Dyski twarde i dyski SSD
Od bankowości internetowej po media społecznościowe i przesyłanie strumieniowe, większość dzisiejszych doświadczeń ludzi zależy od cyfrowej infrastruktury, która opiera się na dwóch technologiach pamięci masowej – dyskach twardych i dyskach półprzewodnikowych (SSD). O ile przeciętnemu użytkownikowi te technologie mogą się wydawać ukryte za codziennymi doświadczeniami, wpływają one na sposób przechowywania, uzyskiwania dostępu i zarządzania danymi. Zrozumienie ich rozwoju i różnic pozwala odkryć nie tylko sposób, w jaki wspierają one dzisiejszą infrastrukturę, lecz także to, jak mogą sprostać wymaganiom jutra.
Począwszy od pierwszych dni komputerów typu mainframe i komputerów osobistych aż po dzisiejsze obciążenia robocze związane z wykorzystaniem sztucznej inteligencji, technologie pamięci masowej ewoluowały, aby sprostać zmieniającym się potrzebom. W miarę wzrostu potrzeb w zakresie technologii cyfrowych zarówno dyski twarde, jak i dyski SSD zaczęły odgrywać różne i kluczowe role w nowoczesnej infrastrukturze. Ich ewolucja odzwierciedla ciągłą adaptację nośników pamięci masowej do obsługi różnych zastosowań i środowisk poprzez zapewnianie pojemności, wydajności oraz odpowiednich rozmiarów, a także wspieranie zrównoważonego rozwoju w związku z rosnącymi światowymi wymaganiami w zakresie danych.
Dyski twarde i dyski SSD od dziesięcioleci wspierają światową cyfrową infrastrukturę i będą nadal współistnieć.
Przedstawiona powyżej oś czasu pokazuje ewolucję technologii pamięci masowej w celu sprostania zmieniającym się wymaganiom.
Od lat 50. do 80. XX wieku użycie dysków twardych wykorzystujących magnetyczny zapis równoległy (LMR) pozwoliło na stosowanie komputerów typu mainframe. We wczesnym okresie komputerów były one niczym konie pociągowe i wykorzystywano je do realizacji szeregu zadań biznesowych oraz naukowych. W latach 80. XX wieku dyski twarde oparte na technologii LMR nadal odgrywały kluczową rolę w zwiększaniu wydajności przetwarzania. Te wczesne systemy reprezentowały scentralizowane przetwarzanie danych, w przypadku którego przetwarzanie było skoncentrowane na serwerach typu mainframe z pamięcią masową. Zazwyczaj były też dostępne za pośrednictwem terminali klienckich, które miały niewiele pamięci lub nie miały jej wcale.
W latach 80. i 90. XX wieku komputery osobiste, w tym laptopy, stały się popularne i polegały wyłącznie na dyskach twardych w celu zapewnienia odpowiedniej pojemności oraz przystępnej ceny dla realizacji codziennych zadań. W tamtych czasach firma Seagate wynalazła pierwsze dyski twarde do komputerów PC, wykorzystując LMR do osiągnięcia przełomowej pojemności 5 MB w obudowie o rozmiarze 5,25 cala. Dyski te pozwoliły użytkownikom przechowywać systemy operacyjne, aplikacje i duże woluminy plików lokalnie, co umożliwiło szybki rozwój rynku komputerów PC. W tym okresie nastąpiła zmiana w kierunku przetwarzania zdecentralizowanego, ponieważ komputery PC umożliwiały przetwarzanie danych w lokalnych punktach końcowych, a nie w systemach centralnych. W pierwszej dekadzie XXI wieku dyski twarde pozostawały dominującym nośnikiem pamięci do komputerów PC, oferując efektywne kosztowo rozwiązanie oraz zwiększając wykorzystanie komputerów stacjonarnych i laptopów.
