Развитие накопителей на жестких магнитных дисках в период с 2000 по 2018 гг. и прогноз дальнейшего роста их характеристик

Цели данной статьи - проанализировать динамику развития основных характеристик накопителей на жестких магнитных дисках (далее - жесткие диски или НЖМД) и предсказать их дальнейшее развитие, используя диаграммы сайта pc4xp.ru. Напомним, что данные для построения диаграмм берутся из базы данных жестких дисков (более 1500 моделей), построенной с использованием официальных спецификаций производителей.

Список характеристик (оно же оглавление), которые мы будем рассматривать:

1. Объем накопителя

2. Максимальная скорость чтения

3. Потребление электроэнергии во время операций чтения/записи

4. Объем кэш-памяти

5. Скорость вращения шпинделя.

6. Наработка на отказ. Mean time to failure (MTBF)

7. Уровень шума

8. Количество пластин, установленных внутри накопителя

9. Емкость одной пластины

10. Эволюция методов магнитной записи

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ссылки на материалы в Сети

Анализируемый период времени - 2000 - 2018 гг. Форм-факторы жестких дисков - любые, хотя, начиная с 2000 года производятся жесткие диски только двух форм-факторов: 3,5 и 2,5, поэтому говорить будем только о них.

1. Объем накопителя.

Прошлое. С 2000 г. по 2010 г. емкость жестких дисков выросла в с 41 Гб до 3000 Гб – в 73 раза. С 2010 г. по 2018 г. емкость жестких дисков выросла с 3 Тб до 14 Тб - в 4,6 раз. Маловероятно, что за следующие два года темпы прироста объема жесткого диска догонят тот впечатляющий показатель за предыдущую декаду, но тенденция к уверенному росту сохраняется.

Настоящее.

3,5 - дюймовые НЖМД. На данный момент (май 2018 год) максимальная емкость 3,5 - жестких дисков составляет 14 Тб. На рынке представлены следующие модели:

1. Жесткий диск Hitachi Ultrastar Hs14 с интерфейсами SAS 3 и SATA 3 14 Тб >>> Выпущен в 2017 году, содержит 8 SMR-пластин емкостью по 1750 Тб каждая.

2. Жесткий диск Western Digital Ultrastar DC HC530 с интерфейсами SAS 3 и SATA 3 14 Тб >>> Выпущен в 2018 году, содержит 8 TDMR-пластин емкостью по 1750 Тб каждая. В 2018 году компания Western Digital отказалась от бренда HGST, заменив его своим.

3. Жесткий диск Toshiba MG07ACA14TA(E), SATA 3 14 Тб >>> Выпущен в 2017 году. Компания Toshiba отличилась, вместив в свое творение аж 9 PMR-пластин по 1560 Гб, что является на данный момент рекордом для 3,5 НЖМД стандартной 2,5 см толщины.

Компания Seagate анонсировал свой 14-терабайтник, но пока еще не выпустила его. Принадлежать он будет к семейству Exos X14 накопителей корпоративного класса для центров обработки данных.

Все жесткие диски заполнены гелием и имеют скорость вращения шпинделя 7200 об./мин.

2,5 - дюймовые НЖМД. Максимальная емкость 2,5 - жестких дисков составляет 5 Тб и была достигнута в накопителе (смотрите по ссылке его характеристики) Seagate Barracuda 2.5 ST5000LM000 (SATA 3) 5 Тб >>> в 2016 году.

Будущее.

3,5 - дюймовые НЖМД. Уже на данный момент существует техническая возможность создавать 3,5 - жесткие диски объёмом больше, чем 14 Тб, даже без применения технологий HAMR и MAMR. Максимально достигнутая емкость одной пластины - 2 Тб, метод магнитной записи - черепичный (SMR). Такие пластины применила компания Seagate в своем накопителе для хранения архивных данных Exos 5E8 ST8000AS0003 8 Тб >>>. Количество пластин в этом накопителе - 4 штуки. В современных жестких дисках, число пластин может достигать 9 штук в корпусе стандартной (2,5 см) толщины (Жесткий диск Toshiba MG07ACA14TA 14 Тб >>>). Технически возможен выпуск жестких дисков емкостью 18 Тб.

Емкость пластин с перпендикулярным методом записи (PMR) приблизилась к 1,8 Тб, что позволяет сделать 16 Тб жесткий диск с 9 PMR или TDMR-пластинами по 1,8 Тб.

