Bên dưới là bài viết của tác giả Roderick Bauer, đăng trên blog của nhà cung cấp dịch vụ sao lưu và lưu trữ đám mây Backblaze, được Cứu Dữ Liệu Trần Sang biên dịch sang tiếng Việt.
Ở phần trước, chúng ta đã thấy sự khác nhau cơ bản giữa HDD và SSD, lịch sử của hai loại bộ nhớ lưu trữ và trường hợp dùng tốt nhất cho mỗi loại.
Trong phần này, chúng ta sẽ có cái nhìn sâu hơn về sự khác nhau giữa HDD và SSD, công nghệ phát triển của chúng, cũng như cách Backblaze tận dụng ưu điểm của SSD vào vận hành và trung tâm dữ liệu.
Lần đầu tiên bạn khởi động (boot) máy hoặc mở ứng dụng trên máy tính bằng SSD, có thể bạn sẽ bất ngờ bởi tốc độ và sự yên tĩnh mà công nghệ mới này mang lại so với HDD.
Máy tính để bàn (desktop) của tôi sử dụng SSD để boot hệ điều hành (HĐH), chạy các ứng dụng và tập tin công việc. Máy tính xách tay (laptop) của tôi cũng có một SSD 512GB nhưng tôi vẫn dùng HDD. Ổ đĩa thứ hai, thứ ba và thứ tư trong desktop của tôi đều là HDD. Box RAID USB gắn ngoài mà tôi sử dụng để sao lưu cục bộ cũng tích hợp 4 khay HDD. Khi ngồi trên bàn làm việc, laptop của tôi được kết nối với HDD sao lưu 1.5TB qua cổng USB. HDD vẫn có chỗ đứng trong môi trường điện toán cá nhân của tôi, có lẽ cũng tương tự như vậy trong môi trường của bạn.
Tuy nhiên không có gì nằm yên lâu dài, đặc biệt trong thế giới điện toán đang thay đổi nhanh chóng, do đó chúng ta chắc chắn sẽ thấy những công nghệ lưu trữ mới sắp đến trong tương lai, thậm chí còn gây bất ngờ hơn.
Trước khi tìm hiểu về những gì sắp đến, chúng ta hãy cùng điểm lại sự khác nhau cơ bản giữa HDD và SSD theo từng chi tiết dưới đây.
So sánh HDD với SSD
Tiêu hao điện năng / tuổi thọ pin: + HDD: Tiêu hao nhiều hơn, trung bình từ 6 đến 7W, gây tốn pin hơn. + SSD: Tiêu hao ít hơn, trung bình từ 2 đến 3W, giúp kéo dài thời gian dùng pin thêm 30 phút hoặc hơn.
Giá thành: + HDD: Chỉ khoảng 0,03 USD (gần 700 đồng) cho mỗi gigabyte, rất rẻ (dựa trên model 4TB). + SSD: Đắt tiền, xấp xỉ 0,2 đến 0,3 USD (gần 7.000 đồng) cho mỗi gigabyte (dựa trên ổ đĩa 1TB).
Dung lượng: + HDD: Thông thường, tối đa khoảng từ 500GB đến 2TB với ổ đĩa 2.5", 10TB với ổ đĩa 3.5". + SSD: Thường không lớn hơn 1TB với ổ đĩa 2.5", 4TB với ổ đĩa 3.5".
Thời gian boot HĐH: + HDD: Trung bình khoảng 30 đến 40 giây. + SSD: Trung bình khoảng 8 đến 13 giây.
Tiếng ồn: + HDD: Có thể nghe thấy tiếng click và đĩa từ quay. + SSD: Không có bộ phận chuyển động nên hoàn toàn yên tĩnh.
Rung động: + HDD: Hoạt động quay của đĩa từ đôi khi có thể tạo ra rung động. + SSD: Không gây rung động do không có bộ phận chuyển động.
Tỏa nhiệt: + HDD: Tỏa nhiệt nhiều hơn do có các bộ phận chuyển động và lượng tiêu hao điện năng cao hơn. + SSD: Tỏa nhiệt ít hơn do không có bộ phận chuyển động và lượng tiêu hao điện năng thấp hơn.
Tỷ lệ hỏng: + HDD: Thời gian trung bình giữa hai lỗi (mean time between failures - MTBF) là 1,5 triệu giờ. + SSD: MTBF 2 triệu giờ.
Tốc độ đọc/ghi tập tin: + HDD: Trong khoảng từ 50 đến 120 MB/s. + SSD: Thường trên 200 MB/s và có thể lên đến 550 MB/s đối với những ổ đĩa cao cấp.
