机械硬盘与固态硬盘
从网上银行到社交介质和流媒体,当今的大部分生活体验都依赖于数字基础设施,而这种数字基础设施由两种存储技术提供支持——机械硬盘与固态硬盘 (SSD)。虽然对普通人来说,这些技术可能在日常生活中难以察觉,但它们却实实在在地影响着数据的存储、访问及管理方式。了解它们的发展和差异,不仅可以了解它们如何支持当前的基础设施,还可揭示它们如何满足未来的存储需求。
从早期的大型机和个人电脑,到如今的人工智能驱动型工作负荷,存储技术不断发展,以满足不断变化的需求。随着数字需求的扩展,机械硬盘与固态硬盘正在现代基础架构中发挥着截然不同的关键作用。这两种硬盘的演进反映了存储介质在不断发展,以支持不同的应用场景和环境,在容量、性能、外形及可持续性方面,满足全球不断增长的数据存储需求。
几十年来,机械硬盘与固态硬盘一直为全球数字基础设施提供支持,并将继续共存。
上面的时间表显示了存储技术如何不断发展以满足不断变化的需求。
在整个 20 世纪 50 年代到 80 年代,采用纵向磁记录 (LMR) 技术的硬盘为早期计算机的主力——大型机提供了支持,助力其执行各类商业和科学任务。到 1980 年代,基于 LMR 的硬盘在提高计算容量方面继续发挥着关键作用。这些早期系统代表了集中式计算,数据处理主要依赖于具备大容量存储的大型机服务器,而客户端终端通常存储容量极小,甚至不具备存储功能。
在 1980 年代和 1990 年代,个人计算机(包括笔记本电脑)逐渐普及,并完全依赖机械硬盘来提供存储容量和经济性,以满足日常需求。在这一时期,Seagate 发明了首款用于个人计算机的机械硬盘,采用纵向磁记录 (LMR) 技术,在 5.25 英寸规格下实现了突破性的 5MB 存储容量。基于这些机械硬盘,用户能够在本地存储操作系统、应用程序及大量文件,推动了个人计算机市场的快速增长。这一时期标志着计算模式向去中心化转变,个人计算机使数据处理从中央系统转向本地终端。机械硬盘作为个人计算机的主要存储介质一直延续到 2000 年代,在桌面和笔记本电脑市场中提供了经济高效的存储解决方案。
在 1990 年代末和 2000 年代初,随着消费者对更加便携的计算需求的增长,笔记本电脑变得越来越流行。在这一时期,采用 NAND 闪存技术的固态硬盘 (SSD) 开始出现。NAND 闪存是一种通过半导体单元内的电荷存储数据的技术。1987 年,首款商用 SSD 面世,其第一代产品采用 2D NAND 技术,即在单层存储单元中存储数据。在这一架构下,单层单元 (SLC) 闪存用于每个存储单元存储 1 位数据,以满足消费者设备对高速响应和高性能的需求。随着笔记本电脑在 2000 年代初期进一步发展,设计重点逐渐转向更轻薄的外形和更长的电池续航。SSD 通过降低功耗并提供更快的读写速度推动了这一变革。由于 SSD 采用直接随机访问数据的方式,大幅加快了操作系统的启动速度,并提升了应用程序的运行体验。此外,SSD 还引入了更纤薄的外形规格(如 mSATA、M.2 和 U.2),推动了现代笔记本电脑向更轻薄、更便携的方向发展。这些新规格逐步取代了笔记本电脑中体积较大的 2.5 英寸和 3.5 英寸机械硬盘,使设备设计更加简约流畅。
到 2000 年代中期,数据存储再次实现转型。在 2005 年,机械硬盘开始采用垂直磁记录 (PMR) 技术,这显着提高了数据密度并以更低的成本实现了更高的存储容量。与纵向磁记录 (LMR) 将磁性数位水平排列在磁盘上不同,垂直磁记录 (PMR) 采用垂直排列数位的方式,从而实现了更紧密的存储布局,并提升了数据稳定性。这一方法解决了超顺磁极限问题——当磁性数位被过度压缩时,会变得不稳定,容易导致数据丢失。通过垂直排列磁性数位,PMR 克服了这一限制,使机械硬盘能够以更高的存储密度可靠地存储数据。PMR 提供的更高数据密度为 2010 年代数据中心激增的存储需求奠定了基础。这一技术突破对于数据中心尤为重要,因为它们承担了管理海量数据的核心任务。
