本篇文章是關(guān)于數(shù)字存儲(chǔ)和內(nèi)存以及使用這些技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)的三部分中的第一部分，將討論磁記錄方面的進(jìn)展，這些進(jìn)展已使磁硬盤驅(qū)動(dòng)器和磁帶記錄成為可能。

由于SSD價(jià)格低廉以及市場(chǎng)上NAND閃存供過于求，HDD進(jìn)入多個(gè)市場(chǎng)的出貨量持續(xù)下降。當(dāng)前，客戶端SSD的價(jià)格不到每TB HDD價(jià)格的5倍，并且在該價(jià)格點(diǎn)上，對(duì)于許多應(yīng)用（例如大多數(shù)擁有1-2 TB存儲(chǔ)的客戶端PC），SSD是一個(gè)有吸引力的選擇（通常在云中具有更多存儲(chǔ)） 。因此，SSD在PC存儲(chǔ)中所占的百分比正在增加。同樣，在消費(fèi)者和高性能企業(yè)應(yīng)用程序中，HDD的出貨量繼續(xù)下降（例如，游戲機(jī)轉(zhuǎn)移到SSD而不是最新型號(hào)的HDD）。

另一方面，企業(yè)級(jí)HDD的價(jià)格仍接近企業(yè)SSD的10倍，近線大容量HDD處于總體增長(zhǎng)曲線上。特別是，在疫情大流行初期，數(shù)據(jù)中心在近線硬盤上的支出增加了2020年的銷售量，我們預(yù)計(jì)到2020年近線驅(qū)動(dòng)器的發(fā)貨量將比2019年增加約14％。我們預(yù)計(jì)2021年的增長(zhǎng)會(huì)有所放緩（近線單位）同比增加10％（因?yàn)槲覀円呀?jīng)達(dá)到了數(shù)據(jù)中心支出的峰值，該峰值一直延伸到2020年，而支出將在2020年用于支持遠(yuǎn)程工作和流傳輸）。

到2020年三季度為止2020年HDD的總出貨量為1.9億個(gè)。我們預(yù)計(jì)2020年四季度的發(fā)貨量將在6000到6500萬之間，導(dǎo)致日歷年HDD的總發(fā)貨量為250-255M，比2019年的3.163億下降19-21％。2018年至2019年之間，HDD的發(fā)貨總量下降15.7％。到2021年，預(yù)計(jì)HDD總出貨量為2.14億個(gè)，比2020年下降約15％。下圖顯示了到2025年HDD總出貨量的最新預(yù)測(cè)，包括2020年至2025年的高，中和低的預(yù)估。

硬盤出貨量歷史和預(yù)測(cè)

預(yù)計(jì)2020年HDD的總出貨量預(yù)計(jì)為1.0 Zetabytes（ZB）。到2025年，HDD的年總出貨量應(yīng)超過2.5 ZB。

隨著更高利潤(rùn)的HDD銷售數(shù)量的增長(zhǎng)，高容量近線驅(qū)動(dòng)器的HDD平均銷售價(jià)格（ASP）總體上一直在上漲，如下圖20年第三季度所示（C3Q20的下降是由于客戶端計(jì)算設(shè)備的增加，該季度的遠(yuǎn)程工作導(dǎo)致）。

HDD ASP歷史

下面的餅形圖顯示了到2020年C20年第三季度的運(yùn)輸單位市場(chǎng)份額，這可能在2020年全年幾乎相同。請(qǐng)注意，在疫情早期處理供應(yīng)鏈問題后，東芝在HDD業(yè)務(wù)中的份額又恢復(fù)了20％（東芝在2019年的份額為24％）。

2020年第三季度硬盤市場(chǎng)份額

為了保持與SSD的競(jìng)爭(zhēng)力，HDD必須繼續(xù)提高HDD的面密度（可以存儲(chǔ)在磁盤表面給定區(qū)域上的信息量）。這是使HDD與SSD相比具有顯著的每TB價(jià)格優(yōu)勢(shì)的主要組成部分。下圖顯示了HDD宣布的最大產(chǎn)品面密度，顯示自2015年以來最大面密度沒有多少改善。業(yè)內(nèi)一些人士表示，HDD面密度的增長(zhǎng)約為8％GAGR。

