Жёсткие диски: современное состояние и перспективы развития – THG.RU

В каком направлении будут развиваться HDD?

Старый добрый жёсткий диск – компонент противоречивый. С одной стороны, он показал впечатляющий прирост ёмкости до современного уровня 1,5 Тбайт (см. недавний анонс Seagate). С другой стороны, производительность росла совсем не с такой скоростью, с какой ёмкость. В результате жёсткие диски по-прежнему являются самым медленным компонентом любого современного компьютера.

Кроме того, рынок жёстких дисков отличается высокой конкуренцией и постоянно меняется, появляются новые технологии, ёмкости и новые уровни производительности с одной стороны, а также действует ценовое давление, и появляются новые технологии накопителей, такие как флэш-память, с другой стороны. Мы решили внимательнее присмотреться к современному состоянию жёстких дисков и перспективам, в чём нам помогла Hitachi.

Сегменты рынка жёстких дисков

Рынок жёстких дисков не такой простой, как может показаться с первого взгляда, поскольку на нём присутствует множество игроков, каждый из которых фокусируется на разных типах продуктов. Их можно различать по форм-факторам, где самыми основными являются 3,5″, 2,5″, и 1,8″, хотя есть и другие. Впрочем, форм-факторы не всегда соответствуют какому-либо сегменту. Рынок HDD можно разделить, по крайней мере, на четыре сегмента: серверы/рабочие станций, настольные ПК, мобильные ПК и бытовая техника, но нельзя напрямую привязать каждый форм-фактор к какому-либо из этих сегментов. Например, 2,5″ форм-фактор позиционируется, главным образом, на ноутбуки, но существуют 2,5″ накопители для серверов. Кроме того, производители жёстких дисков обслуживают разные сегменты рынка и форм-факторы, да и портфолио существенно различаются.

Тенденции: ускорение 2,5″ накопителей

Тенденция перехода на меньшие форм-факторы началась ещё много лет назад, когда 5,25″ винчестеры были вытеснены 3,5″ моделями, которые были легче в обслуживании, быстрее и надёжнее. Более высокие плотности записи позволили сократить потенциальные бреши в ёмкости, поскольку пластины меньшего размера хранят меньший объём данных при равных плотностях записи.

Сегодня данная тенденция продолжается, но уже касается перехода на 2,5″ винчестеры по многим причинам. Корпоративный сегмент выигрывает от 2,5″ серверных жёстких дисков из-за их значительно улучшенного соотношения производительности на ватт и лучшей производительности ввода/вывода. Мобильные компьютеры, рынок которых продолжает расти во всём мире, требуют более компактных и лёгких жёстких дисков. Наконец, ёмкость сегодня уже не является проблемой, поскольку плотность записи продолжает возрастать, а большое количество интерфейсов позволяет пользователям добавлять ёмкость при необходимости.

Угрозы HDD

Жёсткие диски малого форм-фактора, такие как 1,8″, 1,3″ и 1,0″ по-прежнему противоречивы. Как мы думаем, 1,8″ накопители останутся важным сегментом ультра-портативных компьютеров и бытовых устройств, но 1,3″ и 1,0″ винчестеры продолжают испытывать усиливающееся давление со стороны флэш-накопителей. Начнём с того, что стоимость гигабайта хранения информации у флэш-накопителей улучшается быстрее, чем у компактных жёстких дисков. Вместе с тем и корпоративный сегмент начинает переходить на флэш-накопители, поскольку высокопроизводительные версии твёрдотельных накопителей обходят любые механические жёсткие диски.

Жёсткие диски не исчезнут в ближайшее время, но производителям жёстких дисков придётся фокусироваться на областях, где флэш-память не может обойти механические винчестеры: по стоимости на гигабайт в ёмких 3,5″ настольных винчестерах; бытовых и корпоративных near-line системах хранения; а также по уровню стоимости в расчёте на производительность в корпоративных хранилищах.

