l  机械硬盘是后方之本

l  SMR和ZNS夯实根基

l  3个新领域发力纵深分层存储

l  前方NVMe-oF横向扩充

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机械硬盘是后方之本

硬盘是构成存储系统的最关键部件，对于机械硬盘而言，看似并不太复杂的机械部分，其实细究起来，到处都是无法逾越的技术门槛，一般人还真做不了。回想20几年前，机械硬盘领域有众多品牌，比如西部数据、东芝、迈拓、IBM、希捷、三星等。彼时长城硬盘也开始尝试自主研发，但是发现这个东西坑太多，很多关键技术搞不定，且一些关键器件必须从日本进口，最终还是放弃了。如下图所示，磁头和磁头臂又是机械硬盘里最关键的部分，其复杂和精细度极高。

上图取自《大话计算机》图11-67

机械硬盘的容量从最早的几GB如今已经发展到单盘即将达到20TB，这其中除了有底层基础学科发展带来的增益之外，硬盘厂商持续设计开发的各种改进技术也非常关键，比如垂直记录（PMR）、瓦片式磁记录（SMR）、能量辅助磁记录（EAMR）以及将来的点阵式磁记录（BPMR），另外还有双磁头臂技术（Dual Actuator）等等。

目前看来，机械硬盘的容量并没有发展到天花板，曾几何时人们对机械硬盘的发展一度持悲观态度，但是底层研究者们似乎总是能在关键时刻攻克难关，把发展惯性维持在一定水平。包括摩尔定律也是如此。在一份由知名存储解决方案厂商西部数据（Western Digital）公司发布的市场报告中显示，企业级机械硬盘依然呈现强劲的增长势头。虽然固态存储增速较快，但是机械硬盘依然是目前企业级存储市场的主力军。

目前西部数据公司的传统磁记录机械硬盘已经可以达到最高18TB的单盘容量，其使用了EAMR/ePMR来使得更精细的磁畴记录成为可能，另外也采用了TDMR双读头技术来加持。西部数据采用SMR磁记录的机械盘目前最高容量可达20TB。

对于传统硬盘厂商而言，机械硬盘的市场绝对占有量依然庞大。前几年有些观点认为，机械盘终将会被固态存储替代，的确，这是个不可否认的趋势，但是冬瓜哥认为，10年内机械硬盘也不会退出市场，因为目前NAND Flash的特性决定了它并不适合全部的存储场景，即便将来推出更加廉价的NAND，也无法逾越NAND Cell缓慢漏电这个壁垒。技术上讲，对于长期保存大容量数据，机械硬盘在今后的很长一段时间内依然是首选。

另外，冷数据，温数据的存量只会越来越大，分层存储已经是企业和大型数据中心存储系统中的常规性操作了。所以，机械硬盘虽然逐渐淡出大型数据中心高压力的前端业务，但是在后端，机械硬盘的地位似乎更加稳固了。

机械硬盘这个阵地只能是继续夯实，尤其是如何进一步提升容量和吞吐量，因此SMR，ZNS, Dual Actuator等技术近年来发展较快。

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SMR和ZNS夯实根基

SMR技术能大幅提升存储密度，问题是不适合随机写入，而且其特殊的数据管理方式，需要上位部件比如HBA/Raid卡，以及软件层上的配合，所以SMR硬盘在前期的推广上遇到了一些阻力，拖的时间也较长。但是毕竟这个技术是专门为冷存储，或者说为了降低成本而设计的，而冷存储的容量压力只会越来越大。经过了前期预热和适配，SMR硬盘目前已经迎来了上量增长期。

目前，大型互联网数据中心用户Dropbox就已经批量部署了西部数据最新的20TB SMR HDD，增加了大概10%-20%的存储密度，总体成本降低了20%。另一家美国知名企业级在线云存储公司Datto以及国内的UCloud也都批量使用了SMR硬盘。

西部数据公司在降低SMR硬盘的生态阻力方面做了大量工作。早在去年，西部数据就发布了ZNS（Zoned Namespaces）技术/指令集，并获得了NVM Express标准的认可和融入。SSD的读写特性与SMR HDD非常类似，ZNS技术能够让SSD获得更好的性能和寿命。而ZNS和SMR在软件栈方面其实是可以统一融合的，即实现SMR HDD和ZNS SSD同一架构下的统一数据管理。为此，西部数据发布了libZBC、libZNS共享库，以及开发工具，支持文件系统和内核模块设计，从软件栈的角度，为SMR HDD应用扫除障碍，并同时兼顾SSD的需要。为了推动分区存储技术使用，西部数据采取了开源策略，让开发者、生态合作伙伴可以通过ZonedStorage.io 访问来获取这些开源的信息。

就在近期，西部数据发布了全球第一款支持ZNS的NVMe企业级固态硬盘UltrastarDC ZN540，其配备双NVMe端口，可用于双控存储系统，标准U.2尺寸封装最大容量达8TB，并具有更高的效率，利用率和可扩展性，同时降低了公共和私有云基础架构的总拥有成本。

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3个新领域发力纵深分层存储

业界的这些老牌的机械硬盘厂商，多年前就已经嗅到了风向。NAND对磁介质的挑战，长远来看是会动摇企业生存根基的。比如固态硬盘从一开始的沿袭机械盘的SATA/SAS接口，一直到后来直接采用PCIe接口以及随后的U.2/M.2连接器，同时连指令集也脱离了SCSI，自成一派NVMe。一直到最近的更多的连接器出现，比如Ruler，EDSFF/E1.L/E1.S/E3/E1.S等。

