ストレージの新旧交代劇【後編】
「40TBのHDD」も現実に? 大容量化の次世代技術「MAMR」「HAMR」とは
HDDは過去に幾つかのブレークスルーによって容量を飛躍的に増加させた。現在も技術進化の議論は続いており、今後も大容量化の流れは止まらないだろう。その方向性を探る。
HDD市場の動向について紹介した前編「HDDがストレージ市場から“消え去る”とは言い切れない、これだけの理由」では、ストレージ市場ではSDDからHDDへの切り替えが進んでいるが、特定の分野ではむしろHDDの出荷量が伸びていることを示した。HDDの利点であるコスト効率をさらに高めるため、ベンダー各社は現在でも高密度化や大容量化に向けた新たな技術革新の議論を進めている。後編ではHDDが今後どう進化していくのか、その方向性について取り上げる。
進化を続けるHDD
HDDのサイズは、現在ではほぼ3.5型というフォームファクター(業界標準として確立されたサイズ)に集約されつつある。HDDのユニットの外形はHDDメーカーの都合で変更することはできないため、HDDの進化は中身を変えることで実現する。SSDももともとは3.5型のフォームファクターが主流で、物理的に中身をHDDと入れ替えるだけで即使えるという利便性から急速に普及した経緯がある。
ユニットの外形を維持するのであれば、内蔵する円盤(プラッタ)のサイズも基本的には大きくできない。そのため記録容量を増やすには「記録密度を上げる」か「プラッタの枚数を増やす」かのどちらかの手段を採ることになる。
記録密度向上のアプローチとしては、2005年に東芝デバイス(当時は東芝)が世界初(同社調べ)の「垂直磁気記録方式」(磁性体を磁化する際、磁界が記録面に垂直になるよう制御する方式)を採用し、商品化に成功した。従来の水平磁気記録方式(磁界が記録面に水平になるよう制御する方式)から垂直磁気記録方式に移行したことで、高密度化と大容量化が実現し、これがHDDの記録容量を拡大する上で大きなブレークスルーとなった。今後は「1bitのデータを保持するための磁性体の量を減らす」という方向で高密度化が進むとみられる。HDDの表面には、データを記録する区画が一定の面積で並ぶ。例えば、この区画の面積を半分にして同じデータ量を保持できれば、容量は倍増する。
内蔵するプラッタの枚数においても技術的なブレークスルーがあった。2013年にHGSTが「ヘリウム封入HDD」を実用化し、市場投入したのだ。HGSTはもともと日立製作所のHDD部門が分離独立した企業で、このヘリウム封入HDDを発表した時は、Western Digital(以下、WD)の傘下企業となっていた。HDDにおける近年の2つの大きな技術革新に日本企業が大きく関わっているということは感慨深い。
ヘリウム封入HDDは、プラッタの枚数を増やせない理由になっていた空気抵抗の問題を解決した。HDDの内部での磁気ヘッドはプラッタと接触してはおらず、一定の隙間を空けて宙に浮いた状態になっている。ヘリウム封入HDDが登場するまで、プラッタの回転が引き起こす気流を磁気ヘッドの位置決めに利用していた。ヘッドを支えるためのアームが翼の役割を果たしてプラッタ面から浮き上がる仕組みだ。プラッタの回転が引き起こす気流による空気抵抗によって、プラッタが波打つようにバタついたりヘッドの位置が揺れ動いたりするため、プラッタ間の隙間に、ある程度の余裕を持たせておく必要があったのだ。
HDDの空気を、分子量が小さく抵抗が小さいヘリウムに置き換えることで、プラッタやアームの強度を従来より下げることが可能になった。これによりプラッタの厚みを減らすといった手法を取り入れ、枚数増が実現したのである。HGSTは、当時5枚が限界だったプラッタ枚数を7枚に増やすことに成功している。
新世代「MAMR」「HAMR」の出現
かつてHDD進化の方向性は、データ読み書きの高速化や小型軽量化などさまざまだったが、現在ではほぼ「容量向上」一辺倒となっている。これは、オンラインストレージの主役がSSDなどのフラッシュストレージとなり、高速性ではどうやってもHDDには勝ち目のないことが明確になったためだ。
エンタープライズ市場では、データ圧縮や重複排除を併用することでフラッシュストレージの論理容量を拡大する手法が一般化している。論理容量で比較した場合は既にHDDの優勢は失われているという見方が一般的だ。だがデータ読み書きの速度がさほど要求されない用途に関しては、物理容量当たりの単価が比較的安価なHDDの出番はまだある。逆に言えば、HDDメーカーには「容量単価で負けるわけにはいかない」という強い意欲があり、今後も容量拡大にまい進していく姿勢が明確だ。その上で、「残された市場」であるニアラインストレージでフラッシュストレージに対する優位を保ち続けることが、現時点でのHDDの生存戦略だといえる。
さらなる容量拡大を目指すための技術としては、MAMR(Microwave Assisted Magnetic Recording:マイクロ波アシスト磁気記録)とHAMR(Heat Assisted Magnetic Recording:熱アシスト磁気記録)の2方式があり、各社が実用化に向けて開発競争をしている。名前がよく似ていることからもうかがえる通り、この2方式は基本的なアイデアが同じで、実現手段にわずかな違いがある。
