В 2000 году в секторе производства внешних запоминающих устройств стартовали 93 новые компании, в 2007 году только пять, и если в 1980 году существовало более 60 компаний — производителей дисковых устройств, то сегодня осталось только шесть. Центры обработки данных активно взялись за консолидацию ресурсов и широко используют виртуализацию, что также не способствует росту спроса на системы хранения. Доходы сектора производства дисковых запоминающих устройств в 2007 году составили 26 млрд. долл, ленточных — 4 млрд долл., сократившись с 2000 года на 15-20%, правда, удельные доходы в пересчете на одного производителя выросли за счет сокращения их числа. Мировой рынок производства магнитных дисков, недавно справивший свое пятидесятилетие, можно считать вполне зрелым рынком, который продолжает развиваться, однако ситуация в экономике стремительно меняется, и, например, уже сегодня примерно 25% ежегодных поставок дисков идет на замену устаревших и вышедших из строя устройств, а не на погашение растущих потребностей.
В качестве наиболее остро стоящих перед отраслью систем хранения данных проблем ИТ-руководители называют безопасность, классификацию данных, управление электронной корреспонденцией, многоуровневую память, архивирование баз данных и электронной почты. Важной проблемой также считается недоиспользование ресурсов — разница между объемом выделенной и используемой памяти слишком велика как для дисковых, так для и ленточных устройств. Отрасль сегодня оказалась на пороге принятия новых технологий или восстановления забытых старых методов, применявшихся в мэйнфреймах для организации хранения.
Тенденции и проблемы
Любые субъективные изменения в экономической ситуации неминуемо сказываются на работе поставщиков запоминающих устройств, однако сегодня отрасль систем хранения столкнулась и с объективными проблемами. Прошли времена, когда можно было создавать надежные, но негибкие системы. Такие качества, как целостность, скорость работы и надежность, не отменяются, но перестают быть доминирующими. Имеющееся сегодня решения не удовлетворяет тех, кто работает с большими объемами фиксированного цифрового контента. В этой связи показательно, что, например, компания Google использует системы хранения собственной разработки на базе системы коммутации от Cisco, серверов «домашней» сборки и ОС Linux.
Энергопотребление
Как видно из рис. 1, запоминающие устройства потребляют все больше электроэнергии. И хотя технологии виртуализации, «тонкое распределение» (thin provisioning), массивы MAID (Massive Arrays of Idle Disks) и ряд других помогают снижать энергопотребление, постоянный рост тарифов будет приводить к удорожанию стоимости владения. Анализ, проведенный недавно компанией Google, показал, что затраты на электропитание подобных систем стали превышать капитальные затраты на эти системы на протяжении их жизненного цикла. Можно ожидать новых разработок, направленных на экономию электропитания и отвода тепла для корпоративных центров обработки данных.
Рис. 1. Рост энергопотребления запоминающих устройств
ИТ-индустрия в целом переживает сегодня период переоценки ценности — капитальные вложения на первоначальное приобретение аппаратных средств снижаются в пересчете на единицу оборудования, однако оперативные затраты имеют тенденцию к устойчивому росту и в ближайшее время станут доминирующими при определении ценности ИТ для конкретного бизнеса. Традиционным способом дальнейшего снижения затрат на электроэнергию мог бы быть анализ хранимых данных, их классификация, миграция, архивирование или удаление наименее используемых данных, однако новые технологии создания надежных систем из массовых и доступных на рынке компонентов ставят по сомнение такой подход.
Безопасность и сохранность данных
Традиционные проблемы, связанные с ошибками обслуживающего персонала, природными и техногенными катастрофами, а также новые угрозы, вызванные отказами электросетей, нелегальным проникновением в систему и т.п., усложняют решение проблемы безопасности системы, заставляя бизнес более ответственно относиться к сохранности своих цифровых ресурсов. Средняя цена уязвимости ИТ-конфигурации в 2007 году оценивалась в 6,3 млн долл. Производители запоминающих устройств предлагают различные средства безопасности, такие как WORM (Write Once, Read Manу), шифрование и т.п. Однако ситуация усугубляется тем, что приблизительно 80% трафика в Сети — это нежелательный «мусор», который тем не менее где-то надо хранить, прежде чем отфильтровывать.
