隨著IT應用的資料量持續增長,當前我們所面對的資料儲存與處理規模,正從原本的PB與EB等級,上升到ZB等級。
在富士軟片去年中舉行的全球IT主管高峰會議上,有專家呼應了這個觀點。根據顧問公司Horison Information Strategies資深分析師Fred Moore預測,到了2025年,全球的IT應用將產生高達175 ZB的資料量,其中大約11.7 ZB的資料將會實際儲存下來。
面對這樣龐大的資料儲存需求,也給儲存媒體的應用帶來更嚴苛的挑戰。
以當前主流規格搭配的儲存媒體來說,若要儲存1 ZB的資料,需耗用5,536萬卷LTO-9磁帶(每卷18TB容量),或是5,000萬臺20 TB容量的近線硬碟,又或是6,600多萬臺15 TB容量SSD,消耗的IT資源十分可觀。
所以為了更有效率地存放日益龐大的資料,儲存媒體容量也正在迅速增長。
而作為當前儲存應用主流的3種主要儲存媒體——磁帶、硬碟、SSD,都在過去幾個月內,出現了重要容量規格進展,打破了長達5年的停滯。
上一波SSD與磁帶容量規格升級是在2018年,當時標準2.5吋規格SSD的容量達到30.72 TB,磁帶則達到20 TB,但接下來有足足5年之久,都停留在這個容量,沒有再繼續提升。而在硬碟方面,這段期間也只緩慢地從16 TB提高到22 TB,同樣沒有顯著增長。
到了2023年下半,情況終於有所轉變,因為磁帶與SSD的最大容量都出現大幅度躍進,分別越過50 TB與60 TB的門檻,而硬碟的最大容量增長雖然較慢,但也在日前到達了30 TB等級,都較5年前提升了一倍以上。
依照這樣的趨勢,預期3到5年以後,硬碟容量將達到40、50TB,而磁帶與SSD容量更將直逼100TB大關。
而儲存媒體容量規格的大幅提升,意味著儲存密度的翻升、單位儲存成本的下降,可以透過更低的資源消耗,因應ZB資料量時代的資料儲存需求。
推動儲存容量增長的不同路線
儲存媒體容量的提升,實質上是來自資料記錄密度的提高。由於不同儲存媒體的資料記錄技術有異,促使容量增長的方式也不同。
硬碟與磁帶都屬於磁記錄式的儲存媒體,是依靠磁記錄密度的提高,來推動儲存容量的提升。SSD則屬於半導體式的儲存媒體,是利用提高快閃記憶體單元的資料容量與密度,來提升整個儲存裝置的容量。
磁帶的容量增長機制
磁帶儲存密度的增長,主要是透過提高磁帶媒體的資料記錄密度與面積,來提高容量,包括,在磁帶上,使用顆粒更細小、同時還能維持熱穩定性的鐵氧體磁粉(磁粒),結合幫助鐵氧體在磁帶上均勻分布的薄膜塗布技術,藉此可以在磁帶上容納更多磁軌,提高單位儲存密度之餘,也能減少磁帶厚度,進而在磁帶匣容納更長的磁帶。
而隨著磁帶磁錄密度的提高,也需要搭配磁頭與資料校正技術的改進,才能正確地存取資料,包括能夠更精確追蹤、定位磁軌的磁頭伺服控制技術,以及減少誤差的演算法等。
以當前最普遍使用的LTO磁帶來說,目前最新一代的LTO-9,比起20年前推出的第一代LTO-1,磁帶容納的磁軌數量增加了23倍,磁帶厚度也薄了40%,磁帶匣容納的磁帶長度則延長70%,進而讓每卷磁帶的未壓縮原生容量提高了180倍,從100 GB提高到18 TB。
硬碟的容量增長機制
與磁帶同屬磁記錄媒體的硬碟,同樣是透過資料記錄密度與面積的提高,來提高容量。
不過比起磁帶,硬碟的容量提升,受到物理結構更大的限制。磁帶採用捲繞的帶狀結構、可以方便地透過延長磁帶長度來提高記錄資料的面積(當前一卷磁帶匣內部捲繞的磁帶長度,已經有上千公尺長)。
相較下,硬碟碟片的面積是固定的,只能透過在硬碟機匣內堆疊更多碟片,藉此增加資料記錄面積,但是在物理結構的限制下,能堆疊的碟片數量有限,因而透過提高資料記錄面積來提升硬碟容量,效果相對有限。
因而比起增加資料記錄面積,硬碟更依賴資料記錄密度的提高來提高總體容量。也就是使用顆粒更小、密度更密的磁粒,藉此在固定面積的碟片上增加磁軌數量。但隨著磁粒尺寸的縮小,又會帶來穩定性等一系列問題,因而硬碟還需搭配更複雜的寫入控制技術,才能在提高磁粒密度的同時,維持資料記錄的穩定與可靠。
