Discos rígidos e SSDs
De bancos online a mídia sociais e streaming, muito da experiência humana atual depende de uma infraestrutura digital sustentada por duas tecnologias de armazenamento: discos rígidos e unidades de estado sólido (SSDs). Embora para a pessoa comum essas tecnologias possam parecer ocultas por trás das experiências cotidianas, elas moldam a forma como os dados são armazenados, acessados e gerenciados. Entender seu desenvolvimento e diferenças revela não só como eles suportam a infraestrutura de hoje, mas também como podem atender às demandas do futuro.
Desde os primórdios dos mainframes e computadores pessoais até as cargas de trabalho geradas por IA atuais, as tecnologias de armazenamento evoluíram para atender às demandas dinâmicas. Conforme as necessidades digitais se expandiram, os discos rígidos e SSDs avançaram para desempenhar funções distintas e cruciais na infraestrutura moderna. Sua evolução reflete a constante adaptação da mídia de armazenamento para oferecer suporte a diversas aplicações e ambientes, fornecendo capacidade, desempenho, formatos e sustentabilidade para os crescentes requisitos de dados do mundo.
Os discos rígidos e SSDs oferecem suporte à infraestrutura digital do mundo há décadas e continuarão a coexistir.
A linha do tempo acima mostra como as tecnologias de armazenamento evoluíram para atender às demandas dinâmicas.
Ao longo das décadas de 1950 a 1980, discos rígidos usando gravação magnética longitudinal (LMR) possibilitaram os mainframes, que foram os burros de carga da computação inicial, oferecendo suporte a uma série de tarefas empresariais e científicas. Na década de 1980, os discos rígidos baseados em LMR continuaram a desempenhar um papel fundamental no avanço da capacidade computacional. Esses primeiros sistemas representavam a computação centralizada, na qual o processamento de dados era concentrado dentro de servidores mainframe com armazenamento em massa e, geralmente, acessado por meio de terminais clientes com pouco ou nenhum armazenamento.
Nas décadas de 1980 e 1990, os computadores pessoais, incluindo laptops, passaram a ser de uso geral, dependendo exclusivamente dos discos rígidos para fornecer capacidade e preço acessível para as tarefas do dia a dia. A Seagate inventou os primeiros discos rígidos para PC nessa era, usando LMR para alcançar a capacidade revolucionária de 5 MB em um formato de 5,25 polegadas. Com esses discos, os usuários podiam armazenar sistemas operacionais, aplicativos e grandes volumes de arquivos localmente, alimentando o rápido crescimento do mercado de PC. Esse período marcou uma mudança em direção à computação descentralizada, com os PCs possibilitando o processamento de dados em endpoints locais, em vez de em sistemas centrais. Os discos rígidos continuaram sendo a mídia de armazenamento de PC dominante durante boa parte da década de 2000, oferecendo uma solução econômica para o uso crescente de desktops e laptops.
No final da década de 1990 e início da década de 2000, à medida que a demanda do consumidor por computação mais portátil aumentou, os laptops ficaram cada vez mais populares. Durante esse período, surgiram os SSDs, que utilizam memória flash NAND, uma tecnologia que armazena dados na forma de cargas elétricas dentro de células de semicondutor. Lançada comercialmente em 1987, a primeira versão usava NAND 2D, que armazena dados em uma única camada de células. Dentro dessa estrutura, a flash célula de nível único (SLC) era usada para armazenar um bit de dados por célula, atendendo à demanda por velocidade e capacidade de resposta dos dispositivos de consumo. À medida que os notebooks evoluíram ainda mais no início da década de 2000, as prioridades mudaram para designs mais finos com duração de bateria mais longa. Os SSDs facilitaram esses avanços ao reduzir o consumo de energia e, ao mesmo tempo, possibilitar velocidades de leitura e gravação rápidas por meio de acesso direto e aleatório a dados, tornando-os especialmente eficazes para acelerar os tempos de inicialização de SO e aprimorar a experiência de uso. Os SSDs também introduziram formatos significativamente mais finos (por exemplo, mSATA, M.2 e U.2), contribuindo para o design mais fino e leve dos notebooks modernos. Esses formatos substituíram os discos rígidos mais volumosos de 2,5 polegadas e 3,5 polegadas em notebooks, possibilitando perfis de dispositivo mais dinâmicos.