硬盤運(yùn)輸產(chǎn)品地域密度增長(zhǎng)

即使面密度增長(zhǎng)減慢，但通過使用He密封HDD增加驅(qū)動(dòng)器中的磁盤數(shù)量，HDD容量也得到了增長(zhǎng)。如今，具有多達(dá)9個(gè)磁盤的HDD可用，并且有關(guān)于將其增加到10-12個(gè)磁盤的討論。如果要使其適合傳統(tǒng)的3.5英寸HDD尺寸，則可能會(huì)推動(dòng)玻璃或玻璃陶瓷磁盤基板的使用，目前某些玻璃制造商正在使用這種基板，而其他HDD制造商則未使用。有些想法可能允許3.5英寸尺寸的更多磁盤（例如L2的具有部分真空的HDD）獲得比He填充HDD更高的磁盤數(shù)量和面密度。

HDD公司還轉(zhuǎn)向了能量輔助磁記錄，以增加磁記錄的面密度。2020年，Western Digital和Seagate都宣布將為數(shù)據(jù)中心和企業(yè)認(rèn)證交付能源輔助的HDD。在WDC的情況下，作為一種能源輔助技術(shù)，他們的產(chǎn)品使用了施加到寫頭的偏置電流來減少寫抖動(dòng)。

希捷的20TB硬盤產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了熱輔助磁記錄（HAMR）。WDC和東芝在過去幾年中宣布，他們計(jì)劃使用微波輔助磁記錄（MAMR）提供HDD。希捷預(yù)測(cè)，HAMR將在2023年啟用30TB硬盤，到2026年可能實(shí)現(xiàn)50 TB硬盤。WDC或東芝很可能在2021年推出自己的HAMR或MAMR硬盤。

HDD存儲(chǔ)容量的增長(zhǎng)速度超過了HDD的數(shù)據(jù)速率。這會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問題（例如，驅(qū)動(dòng)器重建速度變慢），并且正在推動(dòng)開發(fā)以提高HDD的數(shù)據(jù)速率。希捷（Seagate）和WDC（威斯康星州）都已經(jīng)展示了雙級(jí)執(zhí)行器HDD，并且正將這些產(chǎn)品發(fā)送給企業(yè)和數(shù)據(jù)中心。有使用雙級(jí)執(zhí)行器HDD進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的報(bào)告，可能會(huì)在2021年發(fā)布實(shí)用存儲(chǔ)系統(tǒng)。

希捷和WDC都在其存儲(chǔ)產(chǎn)品中使用RISC-V內(nèi)核，WDC似乎已在其SSD，HDD和存儲(chǔ)系統(tǒng)（及其SweRV內(nèi)核）中轉(zhuǎn)移到幾乎100％的RISC-V處理器。WDC在2020年RISC-V峰會(huì)上表示，它具有兩種SweRV內(nèi)核。首先是他們的EH2雙線程內(nèi)核，用于高隨機(jī)讀取IOPS。第二個(gè)是他們的EL2低功耗內(nèi)核，用于定序器和狀態(tài)機(jī)。WDC還討論了其OmniXtend，該OmniXtend允許與各種類型的處理器共享主內(nèi)存。希捷宣布將RISC-V內(nèi)核用于HDD磁頭定位的運(yùn)動(dòng)控制信息的實(shí)時(shí)處理。希捷還將RISC-V用于其OpenTitan信任根，以在邊緣提供值得信賴的數(shù)據(jù)。

磁帶使用與硬盤驅(qū)動(dòng)器相同的基本磁記錄技術(shù)。這些產(chǎn)品在云以及本地?cái)?shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)歸檔中繼續(xù)發(fā)揮重要作用。磁帶LTO在大約80％的市場(chǎng)份額中是磁帶的領(lǐng)導(dǎo)者，而IBM企業(yè)磁帶則占了大部分。LTO-9于2019年推出，具有18TB的本機(jī)存儲(chǔ)容量（最初計(jì)劃為24TB）。修改后的LTO路線圖如下所示。