Так что вероятно, что в будущем объемы жестких дисков продолжат возрастать, либо в том же темпе, прибавляя по 2 Тб в год. Либо даже быстрее, если производители начнут выпускать накопители с HAMR- и MAMR-технологиями записи. Исходя из тенденции на графике, возможно, уже в этом году мы увидим 16 Тб 3,5 - жесткий диск.

Существует еще одна возможность для роста емкости жестких дисков: в 2017 году компания Hoya создала образцы стеклянных пластин толщиной 0,5 и 0,381 мм и представила на их основе макеты накопителей. В первом макете поместилось 10 стеклянных пластин, толщиной 0,5 мм каждая. Во втором макете поместилось 12 0,381 мм пластин.

Это дает теоретическую возможность создания жесткого диска емкостью до 24 Тб, который будет содержать 12 SMR-пластин по 2 Тб. Как будет обстоять дело на практике, мы увидим в будущем.

2,5 - дюймовые НЖМД. С увеличением объема накопителей данного форм-фактора все сложнее. В современном Seagate Barracuda 2.5 ST5000LM000 (SATA 3) 5 Тб >>> технологии, позволяющие увеличивать объем достигли своего предела: плотность записи в данном накопителе максимальная на данный момент - 1307 ГБит/дюйм2 при SMR-методе записи, количество пластин - 5 штук в корпусе 1,5 см толщины. Дальнейшее повышение плотности записи возможно лишь при внедрении HAMR и MAMR. Возможно ли увеличение количества пластин? Возможно. Если продолжить увеличение толщины корпуса или начать применять пластины из стекла, увеличивая их количество до 6-7 штук. Но тогда станет вопрос о применении гелиевой среды, что приведет к увеличению себестоимости конечного продукта. Увеличение количества пластин и внедрение гелиевой среды скажется и на надежности накопителя.

Но, если для увеличения объема 2,5 НЖМД будут применены технологии HAMR и MAMR, позволяющие увеличить плотность записи до 5 ТБит/дюйм2, то при текущих 5 пластинах в обозримом будущем можно будет увидеть 20 терабайтные 2,5 дюймовые НЖМД.

2. Максимальная скорость чтения.

Прошлое. На графике виден устойчивый рост скорости чтения данных. Связан он непосредственно с ростом плотности записи. Данная диаграмма показывает усредненные значения для НЖМД с любой скоростью вращения шпинделя.

Настоящее. У современных жестких дисков на данный момент максимальные скорости чтения/записи составляют:

1) Для накопителей с частотой вращения шпинделя 5900 об./мин - 210 Мб/сек.

2) Для накопителей с частотой вращения шпинделя 7200 об./мин - 267 Мб/сек.

3) Для накопителей с частотой вращения шпинделя 10000 об./мин - 279 Мб/сек.

4) Для накопителей с частотой вращения шпинделя 15000 об./мин - 315 Мб/сек. Максимальное значение - 315 Мб/сек было достигнуто 2,5-дюймовым накопителем Seagate Enterprise Performance 15K HDD v.6 900 Гб >>>, что является рекордом скорости чтения/записи для жестких дисков за все время и вряд ли будет побито жесткими дисками такой категории в будущем по следующим причинам:

1. Компании, производящие жесткие диски, собираются отказаться от производства накопителей с частотой вращения шпинделя 10000 и 15000 об./мин. по причине падающего на них спроса в пользу твердотельных накопителей. Например WDC: [https://3dnews.ru/945263] (ссылка на неофициальный источник)

2. Повышение плотности записи для накопителей с частотой вращения шпинделя от 10000 до 15000 об./мин. представляется большой проблемой, поскольку необходимо обеспечить надежность операций чтения/записи.

Будущее. Скорости чтения/записи продолжат возрастать с повышением плотности записи на магнитных дисках. Появление на рынке технологий HAMR и MAMR, которое ожидается в 2019 году, позволит существенно увеличить плотность записи и скорости чтения/записи, в первую очередь для 2,5-дюймовых НЖМД. Поэтому, в связи с этим, наверняка 3,5 дюймовые жесткие диски с частотой вращения шпинделя 7200 об./мин. покажут максимальные скорости последовательного чтения в 300 Мб/сек. и выше.

А если на рынке появятся НЖМД с двойным актуатором, то скорости чтения/записи возрастут вдвое.

3. Потребление электроэнергии во время операций чтения/записи.

Потребление электроэнергии жесткими дисками за 18 лет, в целом, находится на одном уровне. Максимальные значения характерны для НЖМД, имеющих частоту вращения шпинделя 15000 об./мин. и/или SAS - интерфейс, минимальные - для НЖМД, имеющих 2,5 дюймовый форм-фактор и частоту вращения шпинделя 5400 об./мин. или ниже.