Em meados da década de 2000, o armazenamento de dados havia se transformado novamente. Em 2005, os discos rígidos começaram a usar gravação magnética perpendicular (PMR), o que aumentou significativamente a densidade de dados e possibilitou capacidades de armazenamento mais altas a custos mais baixos. Diferentemente do LMR, que alinhava os bits magnéticos horizontalmente no prato, o PMR posiciona os bits verticalmente, permitindo um empacotamento mais fino e maior estabilidade. Essa abordagem superou o limite superparamagnético — um fenômeno no qual bits magnéticos ficam instáveis e propensos à perda de dados quando instalados muito próximos uns dos outros. Ao orientar os bits magnéticos perpendicularmente, o PMR superou esse limite, possibilitando o armazenamento de dados confiável a densidades muito mais altas. A densidade de dados aumentada da PMR forneceu a base necessária para oferecer suporte às demandas de armazenamento massivo que surgiram nos data centers durante a década de 2010. Esse desenvolvimento foi especialmente importante nos data centers, que assumiram a maior parte do peso de gerenciar volumes explosivos de dados.
Do final da década de 2000 até a década de 2010, a proliferação de telefones celulares, computação em nuvem, as velocidades crescentes da internet e a expansão da conectividade 4G, que impulsionaram os aplicativos móveis com volume intenso de dados que impulsionaram ainda mais a demanda por armazenamento baseado em nuvem, geraram uma mudança social e tecnológica gigantesca. O processamento e armazenamento de dados passaram de dispositivos locais para data centers em nuvem centralizados, que começaram a servir como hubs primários para gerenciar e armazenar dados gerados por dispositivos móveis e IoT. Os data centers de grande escala ganharam proeminência à medida que os aplicativos e dados eram migrados para a nuvem. Essa transição acelerou na década de 2010, quando a adoção da nuvem corporativa disparou devido às eficiências de custo e ao potencial de inovação do armazenamento centralizado. Grande parte do armazenamento de capacidade massiva, suportado por discos rígidos com maior densidade de dados possibilitado pela tecnologia PMR, começou a ser transferido para a infraestrutura de nuvem, que passou a ser um repositório central para o gerenciamento remoto de crescentes volumes de dados. Embora os telefones celulares armazenassem dados localmente em flash NAND integrada, muito do conteúdo que eles geravam era carregado na nuvem — data centers regionais baseados principalmente em discos rígidos que suportavam o armazenamento eficiente de dados em grande escala. Da mesma forma, os notebooks modernos pararam de usar discos rígidos locais como armazenamento primário. Em vez disso, começaram a armazenar e fazer backup de dados por meio de sistemas baseados em nuvem, que lidam com a maior parte do gerenciamento e compartilhamento de arquivos. Essa mudança representou um retorno a uma centralização no gerenciamento de dados, visto que a infraestrutura de nuvem atendeu à necessidade de gerenciar volumes explosivos de dados em grande escala.
Enquanto isso, inovações em SSD, como NAND de célula multinível (MLC) e célula de nível triplo (TLC), aumentaram a capacidade e o desempenho em dispositivos compactos e ambientes corporativos que precisavam de recuperação rápida de dados. Lançada em 2013, a NAND 3D marcou um importante avanço ao empilhar células de memória verticalmente para aumentar a densidade e reduzir os custos por bit. Essa inovação permitiu que os SSDs expandissem ainda mais a capacidade e alcançassem uma maior resistência. Além disso, os SSDs M.2, que apareceram no início da década de 2010, ofereciam um design mais flexível e com uso eficiente de espaço em comparação com os SSDs SATA tradicionais, contribuindo para reduzir ainda mais a espessura e o peso do notebook. Mais ou menos na mesma época, os discos rígidos expandiram ainda mais suas capacidades com a SMR (shingled magnetic recording, gravação magnética em setores sobrepostos), introduzida em 2013, uma abordagem de formatação baseada na PMR que cria camadas de trilhas de dados sobrepostas para maximizar a densidade de armazenamento.