Mã hóa: + HDD: Chức năng mã hóa toàn bộ ổ đĩa (full disk encryption - FDE) chỉ được hỗ trợ trên một số model. + SSD: Tương tự như HDD.
Tốc độ mở tập tin: + HDD: Chậm hơn SSD. + SSD: Nhanh hơn đến 30% so với HDD.
Tác động bởi từ tính: + HDD: Môi trường từ tính có thể xóa mất dữ liệu. + SSD: Ổ đĩa vẫn an toàn trong môi trường từ tính bất kỳ.
Độ chắc chắn: + HDD: Dễ hỏng vật lý do rung lắc, chấn động. + SSD: Không dễ hỏng vật lý do rung lắc, chấn động.
[Để so sánh về độ bền của HDD và SSD, vui lòng đọc bài viết HDD vs. SSD - Ổ đĩa nào bền hơn?].
Tương lai nào cho HDD?
HDD có một lịch sử ấn tượng trong việc cải tiến và đổi mới. Từ khi ra đời vào năm 1956, HDD đã giảm kích thước 57.000 lần, tăng dung lượng 1 triệu lần và giảm giá thành 2.000 lần. Nói cách khác, giá thành trên mỗi gigabyte giảm xuống khoảng 2 tỷ lần trong hơn 60 năm qua.
[Để tìm hiểu về quá trình ra đời và sự phát triển của bộ nhớ lưu trữ, vui lòng đọc bài viết Bộ nhớ lưu trữ giá 1 triệu USD giảm còn 2 cent cho mỗi gigabyte và Hành trình phát triển của bộ nhớ lưu trữ].
Các nhà sản xuất HDD đã tạo ra nhiều tiến bộ đáng kể như giảm kích thước đĩa từ, nhờ đó giảm thời gian tìm kiếm, trong khi tăng mật độ lưu trữ, cải thiện công nghệ đọc, tăng số lượng cánh tay đòn và đầu đọc/ghi, phát triển giao tiếp bus tốt hơn, tăng tốc độ quay và giảm ma sát bằng kỹ thuật chèn khí helium vào ổ đĩa.
Năm 2005, ngành công nghiệp HDD giới thiệu công nghệ ghi từ vuông góc (perpendicular magnetic recording - PMR) để thay thế cho công nghệ ghi từ dọc (longitudinal magnetic recording - LMR), cho phép mật độ lưu trữ vượt hơn 100 gigabit trên mỗi inch vuông. LMR sắp xếp các bit dữ liệu theo chiều ngang của đĩa từ quay, song song với bề mặt của ổ đĩa. Trong khi PMR sắp xếp các bit dữ liệu theo chiều dọc của đĩa từ quay, vuông góc với bề mặt của ổ đĩa.
Những công nghệ khác như ghi từ dạng bit (bit patterned media recording - BPMR) cũng góp phần gia tăng mật độ. Được giới thiệu năm 2010 bởi Toshiba, BPMR là một công nghệ HDD đang trong giai đoạn đề xuất, có thể tiếp bước PMR. Nó dùng công nghệ nano để ghi dữ liệu lên các đảo từ (magnetic island), mỗi bit tương ứng với một đảo, khác với công nghệ HDD hiện tại, mỗi bit được lưu vào 20 đến 30 hạt từ trên một lớp từ tính liên tục.
Ghi lợp từ (shingled magnetic recording - SMR) là công nghệ ghi dữ liệu bằng từ tính được dùng trong HDD để tăng mật độ và dung lượng lưu trữ trên mỗi ổ đĩa. SMR ghi các track từ tính mới xếp chồng lên một phần track đã được ghi trước đó, làm cho track trước đó trở nên hẹp hơn và cho phép mật độ track cao hơn. Vì vậy, các track xếp chồng một phần được ví như mái ngói. Phương pháp này được chọn do những giới hạn vật lý gây cản trở các vùng ghi có cùng độ rộng như các vùng đọc, nhằm tạo ra vùng ghi rộng hơn.
Để tăng lượng dữ liệu lưu trữ trên đĩa từ của HDD, cần phải nhồi nhét các vùng từ tính lại gần nhau hơn, nghĩa là các hạt từ tính phải nhỏ hơn nữa để chúng không tự gây nhiễu loạn cho nhau. Năm 2002, Seagate đã thử nghiệm thành công công nghệ ghi từ bằng nhiệt (heat assisted magnetic recording - HAMR). HAMR ghi từ tính với sự trợ nhiệt từ tia laser, giúp các nhà sản xuất HDD có thể tạo ra ổ đĩa 20TB vào năm 2019.