2000 年代末到 2010 年代,手机的普及、云计算的发展、互联网速度的提升以及4G 连接的兴起推动了数据密集型移动应用的增长,进一步加大了对云存储的需求,带来了巨大的社会和技术变革。数据处理和存储从本地设备转向集中式云数据中心,这些数据中心逐渐成为管理和存储移动设备与物联网 (IoT) 设备生成数据的核心枢纽。随着应用程序和数据向云端迁移,大规模数据中心的重要性日益凸显。这一转型在 2010 年代 加速推进,企业大规模采用云计算,原因在于集中式存储带来的成本效益和创新潜力。得益于 PMR 技术提高了数据密度,机械硬盘得以支持大容量存储,而后这种大容量存储逐步向云基础设施迁移,云端成为远程管理日益增长的数据量的核心存储库。虽然手机在本地使用嵌入式 NAND 闪存存储数据,但其生成的大量内容都会被上传至云端,而这些区域性数据中心主要依赖机械硬盘,以实现高效的大规模数据存储。同样,现代笔记本电脑也不再使用本地硬盘作为主要存储介质,而是依赖云端系统进行数据存储和备份,由云端负责大部分文件管理与共享。这一转变在数据管理上渲染出一定的再集中化趋势,因为云基础设施有效应对了海量数据规模化管理的需求。
与此同时,像多层单元 (MLC) 和三层单元 (TLC) NAND 等 SSD 创新,增加了需要快速数据检索的紧凑型设备和企业环境的容量和性能。2013 年发布的 3D NAND 通过将存储单元垂直堆叠,进而增加密度并降低每个数位的成本,标志着技术的重大进步。这一创新使 SSD 能够进一步扩展容量并实现更好的耐用性。此外,M.2 SSD 在 2010 年代初期问世,相较于传统的 SATA SSD,其提供了更灵活、更节省空间的设计,进一步推动了笔记本电脑厚度和重量的减小。大约在同一时期,机械硬盘通过叠瓦磁记录 (SMR) 技术进一步提升了容量,该技术于 2013 年推出,是基于 PMR 技术 的一种格式化方法,通过创建重叠的数据轨道(如同屋顶瓦片一样),以最大化存储密度。
2024 年,PMR 已经达到了其物理极限;它无法通过将磁性数位进一步压缩来提高面密度,因为这样会使数据变得不稳定。热辅助磁记录 (HAMR) 通过使用一种新型的磁性介质解决了这一问题,即使在磁性颗粒变得更小、更密集时,仍能保持颗粒的稳定性。这一技术通过使用微型激光短暂加热磁盘表面,使记录磁头能够在更高的密度下写入数据数位,从而实现了这一突破。这一技术进展代表了存储行业的巨大变革,使得每块磁盘的数位密度达到了 5TB,整个机械硬盘的存储容量可达到 50TB。
如今,先进的机械硬盘采用 Seagate Mozaic 3+™ (魔彩盒3+) 技术平台,部署 HAMR 技术,以实现前所未有的面密度提升,同时固态硬盘 (SSD) 则利用四层单元 (QLC) NAND 闪存技术。这些进步使每项技术发挥了不同的作用。机械硬盘在大规模云计算、边缘计算和企业数据中心中占据核心地位,它们以经济的方式存储和保护海量数据,从而支持包括 AI 模型训练在内的各种工作负载。固态硬盘 (SSD) 则在这些数据中心中用于高性能应用,并为消费者设备提供至关重要的本地存储。
这些环境持续推动着存储领域的发展。
机械硬盘和 SSD 在存储应用中各自扮演着独特的角色,因为它们在数据读写技术上有着根本不同。
SSD 基于 NAND 闪存技术,数据以电荷的形式存储在半导体单元中。在研究、开发和制造方面的进步,已经通过缩小单元尺寸和增加垂直层数来提高数位密度。SSD 提供超快的性能,适用于需要快速访问和低延迟的应用场景 。