Em 2024, a PMR havia atingido seus limites físicos; não era mais possível aumentar a densidade de área aproximando os bits magnéticos sem deixar os dados instáveis. A gravação magnética assistida por calor (HAMR) superou esse problema usando um novo tipo de mídia magnética que mantém os grãos estáveis mesmo quando eles ficam menores e mais densamente alocados. Isso é obtido aquecendo-se rapidamente a superfície do disco com um pequeno laser, para que a cabeça de gravação grave bits de dados em densidades mais altas. Esse avanço tecnológico representou uma enorme mudança no setor de armazenamento, possibilitando densidades de bit de 5 TB por prato ou 50 TB por disco rígido.
Hoje, os discos rígidos mais avançados usam a plataforma de tecnologia Seagate Mozaic 3+™ para implementar a HAMR e proporcionar ganhos em densidade de área sem precedentes, enquanto os SSDs usam NAND de célula quad-level (QLC). Esses avanços direcionaram cada tecnologia para diferentes funções. Os discos rígidos são essenciais para a nuvem massiva, a borda e data centers corporativos, onde armazenam e protegem economicamente volumes enormes de dados para possibilitar, entre outras cargas de trabalho, o treinamento de modelos de IA. Os SSDs são cruciais nas aplicações de alto desempenho nesses data centers e fornecem um armazenamento local vital para dispositivos de consumo.
Esses ambientes continuam a gerar o panorama do armazenamento.
Os discos rígidos e SSDs assumem funções únicas nos casos de uso de armazenamento devido às suas abordagens tecnológicas fundamentalmente diferentes à leitura e à gravação de dados.
Os SSDs são baseados na memória flash NAND, onde os dados são armazenados como cargas elétricas dentro de células de semicondutor. Os avanços em pesquisa, desenvolvimento e fabricação aumentaram as densidades de bit com o encolhimento dos tamanhos de célula e a adição de camadas verticais. Os SSDs oferecem desempenho incrivelmente rápido, o que é ideal para aplicações que exigem acesso rápido e baixa latência.
Mas os SSDs têm desvantagens. Os dados são gravados e regravados usando ciclos de apagamento de programa que, com o tempo, desgastam as células NAND. Essa degradação gradual afeta a resistência do SSD, principalmente em ambientes com volume intenso de gravação. Técnicas como nivelamento de desgaste e sobreprovisionamento foram desenvolvidas para estender a vida útil dos SSDs, mas essas medidas podem introduzir perdas de eficiência.
Os discos rígidos dependem de uma engenharia mecânica intricada para armazenar e recuperar dados. No núcleo de cada disco estão pratos de rotação rápida, que são revestidos com um material magnético. Esses pratos giram a altas velocidades, possibilitando que os dados sejam gravados e lidos com eficiência. Os dados são gravados nas superfícies dos prato usando cabeças magnéticas, que são instaladas em um braço atuador móvel. Esse braço se move com precisão em nanoescala, posicionando as cabeças para gravar e ler dados em trilhas específicas nos pratos.
Diferentemente dos SSDs, que dependem de cargas elétricas, os discos rígidos usam gravação magnética, que não se degrada com gravações repetidas, garantindo durabilidade de longo prazo. As partes móveis introduzem alguma latência física, mas o design é altamente confiável. A gravação magnética também retém dados sem os problemas de desgaste associados às células NAND, tornando os discos rígidos ideais para o armazenamento de dados em grande escala que prioriza a capacidade sobre a velocidade.
Com essas distinções, não é surpresa alguma que os data centers modernos costumam usar as duas tecnologias. Os SSDs lidam com tarefas que exigem acesso aleatório rápido, enquanto os discos rígidos armazenam grandes quantidades de dados de forma econômica. Elas formam um par harmonioso que atende às diversas necessidades do mundo atual impulsionado por dados.
