HDD или SSD - какой тип накопителя выбрать

HDD (Hard Disk Drive) – он же накопитель на жестких магнитных дисках - устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи доступа.

Упоминание «жесткости» дисков в названии связано с тем, что с 1971 года и до середины 2000-х годов параллельно с ними использовались гибкие магнитные диски FDD (Floppy Disk Drives) или дискеты. Они представляли собой буквально гибкие пластиковые диски с ферромагнитным слоем и помещенные в защитный корпус из пластика. В отличие от HDD это были сменные носители информации.

Первый жесткий диск был выпущен на рынок в 1956 году в составе первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC. Это был IBM 350 - накопитель размером с большой холодильник и весом 971 кг, а общий объем памяти составлял около 3,5 МБ мегабайт. И уже тогда были заложены основные конструктивные особенности.

Внутри герметичного корпуса HDD находится стопка алюминиевых дисков, закрепленных на шпинделе с небольшими промежутками. Рядом с ними в том же корпусе - устройство позиционирования головок. Обычно в современных HDD в такой стопке находится 10 дисков, с двух сторон покрытых ферромагнитным слоем. К каждой такой поверхности прилагается магнитная головка для чтения-записи.

В современных жестких дисках шпиндель с дисками вращается со скоростями от 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки) до 10 000 и 15 000 об./мин. (серверы и высокопроизводительные рабочие станции). Увеличению скорости вращения шпинделя в винчестерах для ноутбуков препятствует гироскопический эффект, влияние которого пренебрежимо мало в неподвижных компьютерах.

При такой скорости рядом с поверхностью диска создается воздушный поток, который приподнимает головки, и они «парят» на очень маленьком расстоянии над пластинами. Пока диски не раскручены до нужной скорости, головки удерживаются в парковочной зоне, чтобы не повредить диски и сами головки.

Когда на головку подается переменный электрический сигнал (при записи), она создает магнитное поле, которое меняет направление намагниченности отдельных участков поверхности диска в зависимости от сигнала. При чтении эти намагниченные участки изменяют магнитный поток в головке, и в катушке появляется электрический сигнал — это и есть считываемая информация.

Для пользователей такой подход позволяет обеспечить:

• Пропускную способность от 1,2 Гбит/с (при использовании интерфейса UltraATA/133) до 4,8 Гбит/с (при использовании интерфейса SATA-600).
• Уровень шума около 26 дБ и ниже.
• Стоимость емкости в среднем 0,000035 $ за один мегабайт.
• Среднее время доступа порядка 8—10 мс (среднее время, за которое винчестер выполняет операцию позиционирования головки чтения/записи на произвольный участок магнитного диска, зависит от скорости вращения).
• Обычно выдерживают кратковременные удары с ускорением до 70–90 g во время работы. В состоянии покоя (когда диски не вращаются и головки находятся в парковочной зоне) выдерживают удары до 300–350 g.
• Практически не имеют ограничения на количество перезаписей. Ограничение срока работы связано не с магнитной поверхностью, а с механическим износом: головок, подшипников и других деталей.

SSD (Solid-State Drive) – он же твердотельный накопитель - энергонезависимое немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Здесь данные хранятся в микросхемах вместо вращающихся металлических дисков.

Помимо собственно микросхем памяти, подобный накопитель содержит управляющую микросхему — контроллер.

Первый полупроводниковый накопитель современного типа был разработан компанией StorageTek в 1978 году. В 2008 году Mtron Storage Technology был создан первый SSD-накопитель объемом 128 ГБ. И в самом начале своего появления эта технология была достаточно дорога и в сотни раз превышала стоимость хранения 1 мегабайта информации в сравнении с хорошо разработанными к тому времени технологиями HDD. Но Постепенное развитие и удешевление технологий постепенно вывело SSD на первое место.

