Железный цех №26. Итоги 2015-го года: накопители

Если честно, именно в отрасли систем хранения данных произошло наибольшее количество интересных событий. Представлено несколько новых технологий энергонезависимой памяти; жесткие диски на деле преодолели психологическую отметку в 10 Тбайт; не меньшие рекорды по емкости продемонстрировали твердотельные накопители; выпущено множество новых форматов интерфейсов и шин — обо всем этом мы и поговорим в рамках 26-го выпуска рубрики «Железный цех».

Про деньги

Ходит много споров на тему наступающего конца для магнитных носителей информации. Некоторые специалисты предрекают неминуемое прекращение существования классических жестких дисков, не выдерживающих натиск со стороны твердотельных накопителей. На эту тему можно бесконечно спорить, но некоторые производители уже сейчас обзаводятся планом «Б». Пожалуй, самую громкую сделку в индустрии в ближайшее время провернет корпорация Western Digital. А именно в этом году она объявила о намерении приобрести компанию SanDisk — одного из крупнейших производителей NAND флеш-памяти. Сумма сделки составит ни много ни мало 19 млрд долларов США. В результате этого WD станет крупнейшим в мире поставщиком носителей информации.

Сделка по приобретению SanDisk имеет сложную структуру. Корпорация планирует задействовать часть наличных средств, а также воспользоваться обменом акциями и займом. Одна акция SanDisk оценена в 86,5 долларов США. Кампания по слиянию двух корпораций одобрена со стороны советов директоров и ждет, когда ее поддержат акционеры. На момент официального подтверждения сделки объединенная компания будет контролировать более 40% рынка жестких дисков и более 10% твердотельных накопителей, а также серьезную долю на рынке флеш-памяти. Общее количество патентных разработок превысит 15 000. Что ж, есть мнение, что у Samsung в скором времени появится серьезный конкурент.

И еще одна долгожданная новость, касающаяся WD. Еще в 2012 году американская корпорация приобрела за 3,9 млрд долларов США подразделение по производству жестких дисков HGST (Hitachi Global Storage Technologies). Однако китайские антимонопольные службы увидели в этой сделке прямую угрозу его величеству конкуренции. Покупка была проведена, но только с одним условием: компаниям запретили объединять активы. Спустя три года антимонопольная служба Поднебесной разрешила произвести полное слияние WD и HGST. Это произошло после того, как американская компания согласилась продать китайскому госконцерну Unisplendour Corporation Limited 15% своих акций.

Про технологии

В 2015 году было представлено сразу несколько перспективных технологий по производству энергонезависимой памяти. Коммерческая реализация некоторых из них начнется уже в следующем году. Наибольшее внимание привлекает технология многослойной трехмерной памяти 3D XPoint, над разработкой и продвижением которой совместно трудятся Intel и Micron. Ее представили на конференции IDF.

Как известно, флеш-память типа NAND использует электроны для хранения информации. Их захватывает затвор транзистора. В 3D XPoint ячейка памяти меняет сопротивление для создания либо логического нуля, либо единицы. Отсутствие транзистора как такового позволяет увеличить плотность записи минимум в 10 раз. Доступ к ячейке памяти осуществляется путем сочетания определенных напряжений на пересекающихся линиях проводников. Отсюда и вторая часть названия — XPoint. 3D означает, что ячейки на кристалле расположены в несколько слоев.

Это еще не все. В теории детище Intel и Micron в 1000 раз быстрее флеш-памяти и в 1000 надежнее. Что касается скорости, то этот параметр приблизительно на порядок меньше, чем, например, у памяти DDR четвертого поколения. И все же некоторые разработчики полагают, что 3D XPoint можно будет использовать в том числе и в роли ОЗУ.

