Потеря бэкапов — проблема как для обычных пользователей, так и для организаций. Ситуации, когда данные пропадают из-за программного сбоя, не редкость, но так же часто причиной потери становится сбой аппаратный — в 42% случаев (по данным StorageCraft).
В ЦОДах для хранения резервных копий флеш-память постепенно занимает доминирующее положение. У SSD есть множество плюсов и очень мало минусов. Можно предположить, что через несколько SSD накопители победят окончательно и бесповоротно. На самом деле все обстоит несколько иначе.
Посмотрим на статистику облачных провайдеров и опыт энтузиастов, предпочитающих нестандартные подходы к хранению резервных копий.
SSD выходят вперед
Эксперты консалтинговой компании Compass посчитали, что стоимость хранения данных и доступность SSD падает год от года. За последние пять лет она сократилась на 76%, а к концу следующего года может упасть еще в два раза. Эксперты ожидают, что цена на твердотельные накопители сравняется с ценой на жесткие диски. Однако стоимость не единственный параметр, по которому SSD постепенно обходят HDD.
В начале осени в компании Backblaze опубликовали отчет по надежности накопителей. Компания собирает статистику отказоустойчивости с 2018 года. И на горизонте пяти лет оказалось, что SSD выходят из строя значительно реже, чем их «старшие братья».
Возможности винчестеров постепенно подходят к физическому пределу. Дискретные области — домены — на рабочей поверхности современных дисков расположены настолько близко друг к другу, что направление вектора намагниченности может непроизвольно меняться под воздействием температуры и приводить к потере информации. Это накладывает ограничения на скорость вращения дисков, нагревающихся в той или иной степени в зависимости от окружающей их среды. Поэтому и появляются соответствующие технологии, способные снизить ее влияние. Например, гермозону дисков наполняют гелием, снижающим трение. Но и у данного подхода тоже есть свои недостатки и ограничения.
В таком контексте все больше компаний и операторов ЦОД заменяют жёсткие диски твердотельными накопителями, но SSD тоже имеет свои нюансы. Один из них — вероятность случайной потери данных. В этом году сразу у нескольких крупных площадок — включая Hacker News — произошел сбой. Его вызвала ошибка в прошивке SSD, из-за которой накопитель выходил из строя после наработки в 40 000 часов. Впервые с аналогичной проблемой столкнулись еще в 2019 году. Тогда пользователь Reddit рассказал, что за 15 минут в его компании вышли из строя сразу шесть твердотельных накопителей. Чтобы избежать серьёзных последствий, можно строить RAID на устройствах разных поставщиков. Тогда непредвиденный баг в прошивке не приведет к невосполнимой потере данных.
Библиотека оптических дисков
В то время как SSD набирают обороты в сфере хранения данных, энтузиасты возвращаются к технологиям прошлого века — оптическим дискам. Одна из ключевых причин — надежность хранения. Во-первых, у CD нет подвижных механических элементов, которые со временем могут выйти из строя. Во-вторых, они защищены от разного рода шифровальщиков. Хакеры и вирусы не могут удалить или модифицировать данные на диске, поскольку они неизменяемы и хранятся офлайн. Однако сложно сказать, придут ли CD в дата-центры облачных провайдеров. С большой долей вероятности они останутся инструментом энтузиастов.
В пользу этого утверждения также играет ряд недостатков технологии — в частности, низкая скорость записи. Однако её можно решить за счет более совершенных приводов. Несмотря на переход оптических дисков в категорию ретро-технологий, в этом году компания Pioneer выпустила новый Optical Disc Drive (ODD), удваивающий скорость записи. Привод обладает встроенными механизмами обработки ошибок — изменяет метод чтения, если сталкивается с царапинами или грязью на поверхности CD. Такой подход дополнительно повышает надежность хранения данных.
В целом оптическая запись имеет гораздо больший потенциал. На неё основе развивают технологию для хранения данных на протяжении сотен лет в стеклянных пластинах. С помощью лазеров инженеры модифицируют структуру материала — формируют трёхмерные решётки на различной глубине. Записать таким образом можно порядка 75 Гбайт. Накопитель практически не подвержен старению и деградации, но предстоит еще много работы, прежде чем технология выйдет на рынок.
Будущее накопителей
По прогнозу IDC доля ленточных накопителей вырастет с 14% (2018 год) до 18% (2024 год), как и доля SSD, однако в ближайшем будущем HDD останутся доминирующей технологией хранения данных. Объяснение очень простое: HDD сохраняет ценовое преимущество.
SSD-накопители, в отличие от классических HDD, обеспечивают малое время доступа к данным, высокую скорость чтения и записи, не шумят и обладают малым энергопотреблением. Еще одно важное преимущество SSD — дискам не нужно проводить дефрагментацию. Ведь контроллеру все равно, где именно в микросхемах находятся информационные ячейки с нужными данными, время доступа к ним будет одинаково в отличие от механического «харда».
До недавнего времени основными факторами, сдерживающими массовое внедрение SSD-накопителей, были малое время наработки на отказ и высокая стоимость хранения данных в пересчете на гигабайт. Раньше накопители на базе NAND-технологии были рассчитаны на 3-10 тысяч циклов записи. Однако выпускаемые сегодня флеш-накопители уровня Enterprise выдерживают минимум 100 000 циклов. То есть надежность SSD выросла на порядок.
Высокая скорость работы SSD и малое время доступа — весьма важные характеристики. Но для облачных провайдеров на первое место выходит экономичность. В отличие от классических жестких дисков SSD обладают малым энергопотреблением, им не нужна высокая пиковая мощность для раскрутки дисков. Требуется меньше затрат на электричество. Добавьте сюда еще и облегченный тепловой режим в стойке, ну чем не идеальный вариант?