Western Digital tuyên bố rằng công nghệ ghi từ bằng vi sóng (microwave assisted magnetic recording - MAMR) của hãng có thể cho phép dung lượng HDD tăng lên 40TB vào năm 2025. Các nhà sản xuất và nhà quan sát trong ngành dự đoán mật độ lưu trữ sẽ tăng từ 0,86 Tbpsi (terabit per square inch - terabit trên mỗi inch vuông) ở thời điểm hiện tại lên 10 Tbpsi vào năm 2025, giúp dung lượng HDD có thể đạt mức 100TB trong thập niên tới.
Ngoài các kỹ thuật ghi nêu trên, những công nghệ khác cũng đang được nghiên cứu, kể cả phương pháp đóng băng HDD ở nhiệt độ cực thấp để gia tăng mật độ.
Tương lai của HDD chắc hẳn là rất sáng sủa và chúng ta sẽ còn dùng đến chúng trong một khoảng thời gian nữa.
Triển vọng của SSD
SSD cũng có một số thành tựu nổi bật.
+ Giao tiếp:
SATA (serial advanced technology attachment) là giao tiếp thông dụng, cho phép truyền dữ liệu đến và đi từ HDD/SSD. Các SSD SATA phù hợp với phần lớn người dùng gia đình, do chúng thường rẻ hơn, tốc độ thấp hơn và tuổi thọ ghi cũng thấp hơn.
Tuy nhiên, với hoạt động tính toán mỗi ngày, trong môi trường mảng máy chủ RAID (redundant array of independent disks) hoặc trung tâm dữ liệu, sử dụng ổ đĩa SAS (Serial Attached SCSI) sẽ là lựa chọn tốt hơn. SAS là một loại giao tiếp khác, có thể dùng cho cả HDD và SSD. SCSI là từ viết tắt của Small Computer System Interface. SAS cho ra IOPS (input/output operations per second) cao hơn SATA, nghĩa là nó có khả năng đọc và ghi dữ liệu nhanh hơn. Điều này khiến SAS trở thành lựa chọn tối ưu cho những hệ thống yêu cầu hiệu năng và tính sẵn sàng cao.
[Để tìm hiểu về RAID, vui lòng đọc bài viết Giải thích các cấp độ RAID].
Ở cấp độ doanh nghiệp, SAS ưu thế hơn SATA, do SAS hỗ trợ dung lượng dự phòng (over-provisioning) nhằm kéo dài tuổi thọ ghi và được thiết kế đặc biệt để chạy trong môi trường đòi hỏi sử dụng ổ đĩa liên tục.
PCIe (peripheral component interconnect express) là một tiêu chuẩn bus mở rộng nối tiếp tốc độ cao trên máy tính, hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu cao hơn đáng kể so với giao tiếp SATA hoặc SAS, do PCIe có nhiều kênh (làn) truyền dữ liệu hơn.
[Để tìm hiểu về PCIe và lợi ích của nó đối với lưu trữ thể rắn, vui lòng click vào đây].
Nhiều nhà sản xuất ổ đĩa hàng đầu đã chọn PCIe làm tiêu chuẩn cho các thiết bị lưu trữ mới và doanh nghiệp, cũng như một số thiết bị ngoại vi khác. Ví dụ, bạn sẽ thấy rằng những máy tính Apple MacBook mới nhất được trang bị bộ nhớ flash dựa trên PCIe, thứ mà Apple đã áp dụng nhiều năm qua dành cho thiết bị tiêu dùng.
PCIe cũng có thể được dùng trong các hệ thống RAID của trung tâm dữ liệu, để tạo ra mạng tốc độ cao, tăng hiệu năng tổng thể và hỗ trợ những HDD mới hơn, dung lượng cao hơn.
+ Mật độ lưu trữ:
Như chúng tôi đã đề cập ở phần trước, SSD dựa trên một loại bộ nhớ flash bất biến được gọi là NAND và công nghệ mới nhất sắp tới của nó là NAND QLC (quad level cell). NAND được chia thành nhiều loại, dựa trên số lượng bit dữ liệu được lưu trữ trong mỗi cell bộ nhớ vật lý: SLC (single level cell) lưu trữ một bit, MLC (multi level cell) lưu trữ hai bit, TLC (triple level cell) lưu trữ ba bit, và QLC lưu trữ bốn bit.
Dữ liệu được lưu trữ trên mỗi cell càng nhiều, mật độ NAND càng dày đặc, nhưng nó cũng khiến cho bộ nhớ trở nên chậm hơn - do mất nhiều thời gian để đọc và ghi dữ liệu khi có thêm quá nhiều thông tin (và do đó có nhiều trạng thái tích điện) được lưu trữ trong cùng một cell bộ nhớ.