Уже в 2016 году Intel представит полноценную линейку твердотельных накопителей Optane. Эти устройства будут реализованы на базе нескольких форм-факторов: классических 2,5-дюймовых накопителей с разъемом U.2, платах M.2 и дискретных картах с интерфейсом PCI Express x4. Чипы памяти, как нетрудно догадаться, будет производить Micron, задействовав 20-нм техпроцесс. В рамках конференции генеральный директор Intel Брайан Кржанич продемонстрировал рабочий прототип с шиной PCI Express, который по количеству операций в секунду оказался в семь раз быстрее и без того производительного накопителя Intel SSD DC P3700. Первые коммерческие SSD Optane пропишутся в ЦОД. Накопители оснастят интерфейсами PCI Express 3.0 х4 и NVDIMM с 288 контактами (энергонезависимые модули DDR4). В первом случае 3D XPoint обеспечит производительность на уровне 4 Гбайт/с. Во втором случае будет обеспечена совместимость только с новыми Intel Xeon E5 v5 поколения Broadwell-EP. Скорость чтения/записи накопителя форм-фактора NVDIMM составит 6 Гбайт/с, хотя пропускная способность стандарта PC4-19200 (DDR4-2400) составляет 19,2 Гбайт/с на канал. По мнению Intel, они не видят смысла сразу же выпускать устройства с максимально возможной производительностью. К тому же Intel и Micron придется долго и усердно лицензировать 3D XPoint в организации JEDEC. Процессорный гигант обещает за счет снижения скоростей чтения/записи заметно снизить задержки.

3D XPoint — это долгожданная революция, которая в отрасли устройств хранения данных в последний раз произошла в далеких 80-х годах прошлого века. Дождались! Тем не менее при всех плюсах на сегодняшний день главный недостаток новой технологии — это ее высокая себестоимость. Она находится между памятью NAND и DRAM. На IDF показали первые микросхемы емкостью 128 Гбит. Чип MLC NAND с подобными характеристиками стоит в среднем 7,5 долларов США. Микросхема 3D XPoint будет стоить приблизительно в пять раз дороже.

Еще одну совместную разработку энергонезависимой памяти представили корпорации HP и SanDisk. Эти фирмы уже пытались продвинуть технологию под названием ReRAM, принцип действия которой заключается в изменении сопротивления у твердого диэлектрического материала (мемристора). Тогда им помогали SK Hynix и Toshiba. Но до коммерческой реализации ReRAM дело не дошло. Сейчас же HP и SanDisk планируют использовать наработки для создания еще одной схожей технологии — Storage Class Memory (SCM).

Разработчики обещают те же блага для человечества, что и 3D XPoint. А именно скорость и надежность SCM превысит аналогичные показатели у NAND флеш-памяти минимум в 1000 раз. При этом стоимость микросхемы будет заметно дешевле существующих чипов DRAM. К сожалению, HP и SanDisk не раскрывают всех подробностей относительно новой технологии. Однако очевидно, что любая задержка по времени сыграет на руку 3D XPoint.

Про новые интерфейсы

С выходом платформы LGA1151 для процессоров Intel Skylake появилась нативная поддержка ряда интерфейсов. Еще пару лет назад номенклатура портов на мало-мальски современной материнской плате ограничивалась одним «скучным» интерфейсом SATA II/3.0. В 2015 году можно встретить устройства с портами SATA Express, mSATA, M.2 и U.2 (SFF-8639). А еще все популярнее становятся накопители, реализованные в виде дискретных плат с шиной PCI Express.

Стандарту SATA 3.0 летом этого года исполнилось семь лет. Пропускной способности в размере 6 Гбит/с вполне достаточно для обслуживания жестких дисков, но уже не хватает для твердотельных накопителей. Еще в прошлом году был представлен интерфейс SATA Express, обеспечивающий быстродействие на уровне 10 Гбит/с. Конструктивно он состоит из двух разъемов SATA 3.0 и дополнительного блока. Но спустя год накопители с SATA Express так и не появились в продаже, что говорит о заведомо мертворожденном интерфейсе. Все передовые SSD либо оснащены разъемом PCI Express, либо M.2. Последний, впрочем, тоже работает через шину PCI Express. В зависимости от количества линий пропускная способность M.2 может достигать 32 Гбит/с.