Игроки и доли рынка

Доли по количеству поставляемых на мировой рынок HDD в процентном соотношении.

В отличие от рынков CPU или видеокарт, на рынке жёстких дисков доминируют несколько крупных игроков. Между ними много различий как по доле рынка, так и по целевым сегментам, однако все производители жёстких дисков обладают достаточным потенциалом, чтобы выпустить топовую модель с каждым новым поколением винчестеров, и смена поколений происходит примерно раз в год. Будь то Hitachi, Seagate, Western Digital или другие производители, в прошлом все они становились лидерами рынка в разных категориях. Поэтому каждая смена поколений становится весьма интересным событием: заранее нельзя сказать, кто выйдет в лидеры.

Кто есть кто: доли рынка

Нажмите на картинку для увеличения.

По информации о рыночных долях, предоставленной Hitachi, компания является третьим крупнейшим игроком на рынке по количеству поставленных жёстких дисков. Мы можем подтвердить эту информацию данными независимой компании iSupply и других поставщиков (см. диаграмму выше). Seagate на данный момент является крупнейшим игроком на рынке HDD, следом идёт Western Digital. Samsung находится на четвёртом месте, но эта компания неплохо работает по завоеванию ещё большей рыночной доли. Японские производители Toshiba и Fujitsu идут следом, однако они оставили массовый рынок 3,5″ настольных винчестеров несколько лет назад, что частично объясняет, почему эти производители не могут конкурировать по количеству.

Кто есть кто: портфолио

Разные философии и детали о продуктах

Seagate является единственным производителем жёстких дисков, который предлагает винчестеры для всех категорий. Линейка Barracuda позиционируется на 3,5″ настольный сегмент, Cheetah – на 3,5″ сегмент для серверов, Momentus – на 2,5″ сегмент для ноутбуков, а Savvio – на 2,5″ сегмент для серверов. Линейки DB, SV и LD предназначены для бытовой электроники. Есть ещё 1,8″ накопители под названием Lyrion, у которых может не быть продолжения. Несколько лет назад Seagate приобрела Maxtor, что помогло компании стать лидером рынка, хотя другие компании, такие как Samsung и WD, тоже укрепили своё положение.

Western Digital более консервативна, поскольку компания фокусируется на определённых нишах, движется очень аккуратно и стратегически мысля в пределах обычных форм-факторов. По этой причине WD не связывается с накопителями форм-фактора 1,8″ или меньшего формата. Однако компания является важным игроком на 3,5″ рынке и неплохо показывает себя в сфере 2,5″ накопителей, но WD обычно не становится пионером рынка по продвижению новых технологий, таких как перпендикулярная магнитная запись (PMR). Усилия компании ушли на мобильную линейку 2,5″ винчестеров Scorpio, а также новую 2,5″ серверную линейку начального уровня VelociRaptor, которые помогли увеличить рыночную долю и валовую прибыль. Линейка Green Power тоже стала первой в своём роде, и WD планирует в скором времени вернуться на корпоративный рынок.

Hitachi предлагает накопители для всех важных рынков, но компанию выдохлась на 1,8″ секторе. Deskstar является 3,5″ линейкой этого производителя, а Ultrastar представляет 3,5″ и 2,5″ винчестеры для серверов. Мобильные 2,5″ накопители продаются под названием Travelstar, а винчестеры для бытовой электроники – Cinemastar. Endurastar – 2,5″ линейка для сфер, где требуется более высокая надёжность. Hitachi и Seagate – две единственные компании, которые полностью производят все компоненты.

Samsung впечатляюще продвинулась вперёд, поскольку компания начала буквально с нуля, став растущим игроком рынка сразу после Hitachi. Компания начала с 3,5″ жёстких дисков и добавила затем 2,5″ модели в свой портфолио. В отличие от крупных игроков, Samsung фокусируется ещё и на 1,8″ и 1,3″ винчестерах. Все накопители называются Spinpoint, а суффикс определяет ту или иную линейку: F1 указывает на 3,5″ накопитель с ёмкостью до 1 терабайта, MP2 – производительная 2,5″ линейка для ноутбуков и т.д.

