Итоги 2014 года: жесткие диски.

Плотность записи в 3,5-дюймовых HDD наконец преодолела отметку 1 Тбайт на пластину. Диски достигли объема 8 Тбайт, появились приводы с технологией Shingled Recording и семитысячники для домашних NAS. И то ли еще будет

⇣ Содержание

От жестких дисков требуется одно — чтобы емкость устройств росла, а удельная стоимость объема снижалась. В этой области 2014 год ознаменовался большими успехами. Впервые после потопа на таиландских фабриках в 2011 году была достигнута новая ступень плотности записи — 1,2 Тбайт на пластину в форм-факторе 3,5 дюйма. Объем одиночного HDD достиг отметки 8 Тбайт, и 10 Тбайт уже не за горами.

⇡#6 Тбайт на воздухе, 8 Тбайт под гелием

Объем 6 Тбайт перестал быть прерогативой дисков, наполненных гелием. Единственным накопителем такой емкости был Ultrastar He6, вмещающий семь пластин по 860 Гбайт в герметичном корпусе. Теперь благодаря увеличению плотности записи гелий вытесняется в область еще более крупных объемов. Seagate Enterprise Capacity 3.5 HDD содержит шесть пластин по 1 Тбайт — больше, чем производители традиционно могли себе позволить «на воздухе». Но все следующие модели — это «нормальные» пятипластинные приводы с плотностью записи 1,2 Тбайт на пластину: Ultrastar 7K6000 от той же HGST, Toshiba серий MG04SCAxxXX и MG04ACAxxXX. Western Digital первой представила емкость 6 Тбайт для потребительского сегмента в семействах Red и Green.

Пластины по 1,142 Тбайт в сочетании с гелием позволили HGST создать накопитель Ultrastar He8 объемом 8 Тбайт при использовании стандартной перпендикулярной записи.

⇡#Shingled Magnetic Recording в действии

Дальнейшее движение пока возможно только благодаря «черепичной» записи — Shingled Magnetic Recording (SMR), внедрение которой в корпоративных накопителях ожидалось последние несколько лет. Мы неоднократно писали про SMR. Технология использует тот факт, что в жестких дисках головка записи крупнее головки чтения. Следовательно, ширина магнитной дорожки для чтения избыточна. SMR подразумевает, что при записи головка захватывает часть площади предыдущей дорожки, оставляя зазор, необходимый для чтения. За счет пересечения дорожек плотность записи увеличивается.

Однако SMR имеет те же издержки, что и NAND Flash-память. Хотя каждая дорожка может быть прочитана в отдельности, запись одной дорожки повреждает информацию на следующей. Требуется выполнить операцию read-modify-write: предварительно прочитать информацию из всех следующих дорожек, а затем последовательно записать все назад. В простейшей реализации SMR потребовалась бы перезапись всей магнитной пластины. Но в коммерческих вариантах паттерн наложенных дорожек прерывается, образуя отдельные полосы. В худшем случае потребуется перезапись полосы, но не пластины целиком, однако потери производительности все равно неизбежны. Кроме того, для хранения информации во время операции перезаписи диску требуется емкий DRAM-кеш.

Скорость жестких дисков и так оставляет желать много лучшего в сравнении с SSD, поэтому применение накопителей с SMR будет ограничено эшелонами с «холодными» данными в дата-центрах. Там же обеспечивается бесперебойное питание накопителя и резервирование данных — эти требования выходят на первый план, когда данные на HDD периодически зависают в энергозависимом буфере.
HGST начала пробные поставки дисков на базе SMR объемом 10 Тбайт в корпусе с гелием (10TB SMR HelioSeal HDD). Seagate применяет SMR (также с гелием) в серии Archive HDD объемом вплоть до 8 Тбайт и, как ни странно, в потребительском Desktop HDD на 5 Тбайт. Пластины в накопителях Seagate с SMR имеют емкость 1,25-1,33 Тбайт. В 2015 году Seagate планирует довести объем привода до 10 Тбайт за счет плотности записи 1,66 Тбайт на пластину при использовании SMR.
Впрочем, бесконечно уплотнять дорожки не получится. Рано или поздно SNR (соотношение «сигнал — шум») при чтении под влиянием соседней дорожки упадет ниже критического значения. Технология TDMR (Two-Dimensional Magnetic Recording) увеличивает SNR за счет анализа данных целостного фрагмента пластины. Чтобы построить двухмерную картину, требуется просканировать интересующую площадь несколькими проходами считывающей головки либо применять массив из нескольких головок. Но это пока дело будущего.