4. Объем кэш-памяти.

В 2000 году максимальный объем кэш-памяти составлял - 2 Мб (на диаграмме данное значение не отображено). А на данный момент ее максимальный объем составляет – 512 Мб. Иметь такой объем оперативной памяти в компьютере, например в 2002 году, считалось роскошью и излишеством. Впервые кэш-память объемом 512 мегабайт появилась на НЖМД емкостью 14 Тб, в 2017 году. Возможно, когда емкость жестких дисков достигнет 20 Тб, а это может случиться в 2020 году (согласно тенденции на первом графике), емкость кэш-памяти возрастет уже до 1 гигабайта.

5. Скорость вращения шпинделя.

В 2001 году НЖМД достигли максимальной скорости вращения своего шпинделя – 15000 оборотов в минуту и с тех пор этот показатель больше не поднимался. Хотя, лет 10-15 назад у производителей были планы по повышению частоты вращения шпинделя до 20000 об./мин., о чем можно найти информацию в Интернете. Смысла в повышении частоты вращения шпинделя в настоящем времени тем более нет. Ну вот представьте себе, если взять современный НЖМД со скоростью вращения шпинделя 15000 об./мин. и имеющий максимальную скорость последовательного чтения данных 315 Мб/сек. и постараться сделать его таким же быстрым по скорости чтения, как современные твердотельные накопители с SATA 3 - интерфейсом, то придется разогнать шпиндель до скоростей порядка 30000 об./мин. Остается только догадываться, как будет нагреваться такой накопитель и сколько он прослужит в итоге. Более того, НЖМД с такими высокими частотами могут вообще исчезнуть с рынка по причине, указанной выше.

3,5 - дюймовые НЖМД. Для 3,5 НЖМД характерны скорости вращения 5400, 5900 и 7200 об./мин. Как исключение, компания Western Digital выпускала 3,5 НЖМД со скоростью вращения шпинделя - 10000 об./мин., однако пластины накопителя имели диаметр 2,5 дюйма, а массивный корпус служил в качестве радиатора для отвода тепла. Нетрудно заметить, что сначала какое-то время выпускались НЖМД в форм-факторе 3,5 дюйма скоростью 15000 RPM, затем произошла его смена на 2,5.

2,5 - дюймовые НЖМД. Для НЖМД такого форм-фактора характерны любые скорости вращения, вплоть до 15000 об./мин.

6. Наработка на отказ. Mean time to failure (MTBF).

На это графике мы можем видеть планомерное повышение среднего уровня надежности жестких дисков. Максимальное значение этой характеристики было достигнуто в 2013 году и составило 2,5 миллионов часов до отказа. Сложно сказать, будет ли в дальнейшем рост надежности жестких дисков, учитывая множество технологических изменений (увеличение количества пластин, SMR, внедрение HAMR, MAMR) в угоду увеличения их емкости.

7. Уровень шума.

Еще в начале нулевых годов НЖМД были достаточно шумные. Это означает, что услышать стрекот головок жесткого диска можно было в офисном помещении в разгар рабочего дня, когда разговаривают коллеги, шумит разнообразная техника, приходят посетители. Сейчас, чтобы услышать работу головок жесткого диска, необходима полная тишина в помещении и не факт, что их можно услышать вообще, лишь почувствовать вибрация, взяв устройство в руки. Минимальный уровень шума при операциях чтения/записи может составлять 1,7 ДБелл, что характерно для 2,5 НЖМД.

8. Количество пластин, установленных внутри накопителя.

Прошлое. Когда-то 5 пластин внутри 3,5 - дюймового НЖМД толщины 2,5 см было максимальным и считалось показателем низкой надежности и источником повышенной температуры для накопителя. в 2012-2013 гг. произошел застой в росте емкости жестких дисков. Максимальная емкость накопителей составила 4 Тб и не увеличивалась в течение двух лет. Лишь в конце 2013 года компания HGST представила первый в мире накопитель на жестких магнитных дисках емкостью 6 терабайт, имеющий аж 7 пластин, вращающихся на скорости 7200 оборотов в минуту. Это был Hitachi Ultrastar He6 HUS726060ALA64[0,1] (SATA 3) 6 Тб >>>. Накопитель был полностью герметичен и заполнен инертным газом - гелием, имеющим в несколько раз меньшую плотность, чем окружающий воздух. Что способствовало гораздо меньшему нагреву накопителя во время трения пластин о гелиевую среду во время их вращения и, как следствие, его меньшему нагреву. Тем не менее, были выпущены НЖМД, содержащие внутри 6 пластин в обычной воздушной среде. Само собой разумеющееся, такие устройства выделяют много тепла и должны хорошо охлаждаться.

