快閃記憶體中的具體碳與 HDD 相比如何？：第 2 部分

本部落格系列第 1 部分引用的威斯康辛大學研究，比較了儲存裝置級的 CO2e（亦稱製造排放）。對於只需要單一裝置就能符合效能和容量需求的解決方案，即使每台裝置都使用最新的 CO2e 值，也可能是有效的比較。但在企業系統中，這類直接的裝置對裝置比較往往會造成誤導。不同儲存技術的效能和容量規模不同，忽略這些系統層級的動態，會導致結論瑕疵。

為了在企業級儲存系統之間進行有意義的比較，我們必須從系統級的效能和容量需求開始，然後使用 HDD 或 SSD 建構符合這些需求的配置。快閃儲存系統不僅提供更高的容量使用率，還能降低線內資料量，同時降低效能。而且由於 SSD 每台裝置的密度更高，因此特定系統容量所需的單位較少。另一方面，HDD 的效能較低，通常需要過多的硬碟才能滿足傳輸量需求。如此可大幅增加成本、電力、體現與營運排放，以及電子廢棄物。

HDD 每 TB HDD 的效能塌陷

要了解當我們比較儲存系統時，為什麼會出現如此大幅的增加，我們必須首先考慮 HDD 的效能。雖然 HDD 的效能因介面和旋轉速度而異，但即使是現今速度最快的硬碟，還是會超過 200-300MB/s 或 200-300 IOPS。有趣的是，使用高佇列深度或未受保護的回寫快取，可以改善 HDD IOPS，從其 200-300 IOPS 的基礎，達到 500 甚至 1，000 IOPS 的範圍。對於技術行銷聲明和產品規格表，這些改進是善意的。不幸的是，在平均和尾部延遲方面，成本非常高。正如 Tom’s Hardware 的文章所示，效能仍舊比現在的六年 SSD 還低了幾個大。這些都是 HDD 的最佳案例。即使只有一小部分隨機小區塊 I/O 的真實世界工作負載，其將剩餘的連續工作負載效能減半，並將 HDD 轉變成低效能的容量使用案例。為了建立大規模系統，企業經常使用 24TB-28TB HDD。但要滿足這些裝置的 TB 效能不斷成長，卻是一場不勝枚舉的戰鬥。

最近的 Meta 工程部落格指出，目前的 HDD 擴充幾乎沒有基本的瑕疵：每 TB 的效能 （BW/TB） 正在崩潰。隨著磁碟容量的增加，傳輸量不會隨之擴充，因為容量的增加是透過增加碟片或減少磁道之間的空間來達成。如此一來，工程師被迫過度配置 HDD，以滿足頻寬需求，或將熱資料卸載至昂貴的 SSD 層，這兩者都帶來了成本和複雜性。Meta 最終得出結論，硬碟無法再滿足檔案式或容量式工作負載的需求，並加速完全擺脫這些工作負載。

圖 1：每 TB 的持續傳輸量隨著 HDD 容量的增加而急遽下降。 來源。

Meta 的測量結果顯示，隨著 HDD 容量的增加，每 TB 的傳輸量顯著下降，從 12TB 時超過 15 MBps/TB，到 30TB 時低於 6 MBps/TB。這種趨勢強調了每 TB 效能的縮減，這使得 HDD 成為容量中心應用程式所無法比擬的。

這樣的崩潰不是註腳，而是存在的威脅。事實上，它標誌著資料中心 HDD 的開始。Tom 的硬體強化了這個軌跡，顯示即使在 2019 年，中階 SATA SSD 的傳輸量還是高效能 HDD 的兩倍，而 NVMe SSD 則提供 10-15 倍的效能。對於效能需求不斷增長的工作負載，HDD 在過去五年間變得越來越無關緊要。

業界的最後一站，以及快閃實境

HDD 製造商正在對抗不斷增加的快閃儲存問題。HDD 和 SSD 之間的效能差距越來越明顯，尤其是在輕微的資料密集型工作負載中。雖然 HDD 仍適用於大量、冷儲存。，但其在主動資料處理中扮演的角色也逐漸減少。製造商正嘗試透過導入熱輔助磁記錄 （HAMR） 和微波輔助磁記錄 （MAMR） 等技術來保持 HDD 的相關性，但這些努力似乎是最後一次試圖延長 HDD 在中低效能環境中不可避免的衰退。

HDD 的製造商也嘗試使用電力效率引數，但 HDD 的閒置作業消耗量卻略低，如 Tom 的硬體功耗測試所指出，整體效率較 SSD 低。Tom 的硬體文章提供了 HDD 問題的具體範例，即使 WD Black HDD 在持續寫入期間提供了合理的功率效能比，但 MX500 和 SN750 等 SSD 在活躍使用和閒置狀態中都能提供更高的每瓦功率效率，這使得它們成為現代資料中心的永續選擇。HDD 的效能限制，再加上成本優勢的降低，顯然快閃儲存將主宰低、中、高效能計算和儲存的未來。

Meta 的轉變是一種信號。HDD 的毀滅並非遙遠的預測，而是現在發生的事件。HDD 和 SSD 之間不斷增加的效能差距，尤其是在需要高效能儲存裝置來儲存熱資料的環境中，令人信服的 Meta 和其他資料中心轉而使用快閃儲存來提高密度、效能和能源效率。  他們判定每 TB HDD 的效能下降，越來越不適合資料中心不斷變化的需求。這導致了更廣泛的產業趨勢，即不再使用 HDD，而偏向更有效率、效能更高的 SSD 解決方案。