Самый новый и пока самый нераскрученный интерфейс в пользовательской технике — это U.2, предназначенный для накопителей с протоколом NVMe (Non-Volatile Memory Express). В 2004 году, когда принималась спецификация AHCI, в основном учитывались особенности работы механических жестких дисков. То есть устройств, обладающих и по сей день низкой скоростью работы и высокими задержками. Повторюсь, для таких девайсов возможностей SATA 3.0 будет достаточно еще очень долгое время. Первым твердотельным накопителям, появившимся на стыке десятилетий, пришлось поддерживать протокол AHCI, ведь пропускной способности на уровне 6 Гбит/с было более чем достаточно. Нехватка началась ощущаться, когда на рынок вышли топовые решения LSI SandForce, Samsung и Marvell. Интерфейс NVMe изначально создан для работы с флеш-памятью. Он ориентирован на высокие скорости и низкие задержки доступа. Вместо одной очереди с 32 командами теперь можно выполнять 64K очередей, в каждой из которых может содержаться до 64K команд.

Операционные системы Windows 8.1 и Windows 10 обладают встроенной поддержкой NVMe. Для Windows 7 необходимо установить специальный драйвер. Первым накопителем с поддержкой NVMe, реализуемым на консьюмерском рынке, стала модель Intel SSD 750.

Про жесткие диски

В сентябре следующего года жестким дискам исполнится 60 лет. В самом начале статьи я уже затронул тему постепенного вымирания данного типа устройств, однако, если магнитным накопителям и суждено исчезнуть, то это произойдет очень даже нескоро. По словам финансового директора компании Seagate Дэйва Мортона, жесткие диски просуществуют еще минимум 15-20 лет, так как у этих устройств есть потенциал по увеличению их емкости в десятки раз. Я склонен согласиться с этим утверждением, ведь объем жестких дисков постоянно увеличивается. И все же нельзя не отметить, что поставки винчестеров сокращаются с каждым годом. Так, по прогнозам HGST, глобальный спрос на HDD всех форм-факторов будет и дальше снижаться. Если в 2014 году было реализовано приблизительно 561 млн жестких дисков, то в этом году ожидается поставка всего 550 млн устройств данного типа. В 2016 году темп снижения спроса на магнитные накопители увеличится. Планируется, что будет реализовано всего 538 млн жестких дисков. В сегменте винчестеров для десктопов планируется снижение поставок со 156 млн штук в 2014 году до 152 млн в 2015 году и 150 млн в 2016 году соответственно. Особенно заметна тенденция в сегменте портативных компьютеров (читай — ноутбуков). Здесь спрос снизится со 171 млн штук в 2014 году до 161 млн единиц в этом году. Ожидается, что в 2016 году будет реализовано всего 147 млн ноутбучных HDD.

Согласно данным Seagate и Western Digital, в первом квартале 2015 года рынок со 125 млн реализованных единиц товара сократился на 11% по отношению к четвертому кварталу 2014 года и на 10% по отношению к аналогичному периоду за прошлый год. Во втором квартале 2015 года рынок снизился до 111 млн произведенной техники, что на 20% ниже, чем за аналогичный период 2014 года.

В то же время лидером в индустрии остается компания Western Digital. Согласно ее отчету, за первый квартал финансового 2016 года (Q1 FY2016 — закончился 2 октября 2015 года) компания реализовала 51,7 млн жестких дисков. Это на 20,1% меньше, чем за аналогичный период прошлого года. Seagate за это же время отгрузила всего 47 млн винчестеров. На третьем месте с 20 млн устройств идет компания Toshiba.

Наводнение, случившееся в 2011 году в Таиланде, привело к серьезному увеличению средней стоимости жестких дисков. Постепенно ситуация начала выправляться, но наметившийся спад по отгрузке накопителей не позволяет серьезно уменьшить цену на винчестеры. Наоборот, в сравнении с прошлым годом средняя стоимость жесткого диска увеличилась на 2-3 доллара США. С учетом того, что в 2016 году механических накопителей будет реализовано еще меньше, стоит ожидать дальнейшего повышения цен. В то же время в Seagate уверены, что к 2020 году стоимость хранения одного гигабайта данных на винчестерах снизится до половины американского цента. Как говорится, будем посмотреть.