Настоящее.

3,5 - дюймовые НЖМД. На данный момент рекорд по количеству пластин внутри 3,5-дюймового жесткого диска составляет 9 пластин и установлен он компанией Toshiba в 2017 году, как уже упоминалось выше.

2,5 - дюймовые НЖМД. Для 2,5-дюймовых НЖМД рекорд был поставлен компанией Seagate в 2016, которая выпустила, уже неоднократно упомянутый выше, жесткий диск Barracuda 2.5 ST5000LM000 (SATA 3) 5 Тб с 5 пластинами внутри. Каждая пластина может содержать по 1 Тб данных, записанных по черепичной методике (SMR) с рекордной плотностью записи и на данный момент - 1307 ГБит/дюйм2. (Прим.авт.: Статья, которую я на данный момент набираю, находится именно на таком накопителе в формате внешнего HDD с USB 3.0 интерфейсом, который трудится у меня уже почти один год).

Будущее. Перспектива роста количества пластин внутри накопителя с целью дальнейшего повышения их емкости в будущем остается, как для 3,5-, так и для 2,5-дюймовых НЖМД. Но только, если будут применены более прочные материалы, чем алюминий, использующийся сейчас. Ведь с увеличением количества пластин, уменьшается пространство между ними, необходимое для функционирования головок чтения/записи. А для этого необходимо уменьшать толщину пластин. А чем более тонкая пластина, тем меньшую прочность она имеет. Для алюминиевой пластины критичная толщина составляет 0,6 мм. Дальнейшее уменьшение ее толщины приведет к снижению ее прочностных характеристик, необходимых для обеспечения надежности накопителя. Более прочный материал, чем алюминий - стекло. Стеклянные пластины сохраняют необходимую прочность и при толщине 0,381 мм, позволяя при такой толщине разместиться в количестве 12 штук.

Обращаем ваше внимание, что если на графике встречаются нулевые показатели, то это означает, что не все модели НЖМД (или других комплектующих) еще внесены в справочник.

9. Емкость одной пластины.

На данный момент продолжатся рост плотности записи и, как следствие рост емкости одной пластины, которая составляет 2 Тб на SMR-пластину для 3,5 НЖМД и 1 Тб на SMR-пластину для 2,5 НЖМД. В обоих случаях плотность записи составляет 1307 ГБит на квадратный дюйм. В дальнейшем, при внедрении HAMR и MAMR-технологий, плотность записи будет увеличиваться и может достичь 5000 ГБит на дм2, что теоретически увеличит объем одной пластины до 8 Тб, при SMR-технологии записи. Нетрудно посчитать, что при использовании 12 стеклянных пластин, можно получить НЖМД объемом 96 Тб. Но, это в теории.

10. Эволюция методов магнитной записи.

Прошлое. В прошлом, до 2007 года доминировал метод продольной магнитной записи (PRML, EPRML), однако еще в 2005 году появился метод перпендикулярной магнитной записи (PMR), позволивший значительно увеличить объем НЖМД и наращивать его в течение последующих десяти лет и больше.

Однако в последние три года данный метод исчерпал свой потенциал в чистом виде. Плотность записи достигла 880 ГБит / дм2 (1750 Тб на одну пластину) при теоретическом пределе - 1 Тбит / дм2. На выручку пришёл SMR-метод, фактически представляющий собой PMR-метод, но с частичным наложением дорожек записи друг на друга, который позволил увеличить плотность записи до 1,3 Тбит / дм2, однако повлек за собой некоторые сложности и недостатки.

Настоящее. В настоящее время представлены НЖМД с PMR-, SMR-методами записи. И впервые, в 2018 году появились НЖМД с TDMR-методом записи. Данные накопители выпущены компанией Western Digital, имеют емкость 14 Тб и представлены моделями: Ultrastar DC HC530 SAS 3.0 14 Тб и Ultrastar DC HC530 SATA 3 14 Тб.