HDD：沒有效能的容量，甚至故障

HDD 的最後避風港是其低 $/GB 和高容量。但即使庇護區在過去幾年中也迅速遭到侵蝕。對於許多企業工作負載而言，即使最低效能門檻也無法再透過 HDD 達成。稍後我會再顯示，為了達到每秒 48GB 的傳輸量目標，一個由 28TB HDD 打造的 4.8PB 系統需要超過 240 台裝置，這將是單靠容量需求所需的兩倍以上。對於小區塊 I/O，故事會惡化：中等的 200，000 IOPS 工作負載需要超過 800 部硬碟。

相較之下，現代 QLC SSD 可提供容量與效能。4.8PB 系統可以從不到 100 台裝置建立，以更少的電力、空間和 CO2e 影響達到相同或更佳的傳輸量。這並不包括可靠性提升、壽命週期延長和故障率降低的附加優勢。

系統層級比較訴說了真實的故事

根據哈佛大學與 Meta 最近的研究報告，儲存技術每 GB 的碳足跡變化大不相同：

• HDD：根據型號和使用案例，CO2e/GB 範圍從 1.14 到 20.5 克不等。Seagate Exos X16 等常見企業級 HDD 落入 1.33 g CO2e/GB 範圍內。
  
• SSD：範圍從 3.95 到 30 克 CO2e/GB，一般企業級 SSD 如 Seagate Nytro 3530，6.21 克 CO2e/GB，以及 Western Digital 的 2019 SSD，10.7 克 CO2e/GB。

上述特定產品每 GB 的 CO2e 值可轉換為：

• HDD：每 TB 約 1.33 公斤 CO2e
  
• SSD：每 TB 約 6.21 至 10.7 kg CO2e

這些數字凸顯了 HDD 製造商為何繼續關注裝置與裝置比較。然而，對於企業資料中心儲存而言，評估系統層級的 CO2e 總影響是比較合理的，因為快閃儲存系統需要的設備要少得多，才能達成效能目標，因此即使每 GB 強度較高，仍能產生較低的整體碳足跡。

在下表中，我已將 Meta 工程部落格中描述的 10 MB/s/TB 效能範圍用於其 HDD 應用程式，以及其每 TB 的 HDD 傳輸量圖，建立兩個 HDD、兩個 SSD 和兩個有效容量為 4.8PB 的 DirectFlash® 模組 （DFM） 系統。在表格底部，我應用了哈佛/Meta研究中每 TB 體現的 CO2e 值。 

圖 3：比較裝置數量，並運用哈佛/Meta研究的最新數值，體現不同系統的 CO2e。

如圖 3 所示，48GB/s 系統需要 286 部以上的裝置，而 4.8PB 有效容量，而 30TB SSD 和 DFM 系統則需要不到 100 部。比較 10 年期間在系統層級所體現的 CO2e 可讓我們了解到許多不同的故事。與 HDD 產業所能想像的 8 倍不同，SSD 總容量不到 2 倍。值得注意的是，Pure Storage DFM 系統級的 CO2e 體現略低於 HDD 系統。  

當我們考慮系統級電力消耗的排放量時，碳排放比較會變得更加清楚。下圖 4 假設所需的裝置計數和硬碟容量與圖 3 相同。這些數值用於計算 HDD 的 8：1 擴充架與主機箱比率 HDD ，以及 SSD 的 4：1 比率。10 年來，HDD 系統消耗的電力幾乎是使用 DFM 建立系統的兩倍，需要的機架空間明顯增加，並創造了大量體現、運作的 CO2e 和電子廢棄物。這個故事重複了各種工作負載，包括 IOPS 高或連續傳輸量高的工作負載。

圖 4：年度系統級電力與營運碳排放的影響。

多個驅動因素加速碳聚合

當我開始這篇由兩部分組成的部落格時，我參考了一份 2017 年的論文，比較了 HDD 和 SSD 所體現的碳。2017 年論文自出版以來多次被引用。如果我將 2017 年的結果與哈佛及 Meta 報告的最新估計進行比較，改善效果相當顯著。   

圖 5：比較 2017 年威斯康辛大學研究與 2022 年哈佛/Meta研究的結果。

快閃密度在過去 5-10 年間大幅改善，縮小了 HDD 的差距。然而，HDD 系統評論和 HDD 供應商訊息大幅減少了 HDD 技術上的適度改進，同時對快閃記憶體的進步及其更廣泛的優勢視而不見。快閃除了在密度提升方面超越 HDD，還透過使用低碳能源，從風力、太陽能或核能等來源製造，進一步降低具體排放量。相較之下，HDD 仰賴鈷和釹等材料，無論能源為何，其擷取影響都很高。

結論

HDD 產業知道寫字在牆上。這就是為什麼有些廠商會進行越來越嚴苛和誤導性的比較，通常忽略系統層級的現實，以支持簡易的 $/GB 行銷。這些論點可能會拖延不可避免的局面，但不會改變軌跡。企業、超大規模企業和以永續性為中心的組織正朝著快閃的方向進行果斷轉變，尤其是在成本和效能之間取得平衡的 QLC SSD，以處理容量豐富的工作負載。

將個別 HDD 與 SSD 做比較會錯失重點。在系統層級，快閃的效能不僅超越 HDD 的速度和密度，而且在永續性、成本和可靠性方面也超前。HDD 中每 TB 的效能塌陷，使其過時，可滿足許多企業需求。Meta 和其他人已經在進行轉變，而且原因很合理：快閃儲存在各方面都能提供更好的成果。快閃儲存方案，尤其是使用 Pure Storage DFM 打造的選項，與傳統 HDD 系統相比，能減少裝置數量、降低能源消耗，並大幅降低包埋的CO2e排放量。隨著企業持續優先考慮永續性，採用更有效率的儲存解決方案不僅能減少碳足跡，還能降低成本與基礎架構需求。是時候繼續了。