаметная новинка 2018 года — WD Blue. Все эти модели содержат по две SMR-пластины полезной емкостью 1 Тбайт и характеризуются скоростью вращения шпинделя 5400 об/мин. Остальные HDD на рынке в корпусах 7 и 9,5 мм основаны на PMR-пластинах по 500 Гбайт и не превышают 1 Тбайт по номинальному объему.

2,5-дюймовые жесткие диски толщиной 15 мм с применением стандартной перпендикулярной записи данных существуют в конфигурациях вплоть до 4 Тбайт, а самой крупной моделью, которую можно купить отдельно, остается Toshiba из серии MQ03ABB на базе четырех пластин полезной емкостью 750 Гбайт. Более вместительный HDD объемом 5 Тбайт предлагает только Seagate в семействе BarraCuda, но это уже «черепичный» жесткий диск. Кстати, гибридные устройства такого объема толщиной 15 мм под маркой FireCuda производитель уже отправил на покой.

⇡#Планы на ближайшее будущее

С интеграцией TDMR в коммерчески доступные жесткие диски мы можем поставить галочку напротив еще одной технологии в списке инноваций магнитной записи, о которых технические эксперты пишут из года в год. Извлечение данных из близко расположенных дорожек с помощью нескольких считывающих головок уже позволило Seagate и WD увеличить полезную емкость пластины 3,5-дюймового HDD до 1,75 Тбайт. Компания Showa Denko, продуктами которой пользуется Toshiba, в настоящий момент также способна производить пластины объемом вплоть до 1,8 Тбайт. Toshiba уже продемонстрировала возможность упаковывать в корпусе жесткого диска вплоть до девяти пластин, что теоретически позволяет достигнуть объема 16 Тбайт в ближайшее время (с поддержкой TDMR).

Однако двухмерное чтение само по себе не способно радикально увеличить плотность размещения данных. Это лишь подготовка к внедрению более изощренных методов записи на магнитных пластинах. Следующий большой шаг в развитии HDD связан с внедрением технологии HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording), без упоминания которой итоговая статья по жестким дискам не обходится с тех пор, как компании-производители впервые поместили ее на своих дорожных картах. Как мы уже неоднократно писали, HAMR позволяет хранить данные на субстрате, который лучше держит заряд магнитного зерна по сравнению со сплавами, распространенными в настоящее время, а лазерный луч делает участок пластины более восприимчивым к магнетизации в момент прохождения записывающей головки. Теоретический предел плотности данных при использовании HAMR оценивается в 50 Тбит/дюйм² , что дает объем 80 Тбайт на пластину жесткого диска форм-фактора 3,5 дюйма.

В декабре 2018 года Seagate объявила о начале внутреннего тестирования накопителей с поддержкой HAMR. Опытные модели обладают емкостью 16 Тбайт, но прочие параметры (в первую очередь количество пластин) компания держит в секрете. Вопреки опасениям насчет высокой мощности устройств, постоянно использующих лазер, Seagate сообщает, что они являются взаимозаменяемыми с типичными HDD. После того как внутренние тесты дадут удовлетворительный результат, Seagate планирует начать коммерческие поставки в 2020 году, но к тому времени HAMR позволит довести объем диска уже до 20 Тбайт. Дальнейшие планы предполагают ежегодное увеличение плотности записи на 30 % — вплоть до 6 Тбит/дюйм². Для сравнения: в современных HDD с пластинами полезной емкости 1,5 Тбайт плотность записи составляет 923 Гбит/дюйм².

В то же время Western Digital работает над альтернативной технологией под названием MAMR (Microwave-Assisted Magnetic Recording). По мнению компании, ее подход имеет ряд преимуществ по сравнению с решением конкурента: MAMR дешевле внедрить в производство, а микроволны не вызывают столь же сильного нагрева пластины, как лазер. К слову, последнее обстоятельство не только сказывается на энергопотреблении дисков с HAMR, но и вызывает необходимость в использовании механизмов выравнивания износа. Согласно последним планам WD, о которых нам известно, начало производства дисков с применением MAMR намечено на 2019 год, а плотностью записи, достижимой в обозримом будущем, считается 4 Тбит/дюйм² .