從提高資料記錄密度與面積這兩方面著手的方式而言,過去20年以來,硬碟廠商為了提高容量,陸續引進一系列新技術,包括:(1)幫助提高碟片儲存密度的垂直寫入技術(Perpendicular recording,PMR),與疊瓦式磁記錄技術(Shingled Magnetic Recording,SMR),(2)幫助在機匣內容納更多數量碟片的氦氣充填,還有(3)允許進一步縮小磁粒、而仍能維持寫入穩定的熱輔助磁記錄(Heat-Assisted Magnetic Recording,HAMR),以及微波輔助磁記錄(Microwave-Assisted Magnetic Recording,MAMR)等,顯著提高了碟片儲存密度與整體容量。
大約15到16年前,當時主流硬碟規格是每臺硬碟含3到5張碟片,每張碟片可提供166 GB到200 GB左右的容量,每臺硬碟最高可達到1 TB容量。到了現在,最新一代硬碟已能容納10張碟片,每張碟片擁有2 TB到3 TB容量,硬碟的最大容量來到20 TB以至30 TB,容量提升了20、30倍。
SSD的容量增長機制
以快閃記憶體(Flash Memory)為基礎的SSD,主要是透過提高儲存單元(Cell)資料記錄的位元數,以及3D堆疊技術等2種方式,來推動快閃記憶體的容量密度增長,以及SSD容量的提高。
提高快閃記憶體儲存單元的資料記錄位元數,也就是儲存單元的多級化(Multi-Level)。最早的SLC,也就是單級單元(Single-Level Cell)快閃記憶體,每個儲存單元(Cell)以2種電壓狀態來記錄1個位元的資料。接下來的MLC(Multi-Level Cell,多級單元快閃記憶體),每個儲存單元以4種電壓狀態來記錄2個位元的資料,因而比SLC倍增儲存單元記錄的資料量。
而當前主流的TLC三級單元快閃記憶體(Triple-Level Cell),以及QLC四級單元快閃記憶體(Quad-Level Cell),則分別以8種與16種電壓狀態,在儲存單元記錄3個位元與4個位元的資料,每個儲存單元可記錄的資料量,又比MLC高出33%與1倍。
3D堆疊技術則是在3D空間堆疊多層記憶體單元,從而在相同面積獲得倍增的儲存容量。應用在SSD上的3D堆疊技術,是從32層或48層起步,目前主流產品採用的是128到192層技術,最高則可達到232層堆疊。
結合多級化儲存單元與3D堆疊技術,帶動SSD容量的快速增長。以2.5吋標準規格的SSD為基準,在2009年突破1TB容量關卡之後,到了2015年就增長到15.36 TB,在2018年又翻倍達到30.72 TB,時至2023年,又推進到61.44 TB。若將非標準規格的SSD也涵蓋在內,2020年就已有100TB容量的SSD問世(採用3.5吋規格)。短短十多年內,SSD的最大容量就已提升超過50倍。
SSD領跑,帶動儲存媒體容量增長
比起擁有半世紀以上歷史的磁帶與硬碟,SSD的普遍應用是近15年的事,早期的容量也比較低,不過憑藉半導體技術的進步,SSD的容量增長後來居上,近5、6年來已把磁帶與硬碟拋在後面。
如同我們在2023年10月儲存月報「儲存媒體的容量規格競爭」中提過的,SSD、磁帶、硬碟這3大主要儲存媒體的容量發展,在2016到2018年間曾一度達到交會點,規格都達到14、15 TB的範圍,當時硬碟最大容量是14 TB,SSD是15.36 TB,磁帶是15 TB(IBM的TS1155),但接下來,SSD的容量增長速度便拋開了磁帶與硬碟。
SSD的容量在2018年初一舉躍升到30.72 TB(三星的PM1643),磁帶方面雖然也在同一年年底提高到20 TB(IBM TS1160),但已與SSD拉開了差距。相形之下,第1款20 TB容量硬碟(WD的Ultrastar DC HC650),則是在2019年底才發表,顯示硬碟的容量增長速度,已開始跟不上SSD與磁帶的腳步。
時隔5年之後,SSD容量在2023年中達到61.44 TB的新高峰(Solidigm的D5-P5336),磁帶也在同年稍後達到單卷50 TB容量(IBM TS1170)。
在硬碟方面,雖然自2016年起,也以平均每年增加2 TB的速度,持續的提高容量,但這樣的增長幅度已追不上SSD或磁帶,到了2023年底雖然有了較大幅度的進展,接連出現28 TB與30 TB容量產品,但仍被SSD與磁帶拋開了距離。
