В 2010 году на потребительский рынок вышла концепция, призванная закрыть разрыв между ёмкими магнитными жёсткими дисками и быстрыми, но дорогими твердотельными накопителями. Гибридные накопители SSHD (Solid State Hybrid Drive) объединяли в одном корпусе магнитные пластины HDD и несколько гигабайтов NAND-памяти, на которую по встроенному в прошивку алгоритму копировались часто читаемые блоки. Через 12 лет история гибридов завершилась: в Intel свернули Optane Memory 8 сентября 2022 года, Seagate перевела бренд FireCuda на линейку SSD, а Western Digital давно прекратила выпуск Black2 Dual Drive. Проигрыш случился сразу по трём фронтам — скорости, цене и надёжности.
Momentus XT: две пластины и четыре гигабайта SLC-памяти
Концепцию потребительского гибрида на рынок вывели в Seagate со второй половины 2010 года с серией Momentus XT. Флагман линейки ST95005620AS объёмом 500 ГБ содержал две магнитные пластины по 250 ГБ на шпинделе 7200 об/мин, 32 МБ кэш-памяти DRAM и один чип Micron MT29F32G08AECBBH1-12:B на 4 ГБ SLC NAND. Флеш-частью управлял контроллер eASIC с логотипом Seagate, а общий SATA-интерфейс обслуживал штатный контроллер жёсткого диска.
Линейка делилась на три модели: ST92505610AS на 250 ГБ, ST93205620AS на 320 ГБ и ST95005620AS на 500 ГБ. Розничные цены на старте составляли 113, 132 и 156 долларов США соответственно. К началу 2011 года модель на 500 ГБ на Amazon опустилась до 99 долларов.
SLC NAND — тип флеш-памяти с одним битом на ячейку. Ресурс записи составляет около 100 000 циклов на ячейку против приблизительно 10 000 у MLC и 3 000 у TLC. SLC применяют в корпоративных SSD и накопителях, где важна долговечность, а не плотность записи.
Adaptive Memory: логика кэширования в прошивке накопителя
Принципиальным отличием Momentus XT от более ранних решений стала автономная работа: весь алгоритм кэширования в Seagate заложили в прошивку накопителя, драйверы и настройки на стороне операционной системы не требовались. По технологии Adaptive Memory встроенный процессор отслеживал обращения к LBA-секторам и копировал в SLC-часть те блоки, которые запрашивались чаще всего. На NAND фиксировались только часто читаемые данные, запись всегда шла на пластины — такая схема снижала износ флеш-памяти и упрощала обработку отказа ячеек.
Вторая ревизия вышла в 2011 году под индексом ST750LX003: магнитная пластина на 750 ГБ, 8 ГБ SLC NAND, интерфейс SATA 6 Гбит/с вместо 3 Гбит/с у первой модели. Ёмкость флеш-части удвоилась, однако принципиально ничего не изменилось: пользователь по-прежнему не управлял тем, какие файлы попадают в кэш.
Тесты SPCR и StorageReview показали неоднозначную картину. В повторяющихся сценариях накопитель обходил обычный 7200-оборотный HDD и приближался к WD VelociRaptor на 10 000 об/мин. На первом запуске и при произвольном доступе к новым данным отличия от обычного жёсткого диска не просматривались — NAND заполнялся только после нескольких прогонов.
Apple Fusion Drive: программный том из двух физических накопителей
В Apple выбрали другой подход. года на презентации OS X Mountain Lion в Apple представили Fusion Drive: технология объединяла отдельный SSD и отдельный HDD в один логический том через менеджер Core Storage, позже — через APFS. Первыми поддержку получили iMac и Mac mini конца 2012 года.
Базовая конфигурация 2012 года включала 1 ТБ или 3 ТБ HDD и 128 ГБ SSD, на котором размещалась macOS. В отличие от SSHD, здесь речь шла о двух физических устройствах в одном корпусе: для пользователя оба накопителя представлялись как единый том, но файловая система на уровне блоков по 128 КБ распределяла часто используемые данные на SSD в моменты простоя. Минимум 4 ГБ флеш-части резервировалось под буфер входящих записей. Урезанные конфигурации с 24 ГБ SSD появились только в 2015 году в бюджетных iMac начального уровня, позже — с 32 ГБ для моделей 2019 года.
Слабое место концепции — интенсивная перезапись небольшого SSD. В младших конфигурациях 2015—2019 годов (24 и 32 ГБ) твердотельная часть получала многократно больше циклов записи, чем автономный SSD того же объёма. На форумах MacRumors владельцы iMac соответствующих лет сообщали о выходе SSD-части из строя приблизительно через четыре года эксплуатации.
