Развитие облачных вычислений, социальных сетей, технологий аналитики больших данных и мобильных устройств приводит к непрерывному росту потока информации, проходящей через ЦОД по всему миру. Это заставляет производителей жестких дисков (HDD) непрерывно увеличивать емкость накопителей корпоративного класса, которые являются основой систем хранения данных, применяемых в серверных фермах. Как известно, первые жесткие диски появились в 50-х годах прошлого века. Передовые HDD тех лет разительным отбором отличались от относительно компактных устройств, которые мы можем увидеть в современных дата-центрах. Эти накопители были сопоставимы по размерам со стиральными машинами, при этом их емкость была ограничена несколькими мегабайтами данных.

Но благодаря развитию технологий современный стандартный 3.5-дюймовый HDD может вмещать без малого четыре терабайта (4 Тб) ценной информации. Тем не менее, даже при такой внушительной емкости магнитных дисковых накопителей рост спрос на емкие СХД для дата-центров намного превышает возможности производителей HDD в области дальнейшего повышения плотности записи информации при одновременном снижении цены своей продукции. Согласно данным исследовательской компании IDC, емкость систем хранения данных внутри дата-центров по всему миру растет более чем на 40% в год. В то же время поверхностная плотность записи информации на пластины HDD (измеряется в Мбит / квадратный дюйм) в период с 2011 по 2016 гг. росла менее чем на 20% в год. Все это привело к появлению огромного разрыва между спросом и предложением. Но повышение поверхностной плотности записи является лишь одной из многих задач, стоящих перед производителями HDD. Помимо прочего им необходимо уменьшать затраты на производство своих продуктов, повышать их энергоэффективность и производительность.

Скорейшее решение этих проблем также очень заботит и операторов ЦОД. Ведь в настоящее время чтобы добиться нужно уровня емкости корпоративных хранилищ данных им приходится покупать и развертывать в своих дата-центров огромное количество жестких дисков. Очевидно, что для достижения наилучшей совокупной стоимости владения (TCO) подсистемой СХД и дата-центром в целом им необходимы как можно более емкие накопители с повышенной плотностью хранения данных, которые также характеризуются минимально возможными энергопотреблением и потребностями в охлаждении. Следует отметить, что расчет метрики TCO не сводится к определению цены за терабайт данных. Показатель TCO все чаще представляет собой обобщение целого ряда субметрик вроде соотношения энергопотребления в ваттах к емкости в терабайтах, емкости к общей массе СХД или серверной системы, а также площади занимаемого накопителем пространства и все той же емкости HDD.

Так или иначе, операторы ЦОД, ведущие поиск емких и энергоэффективных решений для хранения данных, уже не могут добиваться снижения совокупной стоимости владения подконтрольной вычислительной инфраструктуры, используя обычные заполненные воздухом HDD с пятью магнитными пластами. Последние себя благополучно исчерпали.

Что дальше?

Гелий. Уменьшение плотности газа внутри герметичных заполненных гелием HDD по сравнению с заполненными воздухом жесткими дисками позволяет добиться значительного снижения стоимости и энергопотребления накопителей при увеличении их емкости. Подобный подход также позволяет добиться дальнейшего снижения совокупной стоимости владения ЦОД благодаря уменьшению потребностей СХД на базе гелиевых накопителей в охлаждении и возможности повышенной плотности систем хранения данных. Почему? Плотность гелия примерно в семь раз ниже по сравнению с воздухом. Этот инертный газ меньше влияет на состояние вращающихся внутри HDD магнитных пластин, что позволяет сделать пластины для жестких дисков намного тоньше и поместить их ближе друг к другу, тем самым увеличивая емкость накопителей при сохранении прежнего форм-фактора. Эта технология позволяет разместить внутри обычного 3.5-дюймового накопителя семь пластине вместо стандартных пяти (см. рисунок ниже).