Pod koniec lat 90. i na początku XXI wieku, wraz ze wzrostem zapotrzebowania konsumentów na bardziej przenośne urządzenia, coraz bardziej popularne zaczęły stawać się laptopy. W tym okresie pojawiły się dyski SSD wykorzystujące pamięć NAND flash, technologię, która przechowuje dane jako ładunki elektryczne w ogniwach półprzewodnikowych. Wprowadzona na rynek w 1987 r. pierwsza iteracja używała pamięci 2D NAND, która przechowuje dane w pojedynczej warstwie komórek. W ramach tej struktury używana była pamięć flash oparta na komórkach jednopoziomowych (SLC) do przechowywania jednego bitu danych na komórkę, zaspokajając zapotrzebowanie na szybkość i responsywność urządzeń konsumenckich. Wraz z dalszą ewolucją laptopów na początku XXI wieku priorytety przesunęły się w kierunku cieńszych konstrukcji o dłuższym czasie pracy baterii. Dyski SSD umożliwiły osiągnięcie tych postępów poprzez zmniejszenie zużycia energii, oferując jednocześnie szybki odczyt i zapis poprzez bezpośredni, losowy dostęp do danych, dzięki czemu były one szczególnie skuteczne w zakresie przyspieszania czasu rozruchu systemu operacyjnego i poprawy działania aplikacji. W dyskach SSD wprowadzono również znacznie cieńsze obudowy (np. mSATA, M.2 i U.2), co przyczyniło się do tworzenia cieńszych i lżejszych nowoczesnych laptopów. Te rozmiary zastąpiły większe 2,5-calowe i 3,5-calowe dyski twarde w laptopach, umożliwiając usprawnienie profili urządzeń.
W połowie pierwszej dekady XXI wieku pamięć masowa ponownie uległa transformacji. W 2005 roku w dyskach twardych zaczęto wykorzystywać magnetyczny zapis prostopadły (PMR), co znacznie zwiększyło gęstość danych i umożliwiło uzyskanie większej pojemności pamięci masowej przy zachowaniu niższych kosztów. W przeciwieństwie do technologii LMR, w której bity magnetyczne są ustawiane na talerzu poziomo, technologia PMR ustawia bity w pionie, zapewniając lepsze upakowanie i większą stabilność. To podejście rozwiązało problem limitu superparamagnetycznego – zjawiska, w którym bity magnetyczne stają się niestabilne i podatne na utratę danych, jeśli są upakowane zbyt blisko siebie. Dzięki prostopadłej orientacji bitów magnetycznych technologia PMR przezwyciężyła to ograniczenie, umożliwiając niezawodne przechowywanie danych przy znacznie wyższych gęstościach. Zwiększona gęstość danych zastosowana w technologii PMR zapewniła niezbędne podstawy do zaspokojenia zapotrzebowania na ogromne pamięci masowe, które pojawiło się w centrach danych od 2010 roku. Zmiana ta była szczególnie istotna w przypadku centrów danych, które przejęły większość obowiązków związanych z zarządzaniem gwałtownie rosnącą ilością danych.
Od końca pierwszej do drugiej dekady XXI wieku mieliśmy do czynienia z szybkim rozprzestrzenianiem się telefonów komórkowych, przetwarzania w chmurze, rosnącą szybkością Internetu oraz rozwojem łączności 4G – co wspierało powstawanie aplikacji mobilnych o dużej intensywności danych i zwiększało popyt na pamięć masową opartą na chmurze – a w efekcie doprowadziło do ogromnej zmiany społecznej i technologicznej. Przetwarzanie i pamięć masowa danych zostały przeniesione z urządzeń lokalnych do scentralizowanych centrów danych w chmurze, które zaczęły służyć jako główne centra zarządzania i przechowywania danych generowanych przez urządzenia mobilne oraz urządzenia IoT. Wielkoskalowe centra danych zyskały na znaczeniu w miarę migracji aplikacji i danych do chmury. Zmiana ta przyspieszyła w drugiej dekadzie XXI wieku, kiedy to wdrażanie chmury klasy korporacyjnej zaczęło szybko rosnąć ze względu na oszczędność kosztów i innowacyjny potencjał scentralizowanej pamięci masowej. Duża część pamięci masowej obsługiwanej przez dyski twarde o zwiększonej gęstości danych, możliwej dzięki technologii PMR, zaczęła przenosić się do infrastruktury chmury, która stała się centralnym repozytorium do zdalnego zarządzania rosnącymi woluminami danych. Choć telefony komórkowe przechowywały dane lokalnie we wbudowanej pamięci NAND flash, większość generowanych treści była przesyłana do chmury – regionalnych centrów danych zbudowanych głównie na podstawie dysków twardych, które obsługiwały wydajne przechowywanie danych w dużej skali. Podobnie nowoczesne laptopy przestały używać lokalnych dysków twardych jako pamięci głównej. Zamiast tego zaczęto przechowywać i tworzyć kopie zapasowe danych za pośrednictwem systemów opartych na chmurze, które obsługują większość zarządzania plikami i ich udostępniania. Ta zmiana stanowiła powrót w pewnym stopniu do centralizacji zarządzania danymi, ponieważ infrastruktura chmury odpowiadała na potrzebę zarządzania gwałtownie rosnącą ilością danych w dużej skali.