追逐最大儲存容量成長的極限
SSD遠高於磁帶與硬碟的容量增長速度,反映出過去10年來,快閃記憶體技術的進步幅度,要高於磁記錄技術,而且快閃記憶體的容量增長後勢強勁,還有相當大的成長潛力。
快閃記憶體的容量增長前景
快閃記憶體的2條提升容量密度路徑——儲存單元的多級化,以及3D堆疊技術,目前都已備妥容量密度更高的下一代技術。
在多級化方面,目前市場上的主流是每個儲存單元3位元的TLC,與4位元的QLC,而每個儲存單元可儲存5位元資料的PLC,目前已經在工程開發測試階段,儲存密度可較QLC提高20%。
在3D堆疊技術方面,目前市場主流產品是128到192層,目前已開始轉往200層等級。
在下一步發展方面,SK hynix已發表321層技術,三星也發表280層技術,又將容量密度提高到了新層次。舉例來說,現有主流的176層TLC快閃記憶體,位元密度則為10 Gb/mm2左右,SK hynix新推出的321層TLC技術則能將位元密度提高到20 Gb/mm2以上,而三星不久前發表的280層QLC技術,更一舉將位元密度提高到28.5 Gb/mm2。這也意味著,在其他條件不變下,應用300層等級3D堆疊技術,將能讓現有的SSD容量提高2、3倍,輕易超過100TB。
依快閃記憶體供應商的3D堆疊技術發展規劃,到了2030年時,將能推進到800層以至1,000層,儲存密度還可較現在產品再提高4到5倍以上。
磁帶的容量增長前景
基於磁記錄技術的磁帶與硬碟,容量密度的增長潛力已明顯不如SSD。
單就儲存媒體的儲存密度來說,硬碟的單位儲存密度要遠高於磁帶,目前硬碟的儲存密度最高可達到每碟片3TB,也就是大約3.32 Gb/mm2的位元密度,還不到快閃記憶體的1/3,而磁帶更只有0.018到0.05 Gb/mm2左右,只有硬碟的70到80分之1。
但磁帶憑藉著捲繞式的設計,只要增加磁帶長度,就能提高資料記錄面積,因為一卷磁帶可用的資料記錄面積,是一臺3.5吋硬碟的數十倍到近百倍,所以磁帶不需要使用太高磁錄密度的技術,就能達到同等或超過硬碟的儲存容量,這也賦予了磁帶更大的容量成長潛力。
目前的LTO磁帶規格,已發展到每卷18 TB的LTO-9,依每3、4年更新一代的速度,在2025年以前,應該會推出每卷容量36 TB的LTO-10,然後每卷容量72 TB的LTO-11則會在2027到2028年問世,接著在2030年以後,跨到144TB容量的LTO-12。而IBM的3592磁帶目前發展到每卷50 TB容量的TS-1170,下一代是80 TB容量的TS-1180,預期會在2027年左右推出,然後再跨到160 TB容量。
而在未來的成長潛力方面,目前磁帶使用的鋇鐵氧體磁粒,已在實驗室驗證可提高到每卷磁帶220 TB容量密度,若改用新一代的鍶鐵氧體磁粒,還有提高到每卷磁帶500 TB以上容量的潛力。
硬碟的容量增長前景
比起快閃記憶體與磁帶,硬碟容量密度的增長前景,相對而言,較不樂觀,對此,由相關業者組成的先進儲存研究聯盟(Advanced Storage Research Consortium,ASRC),近年來也大幅調降硬碟儲存密度成長的展望。
在2014年時,ASRC曾樂觀預測硬碟的儲存密度在2021年就能達到5 Tb/in2(約7.75 Gb/mm2),接下來在2025年提高到10 Tb/in2(約15.5 Gb/mm2)。
但實際上到了2021年,硬碟儲存密度才達到1.5 Tb/in2(約2.4 Gb/mm2)左右,增長速度遠不如預期。
於是,ASRC在2022年調降了預測,預估硬碟儲存密度達到5 Tb/in2是2028年前後,達到10 Tb/in2則是在2034年以後。目前市售硬碟儲存密度最高是2 Tb/in2(約3.3 Gb/mm2),若依照ASRC的預測,未來10年還有提高5倍的餘裕,進而帶動硬碟的容量增長。
在市面上三大主要硬碟供應商中,Toshiba與Seagate都提出容量超過30、40TB的硬碟發展規畫,Toshiba於2022年初發布的硬碟發展路線圖,預定2025年推出35TB硬碟,在2026年以後推出40 TB以上的硬碟。而Seagate在2021年時還提出過更樂觀的規畫,認為透過HAMR技術的採用,預計2025年將可推出50TB硬碟,在2030年甚至將達到100TB。
