Первый жесткий диск, появившийся в 1956 году, весил тонну и мог хранить всего 5 МБ данных — этого хватило бы для одной песни в формате MP3. Сегодня мы легко помещаем на флешку размером с палец тысячи таких песен, а жесткие диски вмещают десятки терабайт. Но даже этого уже недостаточно: объем данных в мире растет экспоненциально и в этом году составит 181 зеттабайт.
Прорывные технологии уже на этапе тестирования — скоро на рынке появятся первые HAMR- и HDMR-диски, которые используют тепло и нанотехнологии, чтобы преодолеть физические ограничения современных носителей. Эти технологии обещают жесткие диски емкостью до 120 ТБ и выше.
На горизонте еще более смелые решения: хранение данных в молекулах ДНК, кварцевые носители, способные сохранять информацию миллиарды лет, и многое другое. Давайте разберемся, как технологии хранения данных меняют наш мир и какие вызовы нам предстоит решить на пути к будущему.
Как мы храним данные сегодня: от флешек до дата-центров
Каждый пользователь, будь то человек или компания, сам выбирает, где хранить данные, исходя из своих задач и потребностей.
Флешки и карты памяти. Не требуют подключения к интернету и доступны по цене, что делает их популярными среди обычных пользователей.
Жесткие диски (HDD). Недорогие и вместительные, широко используются в настольных компьютерах и серверах. HDD объемом 4–12 ТБ подходят для хранения больших медиафайлов, таких как фильмы и резервные копии данных. Но скорость их работы ниже, чем у SSD.
В современных дата-центрах переходят на диски емкостью 22–24 ТБ, которые обеспечивают большую плотность хранения данных в расчете на 1U. Например, в нашей инфраструктуре мы активно внедряем диски объемом 24 ТБ для хранения резервных копий данных и для BaaS-сервиса. Это оптимизирует доступное пространство в ЦОД.
Однако текущих объемов HDD всё равно уже недостаточно для растущих потребностей ЦОД. Именно поэтому индустрия активно стремится к разработке и внедрению дисков объемом от 36 ТБ и выше, чтобы удовлетворить спрос на хранение данных в условиях экспоненциального роста.
Твердотельные накопители (SSD). Они обеспечивают более быстрый доступ к данным по сравнению с HDD и сокращают время загрузки систем, что особенно важно для высоконагруженных сервисов и приложений. Мы в mClouds тоже полностью перешли на SSD для серверов клиентов, оставив HDD только для работы с архивными данными и резервными копиями в облако.
Облачные хранилища. С ними данные доступны в любое время и в любом месте. Сервисы вроде Google Drive и Яндекс Диск предлагают пользователям бесплатное и платное пространства, начиная с 5–15 ГБ и доходя до 2 ТБ и более. Однако облачные решения зависят от качества интернет-соединения и могут быть уязвимы к сбоям или атакам.
Ленточные накопители. Несмотря на кажущуюся архаичность, они продолжают использоваться для долгосрочного архивирования. Например, одна лента LTO-9 может хранить 18 ТБ данных без сжатия и до 45 ТБ с использованием сжатия, а стоимость хранения на таких носителях составляет всего 0,01 $ за ГБ. Это делает их незаменимыми для архивов и резервных копий, особенно в научных и финансовых организациях.
Более того, в роадмапе развития стандарта LTO уже представлено 14-е поколение (Gen 14) с нативной емкостью 576 ТБ и до 1440 ТБ в сжатом виде.
В корпоративной среде часто используются гибридные системы, объединяющие преимущества HDD, SSD и облачных решений. Например, компания может использовать SSD для хранения часто используемых данных, таких как базы данных или операционные системы, HDD — для менее критичных данных, а облако — для резервных копий. Такие системы позволяют оптимизировать производительность и затраты, обеспечивая доступ к данным в любое время.
Но все эти носители информации сильно ограничены по емкости. Эта проблема особенно актуальна для ЦОД, так как рост емкости дисков происходит медленнее, чем увеличиваются объемы данных в дата-центрах, а текущие характеристики уже не удовлетворяют потребностей. Разработка дисков с большей емкостью, таких как HAMR и HDMR, в основном ориентирована на использование в ЦОД для хранения огромных массивов данных.
HAMR и HDMR: как тепло и нанотехнологии изменят будущее жестких дисков
Технологии HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording) и HDMR (Heated Dot Magnetic Recording) предлагают новые возможности для увеличения емкости. Компания Western Digital, один из лидеров индустрии, активно работает над их внедрением, планируя выпуск жестких дисков емкостью более 100 ТБ.
HAMR. Эта технология использует лазерный диод, который нагревает крошечный участок диска перед записью данных. Это временно снижает коэрцитивную силу материала записи, благодаря чему можно записывать данные в значительно меньшие области. На одном диске получится уместить больше информации — до 100 ТБ.
HAMR требует невероятной точности: нагрев и охлаждение должны происходить за наносекунды, чтобы избежать повреждения соседних областей диска. Это делает производство таких дисков сложным и дорогостоящим.
Еще одна сложность технологии — HAMR-диски требуют новых лазеров для точного нагрева, а также систем терморегулирования для управления температурой. Кроме того, магнитные материалы, такие как FePt (железо-платиновые сплавы), должны быть тщательно подобраны для сохранения стабильности и долговечности данных.