Fujitsu выдохлась на рынке 3,5″ настольных винчестеров несколько лет назад, и сегодня компания фокусирует своё внимание на 3,5″ и 2,5″ жёстких дисках для серверов, а также 2,5″ мобильных винчестерах. Компания довольно быстро выпускает новые мобильные жёсткие диски, но остерегается нишевых решений. Названия продуктов подчас бывают весьма загадочными.

Toshiba не предлагает 3,5″ винчестеров или серверных моделей. Этот японский производитель ограничивается выпуском 2,5″ и 1,8″ винчестеров.

Кто какие компоненты производит?

Нажмите на картинку для увеличения.

Не все производители жёстких дисков устроены одинаково. Некоторые производят все компоненты самостоятельно и контролируют всю цепочку производства. Другие производят только некоторые компоненты, а остальные заказывают у других поставщиков. Seagate производит всё самостоятельно. Fujitsu и WD практически тоже. Toshiba разрабатывает все компоненты, но заказывает их у других поставщиков. По нашей информации, Samsung планирует перейти на выпуск большего числа компонентов в цепочке.

Перспективы рынка

Hitachi берёт данные IDC для прогноза, но вы обнаружите схожие цифры и утверждения в различных источниках, поскольку многие достижения очевидны. По данным IDC, ежегодный рост составляет 10%. Это интересно, поскольку глобальный рынок жёстких дисков сам по себе так не растёт. Если IDC предполагает маленькую степень роста настольных и мобильных жёстких дисков, аналитики видят больше возможностей в сфере корпоративных накопителей, моделей для бытовой электроники, а также внешних накопителей, в частности. Если корпоративной сфере требуются специализированные продукты, сектора бытовой электроники и внешних накопителей очень хороши для вторичного использования существующих линеек, позволяя продавать больше накопителей.

Корпоративный сектор и накопители малого форм-фактора, в частности, испытывают самый сильный относительный рост – blade-сервера и высокоплотные вычислительные решения являются здесь основной движущей силой. Благодаря интерфейсам SATA и SAS, 2,5″ винчестеры корпоративного класса прекрасно подходят для высокоплотных хранилищ, обеспечивая высокую и эффективную производительность при средних ёмкостях.

Как насчёт твёрдотельных накопителей?

Нажмите на картинку для увеличения.

Hitachi не считает, что SSD-накопители получат существенную долю рынка раньше 2010 года. Существующее поколение SSD-накопителей способно заменить жёсткие диски только в high-end областях, например, в ноутбуках Apple Macbook Air или Lenovo X300.

Сегодня флэш-накопители атакуют рынок жёстких дисков как с самого топового сегмента, где присутствуют такие великолепные продукты, как 64-Гбайт 2,5″ Samsung SSD SATA-2, который обеспечивает более высокую производительность при намного меньшем энергопотреблении в сравнении с любым 2,5″ винчестером. Однако эта модель стоит очень дорого – около $1000 против $150 за 320-Гбайт винчестер, то есть стоимость в расчёте на гигабайт оказывается у SSD намного выше. Второй фронт – low-end, поскольку дешёвые нетбуки и другие недорогие компьютеры оснащаются от 8 до 32 Гбайт флэш-накопителями. В данном случае жёсткий диск за $60 всё ещё слишком дорог, и флэш-память обеспечивает менее дорогую альтернативу, пусть даже у подобных “бюджетных” версий страдает производительность.