迎向100TB
以儲存媒體的容量密度來說,是快閃記憶體>硬碟>磁帶,不過在容量增長速度與潛力來說,則是快閃記憶體>磁帶>硬碟。
依照當下的發展趨勢,SSD容量應該在這2年內就能突破100TB大關。事實上,如果不局限於2.5吋SFF與U2這種標準通用規格SSD,一些非標準規格SSD早已實現100TB容量,如Nimbus Data在2020年便推出採用3.5吋規格、容量達100 TB的ExaDrive DC SSD。
而憑藉新一代的儲存單元多級化與3D堆疊技術,到了2030年,SSD容量突破300 TB,也不讓人驚訝。
而在磁帶方面,應該在2030年前後也能順利突破100TB容量,目前的技術儲備足以支持這樣的增長。
對硬碟來說,雖然廠商也提出在2030年推出100TB容量硬碟的規畫,但考慮到硬碟碟片的磁錄密度已經接近物理極限,增長越來越困難,難以在幾年內出現大幅度的進展。
而在增加碟片可用面積方面,目前的10碟片設計也接近極限,雖然有廠商提到正在發展11碟片設計,但這只能帶來小幅的容量提升,2年前還有廠商提出14碟片的構想,但實現上非常困難。
因而硬碟廠商要如期實現100TB容量升級的時間表,恐怕會有很大的困難。
容量規格影響歸檔應用
而不同儲存媒體容量增長的速度與潛力差異,最終也將影響到不同儲存媒體在儲存應用的版圖消長,特別是在最消耗容量的長期歸檔保存領域。
依前面我們引用的資深分析師Fred Moore說法,IT應用所產生的資料中,有80%最終都會以歸檔形式長期保存,當資料產生過後的90到120天,存取機率便會降到5%以下,此時便會進入歸檔保存狀態,預估每年的歸檔資料量增長將達到25%到35%左右。
也就是說,歸檔將是容量耗用最大的儲存應用領域。顯然的,儲存媒體的容量越大、密度越高,便能以更少的資源消耗,滿足歸檔儲存所需的龐大容量需求。這也是快閃記憶體近年來開始進入歸檔儲存應用的原因,因為已進入市場的QLC,與發展中的PLC快閃記憶體,都把歸檔列為主要應用。
而磁帶憑藉低成本與充足的容量成長潛力,未來應該能持續在歸檔應用中占有一席之地。相較之下,容量成長較為緩慢、且密度提升遭遇物理瓶頸的硬碟,在歸檔長期資料保存應用的角色,恐怕會遭到侵蝕。
3種儲存媒體的發展起點與容量成長路線各不相同,不過在2015到2018年,一度出現容量規格交會的情況。在2014到2015年間,3種儲存媒體最大容量都達到8至10 TB之間,然後在2016、2018年之間,又一同成長到14至15 TB範圍。
不過,到了2018年以後,SSD的容量成長速度便拋開其他兩種儲存媒體,率先突破30 TB,然後在2023年又超過60 TB。
在磁帶方面,IBM 3592系列的容量成長速度也頗為可觀,先後在2018與2023年達到20 TB與50 TB,要比LTO規格的增長快得多。
至於硬碟方面,自2016到2022年之間,雖然也以每年增加2 TB的速度穩定成長,但比起SSD與磁帶的躍進式容量增長,已經瞠乎其後,到了2023年底到2024年初,才有較大幅度的提升,一舉達到30 TB容量,但與SSD、磁帶之間已有明顯的差距。
就儲存媒體位元密度(bits density)來說,NAND快閃記憶體一枝獨秀,遠高於硬碟與磁帶。我們這裡列出當前容量密度最高的幾款TLC與QLC快閃記憶體,可見到容量密度是22 TB與30 TB硬碟的5到6倍以上,這也解釋尺寸較小的SSD何以擁有較硬碟高出許多的容量。
要特別注意的是磁帶,從表中可以看出,磁帶的位元密度要比SSD或硬碟要低了2到3個層次,但磁帶是捲繞式的架構,能夠「以面積換容量」,只要延長磁帶長度,就能簡單地增加資料記錄面積,從而提高容量。
事實上,當前的主流磁帶規格都已採用上千公尺長的磁帶,資料記錄面積是硬碟的數十倍到近百倍,因此磁帶只需使用較低的磁錄密度技術,就能得到超越硬碟的總容量。
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