Главный недостаток SSD - ограниченное количество циклов записи - примерно от 3 до 10 тысяч раз (гарантированный ресурс). В самых дешевых накопителях ресурс может составлять порядка 1000 циклов записи и менее.

В современных SSD для того, чтобы память изнашивалась равномерно, используется специальная система — wear leveling (балансировка нагрузки). Контроллер следит за тем, сколько раз каждая ячейка памяти уже записывалась, и при записи новых данных выбирает менее использованные ячейки. Это помогает продлить срок службы накопителя.

Современные накопители SSD обычно представлены в форм-факторе M.2.

Твердотельные накопители формата M.2 могут использовать два разных интерфейса передачи данных — SATA и PCIe — и именно этот интерфейс определяет их основные характеристики и возможности. M.2 SATA SSD подключаются через привычный протокол SATA III и по сути работают так же, как обычные 2,5-дюймовые SSD, только в компактном форм-факторе. Ограничение скорости передачи данных до 550 МБ/с и сравнительно высокие задержки делают их оптимальным выбором для базовых задач, таких как повседневная работа на компьютере, хранение данных и запуск стандартных приложений.

В отличие от них, M.2 PCIe SSD используют линии PCI Express и протокол NVMe, разработанный специально для работы с флеш-памятью. Это позволяет достигать многократного увеличения скорости передачи данных и снижения задержек. Такие накопители могут справляться с интенсивными нагрузками, обеспечивая мгновенную загрузку больших файлов, высокую производительность в играх и профессиональном программном обеспечении. При этом они выделяют больше тепла и требуют внимания к охлаждению, а их стоимость обычно выше, чем у SATA-версий.

Помимо различий в производительности, накопители отличаются физическим разъемом. M.2 SATA используют ключи B или B+M, а PCIe NVMe — ключ M.

При этом наличие слота M.2 на материнской плате не всегда гарантирует поддержку NVMe: некоторые слоты работают только с SATA, другие — только с PCIe, а третьи поддерживают оба варианта. Таким образом, хотя оба типа M.2 выглядят одинаково снаружи, они значительно отличаются по скорости, протоколу работы, нагреву и совместимости, что важно учитывать при выборе SSD для конкретной системы и задач.

Итак, современные носители SSD могут предложить:

• Пропускную способность: от 4,8 Гбит/с (при использовании интерфейса SATA-600) до 64 Гбит/с и более (при использовании интерфейсов PCIe 4.0 ×4 и PCIe 5.0 ×4) – в 13 раз быстрее HDD.
• Уровень шума: 0 дБ — полностью бесшумны.
• Стоимость емкости в среднем 0,00025 $ за мегабайт - примерно в 4–7 раз дороже HDD.
• Среднее время доступа: около 0,02–0,1 мс - в десятки раз быстрее HDD.
• Кратковременно выдерживают удары с ускорением до 1500 g – в 5 раз выше HDD.
• Количество циклов перезаписи от 3 до 10 тысяч раз.

Исходя из указанных характеристик, уже в начале 2021 года продавалось SSD в полтора раза больше, чем HDD - примерно 99 млн против 64 млн штук. Однако по общему объему памяти жесткие диски все еще лидировали почти в пять раз - 288,3 эксабайт против 61,5, так как обычно имеют больше емкость.

В начале 2022 года опубликованы результаты крупного пятилетнего исследования компании Backblaze (специализируется на облачном хранении и резервном копировании данных): в течение пяти лет они сравнивали надежность HDD и SSD в своих серверах.

В первые четыре года HDD справлялись почти не хуже, но к пятому их число отказов резко выросло - до 3,55 % за год, тогда как SSD - 0,92 %. То есть, SSD в три раза надежнее HDD в долгосрочной перспективе. Однако, это масштабное исследование нельзя считать объективным, так как в этом анализе SSD использовались в качестве загрузочного носителя. В отчете Backblaze нет информации об отказоустойчивости дисков при частой перезаписи больших объемов данных, также ничего нет про сохранность информации при ее длительном хранении.