W międzyczasie innowacje w zakresie SSD, takie jak pamięć NAND wykorzystująca technologię komórki o wielu poziomach (MLC) i komórki o trzech poziomach (TLC), zwiększyły pojemność i wydajność w niewielkich urządzeniach oraz środowiskach klasy korporacyjnej, które wymagały szybkiego odzyskiwania danych. Technologia 3D NAND, wprowadzona na rynek w 2013 roku, stanowiła znaczący krok naprzód dzięki pionowemu układaniu komórek pamięci w celu zwiększenia gęstości i obniżenia kosztów przypadających na bit. Ta innowacja pozwoliła dyskom SSD na dalsze zwiększenie pojemności i osiągnięcie lepszej trwałości. Ponadto dyski SSD M.2, które pojawiły się na początku drugiej dekady XXI wieku, oferowały bardziej elastyczną i wydajną pod względem przestrzeni konstrukcję w porównaniu z tradycyjnymi dyskami SSD SATA, przyczyniając się do dalszego zmniejszenia grubości i wagi laptopa. Mniej więcej w tym samym czasie dyski twarde zwiększyły swoją pojemność dzięki wprowadzonej w 2013 roku technologii zapisu danych gontowo (Shingled Magnetic Recording, SMR), opartej na technologii PMR, która tworzy nachodzące na siebie ścieżki danych w celu maksymalizacji gęstość pamięci masowej.
W 2024 roku technologia PMR osiągnęła już swoje fizyczne granice; nie mogła już zwiększać gęstości powierzchniowej poprzez upakowanie bitów magnetycznych bliżej siebie bez powodowania niestabilności danych. Zapis magnetyczny wspomagany termicznie (HAMR) przezwyciężył ten problem poprzez zastosowanie nowego rodzaju nośników magnetycznych, które utrzymują stabilne ziarna, nawet gdy stają się one mniejsze i gęściej upakowane. Osiąga się to poprzez krótkotrwałe podgrzanie powierzchni dysku za pomocą małego lasera, co umożliwia głowicy zapisującej zapis bitów danych z większą gęstością. Ten postęp technologiczny oznacza ogromną zmianę w branży pamięci masowych, gdyż umożliwia osiągnięcie gęstości bitów na poziomie 5 TB na talerz lub 50 TB na dysk twardy.
Dziś najbardziej zaawansowane dyski twarde wykorzystują platformę technologiczną Seagate Mozaic 3+™ do wdrażania HAMR w celu uzyskania niespotykanego wzrostu gęstości powierzchniowej, natomiast dyski SSD wykorzystują pamięć NAND z komórkami o czterech poziomach (QLC). Te postępy skierowały każdą technologię do innych ról. Dyski twarde odgrywają centralną rolę w chmurze, na brzegu sieci oraz w centrach danych klasy korporacyjnej, gdzie w oszczędny sposób przechowują i chronią ogromne woluminy danych, umożliwiając – oprócz innych zadań – trenowanie modeli sztucznej inteligencji. Dyski SSD mają kluczowe znaczenie w przypadku aplikacji wymagających wysokiej wydajności w tych centrach danych i zapewniają lokalną pamięć masową dla urządzeń konsumenckich.
Te środowiska nadal wpływają na rozwój rynku pamięci masowych.
Zarówno dyski twarde, jak i dyski SSD odgrywają unikatowe role w zastosowaniach pamięci masowej ze względu na zasadniczo różne podejścia technologiczne do odczytu i zapisu danych.