⇡#Heat-Assisted Magnetic Recording в скором будущем

Диски для систем, от которых требуется большая производительность, чем может предложить SMR, совершат рывок емкости за счет следующей перспективной технологии — HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording), в терминологии, предложенной Seagate. HAMR обещает увеличить плотность записи с 750 Гбит/дюйм², доступных для доминирующей сегодня технологии PMR (Perpendicular Magnetic Recording) без SMR, до 5 Тбит/дюйм² в обозримом будущем.
Главное препятствие для увеличения объема HDD называется суперпарамагнитным лимитом. Магнитный домен на пластине состоит из нескольких сотен отдельных зерен, с уменьшением размера которых сопряжен прогресс плотности записи. Однако при определенном размере зерна энергетический барьер, разделяющий магнитные состояния «нуля» и «единицы», сравним с энергией температурных колебаний. Возникает риск потери заряда. Решение — применять в магнитных пластинах вместо существующих сплавов кобальта другие материалы (в качестве кандидата называют сплав железа и платины), которые характеризуются более высокой коэрцитивной силой — напряженностью магнитного поля, необходимой для размагничивания домена. Как следствие, ограничение на размер зерна, которое накладывает суперпарамагнитный эффект, отодвигается.

С другой стороны, такой сплав труднее намагнитить для записи информации. Чтобы сделать материал более восприимчивым, его требуется нагреть лазером в момент прохождения записывающей головки. Теоретический предел плотности записи при использовании HAMR оценивают в 50 Тбит/дюйм², что дает 80 Тбайт на пластину жесткого диска в форм-факторе 3,5 дюйма. Заметим, что вместо лазера в такой конструкции может использоваться микроволновый источник.
Seagate планирует выпустить диски с HAMR уже в 2016 году и ставит своей целью достижение емкости 20 Тбайт для отдельного привода к 2020 году.

⇡#Media Cache от HGST

Также хотелось бы уделить внимание любопытной технологии Media Cache, которую HGST внедрила в дисках Ultrastar C10K1800 — накопителях со скоростью вращения 10 000 об/мин и интерфейсом SAS для высокопроизводительных хранилищ. Под кеш на пластине выделены несколько областей. Получив запрос на запись по произвольному адресу, диск заносит данные в ближайшую к головке кеширующую область, а затем в удобный момент переносит данные в пункт назначения.

Можно сказать, что это запоздалое развитие идеи NCQ, которая подразумевает перестройку очереди запросов с тем, чтобы обеспечить наиболее удобную траекторию движения головки. Media Cache позволяет ускорить запись по произвольным адресам в 2,5 раза по сравнению со старыми моделями Ultrastar.

⇡#Цены на HDD

Технологические достижения пока не отразились на стоимости магнитных накопителей. Удельная цена емкости еще в 2013-м снизилась до уровня, предшествующего потопу на таиландских фабриках 2011 года, но с того момента изменилась незначительно. Теперь повышение плотности записи будет основным источником снижения цен. Пластины емкостью 1,2 Тбайт со стандартной технологией перпендикулярной записи пока зарезервированы за HDD объемом 6 Тбайт, но постепенно будут распространяться на более доступные модели, что сделает последние дешевле. Внедрение SMR в приводах корпоративного класса скажется на средней цене гигабайта, но никак не повлияет на рынок потребительских устройств.

Красный — средняя цена жесткого диска, синий — максимальная плотность записи (инфографика Forbes)

⇡#Новые приводы от Seagate и WD

В 2014 году Seagate и Western Digital пополнили свои портфели новыми брендами. Если в предыдущие годы модельные ряды жестких дисков этих производителей консолидировались, то сейчас идет обратный процесс. Toshiba и HGST как производители, ориентированные на корпоративного клиента, в параде торговых марок не участвуют.