Будущее. В будущем, уже в ближайшем будущем (в 2019 году), ожидается внедрение производителями HAMR и MAMR-технологий записи, которые разрабатываются уже достаточно давно. Например, упоминание о том, что идет разработка HAMR-накопителей, можно найти в статьях за 2008 год. Данные технологии не представляют собой метод записи, но позволяют подготовить поверхность пластины (например, путем ее точечного нагрева) для последующей записи PMR-,SMR-,TDMR-методами с гораздо большей плотностью, чем без подогрева. По оценкам разных производителей НЖМД (а их не так уже много осталось: Western Digital, Seagate и Toshiba) плотность записи при использовании термоассистируемой технологии записи может достичь 4-5 Тбит / дм2. Мы не будем подробно описывать принципы их работы, так как статей об этом написано уже достаточно много (ссылки можно найти в конце данной статьи).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, мы рассмотрели основные характеристики накопителей на жестких магнитных дисках, проанализировали их и попытались предсказать дальнейший их рост.

Технологии производства НЖМД достигли очень высокого уровня и продолжают развиваться, конечно уже не такими темпами, как еще лет 10 назад. Очевидно, что невозможно бесконечно увеличивать плотность записи. И рано или поздно это станет невозможным. Но в ближайшие 5-10 лет объем НЖМД будет увеличиваться.

Невозможно увеличивать и скорости чтения/записи, которые зависят от плотности записи и скорость вращения шпинделя. Да это уже давно стало и не нужно. Планомерное увеличение скоростей чтение/записи на данный момент можно считать "побочным эффектом" увеличения плотности записи, поскольку этот показатель перестал иметь большое значение. Твердотельные накопители (SSD) уже давно обогнали НЖМД по данному параметру и используются в качестве накопителя для операционной системы и прикладных программ, а НЖМД используется в качестве хранилища данных.

Не исключено, что в далеком будущем SSD-накопители полностью вытеснят НЖМД. Так как, хотя они и дороже, но цена их продолжает стабильно снижаться, а появление SSD с QLC-ячейками только усилит их конкуренцию за объем и за цену.

Уважаемые читатели, ждем от вас комментариев, замечаний по данному материалу. Спасибо за внимание!

Сокращения в тексте

НЖМД - накопитель на жестких магнитных дисках
HAMR - Heat Assisted Magnetic Recording - термоассистируемая магнитная запись
MAMR - Microwave-Assisted Magnetic Recording - микроволновая ассистируемая магнитная запись
RPM - Rotates per minute - вращений в минуту
SMR - Shingled Magnetic Recording - черепичная магнитная запись
TDMR - Two dimensional magnetic recording - двухмерная магнитная запись
PRML - Partial-response maximum-likelihood - продольная магнитная запись
EPRML - Extended Partial-response maximum-likelihood - расширенная продольная магнитная запись
SSD - Solid State Disk
QLC - Quadruple-Level Cell - ячейка памяти твердотельных дисков, вмещающая четыре бита

Ссылки на материалы в Сети

Название статьи	Год статьи	Ссылка
Итоги 2017 года: жесткие диски	2018	https://se7en.ws/statya-itogi-2017-goda-zhestkie-diski/
Seagate уже начала поставки партнёрам тестовых накопителей с технологией HAMR	2018	https://www.ixbt.com/news/2018/02/20/seagate-uzhe-nachala-postavki-partnjoram-testovyh-nakopitelej-s-tehnologiej-hamr.html
Как Western Digital электронам спины гнула или вкратце о технологии MAMR	2017	https://3dnews.ru/959968
Технология MAMR — что это такое	2017	https://andiriney.ru/tehnologiya-mamr-chto-eto/
HAMR Technology [Eng]	2017	https://www.seagate.com/www-content/ti-dm/tech-insights/en-us/docs/TP707-1-1712US_HAMR.pdf
Перспективы эволюции жестких дисков: передовые технологии и трудности реализации	2017	https://habr.com/company/wd/blog/344252/
Жёсткие диски с технологией HAMR появятся на рынке не ранее 2018 года	2016	https://3dnews.ru/926061
SMR: понятно в теории, сложно на практике	2015	https://habr.com/company/seagate/blog/264553/
Seagate: HDD останутся на рынке ещё 15–20 лет	2015	https://3dnews.ru/924636
Как новые технологии повлияют на перспективы применения HDD в системах хранения корпоративного класса	2015	https://www.osp.ru/lan/2015/09/13046927
Технология SMR открывает новые горизонты магнитной записи	2013	https://compress.ru/article.aspx?id=24289
Жёсткие диски: современное состояние и перспективы развития	2008	http://www.thg.ru/storage/future_hdd_technologies_2008/
HAMR головки чтения/записи для накопителей HDD. Взгляд в будущее.	2007	http://www.mirpu.ru/hdd/72-standardshdd/149-hamr-hdd-.html/