Core Storage — менеджер логических томов macOS, представленный в OS X 10.7 Lion. Работает на уровне блоков и не зависит от конкретной файловой системы — поддерживает как HFS+, так и ZFS. С переходом на APFS функции Core Storage частично перенесли в новую файловую систему.
WD Black2: 120 ГБ SSD и 1 ТБ HDD в одном корпусе
В Western Digital реализовали третий вариант. В ноябре 2013 года вышел Black2 Dual Drive (WD1001X06XDTL): в стандартном 2,5-дюймовом корпусе высотой 9,5 мм объединили два независимых устройства. В верхней части разместили 120 ГБ SSD на контроллере JMicron JMF667H с 20-нанометровой NAND, в нижней — магнитную пластину 1 ТБ WD Blue Slim на 5400 об/мин. Для подключения к материнской плате использовался единственный SATA 6 Гбит/с интерфейс через мост Marvell.
На старте Black2 стоил 299 долларов США, что давало цену 0,27 доллара за гигабайт — промежуточное значение между жёсткими дисками (около 0,05 доллара за гигабайт) и SSD того времени (около 1 доллара за гигабайт). В отличие от SSHD и Fusion Drive, пользователь получал две раздельные логические части: по умолчанию в системе отображался только 120 ГБ SSD, а для активации HDD-раздела прилагался USB-флеш с фирменным драйвером. macOS не поддерживалась, совместимость ограничивалась Windows XP и более поздними версиями.
В обзорах AnandTech и The SSD Review отметили, что такая схема требует ручного управления файлами: пользователь сам определял, какие данные хранятся на быстром разделе, а какие — на медленном. Попытка прозрачного объединения через фирменное приложение Shift работала неубедительно, а при сбое моста Marvell доступ терялся к обеим частям одновременно.
Intel Optane Memory H10: M.2 с двумя контроллерами и раздельными линиями PCIe
К 2019 году на рынке появился самый сложный гибрид — Intel Optane Memory H10. Анонсированная на CES 2019 под кодовым именем Teton Glacier, серия поступила к OEM-производителям во втором квартале 2019 года. На одной M.2 2280 плате разместили две независимые подсистемы: Optane-кэш на 3D XPoint под управлением контроллера Intel SLL3D и основной накопитель на QLC NAND под управлением Silicon Motion SM2263 с DRAM-буфером DDR3L.
Линейка включала три конфигурации: 16 ГБ Optane + 256 ГБ QLC NAND, 32 ГБ + 512 ГБ, 32 ГБ + 1 ТБ. Интерфейс PCIe 3.0 x4 физически разделили: по две линии на каждую часть. Флагманская 1-терабайтная модель заявляла до 2400 МБ/с последовательного чтения, до 1800 МБ/с записи и ресурс до 300 TBW.
Ограничения оказались жёсткими. H10 требовал процессоры Intel 8-го поколения (Whiskey Lake и новее), драйверы Intel Rapid Storage Technology 17.2 и совместимую системную плату с двумя PCIe-линиями, закреплёнными за M.2-слотом. На старых платах и любой AMD-платформе Optane-часть не инициализировалась, а накопитель работал как обычный QLC SSD средней руки. В розничную продажу модель не поступала — продукт отгружался только ноутбучным производителям.
3D XPoint — технология энергонезависимой памяти, совместно разработанная Intel и Micron. Основана на изменении объёмного сопротивления ячейки без участия заряда. В 2017—2022 годах продавалась под маркой Intel Optane. По задержкам располагалась между DRAM и NAND.
Intel Turbo Memory: ранняя попытка с NAND на mini-PCIe
Задолго до SSHD в Intel пробовали ускорять жёсткие диски отдельным модулем флеш-памяти. Технологию Robson, позже выведенную на рынок как Intel Turbo Memory, представили года на IDF Taipei. Небольшая mini-PCIe плата с NAND-чипом устанавливалась в ноутбуки и работала в связке с функциями Windows Vista: ReadyBoost ускорял подкачку, ReadyDrive кэшировал часто запрашиваемые блоки диска.
Поддержка ограничивалась чипсетами Intel серии Core 2 Mobile (ICH8M и совместимые). Процессоры серии Core i и платформы AMD функцию не получили. Обзор AnandTech 2007 года показал, что настройка Turbo Memory требовала нескольких перезагрузок и простоев для сбора профиля использования кэша со стороны Vista, а итоговый прирост в реальных задачах оказывался в пределах погрешности. С распространением SSD функция потеряла смысл и была свёрнута без отдельного анонса.