Память и управление данными
По мере того как объемы хранимых данных росли из гигабайтов в терабайты и петабайты, росли и проблемы администраторов, связанные с установкой, выделением и управлением ресурсов памяти. Сегодня главная проблема систем хранения — это неэффективное использование дискового пространства (продуктивно используется лишь менее 45%). Динамическое выделение памяти и виртуализация призваны упростить управление, повысить утилизацию и уровень обслуживания приложений, работающих на платформах Windows, Unix и Linux (в 2007 году суммарные доходы от продаж серверных приложений на платформе Windows составили 110 млрд долл., для Unix — 64 млрд, а для Linux — 32 млрд). С другой стороны, виртуальные операционные системы, виртуальная память, виртуальные машины, виртуальные диски и ленты, «тонкое снабжение», иерархическая память (Hierarchical Storage Management, HSM), многоуровневые запоминающие устройства, твердотельные накопители (Solid State Disk, SSD), дисковые контроллеры с кэш-памятью, «мгновенные снимки» данных (snapshot), инкрементальное копирование и ряд других технологий уже давно известны и широко применяются в мэйнфреймах.
О виртуализации памяти для ОС известно еще с конца 60-х годов, а виртуальные диски впервые появились в устройстве IBM Mass Storage System в 1974 году. В 1994 году компания StorageTek создала устройство Iceberg Virtual Array. Виртуализация ленточных устройств стала популярной в 1997 году, когда те же компании выпустили интегрированные виртуальные ленточные библиотеки для мэйнфреймов.
Серверная виртуализация для операционных систем Windows, Unix и Linux привела к тому, что серверы архитектуры х86 стали работать в мультизадачном режиме, что создает предпосылки для дальнейшего переноса функциональных возможностей операционных сред мэйнфреймов в среду Windows, Unix и Linux. Это непростая задача, — к примеру, чего стоит возврат к канальной архитектуре ввода/вывода для этой платформы, — однако такой переход выглядит с каждым годом все более оправданным.
Востребованы стали системы превентивного самовосстановления, однако упрощение управления всей системой в штатном режиме, виртуализация и динамическое перераспределение ресурсов приводят к усложнению системы в целом, обостряя проблему управления системой в случае аварий.
Аппаратура систем хранения: ленты и диски
Несмотря на то что рынок магнитных лент сжался под натиском дисков, магнитные ленты остаются популярным устройством для использовании на третьем уровне запоминающих систем. В 2007 году общий доход от продаж накопителей на магнитных лентах всех типов составил более 4 млрд долл. (доход от продаж магнитных дисков составил 26 млрд долл.), включая роботизированные библиотеки и медийные накопители.
Начиная с 90-х годов индустрия магнитных лент с помощью различных усовершенствований пытается конкурировать с дешевеющими дисками. К 2002 году емкость ленточного картриджа впервые за всю историю превзошла емкость самого большого диска. Программное обеспечение управления памятью и данными, включая программное обеспечение для виртуальных ленточных библиотек, способно повысить использование собственных объемов ленточных картриджей, но при этом снижается их производительность. Сегодня собственная емкость картриджа доходит до 1 Тбайт, а скорость обмена достигает 160 Мбайт/с. По прогнозам, емкость ленточных картриджей в 2019 году достигнет 50 Тбайт, а скорость обмена — 1 Гбайт/с. Срок службы магнитных лент для накопителей среднего и корпоративного уровня насчитывает соответственно 15 и 30 лет при соблюдении требований к окружающей их среде. Среднее время наработки на отказ для ленточных картриджей сегодня определяется диапазоном 250-400 тыс. часов работы при полной нагрузке или один миллион раз прохождения считывающих головок, однако срок службы носителя намного превосходит жизненный цикл считывателя, поэтому ленты придется переписывать для другого устройства, не дожидаясь, пока истечет срок службы носителя.
Сегодня ведется несколько разработок в сфере технологий производства магнитных дисков: гибридные диски (hybrid disk), энергонезависимая память (non-volatile memory), grid-сети хранения (storage grid), многоядерные специализированные процессоры (multicore processor), топливные микроэлементы. Сейчас наблюдается перестройка фундамента отрасли — появляются новые концепции, такие как запись вертикальных доменов (vertical recording) и использование многоядерных чипов, поскольку прогресс в повышении плотности записи неминуемо приводит к совершенствованию микропроцессоров.