Но вернемся к терабайтам. Жесткие диски объемом 8 Тбайт и 10 Тбайт были анонсированы еще в прошлом году. Но только в этом они появились в реальной продаже. За счет внедрения новых технологий, а также способов сборки удалось создать 3,5-дюймовую пластину объемом 1,3 Тбайт. В следующем году Seagate обещает выпустить «блин» с плотностью записи 1,66 Тбайт.

Появлению жестких дисков объемом 6 Тбайт, 8 Тбайт и 10 Тбайт поспособствовали несколько технологий. Первая — использование гелия, позволяющая увеличить плотность посадки пластин. Второй элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева имеет в семь раз меньшую плотность, нежели воздух. Это свойство позволяет значительно уменьшить силу трения, действующую на магнитные пластины HDD. Первым винчестером стала модель Ultrastar He6 от HGST. Она получила семь 3,5-дюймовых блинов объемом 860 Гбайт каждая. Однако недавно в Seagate заявили, что вели разработку полностью герметичных жестких дисков, наполненных гелием, еще 12 лет назад.

Вторая технология, способствующая увеличению плотности записи, получила название SMR (Shingled Magnetic Recording, черепичная магнитная запись). Разговоры о ее интеграции велись еще в 2009 году. Свое название она получила в следствии того, что на диск записываются достаточно широкие дорожки, а дорожки данных, записываемые впоследствии, частично накладываются на предыдущие, что напоминает технику укладки кровельной черепицы.

Именно за счет этой технологии Seagate удалось выпустить жесткий диск объемом 8 Тбайт. Анонсированная и распиаренная еще в прошлом году модель от HGST на 10 Тбайт поступила в открытую продажу только в декабре этого года. В этом устройстве применен гелий и классическая перпендикулярная технология записи (PMR). Поэтому устройство может похвастать не только большим объемом, но и высокой производительностью.

Вообще технологию перпендикулярной магнитной записи не стоит списывать со счетов. Так, компания Showa Denko K.K. объявила о скором выпуске пластин девятого поколения. А это значит, что уже в следующем году могут появиться жесткие диски объемом 12 Тбайт. Напомню, что в 10-терабайтном винчестере HGST используются семь блинов емкостью 1,43 Тбайт каждая, произведенные именно Showa Denko K.K.. Уже в 2017 году планируется выпуск 3,5-дюймовой пластины с плотностью записи 2 Тбайт. Следовательно, не за горами выход 14-терабайтных жестких дисков.

Видно, какой серьезный скачок совершила индустрия всего за два года. Первый жесткий диск объемом 4 Тбайт Seagate выпустила в 2011 году. После небольшого затишья, как из рога изобилия, посыпались устройства большего объема.

Не так далек выпуск первых жестких дисков объемом 20 Тбайт. Соответствующие технологии разработаны. Очевидно, что бесконечно уплотнять дорожки не получится. Рано или поздно соотношение «сигнал/шум» (параметр SNR) скажет свое веское слово. Уже давно разработана технология TDMR (Two-Dimensional Magnetic Recording), которая увеличивает SNR при помощи анализа данных целостного фрагмента пластины. Для построения двумерной картины придется либо просканировать площадь пластины сразу несколькими проходами считывающей головки диска, либо применить несколько головок. Seagate планирует внедрить технологию TDMR в самом ближайшем будущем. На 2016 год у компании большие планы.

Есть вторая технология — HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording). Она позволит достигнуть рекордной плотности записи — до 5 Тбит/дюйм². К тому же технология термомагнитной записи позволит увеличить производительность жестких дисков. Выпуск первого винчестера объемом 20 Тбайт намечен на 2020 год. В 2025 году может появиться жесткий диск емкостью 100 Тбайт.