У флэш-накопителей есть ещё один недостаток, который они вряд ли преодолеют в ближайшем будущем: ёмкости слишком маленькие для всех, кто использует ПК не только для Интернета. Мобильные жёсткие диски достигли ёмкости в 500 Гбайт, что почти в 8x раз больше, чем у среднего 64-Гбайт твёрдотельного накопителя. Хотя твёрдотельные накопители будут продолжать удваивать ёмкость быстрее, чем жёсткие диски, традиционные винчестеры тоже продолжат рост ёмкости, что можно видеть по следующим страницам. Это означает, что пользователи будут продолжать покупать жёсткие диски, чтобы удовлетворять свои растущие потребности по ёмкости. HD-фильмы, фотографии на 12 мегапикселей, архивы музыки, любимые телевизионные сериалы… всё это требует большоё ёмкости, которую флэш-накопители не способны обеспечить.

На данный момент флэш-накопители далеки до того, чтобы стать массовым продуктом. Хотя все крупные производители представили твёрдотельные накопители для массового рынка, большинство из них стоят в несколько раз дороже жёстких дисков со схожими ёмкостями, и ни один из твёрдотельных накопителей не даёт производительность намного быстрее, чем традиционный винчестер. Даже если твёрдотельные накопители были бы ближе к тому, чтобы стать массовым продуктом, они всё равно не смогли бы заменить старые добрые винчестеры по той причине, что объём производства флэш-памяти недостаточен, чтобы удовлетворить спрос.

Будущие ёмкости и улучшения технологии записи

Куда же движутся современные жёсткие диски? Мы представим вам несколько слайдов, которые мы посмотрели во время технологического семинара Hitachi GST несколько месяцев тому назад, поскольку они позволяют лучше обрисовать будущее.

Можно вполне предполагать, что все крупные производители жёстких дисков работают над одинаковыми или, по крайней мере, схожими технологиями, поскольку лидерство по ёмкости является ключевым для массового рынка, а лидерство по производительности является ключевым для, собственно, звания лидера, а значит и репутации. Производители, которые выпускают самые скоростные винчестеры, у всех на слуху, а производители, которые обеспечивают максимальную ёмкость на пластину, могут дать максимальную ёмкость жёстких дисков для массового рынка, использующих одну пластину. Последнее немаловажно и для сборщиков ноутбуков, поскольку такие винчестеры оказываются самыми популярными.

Плотность записи

Нажмите на картинку для увеличения.

Вполне очевидно, что плотность записи (измеряемая в мегабитах на квадратный дюйм) является ключевым фактором для повышения ёмкости пластины и винчестера. В последние годы рост ёмкости был весьма существенным, но для преодоления так называемого эффекта суперпарамагнетизма, при котором соседние магнитные элементы влияют друг на друга, потребовался переход на перпендикулярную магнитную запись, пусть и за счёт компромиссов по надёжности хранения данных. При перпендикулярной магнитной записи магнитные домены, хранящие состояния отдельных битов, располагаются не горизонтально, а вертикально. Все современные жёсткие диски используют технологию перпендикулярной магнитной записи (PMR), которая была необходима для преодоления 1-Тбайт барьера для 3,5″ винчестеров и достижения 500 Гбайт для 2,5″ мобильных накопителей. Сегодня плотность записи составляет 250 Гбит на квадратный дюйм, и мы находимся между третьим и четвёртым поколениями магнитной перпендикулярной записи, в зависимости от производителя и линейки жёстких дисков. Сама по себе PMR позволила увеличить плотность записи, по меньшей мере, на 100%.

До 50 Тбайт на 3,5″ винчестерах и до 12 Тбайт на 2,5″ накопителях

Нажмите на картинку для увеличения.

Hitachi утверждает, что на основе современных знаний, использование оптимизированной и улучшенной технологии перпендикулярной магнитной записи позволяет повысить плотность хранения данных в четыре раза. Ключевой фактор для данного улучшения – технология шаблонной записи (patterned media technology), которая поможет 2,5″ накопителям для ноутбуков достичь 1,5 Тбайт к началу следующего десятилетия и примерно 4 Тбайт к 2013 году. Настольные жёсткие диски к тому времени доберутся до 10 Тбайт. Следующий этап зависит от успеха и скорости внедрения шаблонной записи: запись при помощи температуры (thermally assisted recording) позволит выпускать 2,5″ винчестеры для ноутбуков ёмкостью в 10-12 Тбайт, а также уместить до 50 Тбайт на один 3,5″ настольный жёсткий диск. Однако ещё пройдёт немало лет, прежде чем мы всё это получим.