A maioria dos data centers usa as duas tecnologias em conjunto, com cada uma aproveitando seus pontos fortes. Embora sejam mais caros do que os discos rígidos, os SSDs fornecem o desempenho de baixa latência essencial para casos de uso específicos de alta demanda. Eles podem ser a escolha preferencial para aplicações que exigem tempos de resposta rápidos, como comércio de alta frequência, análise em tempo real e streaming de conteúdo.
Em comparação, os discos rígidos se superam no armazenamento de dados em grande escala, impulsionado pelo rápido crescimento da computação em nuvem em exabytes. Nos maiores data centers do mundo, os discos rígidos armazenam quase 90% dos dados devido à sua eficiência de custos, escalabilidade e sustentabilidade incomparáveis. As inovações da Seagate em densidade de área conferiram aos discos rígidos uma vantagem de 6:1 de custo por TB, o que é crucial para as organizações focadas em gerenciar os custos de aquisição e o custo total de propriedade (TCO).
Ao usar SSDs para aplicações que exigem desempenho crucial e discos rígidos para grandes volumes de dados menos sensíveis ao tempo, os data centers podem otimizar de modo eficaz seu custo e desempenho. Essa combinação fornece uma solução flexível e econômica.
A grande maioria dos dados corporativos está associada a cargas de trabalho de uso geral que priorizam a capacidade sobre a velocidade: análise, serviços de arquivo, backup e armazenamento de objetos. Os discos rígidos, com sua vantagem de custo por TB e durabilidade, são ideais para essas cargas de trabalho. Os casos de uso que exigem acesso rápido a dados e baixa latência, como simulações de ciências e finanças, renderização de gráficos em tempo real e bancos de dados transacionais, precisam de uma proporção significativamente menor de dados corporativos. O flash se supera nesses cenários mais especializados de alto desempenho. A otimização do TCO para implementações de grande escala depende do alinhamento da mídia de armazenamento certa com requisitos específicos de carga de trabalho.
Para provedores de nuvem e empresas, controlar CapEx é uma prioridade constante durante a expansão. Os discos rígidos oferecem uma solução econômica, com custos de aquisição significativamente mais baixos em comparação com os SSDs. Isso os torna ideais para implementações de grande escala nas quais a capacidade é a principal necessidade. Os discos rígidos também proporcionam um TCO melhor, pois sua vantagem de custo por TB permite que as organizações expandam a capacidade de forma econômica, minimizando as despesas operacionais de longo prazo. Além de oferecer os benefícios de TCO, a eficiência de fabricação exclusiva do setor de disco rígido — até nove vezes mais eficiente em CapEx do que a produção de NAND — permite produzir muito mais exabytes a uma fração do investimento de capital exigido pelo setor de NAND. Essa eficiência é crucial para ajudar os data centers a atender às demandas de armazenamento massivo de forma econômica e confiável, oferecendo suporte ao crescimento contínuo da nuvem, da borda e dos data centers corporativos. Como resultado, com os discos rígidos, os data centers podem otimizar seus orçamentos de CapEx sem comprometer a escala ou a sustentabilidade da sua infraestrutura. Essa vantagem é especialmente relevante para empresas que precisam equilibrar crescimento com restrições orçamentárias, visto que os discos rígidos podem fornecer armazenamento massivo escalável sem os custos proibitivos associados aos SSDs.
Essa eficiência de CapEx garante uma cadeia de suprimento mais consistente. Ao aproveitar as linhas de produção estabelecidas e economias de escala, os fabricantes podem produzir volumes maiores de discos rígidos a custos mais baixos, oferecendo a enorme capacidade de que os data centers precisam para lidar com o crescimento explosivo de dados. Essa escalabilidade é crucial para as empresas que precisam expandir o armazenamento ao mesmo tempo em que gerenciam custos, tornando os discos rígidos centrais para estratégias de dados imediatas e de longo prazo.