LTO磁帶容量路線圖

Ultrium LTO聯(lián)盟預(yù)計(jì)其第10代將是LTO 9的本機(jī)存儲(chǔ)容量的兩倍，并且未來幾代的容量將比上一代提高2倍。LTO磁帶9具有約13.5Gbpsi磁記錄面密度，而HDD面密度是有點(diǎn)超過1 Tbpsi（帶具有約1/10個(gè) HDD的面密度）。結(jié)果，磁帶具有許多可用的磁性技術(shù)，可用于增加磁帶的存儲(chǔ)容量。

IBM和Fujifilm在2015年進(jìn)行了磁帶技術(shù)演示，展示了使用鋇鐵氧體（BaFe）顆粒磁帶（使220TB半英寸磁帶盒成為可能）的面密度為123 Gbps。在2017年的一次演示中，IBM和索尼實(shí)現(xiàn)了201 Gbpsi（使330TB盒式磁帶成為可能）的濺射磁介質(zhì)。

2020年12月，IBM和Fujifilm展示了世界最高的317吉比特每平方英寸（Gbpsi）的面密度記錄磁帶，從而實(shí)現(xiàn)了580TB半英寸的盒式磁帶。這將是IBM最大的企業(yè)級(jí)磁帶盒20TB容量的29倍。磁帶被廣泛用于存檔數(shù)據(jù)，并為不需要快速訪問的數(shù)據(jù)提供廉價(jià)的存儲(chǔ)。磁帶在主要數(shù)據(jù)中心中用于其冷存儲(chǔ)。磁帶介質(zhì)，驅(qū)動(dòng)器和磁帶庫(kù)的總體市場(chǎng)可能超過$ 2B。最新的IBM和Fujifilm演示使用鍶鐵氧體（SrFe）粒子磁性介質(zhì)。

IBM是磁帶驅(qū)動(dòng)器的唯一制造商，而Fujifilm和Sony是僅有的剩余磁帶制造商。IBM研究人員指出，由于可以在磁帶中使用的磁記錄技術(shù)的可用性，磁帶行業(yè)認(rèn)為，它可以以每年34％的面密度增長(zhǎng)的速度繼續(xù)增長(zhǎng)。他們將此與最近HDD的面密度增長(zhǎng)進(jìn)行了比較，近年來，HDD的面密度每年以8％的范圍變化。

下圖顯示了iNSIC一個(gè)存儲(chǔ)行業(yè)貿(mào)易組織的圖表，該圖表顯示了HDD產(chǎn)品和演示區(qū)域密度的增長(zhǎng)以及磁帶運(yùn)輸產(chǎn)品區(qū)域密度的增長(zhǎng)，包括317 Gbpsi演示。

iNSIC磁帶與HDD路線圖

IBM人士認(rèn)為，由于磁帶的面密度增長(zhǎng)大大超過了HDD，因此該磁帶將取代HDD進(jìn)行更冷的存儲(chǔ)。另一方面，HDD公司開始使用能量輔助磁記錄來交付HDD，并且預(yù)計(jì)在未來幾年中，每年的面密度將以每年20％的速度增長(zhǎng)，因此磁帶的優(yōu)勢(shì)可能不會(huì)那么大。

對(duì)于許多應(yīng)用程序，HDD的使用正在下降，但是對(duì)于具有大容量近線HDD的數(shù)據(jù)中心中的輔助存儲(chǔ)（越來越多的SSD用于主存儲(chǔ)）的使用正在增加。磁帶被許多企業(yè)和云數(shù)據(jù)中心用于長(zhǎng)期數(shù)據(jù)歸檔。對(duì)于所有這些磁記錄技術(shù)，將需要更高的容量來存儲(chǔ)未來十年預(yù)期的爆炸性數(shù)據(jù)。

參考鏈接：https://www.forbes.com/sites/tomcoughlin/2020/12/18/digital-storage-projections-for-2021-part-1/?sh=4173047b74e1

https://www.forbes.com/sites/tomcoughlin/2020/05/29/hdd-market-history-and-projections/?sh=3db3941d6682

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：2021年的數(shù)字存儲(chǔ)預(yù)測(cè)(第一部分)

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