Рис. 2. Появление новых технологий записи на магнитные диски
На рис. 2 приведена картина появления новых технологий, направленных на повышение плотности записи, определяющей, какое количество данных можно записать на одном квадратном дюйме носителя (гигабит на квадратный дюйм). Пока доминирует магнитная запись: использование технологии GMR (Giant Magneto-Resistive) для изготовления магнитных головок чтения/записи позволило магнитным дискам по показателю плотности записи в 1995 году превзойти оптические диски и вытеснить их с рынка корпоративных запоминающих устройств в сектор потребительских товаров и индустрии развлечений. Плотность записи на магнитные диски взлетела с 35,3 Гбит/дюйм2 в 1999 году до 610 Гбит/дюйм2 в 2008 году. Это стало возможным в результате применения технологии CPP-GMR (perpendicular-to-the-plane giant magneto-resistive), способной ежегодно повышать плотность записи еще на 40%. При таком темпе роста это повышение приведет к появлению дисков формата 3,5 дюйма и емкостью 4 Тбайт уже в 2010 году. К этому времени вертикальный способ записи быстро вытеснит горизонтальный и станет общепринятым. С помощью вертикального способа записи можно намагничивать вертикальные магнитные домены, делая запись битов как бы сверху вниз и снизу вверх. За горизонтом вертикального способа записи уже маячит концепция трехмерной (или объемной) технологии записи — 3-D Recording, предоставляющей возможность перехода от однослойной вертикальной записи к многослойной, что приведет к смене единиц измерения плотности записи.
Энергонезависимая флэш-память получила свое название от запоминающих микросхем, организованных так, что целую группу ячеек можно затереть мгновенно, одним действием (flash — «вспышка»). Рост приложений для флэш-памяти быстро перенацелил рынок на использование твердотельных накопителей, не имеющих вращающихся деталей. Кроме того, флэш-память энергонезависима и потребляет мало энергии при выполнении чтения/записи, обладает большей скоростью чтения, чем у магнитных дисков, отличается низким тепловыделением и небольшими габаритами, а по цене такие устройства находятся в одном диапазоне с магнитными дисками. Флэш-память также способна выдерживать большие давления, резкие перепады температуры и влажности. Дальнейшее снижение цен на флэш-память сделает рынок SSD еще привлекательнее.
Технология изготовления устройств массового хранения данных продолжает непрерывно совершенствоваться с момента ее первого применения в 50-х годах в дорогостоящих коммерческих системах, она породила множество производных технологий. Сегодня перечень этих технологий включает твердотельную энергонезависимую флэш-память на основе полупроводниковых схем NAND (Not AND), ферроэлектриков, магниторезистивную память произвольного доступа, а также ряд различных оптических технологий. Список потенциальных технологий для производства устройств массового хранения данных может включать твердотельную память изменения фаз (ovonic), технологию изготовления гибридных накопителей, основанную на запоминании спина (Magnetic Random Access Memory, MRAM), или технологию «гоночной» памяти (racetrack), голографию и двухфотонную оптическую память. Эти технологии со временем найдут свое применение как в старших моделях серверов, так и в персональных компьютерах, а также встроенных бортовых системах. Так, технология MRAM позволяет хранить все данные и исполняемые программы, что дает возможность выключать компьютер в любой момент и без перезагрузки сразу начинать работу с прерванного места.
Новые приложения для систем хранения данных
Программные средства, наделившие системы хранения данных способностями выполнять синхронное и асинхронное копирование, мгновенные копии и различного рода репликации, зародившись в старшем классе серверов на базе мэйнфреймов, постепенно адаптируются в младших классах серверов. Так на рынке серверов среднего и младшего класса появились технологии «тонкого снабжения», дедупликации данных, хранимых на дисках, и непрерывного страхового копирования данных (Continuous Data Protection, CDP). На примере этих технологий наблюдается дальнейшая консолидация ресурсов серверов и внешних систем хранения данных, которая изначально предусматривалась архитектурой мэйнфреймов.
***
На магнитных дисках сегодня размещена большая часть критически важных данных для высокопроизводительных приложений. Общий объем продаж дисковых запоминающих устройств в 2007 году вырос на 15,3% по сравнению с 2006 годом, а удельная стоимость в пересчете на 1 Гбайт продолжала сокращаться ежегодно на 20-25%. Диаметр магнитных дисков непрерывно сокращается и достиг уже 0,85 дюйма для мобильных устройств, однако быстрое наступление флэш-памяти может означать еще большее сокращение размеров. Емкость магнитного диска достигла 375 Гбайт на одной 3,5-дюймовой пластине, а весь накопитель дает емкость 1,5 Тбайт. Все большее распространение сегодня получают недорогие накопители с интерфейсом SATA, которые открывают новые привлекательные для вычислительных центров возможности. Ожидается, что в ближайшие три года емкость одного такого накопителя достигнет 3-4 Тбайт.
