Disky a úložiště v roce 2020

Ačkoli ještě vcelku nedávno patřila výhradní pozice v oblasti úložišť pevným diskům (HDD), dnes jsou již jednoznačným trendem flashové paměti (SSD) a do budoucna se na tom pravděpodobně nic zásadnějšího nezmění, protože jejich výhody jsou pro většinu úloh nezpochybnitelné. Určitě to však neznamená, že by výrobci klasických pevných disků měli v plánu „zavírat krám“. Ve skutečnosti je tomu přesně naopak, protože jejich plány jsou hodně smělé, což ostatně dokládá i řada ohlášených novinek z loňského roku. HDD tedy svůj boj nevzdávají a je pravděpodobné, alespoň tedy za předpokladu, že se výrobcům podaří postupně plnit své sliby, že tu s námi vydrží ještě dlouho.

Harddisky vracejí úder

HDD jsou dnes běžně dostupné v kapacitě až 16 TB. Snad již v první polovině roku letošního bychom se mohli začít setkávat s HDD s kapacitami 18 až 20 TB. Aby toho bylo možné dosáhnout, musejí výrobci neustále inovovat. Ještě nedávno se zdálo, že rozdělení rolí je vcelku jasné – zatímco společnost Seagate rozvíjela a propagovala technologii HAMR, Western Digital svou budoucnost spojoval s technologií MAMR. Na těchto dvou technologiích měly být podle původních plánů postaveny již 18- až 20TB disky, které se měly dostat do prodeje již během roku 2020. Nyní se však zdá, že si na jejich nástup budeme muset počkat o něco déle, výrobci budou ještě nějakou dobu vybrušovat své v současné chvíli využívané technologie jako PMR (či EPMR) a dále ladit jejich nástupce.

Navíc se začalo hovořit o technologii EAMR. Za ní stojí rovněž společnost WD, která, jak jsme si již řekli, se sice až donedávna veřejně přikláněla k technologii MAMR, ale nyní se jako vysoce pravděpodobné ukazuje, že sáhne i po „konkurenční“ metodě MAMR. A právě proto vzniklo i označení EAMR (energy-assisted magnetic recording), tedy energeticky asistovaný magnetický záznam. Vtip je v tom, že pod toto označení lze schovat jak metodu MAMR, tak i HAMR. Je tedy pravděpodobné, že výrobce si takto nechává otevřená zadní vrátka pro využití obou výše zmiňovaných technologií.

HAMR

Zkratka HAMR je složeninou anglických slov heat-assisted magnetic recording, volně přeloženo tepelně asistovaný magnetický záznam. Principiálně staví na základech aktuálně využívané technologie PMR (perpendicular magnetic recording) s tím, že na každou zapisovací hlavičku je přidána miniaturní laserová dioda, která konkrétní místo na disku během zápisu zahřeje, a umožní tak zapsat miniaturní informaci při požadované kvalitě, polaritě a stabilitě. Díky miniaturizaci prostoru potřebného pro zapsání informace dochází k řádovému navýšení hustoty zápisu. Konkrétní místo se při zápisu asi na nanosekundu zahřeje asi na 650 °C. Kvůli potřebě zapisovací materiál rychle zahřát na velmi vysokou teplotu a následně zchladit (a nutnosti tento cyklus mnohokrát opakovat) bylo nutné sáhnout i po změnách ve struktuře materiálu ploten (využívá se „sklo“), s čímž výrobce dlouho experimentoval, než se podařilo vše dotáhnout do potřebné spolehlivosti a odolnosti akceptovatelné pro zahájení sériové výroby.

Disky s technologií HAMR zachovávají současné standardy klasických 3,5″ jednotek, takže je bude možné (přinejmenším alespoň fyzicky) volně zaměňovat se staršími modely, což se již potvrdilo i při testování předprodukčních vzorků. Výměna disků ve stávajících datových centech či systémech nebo serverech tak bude velmi jednoduchá („plug and play“) a pro zákazníka nebude znamenat náklady navíc.

První testovací disky byly vyrobeny již v roce 2018 a v současné době se jejich vlastnosti testují v reálném provozu u zákazníků. Podle původních plánů se měly do prodeje dostat již v průběhu roku 2019 disky Seagate Exos s kapacitou 16 TB, v roce 2020 by měly následovat 20TB jednotky. A v roce 2023 chtěl výrobce dosáhnout až na 40 TB. Zhruba v té době se očekává i nástup vylepšené technologie HDMR s příslibem až 100TB disků dostupných okolo roku 2025. Tyto plány se však ukázaly jako příliš smělé, a proto nám nezbývá než čekat a sledovat, jak se situace vyvine. Zatím disky v prodeji nejsou.

MAMR

Za označením MAMR se skrývají slova microwave-assisted magnetic recording, volně přeloženo mikrovlnami asistovaný magnetický záznam. V tomto případě se pro zvýšení hustoty zápisu využívá vysokofrekvenční pole generované točivým oscilátorem (STO) v zapisovací hlavě. Oscilátor vytváří magnetické mikrovlny s frekvencí 20 až 40 GHz. Oproti technologii HAMR je tato metoda více podobná doposud používané technologii PMR, nevyžaduje změny v materiálovém složení ploten, nepracuje při tak vysokých teplotách a výsledek by tedy měl být nejenom technologicky jednodušší a spolehlivější, ale zejména levnější. Výrazně jednodušší je také integrace oscilátorů ke stávajícím komponentám. Zanedbatelné by měly být také vyšší nároky na příkon.

