Если SSD лучше, чем жёсткие диски, то зачем компании всё ещё совершенствуют HDD?

Многие считают (смотрите комментарии к нашей статье «Когда мы полностью перейдём на SSD, а HDD уйдут в прошлое?»), что SSD намного лучше HDD.

Тогда возникает справедливый вопрос — почему же компании всё ещё инвестируют в жёсткие диски и продолжают совершенствовать их технологии (например, HAMR, HDMR, SMR и другие)?

Если вы задавались этим вопросом, то предлагаем узнать ответы от самих представителей отрасли производителей цифровых носителей информации.

Обновлено 27.10.2020: внесли дополнения и ответы на вопросы из комментариев в нашем блоге Яндекс.Дзен, добавили статистику, ссылки на источники и изображения.

Бизнес магнитных приводов постоянно уменьшается. График объёма отгрузок производителей со спадом на 55% за последние 8 лет говорит сам за себя.

HDD сохраняют популярность там, где важно получить максимальную ёмкость за минимальную цену (сервера, дата-центры, бюджетные потребительские ПК).

Потребительские ПК — это тоже задыхающийся бизнес (или, как некоторые нежно говорят, «трансформирующийся бизнес»). Его вытесняют мобильные устройства (смартфоны, различные форм-факторы планшетов) и взрывной рост облачных технологий (сервис как услуга).

Потребителям больше неважно с какого устройства заказывать пиццу и покупать новый телевизор на маркетплейсе. Десктоп превращается в профессиональную нишу, когда как массмаркет всё шире занимает смартфон (покупки), консоль (игры), телевизор (YouTube и онлайн кино).

→ Как ритейлеры «поднимают» миллионы с облачными технологиями, не имея собственных компьютеров?

Если нужна низкая цена и максимальная вместимость данных, то HDD всё ещё намного лучше, чем SSD.

Если нужна максимальная скорость, то NAND-память SSD — триумфатор в сегменте цена/производительность.

Это утверждение актуально с учётом технологий SSD с дедупликацией данных. Дедупликация данных на магнитных дисках не может быть легко выполнена из-за того, как этот метод рандомизирует доступ к данным. Диски с низкой частотой вращения более не подходят для задач с потребностью в произвольном доступе.

NAND пока ещё далеко до победы в сегменте цена/ёмкость. Но это только начало. Появление QLC — уже точка входа.

В целом SSD также имеют преимущества с точки зрения IOPS (сколько операций ввода-вывода вы можете выполнять в секунду) независимо от случайности доступа.

Твердотельные накопители не так хороши по производительности записи, как в чтении данных. Но человечество с помощью скромной магии программирования (и небольшой аппаратной помощи с кэшированием NVRAM на диске) смогли устранить некоторые из этих недостатков.

У SSD всё ещё есть множество поставщиков, которые не сделали этих инвестиций. Как водится, такие продукты испытывают проблемы в использовании.

Устаревшее ПО в твердотельных накопителях в большинстве случаев унаследовано от других разработчиков и не подвергалось изменениям. Такие устройства плохо работают с оборудованием. Им требуется совершенствование программного обеспечения. Особенно это касается модных QLC (всё новое поколение технологий на каком-нибудь условном «Aliexpress» требует внимательной проверки).

Программное обеспечение для флеш-памяти намного мудрёнее, чем думают люди. Дело в том, что ячейки NAND с каждым годом становятся всё более «плотными» и сложными в плане программирования.

Например, в TLC, QLC и предстоящие PLC (пентауровневая флеш-память) мы должны добавить гораздо больше программной магии для защиты данных и нивелирования недостатков технологии.

Ячейки внутри чипа NAND со временем теряют уровень напряжения, хранящийся в ячейке, чтобы предоставлять бит. Тем самым возникает риск потерять данные.

На эти биты (уровни напряжения) влияет количество раз, которое вы пишете в него. Это также известно как цикл PE или программа-стирание. На них влияет порог нарушения чтения или количество раз, которое вы можете прочитать уровень напряжения для получения информации о битах.

Пороговые значения показывают, что существует также ограниченное количество раз, когда вы можете считывать ячейку, пока она не изменится. То есть уровень напряжения битов изменится, и у вас не будет распознавания битов.

Этот порог сбрасывается с помощью новой программы стирания-перепрограммирования цикла. Их набор конечен.

Индустрия накопителей должна обнаруживать и исправлять все эти характеристики флеш-памяти в программном обеспечении. Сделать SSD надёжными и хорошо работающими — задача первостепенная.

Такая разработка сложна. И она становится всё труднее с каждым новым поколением SSD.

Портативные устройства «существуют» в лучшем случае 3 года, поэтому производителям не нужно так много думать о надёжности мобильных телефонов и планшетов. В потребительских ноутбуках ситуация уже немного другая, но всё ещё исчисляемая пользовательскими циклами в пять-десять лет. А вот в корпоративных системах — надёжность обеспечивается на десятилетия.

→ Определяем срок службы SSD: сколько живёт твердотельный накопитель.

Некоторые прикладные исследования (например, Deep Learning в алгоритмах искусственного интеллекта) изучают системы ввода-вывода. Они созданы, чтобы распознать источники износа этих ячеек, определить пороговые значения чтения в цикле фильтрации для настройки конвейера производителя.

Это ухудшает экономику продукта. Вот только некоторые корпоративные компании не могут поступить иначе.

