Harde schijven en SSD's
Van online bankieren tot social media en streaming, de huidige menselijke ervaring is grotendeels afhankelijk van een digitale opslaginfrastructuur die steunt op twee opslagtechnologieën: harde schijven en solid-state-schijven (SSD's). Hoewel de gemiddelde persoon bij zijn alledaagse ervaringen haast niets lijkt te merken van die technologieën, bepalen ze wel degelijk hoe gegevens worden opgeslagen, gebruikt en beheerd. Inzicht in hun ontwikkeling en verschillen laat niet alleen zien hoe ze de infrastructuur van vandaag ondersteunen, maar ook hoe ze aan de vereisten van morgen kunnen voldoen.
Van de begindagen van mainframes en personal computers tot de huidige AI-aangestuurde werkbelasting, opslagtechnologieën zijn geëvolueerd om aan de veranderende vereisten te voldoen. Naarmate de digitale behoeften zijn toegenomen, hebben zowel harde schijven als SSD's een duidelijke en cruciale rol gespeeld in de moderne infrastructuur. Hun evolutie weerspiegelt de voortdurende aanpassing van de opslagcapaciteit, prestaties, vormfactoren en duurzaamheid van opslagmedia om diverse toepassingen en omgevingen te ondersteunen voor de wereldwijd toenemende gegevensbehoeften.
Harde schijven en SSD's ondersteunen al tientallen jaren de digitale infrastructuur van de wereld, en zullen naast elkaar blijven bestaan.
De tijdlijn hierboven geeft aan hoe opslagtechnologieën zijn geëvolueerd om aan de veranderende vraag te voldoen.
Van de jaren 1950 tot de jaren 1980 maakten harde schijven op basis van Longitudinal Magnetic Recording (LMR) mainframes mogelijk, die de werkpaarden van het vroege computergebruik waren en een aantal zakelijke en wetenschappelijke taken ondersteunden. In de jaren 1980 bleven harde schijven op basis van LMR een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van de opslagcapaciteit van harde schijven. Deze vroege systemen stonden voor gecentraliseerd computergebruik, waarbij de gegevensverwerking geconcentreerd was op mainframeservers met massale opslagcapaciteit, en meestal toegankelijk was via clientterminals met weinig of geen opslag.
In de jaren 1980 en 1990 werden personal computers, inclusief laptops, gemeengoed. Ze werkten uitsluitend op basis van harde schijven om capaciteit en betaalbaarheid te bieden voor alledaagse taken. Seagate vond in dat tijdperk de eerste harde schijven voor pc's uit, waarbij LMR werd gebruikt om een baanbrekende capaciteit van 5 MB in een 5,25-inch vormfactor te bereiken. Met deze harde schijven konden gebruikers besturingssystemen, toepassingen en een groot aantal bestanden lokaal opslaan, wat de snelle groei van de pc-markt aanwakkerde. Deze periode markeerde een ommekeer naar gedecentraliseerd computergebruik, omdat pc's gegevensverwerking op lokale eindpunten mogelijk maakten in plaats van op centrale systemen. Harde schijven bleven tot ver in de jaren 2000 het dominante opslagmedium voor pc's en boden een voordelige oplossing voor de uitbreiding van desktop- en laptopgebruik.