然而,固态硬盘也存在缺点。数据在写入和重写时通过程序擦除周期进行,这会随着时间推移磨损 NAND 单元。这种逐渐的退化影响了 SSD 的耐用性,尤其是在写入密集型环境中。像磨损均衡和预留空间等技术已被开发出来,用于延长 SSD 的使用寿命,但这些措施可能会引入效率损失。
机械硬盘依赖复杂的机械工程来存储和检索数据。每个机械硬盘的核心是快速旋转的磁盘,这些磁盘表面涂有磁性材料。这些磁盘以高速旋转,从而实现高效的数据写入和读取。数据通过磁头记录在磁盘表面,这些磁头安装在一个移动的磁臂上。该磁臂以纳米级精度移动,定位磁头以在磁盘的特定轨道上写入和读取数据。
与依赖电子电荷的 SSD 不同,机械硬盘使用磁记录技术,这种技术不会因反复写入而退化,确保了长期的耐用性。尽管机械硬盘的移动部件引入了一定的物理延迟,但其设计非常可靠。磁记录还能够保留数据,而不受 NAND 单元相关磨损问题的影响,使得机械硬盘非常适合用于优先考虑容量而非速度的大规模数据存储。
基于这些差异,现代数据中心同时使用这两种技术并不令人惊讶。SSD 可处理需要快速、随机访问的任务,而机械硬盘则以较低的成本存储海量数据。两种硬盘形成了一个和谐的组合,满足了当今数据驱动型世界的多样化需求。
大多数数据中心同时使用这两种技术,各自发挥其优势。虽然 SSD比机械硬盘更昂贵,但可提供低延迟性能,这对于特定的高需求应用至关重要。对于需要快速响应时间的应用,SSD 可能是首选,例如高频交易、实时分析和内容流媒体等。
相比之下,机械硬盘在大规模数据存储方面表现出色,这得益于云计算在 EB 级别的快速增长。在全球最大的数据中心中,由于机械硬盘在成本效益、可扩展性和可持续性方面的卓越优势,机械硬盘存储了近 90% 的数据。Seagate 在面密度方面的创新,使得机械硬盘在每 TB 成本上具有 6:1 的优势,这对于专注于管理采购成本和总拥有成本 (TCO) 的组织至关重要。
通过将 SSD 用于处理对性能要求较高的应用,而使用机械硬盘存储大量对时间要求不那么严格的数据,数据中心能够有效地在成本和性能之间进行优化。这种组合提供了灵活且经济的解决方案。
绝大多数企业数据与以容量优先于速度的通用工作负载相关,例如分析、文件服务、备份和对象存储。机械硬盘凭借其每 TB 成本优势和耐用性,特别适合处理这些工作负载。需要快速数据访问和低延迟的应用场景——如金融和科学仿真、实时图形渲染以及事务数据库——只占企业数据的较小比例。闪存在这些更为专业和高性能的场景中表现出色。对大规模部署进行 TCO(总拥有成本)优化,依赖于将合适的存储介质与特定的工作负载需求对接。
对于云服务提供商和企业来说,控制资本支出始终是扩展规模时的首要任务。机械硬盘提供了一种成本效益高的解决方案,相比 SSD,其获取成本显著较低。这使得机械硬盘成为大规模部署的理想选择,特别是在容量为主要需求的情况下。机械硬盘还提供更好的 TCO(总拥有成本),其每 TB 成本优势使得企业能够以更低的成本扩展容量,同时最小化长期运营支出。除了提供 TCO 优势外,机械硬盘行业独特的制造效率——其资本支出效率是 NAND 生产的九倍——使其能够以 NAND 行业所需资本投资的一小部分,生产出更多的 EB 级数据容量。这种效率在帮助数据中心以负担得起且可靠的方式满足海量存储需求方面至关重要,支持着云计算、边缘计算和企业数据中心的持续增长。因此,机械硬盘使数据中心能够优化资本支出预算,同时不影响基础设施的规模或可持续性。这一优势对于那些必须在增长与预算限制之间取得平衡的企业尤其重要,因为机械硬盘可以提供可扩展的大规模存储,而无需承受 SSD 所带来的高昂成本。