Ani v případě technologie MAMR nebude nic bránit v bezešvém nasazování produktů v současných datových centrech a dalších systémech. Disky založené na technologii MAMR jsou již v testovacím stadiu u zákazníků. Do roku 2025 se počítá s nástupem 40TB exemplářů.

Nevzdávají se ani další výrobci. Např. i Toshiba na rok 2020 plánuje uvedení 18TB HDD a následovat by mělo i 20 TB. Toshiba však hodlá jít na věc trochu jinak – chce totiž nadále zvyšovat počet ploten – 20TB varianta by jich měla obsahovat rovných deset. Současné maximum činí devět ploten. Ve vzdálenější budoucnosti však i Toshiba počítá s nasazením technologií EAMR.

Flashové paměti

SSD paměti se aktuálně vyskytují v několika formátech – nejčastěji jako 2,5″ (formát známý také z klasických pevných disků pro notebooky) a dnes stále častěji i jako karta do slotu M.2. Výhodou řešení ve formátu M.2 je přímé napojení na rozhraní PCIe prostřednictvím protokolu NVMe (zároveň však lze slot M.2 využít i pro zapojení skrze starší rozhraní SATA). Kromě vysokých přenosových rychlostí, které dosahují u moderních úložišť řádově i několika tisíců MB/s, je výhodou také kompaktní provedení a přímé připojení bez nutnosti pomáhat si jakýmikoli kabely. Výrazného nárůstu rychlosti přenosu dat bylo možné dosáhnout i díky přímé komunikaci s procesorem.

Nejvýkonnější dostupná flash úložiště nabývají i podoby interní karty připojené na sběrnici PCIe, tato řešení bývají extrémně výkonná, na druhou stranu jsou však samozřejmě také drahá, a uplatní se zejména v pracovních stanicích a serverech.

Růst výkonu flashových úložišť výrazně těží z nástupu technologie PCI Express 4.0, jejíž dostupnost je však zejména pro běžné spotřebitele bohužel stále poměrně limitovaná (na AMD). Díky zvýšení propustnosti na jednu linku však mohou úložiště dosahovat takřka dvojnásobné rychlosti – např. připravované SSD od společnosti Lexar, které by mělo být na trh uvedeno na začátku roku 2020, má dosahovat rychlostí až 7 GB/s při sekvenčním čtení a až 4 GB/s při sekvenčním zápisu. Další zrychlení přinese připravované rozhraní NVMe 1.4 a později i PCI Express 5.0. Kromě rychlostí slušně rostou i kapacity – pravdou je, že v případě běžných SSD se sice nejčastěji setkáváme s kapacitami od jednoho do čtyř TB, ale pro skutečně náročné operace lze za patřičnou sumu získat i zcela jiné parametry – např. prostřednictvím řešení Micron 9300 Pro lze získat až 15 TB skutečně rychlého flashového prostoru.

Z vlastností rozhraní NVMe těží také paměti 3D XPoint, které společně vyvinuly firmy Intel a Micron. Technologie 3D Xpoint využívá jinou paměťovou architekturu než dosavadní typy pamětí, přičemž základem je tzv. technologie fázové změny (phase-change memory) a architektura křížových bodů (cross-point architecture). Na rozdíl od dnešních médií zcela chybějí tranzistory. Jde o kompletně novou třídu paměti, jež výrazně snižuje latenci a umožňuje uložení velkého množství dat v blízkosti procesoru. Zároveň odpadá i zpomalení při postupném zaplňování dostupného diskového prostoru. Jde o tzv. nevolatilní paměť, takže data zůstanou uchována i při ztrátě napájení.

Na nevolatilních pamětech 3D XPoint staví také řešení Intel Optane, které v kombinaci s pokročilým paměťovým ovladačem a hardwarovým a softwarovým rozhraním otevřelo značný výkonnostní potenciál v mnoha zařízeních od paměťových modulů pro cachování operačního systému a pamětí přes úložiště pro běžná koncová zařízení až po servery a další specifické prvky.

Jako první se na trh dostaly paměťové moduly Intel Optane Memory karty M.2 s rozhraním PCIe NVMe 3.0. Moduly jsou dostupné v kapacitách 16 a 32 GB a neslouží jako plnohodnotná úložiště, ale jako chytrá cache paměť, která má za úkol zvýšit výkon a snížit dobu odezvy zařízení, typicky hlavně levnějších stolních počítačů nebo notebooků. Na technologii Intel Optane však již dnes stavějí i některá SSD.

Prozatím stále příslibem budoucnosti (doufejme však, že již velmi blízké) zůstávají paměťové moduly Intel Optane DC Persistent Memory. Moduly rovněž stavějí na technologii 3D XPoint a budou se vkládat do slotů pro paměti RAM (avšak fungovat zcela jinak). Jeden modul přitom pojme až 512 GB a neztratí data ani při odpojení napájení. Ačkoli tedy pojmenování Intel Optane DC Persistent Memory může svádět k jejich připodobňování k pamětím Intel Optane, jde ve finále o odlišnou záležitost. Z funkčního hlediska paměti Intel Optane DC Persistent Memory vytvoří jakýsi most mezi stávajícími DRAM pamětmi a non-volatilními úložišti, jako jsou SSD či HDD. Fyzicky jsou moduly (pinově) kompatibilní se standardem DDR4 a podporují je pouze serverové procesory Intel Xeon.

Autor textu: František Doupal