Aan het einde van de jaren 1990 en het begin van de jaren 2000, toen de vraag van consumenten naar meer draagbare computers toenam, werden laptops steeds populairder. In deze periode kwamen SSD's op de markt die gebruikmaakten van NAND-flashgeheugen, een technologie die gegevens opslaat als elektrische ladingen in halfgeleidercellen. De eerste versie, die in 1987 commercieel werd uitgebracht, maakte gebruik van 2D NAND, dat gegevens opslaat in één laag cellen. Binnen deze structuur werd Single-Level Cell (SLC) flash gebruikt om één bit aan gegevens per cel op te slaan, waarmee werd tegemoetgekomen aan de vraag naar snelheid en reactiesnelheid in consumentenapparaten. Naarmate laptops zich verder ontwikkelden in het begin van de jaren 2000, verschoven de prioriteiten naar slankere designs met een langere batterijgebruiksduur. SSD's hebben deze vooruitgang mogelijk gemaakt door het energieverbruik te verlagen en tegelijk hoge lees- en schrijfsnelheden mogelijk te maken door directe, willekeurige toegang tot gegevens. Dat maakt ze met name geschikt om de opstarttijden van besturingssystemen te versnellen en de manier waarop toepassingen worden ervaren te verbeteren. SSD's hebben ook aanzienlijk dunnere vormfactoren geïntroduceerd (bijv. mSATA, M.2 en U.2), die hebben bijgedragen aan de slankere en lichtere vormgeving van moderne laptops. Deze vormfactoren vervingen de grotere 2,5-inch en 3,5-inch harde schijven in laptops, waardoor het uiterlijk van apparaten nog gestroomlijnder werd.
Halverwege de jaren 2000 was gegevensopslag weer veranderd. In 2005 begonnen harde schijven gebruik te maken van Perpendicular Magnetic Recording (PMR), dat de gegevensdichtheid sterk verhoogde en een hogere opslagcapaciteit tegen lagere kosten mogelijk maakte. In tegenstelling tot LMR, waarbij magnetische bits horizontaal op de schijf werden uitgelijnd, staan de bits bij PMR verticaal, waardoor ze sterker geconcentreerd zijn en voor een grotere stabiliteit zorgen. Met deze benadering werd de superparamagnetische limiet aangepakt, een fenomeen waarbij magnetische bits onstabiel worden en gevoelig zijn voor gegevensverlies wanneer ze te dicht op elkaar worden gepakt. Door de magnetische bits loodrecht te oriënteren, overwon PMR deze limiet, waardoor betrouwbare gegevensopslag bij veel hogere dichtheden mogelijk werd. De verhoogde opslagdichtheid van PMR vormde de basis die nodig was om de enorme opslagbehoeften te ondersteunen die in de jaren 2010 in datacenters ontstonden. Deze ontwikkeling was vooral belangrijk in datacenters, die instonden voor het grootste deel van de last van het beheer van explosief groeiende gegevensvolumes.
Vanaf eind jaren 2000 tot in de jaren 2010 zorgden de proliferatie van mobiele telefoons, cloud computing, toenemende internetsnelheden en de opkomst van 4G-connectiviteit (die gegevensintensieve mobiele toepassingen stimuleerden die de vraag naar cloudgebaseerde opslag nog verder opdreven) voor een monumentale maatschappelijke en technologische ommezwaai. Gegevensverwerking en -opslag verschoven van lokale apparaten naar gecentraliseerde datacenters in de cloud, die begonnen te fungeren als de primaire hubs voor het beheer en de opslag van gegevens die door mobiele en IoT-apparaten werden gegenereerd. Grootschalige datacenters werden steeds belangrijker toen toepassingen en gegevens naar de cloud migreerden. Deze overgang versnelde in de jaren 2010, toen het gebruik van de cloud door bedrijven sterk toenam vanwege het kostenvoordeel en het innovatiepotentieel van gecentraliseerde opslag. Een groot deel van de massale opslagcapaciteit, ondersteund door harde schijven met een verhoogde gegevensdichtheid die mogelijk werd gemaakt door PMR-technologie, begon te verschuiven naar de cloudinfrastructuur, die een centrale opslagplaats werd om groeiende gegevensvolumes extern te beheren. Hoewel mobiele telefoons gegevens lokaal opsloegen op ingebouwde NAND-flash, werd veel van de content die ze genereerden geüpload naar de cloud (regionale datacenters die voornamelijk gebruikmaakten van harde schijven die efficiënte, grootschalige gegevensopslag ondersteunden). Op dezelfde manier gebruikten moderne laptops geen lokale harde schijven meer voor primaire opslag. In plaats daarvan begonnen ze gegevens op te slaan en back-ups te maken via cloudgebaseerde systemen, die het grootste deel van het bestandsbeheer en het delen van bestanden voor hun rekening nemen. Deze verschuiving betekende een terugkeer naar enige centralisatie in gegevensbeheer, aangezien cloudinfrastructuur tegemoetkwam aan de behoefte om explosief groeiende gegevensvolumes op schaal te beheren.