这种资本支出效率确保了更稳定的供应链。通过利用成熟的生产线和规模经济,制造商可以以更低的成本生产更多的机械硬盘,提供数据中心所需的大容量存储,以应对爆炸式的数据增长。这种可扩展性对于需要在管理成本的同时扩展存储的企业至关重要,使得机械硬盘成为短期和长期数据战略中的核心。
可持续性在这里也发挥着重要作用,因为数据中心消耗了全球大量的电力,并且对碳排放产生影响。与 SSD 相比,固态硬盘的每 TB 运行功耗降低 75%,隐含碳排放仅为十分之一。较低的功率消耗直接降低了运营开支和环境影响,而减少的隐含碳排放也与长期的可持续发展目标一致。
机械硬盘和 SSD 继续为不同的存储环境带来独特的优势,从庞大的云数据中心到紧凑的个人设备,不一而足。不同的技术决定了各自如何处理容量、性能和耐用性,因而更适合特定的使用场景。下表突出展示了这些关键属性,说明了每种技术的优点及适用场景。
机械硬盘 | SSD | |||||
记录技术 | 磁性写入数据到旋转磁盘 | 电子写入数据到电路板上的存储单元 | ||||
主要使用场景 | 大规模云数据中心和边缘数据中心 | 边缘数据中心和终端/客户端设备(包括 PC、笔记本、平板、手机) | ||||
主要工作负载 | 分析、文件服务、对象存储 文档管理、网页托管、AI 保留、辅助存储、活跃归档、备份和数据保护 | 电子商务、虚拟桌面基础架构 (VDI)、游戏、客户关系管理 (CRM)/企业资源计划 (ERP)/内容管理系统 (CMS)、数据库、AI/ML 训练、实时图形渲染、金融和科学模拟 [添加边缘/终端使用场景] | ||||
使用场景数据传输要求 | 名义时间 | 实时和超实时 | ||||
存储环境 | 云端 (大型数据中心) | 边缘 (小型企业) | 终端 (PC/笔记本电脑、平板电脑、手机) | 云端 (大型数据中心) | 边缘 (小型企业) | 终端 (PC/笔记本电脑、平板电脑、手机) |
可扩展性 | EB | PB-TB | TB | >500TB | 50-500 TB | 2-50 TB |
使用场景示例 | S3 存储、分析、数据保护 | 文件服务、活动存档、数据保护 | 备份 | 电子商务、金融和科学模拟 | 数据库、实时图形渲染 | 游戏 |
超大存储容量 | +++ | +/- | --- | +/- | +/- | +++ |
总拥有成本 | +++ | +++ | +/- | --- | +/- | +++ |
可扩展性 | +++ | +++ | --- | --- | +/- | +++ |
性能 | +++ | +/- | --- | +++ | +++ | +++ |
数据耐用性和持久性 | +++ | +++ | 不适用 | --- | +/- | +++ |
可持续性(生命周期影响) | +++ | +++ | +++ | --- | --- | --- |
功耗 | +++ | +/- | --- | --- | +/- | +++ |
$/TB | +++ | +++ | --- | --- | -/+ | +++ |
+++ = 首选产品
+/- = 产品选择取决于使用场景和容量需求
--- = 非首选产品或使用场景
性能 = 读写性能与 IOPS 的组合。
*Seagate 分析,IDC Worldwide Global StorageSphere Forecast 2024-2028,2024 年 6 月,IDC #US52312824。
机械硬盘和固态硬盘是两种至关重要的存储技术,在读取和写入数据的方式上有着根本的不同。固态硬盘提供高速、低延迟的性能,特别适用于需要快速数据访问和快速处理的应用场景。通过结合成本效益、高面密度和可持续性,机械硬盘使企业能够在可持续的基础上满足当前的数据需求和未来的增长,提供了固态硬盘在同等规模下无法实现的平衡。