A sustentabilidade também tem um papel importante, visto que os data centers consomem uma parte substancial da energia global e contribuem com as emissões de carbono. Os discos rígidos ajudam a mitigar esses impactos consumindo 75% menos energia operacional por terabyte do que os SSDs e gerando um décimo do carbono incorporado. O consumo de energia mais baixo reduz diretamente as despesas operacionais e o impacto ambiental, enquanto a redução de carbono incorporado está de acordo com as metas de sustentabilidade de longo prazo.
Os discos rígidos e SSDs continuam a trazer pontos fortes para diferentes ambientes de armazenamento, desde data centers em nuvem massivos a dispositivos pessoais compactos. Suas tecnologias contrastantes determinam como eles lidam com a capacidade, o desempenho e a durabilidade, tornando-os mais adequados para casos de uso e aplicações específicas. A tabela abaixo destaca esses principais atributos, ilustrando como e onde cada tecnologia se sobressai.
Discos rígidos | SSDs | |||||
Tecnologia de gravação | Grava dados magneticamente em discos giratórios | Grava dados eletronicamente em células de memória em placas de circuito | ||||
Caso de uso principal | Data centers de borda e nuvem de grande escala | Data centers e dispositivos endpoint/clientes na borda (incluindo PCs, notebooks, tablets e telefones) | ||||
Cargas de trabalho primárias | Análise, serviços de arquivos, armazenamento de objetos Gerenciamento de documentos, hospedagem na Web, retenção de IA, armazenamento secundário, arquivamento ativo, backup e proteção de dados | Comércio eletrônico, VDI, jogos, CRM/ERP/CMS, banco de dados, treinamento de IA/ML, renderização gráfica em tempo real, finanças e simulações científicas [adicionar casos de uso de borda/endpoint] | ||||
Caso de uso: requisito de transferência de dados | Transferência de dados | Tempo real e ultra-real | ||||
Ambiente de armazenamento | Nuvem (data center grande) | Borda (corporativa pequena) | Endpoint (PC/notebook, tablet, telefone) | Nuvem (data center grande) | Borda (corporativa pequena) | Endpoint (PC/notebook, tablet, telefone) |
Escala | Exabyte | Petabyte-Terabyte | Terabyte | >500 TB Petabyte | 50-500 TB Terabyte | 2-50 TB Terabyte |
Exemplo de casos de uso | Armazenamento S3, análise, proteção de dados | Serviços de arquivo, arquivamento ativo, proteção de dados | Backup | Simulações de comércio eletrônico, finanças e ciências | Banco de dados, renderização gráfica em tempo real | Jogos eletrônicos |
Armazenamento massivo | +++ | +/- | --- | +/- | +/- | +++ |
Custo total de propriedade | +++ | +++ | +/- | --- | +/- | +++ |
Escalabilidade | +++ | +++ | --- | --- | +/- | +++ |
Desempenho | +++ | +/- | --- | +++ | +++ | +++ |
Resistência e durabilidade de dados | +++ | +++ | N/A | --- | +/- | +++ |
Sustentabilidade (impacto do ciclo de vida) | +++ | +++ | +++ | --- | --- | --- |
Consumo de energia | +++ | +/- | --- | --- | +/- | +++ |
$/TB | +++ | +++ | --- | --- | -/+ | +++ |
+++ = escolha preferencial de produto
+/- = escolha de produto dependendo do caso de uso e capacidade
--- = não é uma escolha de produto preferencial ou caso de uso
Desempenho = leitura/gravação e IOPS combinados.
*Análise da Seagate da IDC Worldwide Global StorageSphere Forecast 2024-2028; Junho de 2024, IDC #US52312824.
Os discos rígidos e unidades de estado sólido são tecnologias de armazenamento essenciais com abordagens fundamentalmente diferentes para a leitura e gravação de dados. Os SSDs oferecem desempenho de alta velocidade e baixa latência, tornando-os ideais para aplicações que exigem acesso a dados e processamento rápidos. Ao combinar boa relação custo-benefício, alta densidade de área e sustentabilidade, os discos rígidos permitem que as empresas atendam às necessidades de dados atuais e ao crescimento futuro de forma sustentável, fornecendo um equilíbrio que os SSDs não podem alcançar quando chegam aos mesmos níveis.