Ondertussen zorgden SSD-innovaties zoals Multi-Level Cell (MLC) en Triple-Level Cell (TLC) NAND voor een grotere opslagcapaciteit en betere prestaties in compacte apparaten en bedrijfsomgevingen waar gegevens snel moeten worden opgehaald. 3D NAND, dat in 2013 werd uitgebracht, betekende een grote sprong voorwaarts: geheugencellen werden verticaal gestapeld om de dichtheid te verhogen en de kosten per bit te verlagen. Dankzij deze innovatie konden SSD's hun capaciteit verder uitbreiden en een hogere duurzaamheid bereiken. Bovendien boden M.2 SSD's, die begin 2010 het licht zagen, een flexibeler en ruimte-efficiënter ontwerp in vergelijking met traditionele SATA SSD's, waardoor laptops slanker en lichter werden. Rond diezelfde tijd werd de opslagcapaciteit van harde schijven verder uitgebreid met behulp van Shingled Magnetic Recording (SMR), dat in 2013 werd geïntroduceerd. Deze formatteringswijze is gebaseerd op PMR, waarbij gegevenssporen elkaar overlappen als dakpannen (shingles) om de opslagdichtheid te maximaliseren.
In 2024 had PMR zijn fysieke grenzen bereikt; de oppervlaktedichtheid kon niet langer worden vergroot door magnetische bits dichter bij elkaar te plaatsen zonder de gegevens instabiel te maken. Heat-Assisted Magnetic Recording (HAMR) heeft dit probleem opgelost door een nieuw soort magnetisch medium te gebruiken dat de korrels stabiel houdt, zelfs als ze kleiner en dichter opeengepakt worden. Dit wordt mogelijk gemaakt door het schijfoppervlak kortstondig te verhitten met een kleine laser, waardoor de opnamekop gegevensbits met een hogere dichtheid kan schrijven. Deze technologische vooruitgang betekende een keerpunt in de opslagsector en maakte bitdichtheden van 5 TB per schijfplaat of 50 TB per harde schijf mogelijk.
Vandaag maken de meest geavanceerde harde schijven gebruik van het Seagate Mozaic 3+™ technologieplatform om met behulp van HAMR de oppervlaktedichtheid op een weergaloze manier te verhogen, en maken SSD's gebruik van Quad-Level Cell (QLC) NAND. Door deze vooruitgang heeft elke technologie een andere rol gekregen. Harde schijven staan centraal in enorme datacenters in de cloud, in de periferie en in bedrijven, waar ze enorme hoeveelheden gegevens voordelig opslaan en beschermen om, naast andere werkbelastingen, de training van AI-modellen mogelijk te maken. SSD's zijn van cruciaal belang voor krachtige toepassingen in deze datacenters en bieden essentiële lokale opslag voor consumentenapparaten.
Deze omgevingen blijven het opslaglandschap bepalen.
Harde schijven en SSD's spelen elk een unieke rol in gebruikssituaties voor opslag vanwege hun fundamenteel verschillende technologische benaderingen voor het lezen en schrijven van gegevens.
SSD's maken gebruik van NAND-flashgeheugen, waarbij gegevens worden opgeslagen als elektrische ladingen in halfgeleidercellen. Vooruitgang in onderzoek, ontwikkeling en productie heeft de bitdichtheid verhoogd door de celafmetingen te verkleinen en verticale lagen toe te voegen. SSD's bieden razendsnelle prestaties, wat ideaal is voor toepassingen die snelle toegang en lage latentie vereisen.