Dyski SSD są zbudowane na bazie pamięci NAND flash, w której dane są przechowywane jako ładunki elektryczne w ogniwach półprzewodnikowych. Postępy w dziedzinie badań, rozwoju i produkcji przyczyniły się do zwiększenia gęstości bitów poprzez zmniejszenie rozmiarów komórek i dodanie warstw pionowych. Dyski SSD oferują wysoką wydajność, która idealnie sprawdza się w zastosowaniach wymagających szybkiego dostępu i niskich opóźnień.
Jednak dyski SSD wiążą się z pewnymi kompromisami. Dane są zapisywane i ponownie zapisywane za pomocą cykli wymazywania, które z czasem zużywają komórki pamięci NAND. Ta stopniowa degradacja wpływa na trwałość dysków SSD, zwłaszcza w środowiskach o dużej intensywności zapisu. W celu wydłużenia żywotności dysków SSD zostały opracowane techniki takie jak niwelowanie zużycia i nadmiarowa alokacja, ale środki te mogą powodować utratę wydajności.
Dyski twarde opierają się na skomplikowanej inżynierii mechanicznej do przechowywania i odzyskiwania danych. W centrum każdego dysku znajdują się szybko obracające się talerze, które są pokryte materiałem magnetycznym. Talerze te obracają się z dużą prędkością, umożliwiając wydajny zapis i odczyt danych. Dane są zapisywane na powierzchniach talerzy za pomocą głowic magnetycznych, które są przymocowane do ruchomego ramienia serwomechanizmu. Ramię porusza się z nanoskalową precyzją, pozycjonując głowice w taki sposób, aby zapisywały i odczytywały dane na określonych ścieżkach na talerzach.
W przeciwieństwie do bazujących na ładunkach elektrycznych dysków SSD dyski twarde wykorzystują zapis magnetyczny, który nie zużywa ich pod wpływem wielokrotnego zapisu, zapewniając długoterminową trwałość. Ruchome części wprowadzają pewne fizyczne opóźnienia, lecz konstrukcja jest wysoce niezawodna. Zapis magnetyczny zachowuje również dane bez zużycia związanego z ogniwami NAND, dzięki czemu dyski twarde dobrze sprawdzają się jako pamięci masowa danych w dużej skali, w której pojemność jest nadrzędna wobec szybkości.
Biorąc pod uwagę te różnice, nie jest niespodzianką, że nowoczesne centra danych często korzystają z obu technologii. Dyski SSD obsługują zadania wymagające szybkiego, losowego dostępu, natomiast dyski twarde w przystępnej cenie przechowują duże ilości danych. Tworzą harmonijną parę, która zaspokaja różnorodne potrzeby we współczesnym świecie opartym na danych.
Większość centrów danych korzysta z obu technologii w tandemie, a każda z nich zapewnia swoje mocne strony. Choć dyski SSD są droższe od dysków twardych, zapewniają niskie opóźnienia niezbędne w określonych, wymagających zastosowaniach. Mogą stanowić preferowany wybór w przypadku aplikacji wymagających szybkiego czasu reakcji, takich jak transakcje o wysokiej częstotliwości, analityka w czasie rzeczywistym i przesyłanie strumieniowe treści.
Dla porównania dyski twarde najlepiej sprawdzają się w wielkoskalowej pamięci masowej, wymaganej w związku z szybkim wzrostem ilości eksabajtów w chmurze obliczeniowej. W największych na świecie centrach danych dyski twarde przechowują prawie 90% danych ze względu na ich niezrównaną efektywność kosztową, skalowalność i wpływ na zrównoważony rozwój. Innowacje firmy Seagate w zakresie gęstości powierzchniowej zapewniły dyskom twardym przewagę pod względem kosztów na TB w stosunku 6:1, co ma kluczowe znaczenie dla organizacji koncentrujących się na zarządzaniu kosztami pozyskania i całkowitym kosztem posiadania (TCO).
Poprzez wykorzystanie dysków SSD w zastosowaniach o znaczeniu krytycznym dla wydajności oraz dysków twardych w przypadku dużych woluminów danych, dla których czas uzyskiwania dostępu do danych jest mniej istotny, centra danych mogą prowadzić skuteczną optymalizację zarówno pod względem kosztów, jak i wydajności. Takie połączenie zapewnia elastyczne i oszczędne rozwiązanie.
