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[企業儲存觀察室] 傳統硬體儲存供應商的市場混戰

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2021/09/30

[企業儲存觀察室|技術] Western Digital 創新架構以快閃強化 HDD

現今的傳統磁碟面對的最大挑戰來自於快閃/固態儲存,無論是在存取效能或資料儲存容量上,儘管就單位儲存成本來看,HDD 仍然稍稍佔有一點領先的優勢,但差距越來越小,隨時有被逆轉的可能。除了採用增加磁記錄密度的各項技術之外,Western Digital 近日發表了一項稱為 OptiNAND 的新技術,搭配快閃記憶體來使 HDD 更加進化。利用快閃儲存來強化 HDD 並不是什麼新想法,Seagate 是市場上第一家推出 SSHD (Solid-State Hybrid Drive) 固態混合硬碟的供應商,當年剛推出時筆者曾經試用過,其實不論是效能、價格或實際體驗上都還不差。

圖片來源:Western Digital

Seagate 的 SSHD 在概念上非常的直覺,就是把容量不大的快閃記憶體拿來做為熱資料的快取,把 SSD 當成 HDD 快取的擴充,與我們經常提到的層級式儲存概念類似。
這種做法固然可以提升 HDD 的效能,但對容量的貢獻度不大,而且由於價格上的考量,SSHD 所使用的快閃記憶體容量不會太大。
以當年筆者測試的 500GB 磁碟為例,它使用了 4GB 的 SSD,不過現在市面上的同類型產品幾乎都沒有再標示 SSD 的容量了。

這類產品的另一個重點在於層級式儲存軟體的運作方式,如何提高熱資料的命中率,使資料的存取更有效率?例如 Seagate 的 MTC (Multi-Tier Caching) 與 Adaptive Memory 技術,根據原廠產品型錄上寫的是「透過運用 NAND 快閃記憶體、DRAM 及媒體快取技術提升效能,加速檔案及應用程式的載入速度」,「能辨識經常存取的資料,因而可以更快提供資料、消耗較少電量並延長硬碟機壽命」,但筆者找不到實際上如何運作的技術文件。

無論如何,儘管效能有所提升,SSHD 的這種概念是無法滿足 HDD 在有限空間內增加更多容量的挑戰。WD 的 OptiNAND 技術則與 SSHD 完全不同,它不是混合 (Hybird) 的概含,使用的是由 WD 子公司 SanDisk 開發的 UFS (Universal Flash Storage),標準的嵌入式快閃記憶體 (Embedded Flash Drive, EFD),加上傳統旋轉式磁碟媒體,整合了韌體演算法與系統單晶片 (System-on-a-Chip, SoC) 的創新。
OptiNAND 從一開始就專注在兩個重點上:增加容量和提高效能,最終它還增加了磁碟機的可靠性。

以現今的技術來看,要增加磁碟機的容量有兩種方式:增加磁碟片的數量,或是縮小磁軌的間距。
磁軌就好比高速公路上車道,縮小每一個車道的寬度就可以容納更多的車子,但車道間互相干擾的風險也會增加。同樣地磁軌越窄,也越容易發生對鄰近磁區磁干擾的風險。
一個磁區被干擾的次數,以及讀寫頭位置的偏移等關鍵性的中繼資料(元數據,Metadata)是存放在 DRAM 中的,中繼資料的精確度會影響資料讀取的正確性,同時間中繼資料的精確度也會受到 DRAM 大小的限制。因此當磁軌的間距不斷的縮小,每英吋磁軌數量 (TPI, Tracks Per Inch) 不斷的增加,為了正確的讀寫資料,運作中磁碟的中繼資料就會大幅度的增加,可以想見這些達到 GB 級別的中繼資料,在磁碟運作時必須隨時更新,這肯定會對用戶資料的存取產生干擾。

OptiNAND 用 UFS 來維護磁碟工作時所產生的中繼資料,功能類似於 DRAM 快取,可以快速地更新,使磁頭更精準的定位,也不會對用戶資料的存取產生干擾。WD 更進一步的優化這些中繼資料,提高 TPI,就可以使磁碟的容量更大。
減少中繼資料讀寫的干擾可以提升用戶存取的效率,OptiNAND 另一個提升磁碟效能的方式跟寫入快取有關。

大部份的時候資料是否被實際寫入磁碟並不重要,只要系統收到資料已經到達非揮發性儲存時就已經足夠,這時候寫入快取是被開啟的。但在某一些對資料安全要求性高的情況下,為了避免資料在快取中時意外斷電而導致資料損毁,因此會要求資料必須直接被寫入磁碟,儘管會慢一點,這時寫入快取會被關閉。OptiNAND 使用的 UFS 快閃記憶體速度更快、容量也更大,因此即便是在啟用寫入快取時,一旦外部電源中斷時,OptiNAND 可以在一秒鐘之內經由磁碟旋轉的動能為內部電容器供電,直到將所有 DRAM 上的資料寫到非揮發性 NAND 上,這可以在斷電時保存資料防止丟失。

隨著 OptiNAND 新架構進入最終開發階段,Western Digital 正與選定的大型用戶進行測試,也打算在多個市場使用,包括超大型資料中心、雲端、NAS、外接式儲存系統等。WD 預計下一世代的磁碟機將採用包括 OptiNAND 在內的新技術,預計將在這個十年末達到單顆磁碟 50TB 的容量。