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nand hdd 西数畅想基于OptiNAND闪存的机械硬盘性能改进方案

发布时间 : 2024-10-06

作者 : 小编

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西数畅想基于OptiNAND闪存的机械硬盘性能改进方案

过去几年，硬盘驱动器市场迎来了蓬勃的发展。不过较长一段时间内，机械硬盘（HDD）制造商的技术路线图都是大同小异的。 比如 HGST 率先推出了充氦机械硬盘，然后希捷与东芝也在几年内引入了类似的产品线。2017 年前，大家又一致转向了基于热辅助磁记录（HAMR）的技术路线，以拓展传统垂直记录（PMR）的存储密度潜力。

（图 via AnandTech）

2017 年 4 季度的时候，西数又宣布决定为将来的 HDD 产品线引入微波辅助磁记录（MAMR）技术。与此同时，希捷一直在 HAMR 方案上发力，并为企业客户推出了 20TB 的产品（尽管尚未进入零售市场）。

与此同时，西数承诺提供 16TB 的 MAMR 机械硬盘驱动器，然后提供了能量增强型 ePMR 产品线。另一方面，东芝也推出了基于磁通控制（FC-MAMR）的 MG09 系列企业级 16TB / 18TB HDD 产品线。

在周二举办的 HDD Reimagine 活动期间，西数隆重介绍了新颖的 OptiNAND 架构，特点是在 PCB 上集成了嵌入式的 UFS 闪存（EFD）。

该公司还宣布，其已为特定客户提供了基于支持 OptiNAND + ePMR 方案的首批非叠瓦（SMR）驱动器样品，并致力于为所有 20TB+ 硬盘驱动器引入 OptiNAND，且有望在本世纪下半叶实现 50TB 存储容量。

尽管没有披露确切的 OptiNAND 闪存容量，但西数还是强调这并不是重新发明混合式驱动器（SSHD）。

与 SSHD 不同的是，OptiNAND 不会在正常操作期间存储任何用户数据，而是用于存储来自 HDD 操作的元数据，以提升容量、性能与可靠性。

在公告中，西数还揭示其 9 碟版 20TB 机械硬盘驱动器将沿用 ePMR 方案。除了使用三级驱动器来增强磁头在磁道上的定位精确度，该公司还吹嘘 OptiNAND 是达成单碟 2.2 TB 磁记录密度的一个关键。

通常情况下，面密度的增加，是通过将盘片上的相邻轨道塞得更近（增加 TPI）而实现的。不过西数的设想，是将将工厂或中间用户操作生成的一些元数据，也从磁盘挪动到 NAND 闪存部分，以进一步增强性能。

举个例子，西数提到了主轴旋转时磁头抖动 / 定位错误时的可重复跳动（RRO）记录。这些动辄数 GB 的数据，就是在 HDD 工厂制造过程中生成的。它通常被存储在磁盘中，并占用用户可用的数据空间。

将轨道包装得更紧密的重要挑战之一，就是所谓的“相邻轨道干扰”（简称 ATI）。这导致驱动器需要定期刷新盘片轨道中的数据，否则可能因为写入相邻轨道而造成数据破坏。

当前可用的 HDD 基于轨道级的写入操作记录，可在逐个轨道的基础上触发这些刷新。但通过增加 TPI 来增加面积密度的缺点之一，就是需要更频繁地刷新。

早期 HDD 可能只需每隔 10000 次写入操作刷新一次，但现在的窄磁道可能需要每隔 6 次写入操作就刷新一次。在超过某个临界点后，TPI / ATI 刷新就会对磁盘性能造成极大影响。

在当今的 HDD 中，这些刷新是通过在该层次记录写入操作、而在轨道级别触发的。而在 OptiNAND 架构中，磁盘将允许扇区级别的记录写入操作。

这意味着刷新操作在时间和空间上更加分散，允许轨道更紧密地打包在一起、而不会牺牲性能。反之，这又更好地增加了磁记录的面密度。

对于普通消费者来说，也能够在启动或禁用设备写入缓存的情况下操作 HDD 。无论是否启用缓存，HDD 都必须对传入数据提供缓冲。

在禁用缓存的情况下，该方案就取决于在紧急断电（EPO）情况下可安全刷新到非易失性存储器的数据量。西数还声称，在启用写入缓存的情况下，磁盘性能还可更加受益，因为这间接降低了刷新率。