Шаблонная запись

Нажмите на картинку для увеличения.

Шаблонная запись понятна по своему названию: на пластину будет нанесён шаблон, определяющий точное расположение каждого бита. Шаблон можно представить как соты с ячейками, что позволит ещё сильнее уменьшить действие эффекта суперпарамагнетизма и убедиться, что хранимые биты не влияют друг на друга. Тогда плотность записи можно будет повышать без риска ухудшить надёжность хранения данных.

Hitachi утверждает, что один из поставщиков компании уже предлагает пластины для шаблонной записи, но, как считает компания, шаблонная запись не выйдет на массовый рынок раньше 2010 года. Впрочем, Hitachi уже разрабатывает эту технологию, она выйдет на рынок как только PMR исчерпает свои возможности.

Запись при помощи температуры

Нажмите на картинку для увеличения.

Хотя до записи при помощи температуры ещё не один год, все производители жёстких дисков подтверждают, что эта технология должна стать следующим существенным шагом; она вовлечёт использование альтернативных материалов для записи информации. Hitachi их не называет, но надёжное хранение магнитной информации останется очень важной проблемой.

Перпендикулярная магнитная запись изменила ориентацию магнитных доменов, чтобы они не влияли друг на друга. Шаблонная запись внедрит структуру хранения доменов, которая позволит приблизить их друг к другу, чтобы повысить плотность записи. Запись при помощи температуры будет использовать лазер, который будет повышать температуру участка, чтобы изменить его магнитные свойства. Операции чтения не потребуют нагрева лазером, и намагничивание должно сохраняться на довольно стабильном уровне, но точно прикладываемый нагрев будет использоваться для изменения информации.

Больше функций: контроль вибрации, регулировка высоты

Нажмите на картинку для увеличения.

Вполне понятно, что ширина так называемых дорожек – концентрических окружностей, на которые записываются данные – должна быть меньше для увеличения плотности хранения данных. Однако при этом очень важно контролировать вибрации, которые если и не приведут к повреждениям данных, могут повлиять на производительность, поскольку жёсткому диску придётся восстанавливать позиционирование головок каждый раз, чтобы они считывали правильную дорожку.

Нажмите на картинку для увеличения.

Это не проблема для настольных жёстких дисков, но корпоративные приложения, с десятками или сотнями жёстких дисков в одной стойке, могут существенно снижать производительность. Hitachi использует в своих продуктах технологию под названием Rotational Vibration Safeguard, предотвращающую эффекты вибрации. Два датчика на жёстком диске (см. иллюстрацию выше) определяют вибрацию и запускают калибровку привода под новые условия работы. Кроме того, жёсткие диски с повышенной надёжностью используют более широкие дорожки, с большим числом служебных дорожек, которые накопители используют для навигации по поверхности. Кстати, большая часть жёстких дисков для автомобилей именно так и разрабатывается.

Регулировка высоты подъёма головок

Нажмите на картинку для увеличения.

Нажмите на картинку для увеличения.

Регулировка высоты подъёма головки – ещё один важный инструмент для создания надёжных жёстких дисков, способных работать на разных высотах. Регулировка высоты выполняется добавлением нагреваемого элемента на переднем конце головки. Нагревание увеличивает объём воздушной подушки, что приводит к незначительному подъёму головок, они оказываются чуть выше прежнего уровня над магнитной поверхностью. Это позволяет создавать жёсткие диски, которые могут работать на высотах порядка 3 километров и больше (5 км для линейки Endurastar). Если данная функция не используется, то головки могут слишком сильно приблизиться к поверхности из-за уменьшения давления воздуха, вызвав падение головок на поверхность диска (head crash) и потерю данных. Номинальное расстояние между головками и поверхностью жёсткого диска составляет всего 12 нм – для сравнения, диаметр человеческого волоса примерно 40 000 нм.