Maar SSD's hebben ook nadelen. Gegevens worden geschreven en herschreven met behulp van programmawiscycli, waardoor de NAND-cellen na verloop van tijd slijten. Deze geleidelijke verslechtering is van invloed op het uithoudingsvermogen van SSD's, vooral in omgevingen waar veel wordt geschreven. Technieken zoals slijtageverdeling en overprovisioning zijn ontwikkeld om de levensduur van SSD's te verlengen, maar deze maatregelen kunnen efficiëntieverliezen met zich meebrengen.
Harde schijven zijn gebaseerd op een ingewikkelde mechanische techniek om gegevens op te slaan en op te halen. De basis van elke harde schijf wordt gevormd door snel roterende schijfplaten, die bedekt zijn met een magnetisch materiaal. Die schijfplaten roteren met hoge snelheden, waardoor gegevens efficiënt kunnen worden geschreven en gelezen. De gegevens worden op het oppervlak van de schijfplaten vastgelegd met behulp van magnetische koppen, die aan een bewegende actuatorarm zijn bevestigd. Die arm beweegt uiterst nauwkeurig op nanoschaal en positioneert de koppen om gegevens op specifieke sporen op de schijfplaten te schrijven en te lezen.
In tegenstelling tot SSD's, die afhankelijk zijn van elektrische ladingen, maken harde schijven gebruik van magnetische opnames die niet degraderen na herhaaldelijk schrijven, waardoor duurzaamheid op de lange termijn gegarandeerd is. De bewegende onderdelen zorgen voor enige fysieke vertraging, maar het ontwerp is zeer betrouwbaar. Magnetische opnamen behouden gegevens ook zonder de slijtageproblemen die optreden bij NAND-cellen, waardoor harde schijven zeer geschikt zijn voor grootschalige gegevensopslag waarbij opslagcapaciteit belangrijker is dan snelheid.
Met dit onderscheid is het niet vreemd dat moderne datacenters vaak beide technologieën gebruiken. SSD's verwerken taken die snelle, willekeurige toegang vereisen, terwijl harde schijven grote hoeveelheden gegevens betaalbaar opslaan. Ze vormen een harmonieuze combinatie die voldoet aan de uiteenlopende behoeften van de hedendaagse gegevensgestuurde wereld.
De meeste datacenters gebruiken beide technologieën samen, waarbij ze elk hun sterke punten uitspelen. Hoewel SSD's duurder zijn dan harde schijven, leveren ze de prestaties met lage latentie die essentieel zijn voor specifieke gebruikssituaties met hoge vereisten. Ze kunnen de voorkeur genieten voor toepassingen die snelle reactietijden vereisen, zoals flitshandel (high-frequency trading), realtime analyse en het streamen van content.
Ter vergelijking: harde schijven zijn bij uitstek geschikt voor grootschalige gegevensopslag, die wordt aangewakkerd door de snelle groei van cloud computing op exabyteschaal. In 's werelds grootste datacenters wordt bijna 90% van de gegevens opgeslagen op harde schijven vanwege hun ongeëvenaarde kostenefficiëntie, schaalbaarheid en duurzaamheid. Dankzij innovaties van Seagate op het gebied van oppervlaktedichtheid hebben harde schijven een voordeel van 6:1 ten opzichte van de kosten per TB, wat cruciaal is voor organisaties die hun aankoopkosten en totale eigendomskosten (TCO) onder controle willen houden.
Door gebruik te maken van SSD's voor toepassingen die cruciaal zijn voor prestaties, en harde schijven voor grote hoeveelheden minder tijdgevoelige gegevens, kunnen datacenters zowel kosten als prestaties effectief optimaliseren. Deze combinatie biedt een flexibele, voordelige oplossing.
