Жесткие диски vs твердотельные

Основная часть тех огромных объемов данных, которые генерируются во всем мире каждый день, сохраняется на жестких либо твердотельных дисках. Эти два типа накопителей используют две совершенно разные технологии, у каждой из которых есть свои плюсы и минусы. В то же время эти технологии не являются взаимоисключающими и в современной ИТ-инфраструктуре при правильном подходе могут взаимно дополнять друга, обеспечивая эффективное как по производительности, так и по стоимости хранение данных.

Жесткие диски, HDD

В жестких дисках (hard disk drives, HDD) для записи данных намагничиваются крохотные участки вращающихся пластин, из которых состоит диск. Каждая такая пластина имеет специальное магнитное напыление и разбита на миллиарды участков, каждый из которых можно намагнитить по отдельности. Данные записываются и извлекаются с помощью магнитной головки, перемещающейся над поверхностью пластины с помощью встроенной в диск специальной «руки». Эта рука перемещает головку к нужному участку пластины с помощью своего мотора и встроенной прошивки диска.

Преимущества HDD

Требования к хранению. Жесткие диски очень удобны для надежного и безопасного долговременного хранения больших объемов редко используемых (так называемых холодных) данных, например, резервных и архивных копий, репозиториев данных.

Стоимость. У жестких дисков низкая стоимость хранения в расчете на 1 Гбайт информации, это наиболее экономичные носители для хранения больших объемов холодных данных.

Расширяемость и модернизация. Технология жестких дисков давно достигла уровня зрелости, поэтому установленные в серверах и системах хранения винчестеры можно при модернизации легко заменять на новые модели большей емкости. При этом практически отсутствует риск несовместимости с уже используемым оборудованием.

Недостатки HDD

Производительность. Жесткие диски сильно проигрывают твердотельным по скорости доступа к данным, поэтому если для приложений крайне важна скорость чтения и записи данных, то лучше использовать SSD.

Энергопотребление и тепловыделение. Жесткие диски из-за своей механики (пластины, рука с головкой чтения/записи) потребляют намного больше электроэнергии и выделяют больше тепла, чем твердотельные диски. Поэтому применение систем хранения на базе SSD более эффективно, когда требуется уменьшить энергопотребление и охлаждение СХД, особенно если речь идет о большой системе, оборудованной десятками или сотнями накопителей. Также высокое энергопотребление винчестеров значительно сокращает время работы от батареи для оснащенных ими ноутбуков.

Сценарии использования HDD

Жесткие диски имеет смысл использовать в качестве основного типа накопителя, если требуется обеспечить высокую емкость СХД и низкую стоимость хранения, включая хранение холодных данных в корпоративном дата-центре и построение большого архивного хранилища, а также создание резервных копий данных. Неслучайно, по оценкам аналитического агентства IDC, сейчас в дата-центрах крупнейших облачных провайдеров более 90% данных хранится на жестких дисках, и менее 10% – на твердотельных.

Твердотельные диски, SSD

В твердотельных дисках (solid state drive, SSD) данные записываются в энергонезависимую флэш-память NAND.

В каждой ячейке флэш-памяти NAND есть транзистор с плавающим затвором, который «ловит» электроны. Наличие в ячейке электрона определяет двоичные данные, которые в ней записаны, обычно это 1 (в ячейке есть электрон) либо 0 (ячейка пуста). В отличие от жестких дисков, где данные на вращающиеся пластины записываются с помощью намагничивания, флэш-память NAND работает с данными на уровне электроники, что обеспечивает более быстрое их извлечение по сравнению с механическими дисками.

Разновидности технологии NAND

3D NAND. По этой технологии ячейки памяти вертикально упаковываются в несколько слоев, чтобы увеличить емкость и эффективность хранения по сравнению с традиционной «плоской» памятью 2D NAND. Это позволяет преодолеть связанные с плотностью ограничения флэш-памяти NAND.

Single-Level Cell NAND. В одноуровневой флэш-памяти SLC NAND в каждую ячейку записывается по одному биту, т. е. каждая ячейка, в зависимости от своего заряда, может хранить 0 и 1. Память SLC NAND обеспечивает высокую надежность хранения, скорость доступа к данным и износостойкость, потому что низкая плотность емкости снижает риск ошибок записи и износ ячеек. Обычно накопители на базе SLC NAND используются, когда нужно обеспечить максимум производительности и надежности хранения, например, для хранения бизнес-критичных данных или при использовании устройств промышленной автоматики. Однако из низкой плотности это самая дорогая память по сравнению с другими типами NAND в расчете на 1 Гбайт хранения, кроме того, она и увеличивает размеры накопителей.

Multi-Level Cell NAND. В флэш-памяти MLC NAND в каждую ячейку памяти записывается по два бита, т. е. в ячейке могут быть записаны 00, 01, 10 или 11. MLC NAND увеличивает плотность размещения емкости по сравнению с SLC NAND, обеспечивая баланс между стоимостью, производительностью и износостойкостью, поэтому часто используется в твердотельных дисках SSD потребительского класса, флэшках USB и картах памяти. Тем не менее она проигрывает одноуровневой NAND по скорости записи данных и максимальному числу перезаписываний содержимого ячеек памяти.

Triple-Level Cell NAND. В флэш-памяти TLC NAND в одной ячейке записывается три бита, поэтому каждая ячейка может иметь восемь разных состояний. Увеличение числа состояний ячеек обеспечивает повышение плотности размещения емкости и снижение ее стоимости, поэтому памятью этого типа оснащаются недорогие консьюмерские SSD, смартфоны и другие устройства эконом-класса. Однако, как и в случае MLC, за увеличение плотности приходится платить снижением производительности, надежности и износоустойчивости, хотя сейчас разработаны алгоритмы исправления ошибок и более равномерного износа ячеек TLC NAND.

Quad-level cell NAND. Четырехуровневая флэш-память QLC NAND еще более увеличивает плотность размещения емкости, обеспечивая запись в ячейку четырех битов и соответственно снижая стоимость в расчете на 1 Гбайт. Однако у нее самая низкая скорость записи и износостойкость, поэтому в основном QLC NAND используют в твердотельных системах, предназначенных для хранения больших объемов холодных данных, т.е. для тех приложений, для обслуживания которых сейчас используются жесткие диски.

Преимущества SSD

Производительность. Благодаря отсутствию движущихся компонентов твердотельные диски работают намного быстрее жестких.

Энергопотребление и тепловыделение. Отсутствие движущихся компонентов также значительно уменьшает потребление накопителей, а вместе с ним и тепловыделение. Это очень важно при выборе типа накопителя как для систем хранения корпоративного класса, устанавливаемых в дата-центрах, так и для мобильных устройств.

Недостатки SSD

Высокая цена. Флэш-память NAND значительно дороже в расчете на гигабайт емкости, чем жесткие диски, поэтому в системах хранения твердотельные диски в основном используются для хранения «горячих» (часто запрашиваемых) данных. Правда, появление памяти QLC NAND позволило значительно снизить стоимость хранения, и ряд вендоров уже продвигают свои твердотельные системы на базе QLC NAND как решение для хранения холодных данных.

Тем не менее, несмотря на активное внедрение твердотельных накопителей и появление QLC NAND, основной схемой хранения данных в корпоративных СХД остается двухуровневая модель, использующая оба типа носителей (горячие данные хранятся на твердотельных, а холодные – на жестких дисках), с механизмом автоматического переноса данных по мере изменения их «температуры» между этими двумя уровнями хранения. Такое комбинирование накопителей позволяет обеспечить баланс скорости доступа к данным и стоимости их хранения.