Источник: What Is Zoned Storage Initiative?
Также важна высокая надежность современных SSD. Сегодня по надежности они не уступают HDD, а то и превосходят. Жесткие диски, однако, исчезнут не скоро. Производители ищут способы увеличить плотность записи данных, при этом не жертвуя скоростными характеристиками и надежностью винчестеров. В качестве примера можно рассмотреть метод черепичной магнитной записи (Shingled Magnetic Recording, SMR). SMR увеличивает плотность записи за счет того, что дорожки чтения/записи накладываются друг на друга на пластине подобно черепице на крыше.
Суть SMR можно представить следующим образом: пишущая головка смещается вперед лишь на часть своей ширины, поэтому каждый предыдущий трек оказывается частично перезаписан последующим: магнитные дорожки накладываются друг на друга подобно кровельной черепице. Такое расположение увеличивает плотность дорожек на носителе.
SMR это лишь один из методов. Одно из самых перспективных направлений — EAMR (energy-assisted magnetic recording, магнитная запись с использованием энергии). EAMR использует тепловой нагрев или микроволны, чтобы сделать диски более восприимчивыми к магнитным эффектам и записывать информацию на гораздо меньших участках.
- HAMR (heat-assisted magnetic recording, технология записи информации с локальным нагревом магнитной пластины)
С помощью лазера локально нагревают поверхности магнитных пластин до 450°C, что снижает напряженность магнитного поля и уменьшает площадь, необходимую для записи 1 бита информации. HAMR позволяет в перспективе записывать данные с плотностью 5-6 Тбит/дюйм² против нынешних 1,14 Тбит/дюйм² у традиционной перпендикулярной магнитной записи.
- MAMR (microwave-assisted magnetic recording, микроволновая магнитная запись)
Многослойный тонкопленочный генератор высокочастотного поля усиливает магнитные свойства головки и снижает затраты энергии. Технология позволяет увеличить плотность записи до 4 Тбит/дюйм² и создавать HDD объемом 40 ТБ.
- TDMR (two dimensional magnetic recording, двумерная магнитная запись)
Технология основана на использовании нескольких считывающих элементов для создания более высокого соотношения сигнал/шум. TDMR позволяет увеличить плотность записи на 20% по сравнению с классической перпендикулярной магнитной записью.
- HDMR (heated dot magnetic recording, магнитная запись с точечным нагревом)
Перспективная магнитная запись, совершенствующая HAMR за счет использования битовых шаблонов (bit patterned media). HDMR открывает путь к накопителям с объёмом более 100 Тб.
- OptiNAND
Альтернативное направление развития — интеграция в жесткие диски флеш-накопителей. В OptiNAND дисках метаданные хранятся на флеш-модуле NAND. Плотность записи увеличена за счет ePMR (energy-assisted perpendicular magnetic recording technology) — технологии перпендикулярной магнитной записи с энергетической поддержкой.
Кроме того, ведутся разработки по распространению протокола NVMe на жесткие диски. В конечном счете развитие технологий приведет к появлению стандартов, не зависящих от устройств. Это, в свою очередь, позволит шире применять различные накопители в ЦОДах.
DNA data storage
Фото: University of Michigan
Новые технологии позволят увеличить емкость HDD и до 100 ТБ в течение нескольких лет, но всех проблем этот процесс не решит. По данным IDC, скорость создания данных растет быстрее, чем объем хранилищ.
Выход из ситуации – совершенно новые технологии. Например, разработка ДНК-хранилищ. Ученые считают, что метод позволит хранить данные дата-центра в нескольких кубиках сахара.
Классический подход к записи данных в молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты предполагает преобразование последовательности битов ― нулей и единиц ― в последовательность из четырех базовых оснований ДНК.
Сейчас массовому внедрению систем хранения данных на основе ДНК препятствуют дороговизна технологии и низкие скорости чтения/записи информации.
Возможности облака
С точки зрения пользователя облако представляет собой гибкую и масштабируемую виртуальную инфраструктуру. Заказчик может в любой момент запросить нужное количество ресурсов, и получит их в течение нескольких минут. Соответственно, провайдер всегда должен иметь определенный запас свободного места в системах хранения данных (СХД).
СХД также выполняет задачи по сохранению данных, обеспечению их целостности и предоставлению доступа. В ЦОДах для обеспечения высокой надежности все компоненты СХД, начиная от контроллеров и заканчивая блоками питания, портами и другой электроникой, дублируются.
Наше хранилище резервных копий построено на базе RAID. Мы используем дисковые полки (JBOD) с высокой плотностью установки. Логическое дисковое пространство организовано с использованием «железного» RAID-контроллера. Тип RAID-групп – Double Parity – позволяет одновременно выйти из строя двум дискам из каждой RAID-группы.
Для оперативной подмены вышедших из строя дисков используется горячее резервирование (Hot Spare). При сбое диск Hot Spare может автоматически занять место неисправного диска.
RAID-контроллер оснащён модулем резервного питания Backup Battery Unit (BBU). Используя кэш RAID-контроллера и режим записи данных Write Back, модуль предотвращает потерю данных при экстренном отключении сервера.
Благодаря этим технологическим подходам выход из строя одного диска не оказывает влияние на систему и сохранность данных. Если происходит сбой, то сигнал сразу поступает дежурному персоналу, который заменяет компоненту.
Сегмент облачного резервного копирования сохранит устойчивые темпы развития — в корпоративной среде есть спрос не только на безопасную работу с данными, но и эффективность, гибкость соответствующих бизнес-процессов. Данные элементы в полной мере соотносятся с возможностями облачных провайдеров — например, сегодня вынести в облако можно и виртуальные машины и рабочие станции.