De overgrote meerderheid van bedrijfsgegevens wordt geassocieerd met werkbelastingen voor algemene doeleinden waarbij opslagcapaciteit belangrijker is dan snelheid: analyse, bestandsservices, back-up en objectopslag. Harde schijven, met hun kosten-per-TB-voordeel en duurzaamheid, zijn bij uitstek geschikt voor deze werkbelastingen. Gebruiksscenario's die snelle gegevenstoegang en lage latentie vereisen, zoals financiële en wetenschappelijke simulaties, realtime grafische rendering en transactionele databases, hebben een veel kleiner deel van de bedrijfsgegevens nodig. Flash leent zich uitstekend voor deze meer prestatiegerichte scenario's. Om de TCO voor grootschalige implementaties te optimaliseren, moeten de juiste opslagmedia worden afgestemd op de specifieke vereisten voor werkbelasting.
Voor cloudproviders en bedrijven is het onder controle houden van de kapitaaluitgaven een constante prioriteit bij het schalen. Harde schijven bieden een voordelige oplossing, met aanzienlijk lagere aankoopkosten dan SSD's. Hierdoor zijn ze ideaal voor grootschalige implementaties waar opslagcapaciteit de belangrijkste behoefte is. Harde schijven bieden ook een betere TCO, omdat hun kosten-per-TB-voordeel organisaties in staat stelt de capaciteit betaalbaar uit te breiden en tegelijk de operationele kosten op de lange termijn tot een minimum te beperken. Harde schijven bieden niet alleen TCO-voordelen. Dankzij de unieke productie-efficiëntie van de hardeschijfsector (tot wel negen keer efficiënter dan de productie van NAND) kunnen er veel meer exabytes worden geproduceerd tegen een fractie van de kapitaalinvestering die de NAND-sector vereist. Deze efficiëntie is van cruciaal belang om datacenters te helpen betaalbaar en betrouwbaar aan de enorme vraag naar opslag te voldoen en om de aanhoudende groei van datacenters in de cloud, de periferie en bedrijven te ondersteunen. Het resultaat is dat harde schijven datacenters in staat stellen de budgetten voor hun kapitaaluitgaven te optimaliseren zonder afbreuk te doen aan de schaal of duurzaamheid van hun infrastructuur. Dit voordeel is vooral relevant voor bedrijven die groei in balans moeten brengen met budgetbeperkingen. Harde schijven kunnen immers schaalbare massale opslag bieden zonder de zeer hoge kosten die met SSD's gepaard gaan.
Deze efficiëntie van kapitaaluitgaven zorgt voor een consistentere toeleveringsketen. Door gebruik te maken van gevestigde productielijnen en schaalvoordelen kunnen fabrikanten grotere aantallen harde schijven produceren tegen lagere kosten, en zo de enorme capaciteit leveren die datacenters nodig hebben om de explosieve groei van gegevens aan te kunnen. Deze schaalbaarheid is van cruciaal belang voor bedrijven die hun opslagcapaciteit moeten uitbreiden en tegelijk hun kosten onder controle moeten houden. Harde schijven spelen dan ook een centrale rol in gegevensstrategieën op korte én lange termijn.
Duurzaamheid speelt ook een grote rol, aangezien datacenters een aanzienlijk deel van de wereldwijde stroom verbruiken en bijdragen aan de koolstofuitstoot. Harde schijven helpen deze gevolgen te beperken door 75% minder bedrijfsvermogen per terabyte te gebruiken dan SSD's en een tiende van de opgenomen koolstof te genereren. Het verminderde energieverbruik verlaagt direct de operationele kosten en de impact op het milieu, terwijl de verlaagde opgenomen koolstof op één lijn ligt met duurzaamheidsdoelstellingen op lange termijn.