Ogromna większość danych korporacyjnych jest związana z obciążeniami ogólnego przeznaczenia, w których pojemność jest nadrzędna wobec szybkości. Są to zastosowania takie jak analityka, obsługa plików, tworzenie kopii zapasowych i obiektowa pamięć masowa. Dyski twarde, ze względu na korzystny stosunek kosztu na TB oraz trwałość, idealnie nadają się do takich obciążeń. Zastosowania wymagające szybkiego dostępu do danych i niskich opóźnień – takie jak symulacje finansowe i naukowe, renderowanie grafiki w czasie rzeczywistym oraz transakcyjne bazy danych – wymagają znacznie mniejszego udziału danych klasy korporacyjnej. W tych bardziej wyspecjalizowanych scenariuszach wymagających wysokiej wydajności najlepiej sprawdza się pamięć flash. Optymalizacja całkowitego kosztu posiadania dla wdrożeń na dużą skalę zależy od dopasowania właściwego nośnika pamięci masowej do określonych wymagań w zakresie obciążeń.
Dla dostawców usług w chmurze i przedsiębiorstw kontrola nakładów kapitałowych jest stałym priorytetem podczas skalowania. Dyski twarde oferują opłacalne rozwiązanie o znacznie niższych kosztach nabycia w porównaniu z dyskami SSD. To sprawia, że idealnie nadają się do wdrożeń na dużą skalę, gdzie podstawową potrzebą jest pojemność. Dyski twarde zapewniają również lepszy całkowity koszt posiadania, ponieważ ich przewaga pod względem kosztów na TB pozwala organizacjom na zwiększenie pojemności przy jednoczesnej minimalizacji długoterminowych kosztów operacyjnych. Oprócz korzyści w zakresie całkowitego kosztu posiadania unikatowa wydajność produkcyjna w branży dysków twardych – nawet dziewięciokrotnie wyższa niż w przypadku produkcji pamięci NAND – pozwala wyprodukować znacznie więcej eksabajtów za ułamek nakładów kapitałowych wymaganych przez branżę pamięci NAND. Ta wydajność ma kluczowe znaczenie we wspieraniu centrów danych w zaspokajaniu zapotrzebowania na ogromną pamięć masową w przystępny cenowo i niezawodny sposób, zapewniając nieustanny rozwój centrów danych w chmurze, na brzegu sieci i centrów danych klasy korporacyjnej. W efekcie dyski twarde pozwalają centrom danych na optymalizację budżetów inwestycyjnych bez poświęcania skali lub zrównoważonego rozwoju infrastruktury. Ta zaleta jest szczególnie istotna w przypadku przedsiębiorstw, które muszą zrównoważyć wzrost i ograniczenia budżetowe, ponieważ dyski twarde, w porównaniu do dysków SSD, mogą zapewniać skalowalną pamięć masową bez wygórowanych kosztów.
Taka efektywność w zakresie nakładów kapitałowych zapewnia bardziej spójny łańcuch dostaw. Wykorzystując istniejące linie produkcyjne i ekonomię skali, producenci mogą wytwarzać większe ilości dysków twardych po niższych kosztach, zapewniając ogromną pojemność, której centra danych wymagają do obsługi gwałtownego wzrostu ilości danych. Ta skalowalność ma kluczowe znaczenie w przedsiębiorstwach, które muszą zwiększać pamięć masową przy jednoczesnym zarządzaniu kosztami, co sprawia, że dyski twarde stają się centralnym elementem zarówno doraźnych, jak i długoterminowych strategii w zakresie danych.
Zrównoważony rozwój również odgrywa istotną rolę, ponieważ centra danych pochłaniają znaczną część globalnej energii i przyczyniają się do emisji dwutlenku węgla. Dyski twarde pomagają łagodzić ten wpływ, zużywając o 75% mniej energii operacyjnej na terabajt niż dyski SSD i odpowiadając za zaledwie jedną dziesiątą ich emisji dwutlenku węgla. Niższe zużycie energii bezpośrednio zmniejsza koszty operacyjne i wpływ na środowisko, a redukcja dwutlenku węgla jest zgodna z długoterminowymi celami w zakresie zrównoważonego rozwoju.
Dyski twarde i dyski SSD nadal zapewniają unikatowe korzyści w różnych środowiskach pamięci masowej, od ogromnych centrów danych w chmurze po kompaktowe urządzenia osobiste. Ich kontrastujące technologie kształtują sposób, w jaki zapewniają pojemność, wydajność i trwałość, dzięki czemu lepiej nadają się do określonych zastosowań. Poniższa tabela przedstawia te kluczowe atrybuty, ilustrując to, w jaki sposób i gdzie poszczególne technologie sprawdzają się najlepiej.