Bộ nhớ NAND QLC được chế tạo theo quy trình cũ hơn với số lượng cell lớn hơn, có thể dễ dàng lưu trữ nhiều bit dữ liệu. Công nghệ NAND mới có độ tin cậy cao hơn với tổng số chu kỳ lập trình / xóa (program/erase - P/E) cao hơn.
NAND QLC hứa hẹn cho ra những ổ đĩa SSD nhanh hơn và dung lượng cao hơn. Công nghệ này cũng có thể ảnh hưởng lớn đến giá thành. Tom’s Hardware dự đoán sự ra đời của QLC có khả năng sẽ đẩy giá SSD 512GB giảm xuống chỉ còn khoảng 100 USD (hơn 2 triệu đồng).
Vượt xa HDD và SSD:
Chúng tôi đã từng viết bài Data Storage Technologies of the Future (Công nghệ Lưu trữ Dữ liệu trong Tương lai) vào năm 2015, và những công nghệ này tiếp tục đẩy giới hạn lưu trữ dữ liệu vượt xa khả năng của các đĩa từ quay (HDD) và vi mạch (SSD).
Chẳng hạn, một nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Harvard, Mỹ đã sử dụng kỹ thuật biến đổi gen để mã hóa video vào trong vi khuẩn sống. Còn tại Anh, các nhà khoa học ở Trung tâm Nghiên cứu Quang điện tử (ORC), thuộc trường Đại học Southampton đã phát triển thành công phương pháp ghi và đọc dữ liệu số 5-chiều (5D) lên bề mặt đĩa quang. Những chiếc đĩa này có thể chứa tới 360TB dữ liệu, và về lý thuyết nó có độ ổn định lên đến 14 tỷ năm. Bộ nhớ dữ liệu quang 5D - đôi khi còn gọi là superman memory crystal - là loại đĩa thủy tinh (thạch anh) có cấu trúc nano, được ghi dữ liệu số 5D vĩnh viễn bằng kỹ thuật ghi femtosecond laser.
Năm 2018, công nghệ này được sử dụng bởi Arch Mission Foundation, một tổ chức phi lợi nhuận có nhiệm vụ bảo tồn và truyền bá tri thức của loài ngoài qua thời gian và không gian, vì lợi ích của các thế hệ tương lai. Đĩa quang 5D đầu tiên và thứ hai được trao cho tỷ phú Elon Musk, một cái đang ở thư viện cá nhân của ông, cái còn lại nằm trong chiếc ô tô điện thể thao Tesla Roadster đã được công ty SpaceX của ông phóng vào không gian.
Dù là công nghệ nhiệt, vi sóng, DNA, vi khuẩn, thạch anh hay holography, mục đích hướng tới cuối cùng vẫn là tăng dung lượng, tốc độ và tuổi thọ của thiết bị lưu trữ.
Lợi ích của SSD trong trung tâm dữ liệu
Ở phần đầu bài viết này, chúng ta đã đề cập đến nhiều ưu điểm của SSD. Trong môi trường đặc thù của trung tâm dữ liệu, SSD mang lại những lợi ích sau:
Công suất tiêu thụ thấp - Khi bạn vận hành nhiều ổ đĩa, công suất tiêu thụ sẽ tăng lên. Loại ổ đĩa nào giúp bạn tiết kiệm điện hơn sẽ giành chiến thắng.
Tốc độ - Dữ liệu có thể được truy cập nhanh hơn, đặc biệt hữu ích trong việc tạo bộ nhớ đệm (cache) cho cơ sở dữ liệu và những dữ liệu khác, tác động đến hiệu năng tổng thể của ứng dụng và hệ thống.
Không gây rung động - Hạn chế rung động giúp cải thiện độ tin cậy, do giảm bớt vấn đề phát sinh, cũng như công tác bảo trì. Các rack chứa SSD không yêu cầu về kích thước và cấu trúc chắc chắn như HDD.
Tiếng ồn thấp - Trung tâm dữ liệu sẽ trở nên yên tĩnh hơn khi nhiều SSD được triển khai.
Mức tỏa nhiệt thấp - Lượng nhiệt phát ra ít hơn, yêu cầu về làm mát và công suất ít hơn.
Boot nhanh hơn - Một khay lưu trữ ở trong trạng thái sẵn sàng nhanh hơn, hoặc một máy chủ quan trọng có thể boot lại nhanh hơn sau bảo trì hoặc sự cố, sẽ tốt hơn.