Seagate Enterprise NAS NDD		WD Red Pro

WD в дополнение к линейке Red, предназначенной для малых NAS, выпустила серию Red Pro. В отличие от Red (пятитысячников), новинка базируется на корпоративных приводах WD Se/Re, которые обладают скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин. Гарантия на Red Pro продлена с 3 до 5 лет. Впрочем, нужно иметь в виду, что по производительности Red Pro не так уж обязательно превосходит простой Red. В платформе WD Se используются пластины объемом 600-800 Гбайт, а в WD Red — 1 Тбайт.
Серии Red и Red Pro объединяют следующие особенности:

• блок магнитных пластин сбалансирован в двух плоскостях для предотвращения вибраций;
• шпиндель закреплен в корпусе с двух концов;
• в прошивке параметры протокола SATA выставлены для наилучшей работы в NAS;
• гарантирована высокая отказоустойчивость и работа в режиме 24/7.

Seagate в ответ на Red Pro представила серию Enterprise NAS HDD. Это тоже семитысячники для сетевых хранилищ небольшого масштаба. Только, в отличие от WD, Seagate может предложить комбинацию скорость вращения шпинделя 7200 об/мин и плотности записи 1 Тбайт на пластину — наиболее выигрышную с позиции производительности. Объем 5 и 6 Тбайт также не доступен для конкурирующего продукта WD. Кроме того, у Enterpise NAS HDD выше время наработки на отказ — 1,2 млн часов против 1 млн у WD Red Pro.

Seagate Surveillance NDD		WD Purple

Еще одна пара симметричных новинок от Seagate и WD предназначена для узкой ниши — систем видеонаблюдения. WD Purple и Seagate Surveillance HDD поддерживают расширение протокола ATA под названием ATA Streaming Command Set, существующее для того, чтобы вся информация от множественных камер наблюдения попала на диск и не было пропуска кадров, вызванных опустошением буфера HDD.

• ATA Streaming создает таблицу, на основании которой можно спрогнозировать время доступа к той или иной дорожке на пластине.
• Время коррекции ошибок ограничивается.
• Попытка восстановления данных из сбойного сектора может происходить в несколько отдельных этапов, между которыми диск обслуживает запись видеопотоков.
• Контроллер диска получает информацию о том, с каким количеством потоков ему придется иметь дело.
• Запросы на запись данных, принадлежащих к одному кадру, получают пометку NS (Non-Sequential) и могут быть выполнены вне очереди, в удобном для диска порядке.

Для дисков обоих производителей гарантирована работа в режиме 24/7 и трехлетнее обслуживание. Доступны модели с емкостью вплоть до 6 Тбайт. Скорость вращения шпинделя составляет около 5400 об/мин для WD Purple и 5900 об/мин для Seagate Surveillance HDD.
У WD Purple, как и у дисков WD Red, есть TLER (Time-Limited Error Recovery): привод не задерживается в попытках прочитать данные из сбойного сектора, чтобы контроллер RAID не исключил его из массива. Проприетарные алгоритмы AllFrame в прошивке привода в дополнение к ATA Streaming Command Set подстраивают работу под запись множественных потоков данных с низким битрейтом (вплоть до 32 камер).

WD Ae

Western Digital также представила специфический продукт для дата-центров — семейство Ae. Диск включает пять пластин емкостью от 1,2 Тбайт и выше с классической технологией перпендикулярной записи. Конкретная конфигурация определяет объем привода: от 6 Тбайт с шагом 100 Гбайт (верхний предел не указан, но не превышает 6,9 Тбайт). Скорость вращения шпинделя составляет 5760 об/мин. WD Ae предназначен для хранения «холодных» данных. По-видимому, таким образом WD выжимает полную емкость из наиболее удачных экземпляров магнитных пластин, коль скоро в арсенале компании нет ни гелия, ни Shingled Magnetic Recording — технологий, с помощью которых конкуренты производят более емкие приводы для тех же задач.