MAMRとHAMRについて説明する前に、これらの技術が登場した背景を整理しておこう。前述の通り、記録密度向上のために残された可能性は、情報を記録する領域のサイズを狭め、より少ない磁性体でデータを保持する方法だ。しかし、磁性体の量が減ることで保磁力(磁化後、減磁させるために必要な磁力の大きさ)も低下してしまい、記録が消失するリスクが高まる問題がある。より保磁力の強い磁性体材料を使えばよいのだが、その場合は保磁力が上がることで磁気ヘッドによるデータ書き込みの際の抵抗力が高まってしまい、書き込み速度が落ちるという副作用が発生する。
データ書き込みの抵抗を減らすために考え出された解決策が、「データを書き込むタイミングで一時的に磁性体の保磁力を低下させ、磁気ヘッドからの磁力でデータの書き込み時に必要な磁気反転が起こりやすい状況を作る」という手法だ。MAMRとHAMRは、このアイデアを具現化した技術だといえる。
MAMRとHAMRの違いは、磁性体の保磁力低下の手段として電磁波(Microwave)を使うか、熱(Heat)を使うかという点だ。MAMRの方が容易に実現できコスト面でも有利だが、長期的な発展余地はHAMRに劣るといわれている。HAMRの方が高密度な記録に適していると考えられているためだ。一方で、HAMRは短時間での加熱/冷却が繰り返されることになるため、磁性体や磁気ヘッドが劣化しやすいという難点を抱えている。
現状ではMAMRをWDが、HAMRをSeagateが推進している。東芝は具体的な態度表明をしていなかったが、2018年11月に発表した「東芝の技術戦略」において「まずはMAMRの実用化に取り組む」方針を対外的に打ち出した。東芝は、2017年12月にヘリウムガス封入、プラッタ9枚という特徴を持った14TBの3.5型HDD、続いて2019年1月には16TBまで容量を拡大した新機種のサンプル出荷の開始を発表した。現時点で東芝が公表しているロードマップでは、従来型の記録方式による容量増加はここまでで、次はMAMRを採用することにより18TBの容量を実現する製品投入を計画している。順調ならWDのMAMR採用製品、SeagateのHAMR採用製品の製品出荷も2019年に始まるとみられており、2019年はHDDメーカー3社がそろって次世代技術に移行する年になる可能性がある。
残された市場での繁栄
現在のHDDは、速度性能には見切りを付け、フォームファクターをほぼ3.5型一本に統一した上で、このサイズ内にどれだけのデータ量を詰め込むか、という競争にまい進する時代に突入している。こうした状況を引き起こした環境変化は、フラッシュストレージの台頭に加え、データ爆発といわれる状況があるだろう。
ニアラインストレージの急速な成長は、クラウドストレージによって引き起こされていると考えればつじつまが合うのではないだろうか。「遅くても文句はないが、容量当たりの単価はできる限り安く抑えたい」というニーズにマッチするストレージサービスは、クラウドのオブジェクトストレージとして広く提供されている。ここにHDDが使われていると考えれば、その市場拡大も納得できるだろう。
特殊な市場に特殊な製品が残存する、という状況はこれまでにも散見されている。現在のクラウドストレージ市場が特殊なのは、ビジネスとしてみた場合の規模が“残存市場”という言葉から想像されるよりもはるかに大きいことだろう。場合によっては、現在主流と目されているエンタープライズIT市場よりも大きくなってしまう可能性すら否定できない。
HDDメーカー各社は「2020年代前半には1ドライブで40TB」という目標を掲げ、技術開発にまい進している。そのため今後10年くらいはHDDの時代が継続しても不思議ではない。少なくとも、現在MAMR/HAMRの実用化に向けた技術開発投資を継続しているメーカー3社は「開発投資を回収できるだけの市場が存在する」と判断しているのだろう。
思い起こせば、HDDよりも先にフロッピーディスクが姿を消している。フラッシュストレージにしても、初期のデジタルカメラで使われていたスマートメディアは既になく、その後登場したコンパクトフラッシュの市場も縮小してSDメモリーカードに置き換わっている。エンタープライズ向けストレージでは、SSDからNVMe接続型フラッシュストレージへの置き換えが急速に進んでいる。ストレージの世代交代は当然起こるものだと考えれば、HDDはむしろ例外的といえるまでに長寿だとみるべきであり、簡単に「レガシー」と斬って捨てられない実績を挙げていると言えよう。懸念があるとすれば、現時点で20TBにも達していないHDDがあと数年で本当に40TBに到達できるのか、そしてこれが実現できた時点でどれほどの規模の市場が残っているのか、という点だ。今後の展開が楽しみである。
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ストレージの新旧交代劇
企業向けのストレージとして長らく主役だったHDDは、その立場をSSDに譲ろうとしている。だがHDDが市場から消えるとは言い切れない。技術的な進化の方向性や、HDDが依然必要とされる市場を読み解く。
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