Mật độ lưu trữ lớn hơn - Các trung tâm dữ liệu có thể lưu trữ được nhiều dữ liệu hơn trong không gian nhỏ hơn, dẫn đến tăng hiệu quả ở tất cả các khâu (công suất, làm mát...).
Những nhà sản xuất hàng đầu nói rằng họ kỳ vọng HDD và SSD sẽ cùng tồn tại trong tương lai gần trên tất cả lĩnh vực - gia đình, doanh nghiệp, trung tâm dữ liệu. Khi đó khách hàng có thể lựa chọn công nghệ và sản phẩm sao cho phù hợp nhất với ứng dụng của mình.
Cách Backblaze sử dụng SSD:
Trên tất cả lĩnh vực, SSD đều nổi trội hơn so với HDD. Vậy tại sao chúng tôi không thay thế hơn 100.000 HDD hiện có trong trung tâm dữ liệu bằng SSD?
Lý do chính đó là giá thành.
Chúng tôi rất muốn đưa hiệu năng và mật độ của SSD vào các Storage Pod, nhưng tỷ lệ giá thành / lợi ích của SSD chưa đủ hấp dẫn chúng tôi.
Đội ngũ vận hành của chúng tôi tận dụng những lợi ích và tiết kiệm trong việc dùng SSD, triển khai chúng ở mọi nơi có thể, ngoại trừ bộ nhớ dữ liệu chính. Chúng rất hữu dụng trong hoạt động cache và khôi phục, nơi chúng tôi có thể sử dụng chúng nhằm mục đích tăng tốc độ truyền dữ liệu. SSD còn giúp tăng tốc độ truy cập siêu dữ liệu (metadata) trên B2 Cloud Storage. Đội ngũ vận hành của chúng tôi dự kiến sẽ chuyển sang SSD để boot các Storage Pod, nơi mà chi phí nhỏ của một SSD có khả năng cạnh tranh với HDD, và những thông số khác (kích thước, độ rung động, tốc độ, công suất tiêu thụ, độ tin cậy) cũng nổi trội hơn.
Tương lai của HDD và SSD
Công ty nghiên cứu thị trường IDC dự báo tổng lượng dữ liệu được tạo ra trên toàn cầu sẽ tăng từ khoảng 33 zettabyte (ZB) năm 2018 lên khoảng 160ZB vào năm 2025.
Hơn 90% lượng xuất xưởng ổ đĩa doanh nghiệp hiện nay là HDD, theo IDC. Đến năm 2025, SSD sẽ chiếm gần 20% lượng xuất xưởng ổ đĩa doanh nghiệp. SSD sẽ tăng thị phần, nhưng sự phát triển của dữ liệu sẽ khiến HDD và SSD tăng mạnh về doanh số.
Khi doanh số của HDD và SSD tăng, dung lượng của hai công nghệ này cũng tăng. Với những lợi ích của SSD trong nhiều ứng dụng, khả năng chúng ta sẽ thấy SSD thay thế HDD trên mọi lĩnh vực, ngoại trừ những nơi yêu cầu dung lượng cao nhất.
Rõ ràng HDD và SSD đều có ưu điểm riêng. Nếu bạn không chạy trung tâm dữ liệu, và cũng không có hơn một hoặc hai terabyte dữ liệu trên máy tính ở nhà hoặc công ty, có lẽ lựa chọn đầu tiên của bạn sẽ là SSD. Chúng giúp cải thiện đáng kể về hiệu năng trong quá trình boot và truyền dữ liệu, cùng với đó là kích cỡ nhỏ hơn, yên tĩnh hơn và đáng tin cậy hơn. Hãy dùng HDD cho ổ đĩa thứ cấp, NAS, RAID và thiết bị sao lưu cục bộ trong hệ thống của bạn.
Có lẽ đến một lúc nào đó, chúng ta sẽ nhìn lại tháng ngày của các đĩa từ quay tương tự như những chiếc đĩa LP thời xưa, và một số người trong chúng ta sẽ dùng HDD như một cái chặn giấy trên bàn làm việc. Đó sẽ là ngày mà hiệu năng, dung lượng, cuối cùng là giá thành của SSD có thể bắt kịp và đánh bật HDD ra khỏi từng gia đình và trung tâm dữ liệu.
+ Cập nhật ngày 23/3:
Đây là hình chụp ông Ariel, Giám đốc Chuỗi Cung ứng của Backblaze, đang cầm trên tay ổ đĩa thể rắn dung lượng lớn nhất thế giới - SSD 100TB, được công ty Nimbus Data công bố vào ngày 19/3. SSD này chứa dữ liệu nhiều gấp đôi so với các Storage Pod đầu tiên của Backblaze.