固态硬盘无非就是两大块，NAND介质和主控，这里面更重要的还是NAND介质，主控的开发相对门槛较低。目前的NAND介质的几大巨头包括Intel，三星，闪迪/东芝/铠侠，镁光，海力士等，国内则有长江存储/Longsys。这块市场竞争很激烈，风云变幻。比如西部数据在2015年花大价钱收购了闪迪，获取了主控+NAND的核心产品线。2年后西部数据又吃下了东芝的NAND业务，获取了高品质企业级NAND核心能力，从而与NAND大厂厮杀。

不负众望，在经过了整合优化之后，西部数据公司成功开发第五代3D NAND技术——BiCS5，BiCS5采用了广泛的新技术和创新的制造工艺，是西部数据迄今为止最高密度、最先进的3D NAND。第二代多层存储孔技术、改进的制造工艺流程以及其他3D NAND单元的增强功能，显著提高了整个晶圆水平面单元的阵列密度。这些“横向扩展”技术与112层垂直存储能力相结合，使BiCS5相比于西部数据上一代的96层BiCS4技术，其每片晶圆的存储容量提高了40%*以上，同时优化了成本。新的设计改进还提高了性能，使得BiCS5的I/O性能比BiCS4提升了50%。

在主控方面，西部数据的UltrastarDC SN840固态硬盘凭借其强大的只有0.11%的I/O低抖动特性，获取了ODCC综合性能奖殊荣。

除了NAND和主控之外，老牌硬盘厂商们似乎还参透了一个道理，那就是适当地往系统级厂商路线上走一走，因为产品和生态太过单一会很容易被突变的浪潮所淹没。在整个生态链中，位于硬盘之上的，就是服务器或者JBOD扩展柜。近几年来，一些老牌的JBOD设计商比如Dothill，Xyratex相继被收购，而且都是被硬盘厂商收购的，就能看出端倪。

西部数据公司副总裁兼中国区业务总经理刘钢先生表示：“西部数据是少有的能够提供全线存储产品和解决方案的公司。我们拥有完整的适用于各种存储场景的解决方案，提供从芯片到系统，各种场景的存储解决方案。从NAND颗粒、到硬盘、个人PC里面的固态硬盘，一直到云数据中心里面高容量的企业级硬盘、企业级固态硬盘，以及高密度、高性能的JBOD&JBOF、NVMe-oF新型系统。今年是西部数据公司成立50年，我们非常了解存储，半个世纪以来都在引领存储技术的创新。”

西部数据公司副总裁兼中国区业务总经理—刘钢

目前，西部数据公司的产品和技术已经覆盖了从磁介质、磁盘、企业级/消费级NAND介质、企业级/消费级SSD、存储服务器、JBOD以及NVMe-oF解决方案，步入了系统级厂商的行列。占据更多的存储分层，就能够在生态链里有更稳固的发展。

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前方NVMe-oF和OCCL横向扩充

可以说，固态存储的出现，让系统级解决方案的设计研发门槛得以降低。之前只有专业外置存储厂商做的事，很多初创公司甚至生态链上下游厂商也都可以染指。相比传统的基于FC前端访问协议为主流的SAN存储而言，基于固态存储的集中存储，则更倾向于标新立异。比如直接采用NVMe Over TCP协议，针对这方面的需求，几个大厂推出了自己智能网卡（SmartNIC）来卸载NVMe Over TCP协议，相当于NVMe-oF HBA，不少初创公司也推出了SmartNIC甚至全套系统。

这方面，西部数据基于自身的Ultrastar DC SN840 NVMe SSDs全闪存系统，加上RapidFlex智能网卡，组成了全套的OpenFlex Data24 NVMe-oF全闪存系统。可以实现13.2M IOPS和70.7GB/s的带宽，平均每块SSD接近55万IOPS和3GB/s带宽，这个几乎把6个100GbE网口跑满了，每块网卡平均220万IOPS。

OpenFlex让西数获得了完整的存储系统级能力和定位，这就像是一个锚点，基于OpenFlex和分层存储，西数可以讲机械存储和固态存储进行有机的整合，打“组合拳”，而不是仅仅作为内嵌在分层存储中的孤立角色而存在。

另外，西部数据还与业界厂商一起推行OCCL(OPEN COMPOSABLE COMPATIBILITY LAB)，OCCL实际上是对近几年业界广为推崇的解耦合式架构的一个响应。在解耦合架构中，内存和I/O与CPU逐渐剥离，自成体系，这样可以增加内存和I/O的扩展性，可以应对不断增长的系统规模，属于系统架构的横向扩充，的确是占领生态位的一个大好时机了。

总结

对于西部数据这种老牌的存储解决方案厂商，先后通过两次大的收购成功实现双轨并行，然后持续发力新标准新协议的生态建设和控制，在分层存储体系中纵深占领生态位置，同时在上层系统架构中积极推行NVMe oF以及OCCL解耦架构，实现横向占领生态位置，这些举措对于其今后在存储行业中的地位和持续发展，影响都是深远的。

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《大话计算机》序言⑤ by 汪利文

《大话计算机》序言⑥ by 张勇

《大话计算机》序言⑦ by @去流浪

博主简介：冬瓜哥，《大话计算机》与《大话存储 终极版》、《大话存储 后传》图书作者。多项专利发明人。

现任某半导体公司高级资深架构师。

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