Что ж, заканчивая тему жестких дисков, остается только сравнить надежность этих устройств в 2015 году. Есть статистика за второй квартал 2015 года. Статистика печальная. В общем и целом, самыми надежными являются накопители фирмы HGST. Ничего удивительного в этом нет, ведь продукция китайской мануфактуры предназначена в основном для корпоративного сегмента. На втором месте идет WD. Общая картина выглядит следующим образом: в процентном соотношении количество отказавших жестких дисков у всех трех производителей увеличилось по сравнению с прошлым годом.

Про твердотельные накопители

Если рынок жестких дисков потихоньку сжимается, то продажи и распространение твердотельных накопителей, наоборот, растут. По данным TrendForce, в первой половине 2015 года было отгружено 23,18 млн SSD, что на 3,5% больше по сравнению с прошлым годом. С одной стороны, количество реализуемых персональных компьютеров становится все меньше. С другой стороны, по данным все тех же аналитиков из TrendForce, уже в 2015 году треть всех выпущенных ноутбуков была оснащена твердотельными накопителями.

Падает и сама стоимость твердотельных накопителей. В этом году цена одного гигабайта данных оказалась гораздо ниже одного доллара США. В начале года SanDisk представила серверные SSD объемом 4 Тбайт, которые пока не могут состязаться с жесткими дисками корпоративного класса на 10 000-15 000 об/мин в системе координат «цена за гигабайт». Но в компании верят, что уже в 2017 году с выпуском моделей объемом 8 Тбайт и 16 Тбайт получится навязать конкуренцию и на этом поприще. Вряд ли они будут иметь аналогичную стоимость. Но в противовес SSD предложат более экономичную и долговечную работу.

Лидером индустрии по-прежнему остается компания Samsung. И в ближайшее время ситуация кардинальным образом вряд ли изменится. По подсчетам TrendForce, во втором квартале 2015 года корейская фирма удерживала почти 44% рынка. План по захвату мира отрасли выполняется. Несмотря на то, что Toshiba и SanDisk производят около 50% флеш-памяти NAND, их доля на рынке SSD-накопителей составляет всего около 14%. Данный статистический факт наглядно доказывает эффективность закрытой модели ведения бизнеса. Для достижения успеха необходимо самому производить абсолютно все элементы твердотельного накопителя.

Мы приятно удивляемся резкому скачку объемов у традиционных жестких дисков. Однако в 2015 году на новый уровень вышли и твердотельные накопители. Для консьюмерского рынка Samsung представила SSD серий 850 PRO/EVO емкостью 2 Тбайт. Проведем небольшое сравнение. Стоимость одного гигабайта у модели 850 PRO объемом 2 Тбайт составляет приблизительно 45 центов США. У накопителя из этой же линейки на 1 Тбайт — 46 центов США, на 512 Гбайт — 46 центов США, на 256 Гбайт — 54 цента США, на 128 Гбайт — 71 цент США. Цена за один гигабайт пространства у жесткого диска WD Black WD2003FZEX составляет приблизительно 6 центов США, то есть в 7,5 раз меньше.

Не все производители считают, что есть необходимость в выпуске твердотельных накопителей объемом больше 1 Тбайт. Например, к таким компаниям относится Micron. Чипмейкер не видит в этом смысл, ведь абсолютное большинство сборщиков используют SSD объемом 120-256 Гбайт для ускорения работы операционной системы и нескольких основных программ. Однако лидер индустрии уже в 2016 году выпустит твердотельный накопитель на 4 Тбайт.

Все самые передовые разработки в первую очередь внедряются туда, где больше денег и где в этом есть прямая необходимость. Компания Novachips, разработчик архитектуры HLNAND, в этом году представила первый твердотельный накопитель форм-фактора 2,5’’ (с разъемом U.2) объемом 8 Тбайт. А чуть позже — SSD на 10 Тбайт. Стоимость одного такого устройства на сегодняшний день составляет ни много ни мало 17 000 долларов США (1,19 млн рублей по курсу 70 руб. за доллар США).