Harde schijven en SSD's blijven unieke sterke punten bieden voor verschillende opslagomgevingen, van enorme datacenters in de cloud tot compacte persoonlijke apparaten. Hun contrasterende technologieën bepalen hoe ze omgaan met opslagcapaciteit, prestaties en duurzaamheid, en maken ze beter geschikt voor specifieke gebruikssituaties en toepassingen. In de tabel hieronder worden deze hoofdkenmerken uitgezet en wordt aangegeven hoe en waarin elke technologie uitblinkt.
Harde schijven | SSD's | |||||
Opnametechnologie | Schrijft gegevens magnetisch naar roterende schijfplaten | Schrijft gegevens elektronisch naar geheugencellen op printplaten | ||||
Voornaamste gebruikssituatie | Grootschalige datacenters in de periferie en in de cloud | Datacenters in de periferie en eindpunt-/cliëntapparaten (inclusief pc's, laptops, tablets, telefoons) | ||||
Voornaamste werkbelastingen | Analyse, bestandsservices, objectopslag Documentbeheer, webhosting, bewaren van AI-gegevens, secundaire opslag, actief archief, back-up en gegevensbescherming | E-commerce, VDI, gaming, CRM/ERP/CMS, database, AI/ML-training, realtime grafische rendering, financiële en wetenschappelijke simulaties [voeg gebruikssituaties voor de periferie en eindpunten toe] | ||||
Vereiste gegevensoverdracht voor gebruikssituatie | In nominale tijd | In real time en ultra-real time | ||||
Opslagomgeving | Cloud (groot datacenter) | Periferie (klein bedrijf) | Eindpunt (pc/laptop, tablet, telefoon) | Cloud (groot datacenter) | Periferie (klein bedrijf) | Eindpunt (pc/laptop, tablet, telefoon) |
Schaal | Exabyte | Petabyte-Terabyte | Terabyte | ≫500 TB petabyte | 50-500 TB terabyte | 2-50 TB terabyte |
Voorbeelden van gebruikssituaties | S3-opslag, analyse, gegevensbescherming | Bestandsservices, actief archief, gegevensbescherming | Back-up | E-commerce, financiële en wetenschappelijke simulaties | Database, grafische rendering in real time | Gaming |
Massale opslag | +++ | +/- | --- | +/- | +/- | +++ |
Total Cost of Ownership | +++ | +++ | +/- | --- | +/- | +++ |
Schaalbaarheid | +++ | +++ | --- | --- | +/- | +++ |
Prestaties | +++ | +/- | --- | +++ | +++ | +++ |
Gegevensduurzaamheid en -houdbaarheid | +++ | +++ | Nvt | --- | +/- | +++ |
Duurzaamheid (levenscyclusimpact) | +++ | +++ | +++ | --- | --- | --- |
Energieverbruik | +++ | +/- | --- | --- | +/- | +++ |
$/TB | +++ | +++ | --- | --- | -/+ | +++ |
+++ = geprefereerde productkeuze
+/- = productkeuze afhankelijk van gebruikssituatie en opslagcapaciteit
--- = geen geprefereerde productkeuze of gebruikssituatie
Prestaties = gecombineerd lezen/schrijven en IOPS.
*Seagate-analyse van IDC Worldwide Global StorageSphere Forecast 2024-2028; juni 2024, IDC #US52312824.
Harde schijven en solid-state-schijven zijn essentiële opslagtechnologieën met fundamenteel verschillende benaderingen voor het lezen en schrijven van gegevens. SSD's leveren supersnelle prestaties met lage latentie, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen die snelle gegevenstoegang en snelle verwerking vereisen. Door hun combinatie van kostenefficiëntie, hoge oppervlaktedichtheid en duurzaamheid kunnen harde schijven bedrijven in staat stellen op duurzame wijze te voorzien in zowel de huidige gegevensbehoeften als toekomstige groei, waarbij een balans wordt geboden die SSD's niet kunnen bereiken wanneer ze op hetzelfde niveau worden geschaald.