值得一提的是，OptiNAND 还可在禁用写入缓存时，提升其在 EPO 条件下的可靠性。与串行闪存相比，通过包含更快的非易失性存储，西数宣称可将数据刷新率提升至上一代 HDD 的 50 倍。

最后，西数希望通过垂直结合 WD / HGST 的 HDD 技术、以及闪迪（SanDisk）的闪存技术，可对 OptiNAND 等平台产生至关重要的影响。

虽然集成 NAND 闪存必然会导致成本溢价，但新颖的磁记录技术（如 HAMR 和 MAMR）更需要在磁头和盘片设计上进行大量投资，且需要每隔几代旧开展一次改造。

另一方面，诸如 OptiNAND 这样的混搭方案，则是相对独立于底层的技术路线。至于相关产品的实际表现，仍有待其正式进入零售市场。

SSD与HDD较量再次上演！

AI浪潮“来势汹汹”，不仅让高算力芯片持续受到市场关注，而且也令存储器市场迎来新一轮发展机会。近期，花旗银行对外表示，SSD将取代HDD应用于AI领域，理由是SSD速度更快，更适合AI训练应用。据悉，美国顶级科技公司的数据中心正在从HDD转向企业级SSD。

从消费电子到企业级市场，再到如今的AI时代，SSD与HDD的较量又一次上演。

SSD能否全面取代HDD？

业界指出，SSD在存取速度方面超过HDD近10倍，而HDD则有着低成本优势。

近年随着NAND Flash在下行周期价格下跌，SSD相关成本与HDD价格差距开始缩小，这也使得SSD在部分领域开始取代HDD。如消费级PC 2TB以下存储设备中，HDD已经逐渐被SSD淘汰。企业级服务器市场中，业界数据显示SSD用量是HDD的7倍之多。

这似乎意味着SSD已经大幅领先HDD，不过还难以说明SSD将全面取代HDD。毕竟，与消费级产品相比，数据中心对SSD产品的性能要求更高。此外，从成本方面来看，企业如果想用SSD全面取代HDD还面临较大的压力。

当前AI风口同时给予了HDD和SSD发展机会，大容量产品需求激增，价格出现上涨。

业界透露，HDD厂商去年因市况不佳减少供应，随着AI浪潮到来，HDD去年下半年出现供不应求的情况，价格也水涨船高。自去年第三季以來到今年第一季，HDD整体涨幅累计达到10%-20%。最新报道显示，西部数据已于近期通知客户将持续调涨HDD产品价格。业界人士预期，HDD市场价格有望于今年第二季度持续上扬，涨幅达到5%到10%。

SSD市况同样是供不应求，企业级SSD市况更加如此。TrendForce集邦咨询预估第二季NAND Flash合约价将强势上涨约13~18%，其中第二季Enterprise SSD合约价季增20~25%，涨幅为全线产品最高。

倪光南院士：希望国产SSD替代进口HDD

当前市场SSD与HDD将共同发展，不过长远的未来，部分存储厂商则希望SSD可不断前行，甚至能取代HDD。

2023年存储厂商Pure Storage研发副总裁Shawn Rosemarin便表示，不出5年HDD将完全停售，HDD过于耗电，全球3%电力用于数据中心，而其中1/3的功耗来自存储系统，这里面占多数的又是机械硬盘，这样大规模的部署带来的运行成本差异是很明显的。而如果将存储介质转移为SSD，电力消耗将降低80%至90%。

对于这一言论，HDD厂商也进行了反驳。东芝硬盘（HDD）业务开发高级经理Rainer Kaese认为，硬盘将继续存在一段时间，长远来看会继续比SSD便宜，而数据中心工程师未来将开发更高效的硬盘，满足更严格的功耗要求。

上述两方的辩论也揭示了SSD与HDD各自优势与不足，随着厂商不断增强性能、减少成本与功耗，SSD与HDD的较量预计还会在未来继续。

对于我国而言，由于HDD市场被外企主导，存储市场发展国产SSD重要性不言而喻。因此，中国工程院院士倪光南曾多次表示，希望国产SSD替代进口HDD。

倪光南认为，我国算力中心中采用SSD的占比较低，在我国存储市场中，闪存所占比例还较低，未来发展空间巨大。随着我国国产存储整机和闪存生产能力逐步提升，SSD取代HDD时机已经到来。

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