Почему SSHD не сработали на практике
Первая проблема — объём флеш-части. Массовые потребительские SSHD первого поколения несли от 4 до 8 ГБ NAND. Для размещения загрузочных файлов Windows и пары активных программ этого хватало, а для игровой библиотеки или рабочих проектов — уже нет. По алгоритму Adaptive Memory и его аналогов кэш формировался в фоне без контроля со стороны пользователя: узнать, какие именно файлы попали в кэш, было невозможно. Автор обзора How-To Geek описывал, как пытался вручную инициировать кэширование многократным обращением к одним и тем же файлам на 1-терабайтном SSHD с 8 ГБ флеш-раздела, но разницы с обычным 7200-оборотным жёстким диском в реальной работе не заметил.
Вторая проблема — надёжность. Ротация блоков в ограниченном NAND приводила к тому, что флеш-часть гибридного накопителя изнашивалась быстрее автономного SSD того же поколения. При отказе кэша ранние контроллеры не всегда корректно переключались на прямую работу с пластинами: накопитель целиком становился недоступен, хотя механическая часть оставалась исправной. Данные на магнитной пластине физически присутствовали, но прочитать их без замены логики было нельзя.
Третья проблема — экономика. В 2011 году гигабайт SSD обходился в среднем в 2,42 доллара, минимальная розница опускалась до 1,50 доллара. К 2015 году средняя цена опустилась ниже 50 центов за гигабайт, а к середине 2023 года достигла исторического минимума в 5 центов за гигабайт. На этом фоне платить премию за гибрид со слабым QLC NAND и автоматическим кэшем смысла не осталось.
Сравнение пяти подходов к гибридизации
| Продукт | Год | Флеш-часть | HDD-часть | Управление кэшем |
|---|---|---|---|---|
| Intel Turbo Memory | 2005 | 0,5—4 ГБ NAND | Внешний HDD системы | ОС (ReadyBoost/ReadyDrive) |
| Seagate Momentus XT | 2010 | 4 ГБ / 8 ГБ SLC | 250—750 ГБ, 7200 об/мин | Прошивка накопителя |
| Apple Fusion Drive | 2012 | 128 ГБ SSD (24—32 ГБ с 2015) | 1—3 ТБ, 5400/7200 об/мин | macOS Core Storage |
| WD Black2 Dual Drive | 2013 | 120 ГБ SSD | 1 ТБ, 5400 об/мин | Ручное, два раздельных тома |
| Intel Optane Memory H10 | 2019 | 16—32 ГБ 3D XPoint | 256 ГБ — 1 ТБ QLC NAND | Intel RST (ПО) |
Падение цен на SSD обнулило экономику SSHD
К моменту выхода FireCuda (2016 год, преемник серии Momentus XT) потребительские SATA-SSD на 120—240 ГБ стоили 50—80 долларов. Установка дешёвого системного SSD рядом с ёмким HDD давала больше свободы, чем покупка SSHD с 8 ГБ флеш-раздела. Когда NVMe-накопители на PCIe 3.0 стали массовыми в 2018—2020 годах, разница в скорости между SSHD и полноценным SSD достигла двух порядков по произвольному доступу и одного порядка по последовательному чтению.
Параллельно закрылись и более экзотические попытки. В Micron отказались от развития 3D XPoint в марте 2021 года и продали профильную фабрику в Лехи компании Texas Instruments за 900 миллионов долларов. В Intel ранее, в январе 2021 года, сняли с производства все Optane-only SSD для клиентского рынка. Optane Memory H10 достиг статуса End of Life года — после этой даты продукт потерял совместимость с процессорами Intel 13-го поколения и новее. В июле 2022 года в Intel объявили о сворачивании всего направления Optane со списанием 559 миллионов долларов.
Что осталось от гибридов сегодня
Потребительские SSHD с массового рынка ушли. В Seagate перевели бренд FireCuda на твердотельные накопители — под этим названием сейчас продаются внутренние M.2 NVMe SSD и внешние SSD, а также специализированные игровые HDD без флеш-кэша. Новых моделей SSHD под маркой FireCuda с 2019 года Seagate не выпускала; старые 2,5- и 3,5-дюймовые варианты на 1 и 2 ТБ остаются на складах и в онлайн - магазинах, но не обновляются. В Western Digital линейка Black2 существовала только одним продуктом и в розницу не возвращалась.
Для пользователя, которому нужна и скорость, и объём, проверенная схема сегодня — это комбинация NVMe-SSD под систему и приложения с отдельным HDD под архивы и медиабиблиотеку. Такой вариант требует двух разъёмов в корпусе, однако даёт полный контроль над тем, какие данные находятся на каком накопителе, а каждый компонент обновляется независимо. Гибридные накопители пытались закрыть эту развилку одним корпусом и алгоритмом, однако ни одна из реализаций — от Momentus XT с 4 ГБ SLC до Optane Memory H10 с 32 ГБ 3D XPoint — не догнала SSD по скорости и не удержалась в нише по цене.