Возвращение 3,5″ винчестеров на 5400 об/мин

Нажмите на картинку для увеличения.

Наконец, в 3,5″ сегменте рынка вновь появляются винчестеры на 5400 об/мин! Western Digital стал первым производителем, выпустив 3,5″ накопитель, который вращается на скорости “больше 5400 об/мин” по причинам эффективности: Caviar GP (Green Power) оказался одним из самых эффективных по энергопотреблению 3,5″ винчестеров.

Жёсткие диски на 5400 об/мин в один момент исчезли с рынка, поскольку модели со скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин обеспечивали намного более высокую производительность при минимальной разнице в цене. Поскольку технология с тех пор развивалась и дальше, современные жёсткие диски на 5400 об/мин нацеливаются на максимально тихую работу и производительность, достаточную для приложений бытовой электроники. Hitachi утверждает, что жёсткий диск на 5400 об/мин способен обеспечить 15-30% улучшение по энергопотреблению, а уровень шума вполне сравним с 2,5″ винчестерами, да и вибрация в два раза меньше.

Заключение

Данный обзор производителей, технологий жёстких дисков и будущих ёмкостей, будем надеяться, позволил вам лучше понять рынок жёстких дисков, который не такой интересный, как рынки процессоров или видеокарт, но всё равно проходит через последовательность перемен, а в них не мешает разобраться. Даже если жёсткие диски похожи друг на друга, перед нами продукт высоких технологий, который вряд ли когда-либо исчезнет, проиграв флэш-памяти или другим технологиям.

Флэш-память атакует рынок жёстких дисков и с high-end позиций (SLC-память), и с low-end, где флэш-накопители на 8-32 Гбайт (MLC-память) стоят дешевле, да и более эффективны по энергопотреблению, чем 1″ или похожие жёсткие диски (хотя, конечно, подобные накопители на флэш-памяти обычно уступают по производительности). Впрочем, в ближайшее время флэш-память не сможет удовлетворить требованиям по ёмкости или цене для большей части рынка накопителей.

Производители жёстких дисков планируют переход на шаблонную запись после того, как перпендикулярная магнитная запись достигнет пределов развития. С помощью записи при повышенной температуре Hitachi GST и другие производители планируют представить модели с ёмкостью до 50 Тбайт уже в первой половине следующего десятилетия. Впрочем, можно ожидать, что и перпендикулярная магнитная запись даст более высокие ёмкости, чем мы наблюдаем сегодня, причём даже без каких-либо дополнительных технологий.

Статьи по теме.

• “Тест SSD в серверах: RAID-массив из восьми твёрдотельных накопителей“
  В статье сравнивается восемь высокоскоростных SSD-накопителя Memoright c восемью винчестерами корпоративного класса Seagate Cheetah на 15 000 об/мин и восемью 2,5″ Seagate Savvio 10K.2 на 10 000 об/мин в различных окружениях RAID.
• “Тест 2,5″ жёстких дисков для ноутбука: теперь уже полтерабайта“
  Hitachi и Samsung схватились друг с другом, представив 2,5″ винчестеры с ёмкостью 500 Гбайт.
• “Тест настольных жёстких дисков от Western Digital и Hitachi с пониженным энергопотреблением“
  Если вы хотите купить эффективный по энергопотреблению жёсткий диск, который можно установить в домашний сервер, то продукты Hitachi и Western Digital могут стать лучшим вариантом, поскольку оба накопителя более экономичны, чем обычные 3,5″ модели на 7200 об/мин.
• “Western Digital VelociRaptor: жёсткий диск с рекордной скоростью“
  2,5″ жёсткий диск VelociRaptor – самый быстрый настольный жёсткий диск Serial ATA, который только можно купить, но и стоит он заметно дороже.