【迎接ZB資料量時代的儲存需求】100TB儲存媒體5年內問世

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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