Перспективы Flash и механических дисков

Технологический обзор

Не утихают споры о том, уйдут ли жёсткие диски HDD с ИТ-ландшафта и наступит ли эра полного господства твердотельных накопителей SSD (флэш)?

Адепты жёстких дисков считают, что в ближайшей обозримой перспективе HDD никуда не уйдут, и даже имеют некоторые преимущества перед SSD, хотя и признают, что есть некоторое разделение областей применения, например, для т.н. «горячих» и «холодных» данных, а также целей архивирования.

Приверженцы SSD напротив, безапелляционно заявляют, что дни HDD сочтены, и через несколько лет будет одно сплошное телевидение полное господство накопителей SDD.

Попробуем разобраться, как дела обстоят на самом деле.

Аналитическая компания Wikibon прогнозирует, что поставки HDD в ближайшие 5-7 лет будут снижаться на 27% в год. Их производство будет нацелено, в основном, на поставку запчастей и расширение существующих инсталляций HDD. А поскольку объём производства SSD будет вследствие этого расти, то и удельная цена SSD будет снижаться, в соответствии с известным законом Райта (Wright’s Law). По их прогнозам, удельная цены SSD (USD/терабайт) станет меньше, чем HDD к 2026 году.

Компания Intel, в свою очередь, считает, что этот знаменательный момент наступит года через два, в 2022-23 году. К этому времени, прогнозирует Intel, пятиуровневая структура (5 бит на ячейку) 3D NAND позволит значительно удешевить SSD.

Аналитики Wells Fargo ещё в 2019 году предсказывали, что в корпоративных СХД будут более предпочтительно использоваться SSD, когда удельные цены на них составят 20% и менее от цен HDD. Когда это произойдёт, пока сложно сказать.

Разнобой в предсказаниях часто вызван тем, что оцениваются, по сути, неодинаковые продукты, предназначенные для разных сегментов рынка: потребительского и корпоративного.

Требования потребительского рынка к СХД для персональных компьютеров в 1980-х годах стимулировали рост производства «винчестеров» для настольных компьютеров, который продолжался вплоть до 2020 года. Затем, в начале 80-х годов технология HDD была адаптирована для корпоративных сетей и дата-центров. Сегодня объём спроса на потребительски флешки в мобильных устройствах (телефонах, планшетах, ноутбуках) ведёт к активной замене жёстких дисков в них на SSD. Этот тренд также вызывает вторичную тенденцию замены HDD в дата-центрах и облачных системах хранения.

Однако, существует некоторый зазор во времени, когда корпоративные HDD продолжат рост поставок, а поставки потребительских HDD будут снижаться, причём опережающими темпами. Это хорошо видно на диаграмме рис. 1.

Рис. 1. Данные по поставкам HDD потребительского и корпоративного класса за 1980 – 2020 годы, и прогноз их дальнейших поставок на период 2021 – 2030 года (источник: Wikibon, 2021).

На диаграмме заметен период (2020 – 2025 гг.), когда поставки потребительских HDD заметно снижаются, а корпоративных – всё ещё немного растут. Это и вносит путаницу в прогнозы роста объёмов HDD и SSD. Многие вендоры HDD считают, что раз поставки корпоративных HDD растут, это значит, что они будут расти и дальше и следует инвестировать в новые технологии HDD, такие как HAMR.

Другим фактором, создающим иллюзию светлого будущего HDD, является то, что соотношение накопителей HDD в корпоративном и потребительском секторе будет расти. При опережающем снижении поставок потребительских HDD это и понятно, но при анализах часто не учитывается. На диаграмме ниже показан прогноз Wikibon, согласно которому соотношение ёмкости корпоративных HDD к потребительским к 2030 году составит около 83%. Казалось вот он, ренессанс HDD! Но то, что поставки потребительских HDD к тому времени практически прекратятся, и корпоративных – будут быстро падать, это не учитывается.

Рис. 2. Прогноз соотношения поставок HDD потребительского и корпоративного класса (источник: Wikibon).

Компания Wikibon считает, что производители HDD будут продолжать совершенствовать технологию перпендикулярной магнитной записи PMR и выйдут на показатели объёма накопителя 24-26 ТБ в течение следующих пяти лет. В основном, это будут накопители корпоративного класса для ЦОД. Следует также ожидать заметного снижения удельной цены на терабайт в результате конкуренции с технологией SSD.

Что ждёт HDD на горизонте нескольких лет

По прогнозу Wikibon, будут происходить следующие процессы.

• Объёмы производства потребительских накопителей SSD с технологией QLC (4 бита на ячейку) будут быстро расти, и их удельная цена сравняется с HDD примерно к 2026 году.

• Роста рынка HDD ожидать не следует, и такие новые технологии HDD, как HAMR и MAMR, вряд ли будут широко представлены на рынке.

• Различия в ценности для пользователей между имеющимися накопителями 18 ТБ по технологии PMR и новыми накопителями 20 ТБ по технологии HAMR будут настолько незначительными, что различие в ценах не сделают накопителя HAMR привлекательными для рынка, а прогнозируемые объёмы поставок HDD едва ли оправдают внедрение HAMR или MAMR в массовое производство.

• Для применений с последовательной записью технология «черепичной» магнитной записи SMR (Shingled Magnetic Recording) способна значительно повысить ёмкость накопителей HDD.
• Для применений в СХД NAS для «больших данных» с произвольной выборкой и записью накопители PMR будут вполне применимы.