Не смотря на это, уже во втором квартале 2022 года продажи жестких дисков упали примерно на 15 %.

Хотя HDD еще конкурентны при решении задач хранения больших объемов данных, а также там, где происходит их частая перезапись. SSD выигрывают по скорости и устойчивости.

Даже после этого спада технологии жестких магнитных дисков продолжают развиваться:

• В октябре 2024 года компания Western Digital представила первые на рынке жесткие диски объемом 32 ТБ, в которых задействованы технологии ePMR и UltraSMR. ePMR (Energy-assisted Perpendicular Magnetic Recording - магнитная запись с повышенной энергией) - это технология магнитной записи, используемая в жестких дисках, согласно которой за счет подачи дополнительного электрического тока на записывающую головку, создается более сильное магнитное поле, что позволяет размещать биты данных ближе друг к другу, увеличивая емкость диска. UltraSMR (Shingled Magnetic Recording - черепичная магнитная запись) — это метод записи данных на жесткие диски, при котором дорожки частично перекрываются друг с другом, чтобы увеличить плотность записи и, как следствие, емкость накопителя.
• В январе 2025 компания Seagate начала поставки новейших жестких дисков емкостью 36 ТБ. Этого удалось достичь благодаря использованию технологии HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording - Термомагнитная запись). Это гибридная технология записи информации, комбинирующая магнитное чтение и магнитооптическую запись. HAMR работает по принципу, согласно которому при нагревании магнитные материалы диска могут удерживать больше данных в меньшем пространстве, что в итоге и приводит к увеличению емкости винчестера.
• На первую половину 2026 года компания Seagate анонсировала выпуск в продажу винчестеров объемом 40 терабайт, использующих ту же технологию.
• Компания Toshiba анонсировала на 2027 год выпуск накопителей емкостью также 40 терабайт, работающих по технологии MAMR (Microwave-Assisted Magnetic Recording - Микроволновая магнитная запись). В основе MAMR лежит применение особого генератора магнитного поля в микроволновом диапазоне, который устанавливается между полюсами пишущей головки жесткого диска. Возникающий в процессе его работы резонанс усиливает магнитное поле головки, создавая поле более высокой напряженности и позволяя уменьшить размер намагничиваемого «зерна». Также компания планирует отказаться от алюминиевых подложек, в пользу стеклянных, за счет чего планируется изготавливать более тонкие пластины и увеличивать их количество.
• Уже сейчас в экспериментальных лабораториях компании Seagate удается уместить на одной пластине жесткого диска 6 ТБ информации, что открыло прямой путь к накопителям объемом 60 ТБ.

Исходя из сказанного, мы можем предложить следующие рекомендации по выбору носителей информации:

Твердотельные накопители (SSD) — это современная замена традиционным жестким дискам (HDD). В области персональных устройств они неизменно захватывают рынок.

Главное отличие в том, что в SSD нет движущихся частей. Благодаря этому они работают абсолютно бесшумно, меньше весят и занимают меньше места. Кроме того, такие накопители гораздо лучше выдерживают удары и падения, поэтому надежнее в переносных устройствах, например в ноутбуках.

SSD также намного быстрее жестких дисков: компьютер с таким накопителем быстрее загружается, а файлы открываются почти мгновенно.

Однако у твердотельных накопителей есть и минусы. Во-первых, они стоят дороже — особенно если считать цену за один гигабайт памяти. Во-вторых, ячейки памяти SSD со временем изнашиваются, поэтому у них есть ограниченный ресурс записи данных. Возможно, в скором будущем в результате развития технологий изготовления энергонезависимой памяти это ограничение будет преодолено путем изготовления носителей, работающих по другим физическим принципам.

Тем не менее, HDD все еще конкурентны при решении задач хранения больших объемов данных, а также там, где происходит их частая перезапись. Кроме того, они предлагают значительно более низкую стоимость хранения одного мегабайта информации.