Dyski twarde | Dyski SSD | |||||
Technologia zapisu | Magnetycznie zapisuje dane na obracających się dyskach | Elektronicznie zapisuje dane w komórkach pamięci na płytkach obwodów drukowanych | ||||
Podstawowe zastosowanie | Wielkoskalowe centra danych w chmurze i na brzegu sieci | Centra danych na brzegu sieci oraz urządzenia końcowe/klienckie (w tym komputery PC, laptopy, tablety, telefony) | ||||
Podstawowe obciążenia | Analityka, usługi w zakresie plików, obiektowa pamięć masowa Zarządzanie dokumentami, hosting sieciowy, przechowywanie danych AI, dodatkowa pamięć masowa, aktywna archiwizacja, tworzenie kopii zapasowych i ochrona danych | E-commerce, VDI, gry, CRM/ERP/CMS, bazy danych, trenowanie sztucznej inteligencji / uczenie maszynowe, renderowanie grafiki w czasie rzeczywistym, finanse i symulacje naukowe [dodać przykłady wykorzystania na brzegu sieci / w punkcie końcowym] | ||||
Wymagania dotyczące zastosowań związanych z transferem danych | Czas nominalny | Czas rzeczywisty i ultrarzeczywisty | ||||
Środowisko pamięci masowej | Chmura (duże centrum danych) | Brzeg sieci (małe przedsiębiorstwa) | Punkt końcowy (komputer PC / laptop, tablet, telefon) | Chmura (duże centrum danych) | Brzeg sieci (małe przedsiębiorstwa) | Punkt końcowy (komputer PC / laptop, tablet, telefon) |
Dostosowanie skali | Eksabajt | Petabajt-terabajt | Terabajt | >500 TB Petabajt | 50–500 TB Terabajt | 2–50 TB Terabajt |
Przykładowe zastosowania | Pamięć masowa S3, analityka, ochrona danych | Usługi w zakresie plików, aktywna archiwizacja, ochrona danych | Kopia zapasowa | E-commerce, symulacje finansowe i naukowe | Bazy danych, renderowanie grafiki w czasie rzeczywistym | Gry |
Pamięć masowa | +++ | +/- | --- | +/- | +/- | +++ |
Całkowity koszt posiadania | +++ | +++ | +/- | --- | +/- | +++ |
Skalowalność | +++ | +++ | --- | --- | +/- | +++ |
Wydajność | +++ | +/- | --- | +++ | +++ | +++ |
Wytrzymałość i trwałość danych | +++ | +++ | Nie dot. | --- | +/- | +++ |
Zrównoważony rozwój (wpływ w cyklu życia) | +++ | +++ | +++ | --- | --- | --- |
Zużycie energii | +++ | +/- | --- | --- | +/- | +++ |
$/TB | +++ | +++ | --- | --- | -/+ | +++ |
+++ = preferowany wybór
+/- = wybór w zależności od zastosowania i pojemności
--- = nie jest to preferowany wybór lub zastosowanie
Wydajność = połączony odczyt/zapis i liczba operacji we/wy na sekundę (IOPS).
* Analiza Seagate na podstawie IDC Worldwide Global StorageSphere Forecast 2024-2028; June 2024, IDC #US52312824.
Dyski twarde i dyski półprzewodnikowe to podstawowe technologie pamięci masowej o fundamentalnie odmiennym podejściu do odczytu i zapisu danych. Dyski SSD zapewniają dużą szybkość i niskie opóźnienia, dzięki czemu idealnie nadają się do zastosowań, które wymagają szybkiego dostępu do danych i szybkiego przetwarzania. Dyski twarde, łącząc efektywność kosztową, wysoką gęstość powierzchniową i zrównoważony rozwój, umożliwiają przedsiębiorstwom zaspokajanie bieżących potrzeb w zakresie danych oraz potrzeb związanych z przyszłym wzrostem w sposób zrównoważony, zapewniając równowagę, której dyski SSD nie są w stanie osiągnąć przy zachowaniu takich samych poziomów.