Основные преимущества SSD перед HDD

• SSD меньше HDD по размерам и весу. SSD на 15 ГБ в форм-факторе U.2 имеет объём 105 см³, в то время как 3.5-дюймовый HDD объёмом в 16 ТБ занимает 2640 см³ (больше в 25 раз). И эта разница будет только увеличиваться со временем.
• SSD – это электроника, не имеющая движущихся частей и точной механики, как в HDD, которые нужно заменять примерно раз в пять лет.
• Отказы SSD являются прогнозируемыми если вести мониторинг наработки циклов «чтение-запись». HDD могут отказать совершенно внезапно, особенно по прошествию большого срока службы.
• SSD устойчивы к вибрациям и падениям и поэтому пригодны для использования в потребительской электронике и устройствах IoT. HDD во многих таких применениях непригодны.
• SSD работают намного быстрее, поэтому при разработке программ и приложений они позволяют существенно экономить рабочее время разработчика, т.е. сократить затраты на разработку приложений.
• SSD легче программируются, они проще и дешевле в обслуживании, срок их службы может достигать 10 и более лет (если количество циклов перезаписи на ячейку не выходит за лимит), в отличие от HDD, которые нужно менять каждые 5 лет, вне зависимости от количества циклов перезаписи.
• Массивы SSD потребляют меньше электроэнергии, по сравнению с HDD, диски которых, для достижения достаточного быстродействия, должны постоянно вращаться. Для экономии электроэнергии можно отключать вращение у части дисков или снизить обороты, но при этом пострадает быстродействие массива.
• SSD потребляют меньше т.н. «сырой ёмкости» (с учётом служебных данных), а это снижает удельную стоимость разработки приложений на терабайт.
• Приложения, разработанные под SSD, требуют меньше процессорных ядер, что снижает стоимость большинства многих приложений анализа данных, таких как Splunk.

Бизнес-кейс SSD vs HDD

Компания Wikibon проанализировала типовой бизнес-кейс для HDD и SSD (QLC), исходя из следующих посылок.

• Ёмкость СХД: 10 петабайт;
• Рост ёмкости: 30% в год;
• Назначение СХД: анализ больших данных с использованием глобальной файловой системы с большим количеством файлов;
• Персонал ИТ-отдела: 330 человек со средней зарплатой 75 тыс. долл. в год;
• Планируемый доход компании: 100 млн. долл.;

Результаты анализа бизнес-кейса:

• Для SSD требуется гораздо меньше стоек: 19 для SSD против 102 для HDD, что повлекло значительную экономию места в дата-центре и потребляемой мощности.
• Меньшая амортизация оборудования: почти 6 млн. долл. для HDD и 5.4 млн. долл. для SSD.
• Меньшие затраты на инсталляцию оборудования: около 540 тыс. долл. для HDD и 222 тыс. долл. для SSD.
• Экономия на электроэнергии и аренде места в ЦОД: более 8 млн. долл. (10.46 млн. долл. для HDD и 2.24 млн. долл. для SSD)
• Экономия на зарплате ИТ-персонала более 12 млн. долл. (14.53 млн. долл. для HDD и 2.33 млн. долл. для SSD.
• Единственной статьёй, где для SSD затраты оказались выше – обслуживание (Maintenance): около 1.3 млн. долл. для HDD и чуть более 1.73 для SSD.

Таким образом, общая экономия при использовании SSD составила более 23 млн. долл. (43.04 млн долл. для HDD и около 20 млн. долл. для SSD).

При анализе были оценены дополнительные выгоды от более высокой производительности SSD в 20% (Performance Surcharge). Это снизило затраты в случае SSD до 15.4 млн. долл. Таким образом, общая сумма выгод (экономия + выгоды от производительности) составила более 27.64 млн. долл.

Подробные результаты анализа показаны в таблице 1 и на рисунке 3 из анализа компании Wikibon.

Таблица 1. Результаты анализа бизнес-кейса развёртывания СХД ёмкостью 10 петабайт с ростом 30% в год на 10 лет (источник: Wikibon, 2021).

Рис. 3. Результаты анализа бизнес-кейса СХД ёмкость 10 петабайт с ростом 30% в год на 10 лет (источник: Wikibon, 2021).

Выводы

Компания Wikibon делает следующие выводы относительно перспектив HDD и SSD.

• Решения SSD будут быстро завоёвывать потребительский сегмент и более медленно, но также неотвратимо – корпоративный сегмент, в котором их доминирование возникнет на горизонте 5 лет.
• Усилия вендоров HDD по внедрению новых технологий (таких как HAMR и MAMR) приведут к снижению стоимости на терабайт для HDD. Накопители HAMR ёмкостью 20 ТБ уже используются некоторыми облачными провайдерами. Однако, вендоров HDD это не спасёт и, в случае выбора такого пути, вероятнее всего приведёт их лишь к значительной потере денег.

• Основными потребителями накопителей HDD будут крупные облачные провайдеры. Преимущества больших массивов HDD вполне реальны, в случае если их цена будет заметно ниже SSD.

• Технологии HAMR и MAMR вряд ли будут реализованы в массовых масштабах производства.

• Текущая технология PSR вполне способна реализовать ёмкость накопителя HDD в 24-28 ТБ. Вендоры HDD будут делать упор на производство накопителей большой ёмкости, они могут обеспечить доходность производства в наибольшей степени.
• Память SSD NAND будет основой инноваций как для потребительского сектора, так и для корпоративного, а с расширением объёмов её производства в Китае, она способна удовлетворить потребности по росту ёмкости в обеих секторах рынка.
• Ленточные библиотеки останутся наиболее дешёвым средством для архивного хранения данных, а технологии ленточного хранения будут продолжать совершенствоваться в направлении роста удельной ёмкости.
• Wikibon также считает очень перспективной архитектуру VAST для SSD QLC, разработанную компанией VAST Data, преимущества которой показаны в таблице 2.

Таблица 2. Сравнение параметров производительности HDD и SSD QLC с архитектурой VAST (Источник: Wikibon, 2021)