Архитектура HLNAND (HyperLink NAND) позволяет расположить несколько слоев (в модели объемом 10 Тбайт — 16) флеш-памяти, а также поместить в каждый чип собственный контроллер. Каждая такая микросхема подключается к процессору Novachips NVS3800 (архитектура ARM) по кольцевой шине HyperLink. В итоге скорость чтения/записи может достигать 1,5/1,4 Гбайт/с. Уже в следующем году Novachips планирует выпустить твердотельный накопитель объемом 24 Тбайт.

В этом году коллеги из Tech Report завершили полуторагодичный эксперимент по тестированию сразу нескольких твердотельных накопителей. В испытании на выносливость приняли участие модели от Corsair, Intel, Kingston и Samsung. Емкость устройств колебалась в районе 240-256 Гбайт. Журналисты на протяжении всего эксперимента отслеживали не только объем записанной/считанной информации, но и постоянно измеряли производительность. Хорошая новость: ни один SSD не деградировал за время тестирования. Но самое интересное — это надежность твердотельных накопителей, которая успела обрасти толстым слоем слухов и предубеждений.

Как известно, многие производители указывают в технических характеристиках количество циклов чтения/записи, а также максимальный объем записи информации. Например, твердотельный накопитель Samsung 840 Pro, участвовавший в эксперименте, имеет 5-летнюю гарантию. Производитель заявляет, что ежедневно на устройство может записываться до 40 Гбайт информации. Математика подсказывает, что в таком случае «прошка» гарантированно отработает 5*365*40=73 000 Гбайт. Эксперимент показал, что все испытуемые накопители продемонстрировали показатели лучше, чем было заявлено производителем. Двум SSD даже удалось пережить отметку в 1 Пбайт (1048576 Гбайт, 1024 Тбайт). Самым первым ушел в отказ твердотельный накопитель от Intel. Его выход из строя запрограммировал сам производитель, так как устройство искусственно снабдили лимитом записи информации. Дальше накопитель работал только в режиме чтения. Долгожителями же оказались SSD от Kingston и Samsung — они сумели преодолеть лимит в 2 Пбайт. Как видите, твердотельные накопители от известных производителей полностью соблюдают гарантийные условия эксплуатации и даже превосходят их.

Интересные модели 2015 года

Samsung SSD 950 Pro. Новый флагман от корейского производителя. Возможностей интерфейса SATA 3.0 недостаточно, поэтому все самые производительные решения выпускаются в форм-факторе M.2. Поддерживается работа интерфейса PCI Express x4 3.0 (NVMe). На данный момент в продаже есть две модели объемом 256 Гбайт и 512 Гбайт соответственно. Используются 32-слойные 128-гигабитные чипы MLC V-NAND. Контроллер Samsung UBX позволяет достигать скорости чтения/записи на уровне 2500/1500 Мбайт/с. Максимальная скорость произвольного чтения блоков по 4 Кбайт составляет 300 000 IOPS, а записи — 110 000 IOPS. При 1,5 млн часов времени наработки на отказ ресурс записи заявлен на уровне 400 Тбайт.

Toshiba MQ03ABB300. Эта модель примечательна тем, что японский производитель впервые сумел создать 2,5-дюймовый жесткий диск объемом 3 Тбайт. Правда, инженерам Toshiba пришлось заметно увеличить толщину корпуса до 15 мм. Следовательно, использовать накопитель удастся далеко не во всех ноутбуках.

Остальные характеристики Toshiba MQ03ABB300 не столь интересны. Это тихоходный накопитель, шпиндель которого вращается с частотой 5400 об/мин. Объем буферной памяти составляет всего 16 Мбайт.

HGST Ultrastar He10. Диск-рекордсмен, тем не менее, использует классическую перпендикулярную технологию записи. Частота вращения шпинделя составляет 7200 об/мин. Увеличение плотности записи пластины позволило несколько ускорить производительность — до 249 Мбайт/с. У диска объемом 8 Тбайт скорость чтения/записи может достигать 225 Мбайт/с. Время наработки на отказ составляет 2,5 млн часов. HGST традиционно распространяет на свою продукцию 5-летнюю гарантию.