Традиционные жёсткие диски не чувствительны к такого рода вещам. HDD могут быть слишком медленными, чтобы справляться с большими рабочими нагрузками произвольной записи или чтения. Но если они смогут справиться с проектируемой нагрузкой, то будут оптимальным выбором, так как проблем с PE или циклами нарушения чтения у них попросту нет.

Флеш-ячейки обычно выходят из строя редко. Например, когда программное обеспечение SSD не справляется с неожиданными событиями вроде исчерпания циклов PE.

В прошивке SSD (а иногда и в программном обеспечении более высокого уровня) имеются проверенные за 10 лет разработки. Довольно стабильное и надёжное ПО. Но по мере появления на рынке новых технологий, таких как QLC, открываются другие неосвоенные типы сценариев.

SSD требует энергию для хранения информации. Вы, конечно, можете выключить накопитель на пару месяцев, и он сохранит свои данные (правда, есть некоторые исключения).

HDD способны сохранять биты десятилетиями после отключения питания.

Продолжительное обесточивание, например, на два года, увеличит вероятность потери заряда ячейками. То есть владелец такого «архива» столкнётся с реальным риском «старения данных» и их пропажи.

Жёсткие диски просто не восприимчивы к этому. Поместите резервную копию своих фотографий на портативный HDD и храните его в сейфе год, два, хоть пять или даже десять лет. И этот способ отлично сработает. Но не стоит делать то же самое с SSD.

Технологии SSD следуют закону Мура. Биты удваиваются каждые 18 месяцев при фиксированной цене. HDD уже давно не подчиняются никаким прогнозам, поскольку миниатюризация бит на магнитной пластине делает его более подверженным вибрации.

1. Проблемы механической миниатюризации в HDD

   Человечеству невероятно трудно использовать машиностроение для миниатюризации бит на HDD. Всё равно, что если бы вас заставили провести «Боинг» на высоте 2 метра над Северным Ледовитым океаном от Кольского до Чукотки.

   Сегодня это высота 200 метров над уровнем моря, когда поверхность при нужно не просто «пролететь» как можно быстрее, а ещё и отсканировать («считать»). По мере того как мы уменьшаем размер битов, самолёт должен лететь всё ближе к океану, чтобы обнаружить биты, да ещё и в скорости не терять.

2. Особенности кремниевой миниаютризации SSD

   У кремниевой миниатюризации, которую должна выполнять по закону Мура флеш-память, есть ещё и технология 3D (или вертикально организованный NAND). Она изменила правила игры — можно ставить ячейки друг на друга.

   Старые литографические процессы с более высоким выходом упаковываются с пластинами друг на друга во флеш-корпусе, размещая микросхемы большой ёмкости с использованием более старых технологий. Мы перешли от 32-слойной флеш-памяти в пакете с высоким выходом на 64, 128 и теперь 192 слоя. Это уникально только для Flash.

Потребовалось время, чтобы наладить производственный процесс, но он был достигнут. Практически вся флеш-память, начиная с TLC, является только 3D-флеш-памятью. Это сильно изменило экономику SSD, обеспечив твердотельным накопителям относительно невысокую себестоимость в производстве.

Как вы узнали, технология SSD — это всё ещё несовершенная технология. Твердотельные накопители не готовы взять на себя ту работу, которую эффективно выполняет жёсткий диск в ряде приложений.

О конкуренции SSD и HDD ведутся споры. Кто же из них объективно лучше?

На самом деле они представляют собой две совершенно разные технологии. Единственное, что их объединяет — способность хранить данные.

Тем не менее происходит ситуация, когда Flash продолжает своё наступление на рынок магнитных приводов. И если даже в течение следующего десятилетия HDD не исчезнут, то SSD на них окажут заметное влияние.

По стоимости гигабайта HDD сейчас несравненно хороши. Перечисленные в введении технологии жёстких дисков связаны с инвестициями в увеличение плотности записи. То есть количество данных, которые могут храниться в данной области.

Без этих вложений жёсткие диски уже давно уступили бы твердотельным накопителям по стоимости за гигабайт. И это означало бы полный конец для HDD.

Технологии вроде термомагнитной записи (HAMR или Heat-assisted Magnetic Recording), черепичной записи (SMR или Shingled Magnetic Recording), магнитной записи с точечным подогревом (HDMR или Heated-dot Magnetic Recording), гелиевые диски, застряли в верхнем ценовом сегменте рынка HDD и недоступны простым смертным. Стоимость жёстких дисков ёмкостью 2 Тб упала только примерно на 40% за последние 5 лет, в то время как твердотельные накопители подешевели примерно на 75% в целом.

Жёсткие диски — это старый и недорогой вариант хранения. Причина, по которой компании продолжают улучшать HDD, заключается в финансовой окупаемости таких инвестиций.

Лучшие твердотельные накопители поставляются компаниями, у которых много лет опыта производства памяти.

Разумеется производители жёстких дисков тоже могут изготавливать достойные твердотельные накопители. Но в масштабах индустрии преимущество отдаётся фирмам с большим опытом совершенствования SSD (причина в том числе и в уникальном дорогостоящем ПО, как мы говорили выше).

Жёсткие диски больше не могут конкурировать с твердотельными накопителями во многих бытовых пользовательских задачах.

Память NAND во много раз быстрее механической памяти, а отсутствие движущихся частей даёт твердотельным накопителям преимущество в краткосрочной надёжности. Однако в архивировании, резервировании и сохранении больших массивов данных на длительные сроки инвестиции в HHD окупаются.