Герметичный заполненный гелием женский диск имеет следующие важные преимущества перед стандартными HDD:

• Уменьшение веса HDD благодаря использованию более тонких магнитных пластин;
• Снижение энергопотребление за счет уменьшения сопротивления газа внутри накопителя при вращении магнитных пластин;
• Снижение риска негативного влияния изменения влажности или загрязнения внутренних компонентов на надежность накопителей, что открывает новые возможности для эксплуатации жестких дисков в недоступных ранее средах;
• Уменьшения числа неточных совмещений (головки) с дорожкой записи (Track Misregistration; TMR) в связи со снижением вибраций пластин и подвески;

Несмотря на тот факт, что преимущества заполненных гелием жестких дисков были известны уже довольно давно, до сих пор никому не удавалось создать механизм герметизации корпусов накопителей, который позволял бы избежать утечки гелия при длительной эксплуатации HDD. В конце минувшего года прорыв в области гелиевых жестких дисков сделала компания HGST, представившая новый продукт подобного класса и разработавшая технологический процесс, который позволяет герметично запечатывать гелий внутри корпуса жесткого диска, при этом использование данного техпроцесса вполне рентабельно при организации массового производства.

Инженеры из команды HGST изучали проблемы, связанные с производством гелиевых жестких дисков с 2003 года. Им удалось успешно решить эти проблемы, применив наработки, полученные в ходе исследований аэродинамики. После чего специалисты HGST значительно увеличили емкость дисков и уменьшили совокупную стоимость владения СХД на их базе. Приведенный ниже график демонстрирует улучшения различных аспектов TCO при сравнении герметичных наполненных гелием жестких дисков с обычными заполненными воздухом аналогами.

Почему эта инновационная технология так важна для индустрии ЦОД

Современные гипермасштабные дата-центры создаются с учетом того, что поиск путей минимизации эксплуатационных расходов (OPEX) столь же важен, сколь и разработка методов уменьшения капитальных затрат (CAPEX). Внутри этих ЦОД размещаются десятки тысяч серверов и СХД, вмещающих петабайты (или даже эксабайты) медиа-контента, поисковых данных, музыкальных композиций, видеозаписей и фотографий пользователей социальных сетей и многое другое. При этом огромное множество дисковых накопителей внутри серверов и систем хранения данных потребляет столь же огромное количество ценной электроэнергии и выделяет излишнее тепло. При этом уровень затрат на эксплуатацию дата-центров определяется главным образом энергоэффективностью используемого там IT- и вспомогательного оборудования, а также уровнем мощности системы охлаждения.

Новые 6-терабайтные гелиевые жесткие диски предлагают на 50% больше емкости и используют на 23% меньше электроэнергии, обеспечивая на 49% лучшее соотношение энергопотребление к емкости, по сравнению с современными пятипластинными 4-терабайтными аналогами, заполненными воздухом. С их помощью операторы ЦОД могут повысить плотность хранения данных, достичь снижение энергопотребления IT- и вспомогательной инфраструктуры дата-центра и, как следствие, уменьшения расходов на охлаждение, сохраняя ресурс систем кондиционирования для других нужд. Например, если вам необходимо создать 11-петабайтное хранилище с использованием обычных 4-терабайтных 3.5-дюймовых жестких дисков, потребуется 2880 жестких дисков, использующих 98.4 киловатт (кВт) электроэнергии, которые будут работать внутри СХД, занимающих около 20 метров машзала. В случае с 6-терабайтными наполненными гелием жесткими дисками HGST эти цифры удастся значительно снизить: потребуется всего 1920 гелиевых жестких дисков, использующих 62.4 кВт электроэнергии, которые будут работать внутри СХД, занимающих 12 квадратных метров в машзале. Как вы можете видеть, использование 6-терабайтных жестких дисков сокращает количество серверов, стоек, кабелей и сетевого оборудования внутри ЦОД.

Перспективы

По мнению экспертов, гелий будет использоваться при производстве HDD как минимум на протяжении следующих 10 лет, причем эта технология будет комбинироваться с другими перспективными наработками в области перпендикулярной записи данных на магнитный носитель (PMR), термоассистируемой магнитной записи (HAMR) и записи на структурированную среду (BPM).

С учетом необходимости постоянного повышения емкости и энергоэффективности систем хранения данных в корпоративных и облачных дата-центрах, а также сокращения расходов на их эксплуатацию массовый перевод ЦОД на гелиевые жесткие диски будет способствовать снижению показателя TCO вычислительной инфраструктуры на всех уровнях. При этом сохранится стандартный 3.5-дюймовый форм-фактор самих накопителей. Появление гелиевых жестких дисков показывает нам, что улучшения систем хранения данных на базе магнитных дисковых накопителей все еще возможно – даже несмотря на замедление роста плотности записи данных на магнитные пластины.