HDMR. Эта технология сочетает тепловую запись с технологией битового рисунка (Bit-Patterned Media, BPM). В HDMR каждый бит данных физически изолируется с помощью сложных процессов, таких как наноимпринтная литография, электронно-лучевая литография или высокоточное травление. Эти методы позволяют достичь плотности записи более 8 ТБ/дюйм² и создавать жесткие диски емкостью 120 ТБ и выше.
Производство HDMR требует чистых помещений и дорогостоящего оборудования, что делает технологию доступной пока только для крупных корпораций. Кроме того, локальный нагрев должен быть крайне точным: слишком сильный нагрев повредит соседние области, а слишком слабый приведет к сбоям записи.
Western Digital планирует начать производство первых HAMR-дисков в 2026 году. Начальная емкость этих дисков составит 36 ТБ для традиционной магнитной записи (CMR) и 44 ТБ для записи UltraSMR (Shingled Magnetic Recording). Уже сейчас Western Digital тестирует HAMR-диски с двумя крупными клиентами, которые работают с гипермасштабируемыми системами. К 2030 году компания планирует выпустить жесткие диски емкостью от 80 до 100 ТБ, используя технологию HAMR.
Однако в гонке за лидерство в этой области Western Digital пока отстает от своего главного конкурента — Seagate. Эта компания уже производит HAMR-диски. Модели Exos M емкостью 32 и 36 ТБ используют технологию Mozaic 3+ с плотностью записи 3,6 ТБ на пластину.
А HDMR-диски и вовсе появятся только после 2030 года. Для дата-центров это станет ключом к созданию более эффективных и масштабируемых систем хранения.
Что дальше? Будущее хранения данных
HAMR и HDMR — это лишь начало. Уже разрабатываются новые методы и подходы, которые могут кардинально изменить то, как мы храним и обрабатываем информацию.
MAMR. Эта технология использует микроволны для увеличения плотности записи данных. В отличие от HAMR, где применяется лазерный нагрев, MAMR работает за счет микроволнового воздействия на магнитные частицы, что позволяет записывать данные на меньшей площади. Основные преимущества MAMR — ниже энергозатраты и проще производство по сравнению с HAMR.
Принцип работы MAMR основан на применении микроволнового генератора, который воздействует на магнитные частицы, временно снижая их сопротивление. Это позволяет записывать данные на более плотно расположенные участки диска. Однако, несмотря на перспективность, разработка MAMR столкнулась с техническими сложностями, что привело к смещению фокуса на технологии HAMR.
Western Digital ранее активно работала над MAMR, но в последние годы сместила фокус на технологии HAMR и HDMR. Это связано с тем, что HAMR оказалась более перспективной для достижения высокой плотности записи. Seagate также сосредоточилась на HAMR, что делает будущее MAMR менее определенным.
ДНК-хранилища. Одна из самых революционных технологий будущего. В них данные кодируются в молекулах ДНК, что обеспечивает невероятную плотность хранения — один грамм ДНК может хранить до 215 петабайт данных. Принцип работы основан на преобразовании цифровой информации в последовательность нуклеотидов (A, C, G, T), которые затем синтезируются в молекулы ДНК.
ДНК отличается долговечностью — данные могут сохраняться тысячи лет без потери качества. Кроме того, ДНК устойчива к воздействию окружающей среды, что делает ее идеальной для долгосрочного хранения. Однако высокая стоимость синтеза ДНК и низкая скорость записи пока ограничивают массовое применение этой технологии.
ДНК-хранилища могут применяться в медицине, космических исследованиях и в любых сферах, где необходимо долгосрочное хранение, например, научных или исторических записей.
Стартап Catalog в 2019 году закодировал 16 ГБ текста Википедии в ДНК, что стало важным шагом в развитии этой технологии. Twist Bioscience работает над снижением стоимости синтеза ДНК, что может сделать технологию доступной для массового использования.
Диоксид кремния. Это технология, которая позволяет записывать данные на материал, устойчивый к времени и внешним воздействиям.
Преимущество диоксида кремния — исключительная долговечность и устойчивость к экстремальным условиям. Это делает его идеальным для долгосрочного архивирования и использования в космических миссиях. Однако технология всё еще находится на стадии разработки, и ее массовое внедрение потребует значительных усилий. Microsoft Project Silica сейчас активно работает над коммерциализацией этой технологии, обещая революцию в архивировании.
Важно понимать, что емкие диски, такие как HAMR-диски емкостью 100 ТБ, в первую очередь ориентированы на облачных и хостинг-провайдеров, а также на дата-центры, где объемы данных измеряются в эксабайтах. Для обычных пользователей такие устройства избыточны, так как они редко работают с такими объемами данных.
Многие выражают скептицизм, опасаясь, что выход из строя диска большого объема может привести к значительным потерям данных. Однако в ЦОД диски не используются по одному — их объединяют в отказоустойчивые массивы, такие как RAID. Это означает, что выход из строя одного или даже двух дисков одновременно не приводит к потере данных, хотя может временно снизить производительность системы до восстановления массива в рабочее состояние.
Поэтому такие решения в первую очередь предназначены для дата-центров и корпораций, где используются сложные системы резервного копирования и восстановления данных. Для них технологии вроде HAMR и HDMR открывают возможность создавать более эффективные и масштабируемые системы, способные справляться с растущими объемами данных.