硅进磁退，建设绿色新型数据中心

硅进磁退是数据存储领域的一次重大产业和技术升级，指的是以闪存为基础的先进硅基存储介质，替代以磁盘为基础的传统存储介质，是提高数据中心绿色化水平、引领数字经济高质量发展的必然选择。

一、简介

硅，指固态硬盘，又称为闪存盘、SSD（Solid State Disk）。由于固态硬盘主要由芯片构成，而芯片由硅基半导体制造，所以固态硬盘被称为硅介质。

磁，指机械硬盘，又称为磁盘、HDD（Hard Disk Drive）。机械硬盘主要通过磁头改变盘片特定位置的磁极性来记录数据，因此机械硬盘又被称为磁介质。

硅进磁退，简单理解即固态硬盘取代机械硬盘，是先进生产力替代传统生产力。从结绳记事到竹简纸张，从打孔卡（又称霍尔瑞斯式卡或IBM卡）到光盘刻录，人类从未停止追求更加高效便捷的信息存储方式，信息存储方式的变革很大程度上也塑造着我们获取信息和认知世界的方式。如今，这一变革再次在机械硬盘和固态硬盘二者间发生，固态硬盘凭借低功耗、高性能的优势，逐渐取代机械硬盘，成为PC计算机等消费类产品、服务器、存储等企业级产品的首选和优选。

对个人用户而言，选用固态硬盘的优势在于高性能、低功耗、低噪音和小型化，据Trendfocus报告，2021年第一季度销售的60%以上的新电脑采用SSD。对于企业用户而言，选用固态硬盘的优势在于低功耗和高性能，更符合世界各主要国家关于绿色低碳发展的倡议要求，据Gartner报告，2020年，全球企业级SSD出货量首次超过HDD，成为主流选择。

二、发展历程

机械硬盘（HDD）主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。磁头可沿盘片的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。信息通过离磁性表面很近的磁头，由电磁流来改变极性方式被电磁流写到磁盘上，信息可以通过相反的方式读取。

世界上第一块机械盘诞生于1956年，名为IBM 350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Cotrol），由IBM设计并制造。此后50余年来，机械硬盘进入高速发展阶段，并逐渐向着转速逾高、容量逾大方向发展。然而，进入21世纪，受限于物理规则，机械硬盘难以突破容量和性能间的矛盾，发展已逐渐趋于停滞，生存空间受到固态硬盘的严重挤压，在发达国家已逐渐从热数据读写场景向冷数据归档场景转移。

目前全球仅有3家企业具有HDD生产能力：西数（美国）、希捷（美国）和东芝（日本），上游供应链较为集中。

固态硬盘（SSD）是用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘。SSD由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。1980 年，在东芝工作的日本科学家 Fujio Masuoka（舛冈富士雄）在 EEPROM 基础上发明了闪存，并后于1980年和1986年内发明了现在常用的NOR 和 NAND 闪存。NAND闪存成为如今个人和企业级SSD的主要存储单元。

2014年，英特尔和镁光合资企业发明了3D NAND闪存技术，采用NAND闪存芯片在3D空间堆叠的技术，使得SSD容量大幅提升。第一款3D NAND闪存支持最高32层堆叠，如今SK海力士已经可以量产176层堆叠的NAND颗粒，SSD单盘容量也可达到15TB甚至60TB。更快的性能、更高的单盘容量，以及产能扩张带来的成本降低，SSD成为存储介质的主流选择，在热数据读写场景逐步淘汰HDD。

固态硬盘的生产术与机械硬盘不同，厂商只需购买NAND颗粒，再配上适当的控制芯片，编写主控制器代码，就可以制造固态硬盘。因此相较于机械硬盘，拥有固态硬盘设计与生产技术的厂家较多，国内如华为、新华三、浪潮等企业均具有独立制造能力。而作为固态硬盘重要原材料的NAND芯片，包括国内长鑫存储、长江存储在内的多家厂商可以提供，供应链分散。

三、先进性

如今，TLC NAND SSD已经成为企业级SSD的主流选择。相较于HDD，SSD可以提供上百倍甚至上千倍的读写性能和μs级的时延，年故障率也仅为HDD的1/10。

在企业级生产数据中心，大规模采用SSD带来生产效率提升效果已获得广泛验证。浦发银行信用卡发卡系统通过全闪存化升级后，存储性能提升3.5倍；在银行高峰期业务浪涌时，能支撑交易数据库 TPS 增长 7 倍，并带来整体66%的OPEX节省。

由于HDD数据读写依赖盘片旋转和磁头寻道等机械运动过程，其读写速度与容量成反比，在生产数据高性能读写场景下，只能大规模采用小容量磁盘；而固态硬盘的读写是通过电子的擦写来实现的，没有物理寻道时间，即使大容量的硬盘也具有很高的性能，因此大容量SSD在商业场景下被广泛使用，单位容量能耗仅为HDD的6.4分之1。

数据中心大规模使用SSD将带来可观的节能效果。存储设备能耗占数据中心总能耗的15%-30%。每800 TB容量的热数据从HDD迁移到SSD，将节省50%-80%的存储功耗，每年节省约6.1万度电。如果全国数据中心50%的HDD替换为SSD，每年节省电量相当于四个葛洲坝的发电量。

综上，相较于HDD，SSD在技术先进性、性能、可靠性、节能的角度上均有明显优势。

四、发展趋势

SSD技术的迅猛发展，使得数据中心大规模使用SSD成为主流趋势。2020年是硅进磁退的关键一年。根据IDC 2021年发布的《全闪存数据中心白皮书》，2020年全球范围内企业级固态硬盘支出首次超过机械硬盘，这一趋势将在未来五年内继续保持。

成本是当前SSD大规模使用的唯一瓶颈。但根据IDC统计，2015-2020年期间，固态硬盘每GB的价格年均降幅达到25%，预计未来五年将继续保持这一趋势。到2025年，SSD单GB成本将低于15K转速HDD，SSD大规模推广的最后限制瓶颈将不复存在。

硅进磁退在全闪存存储商用发展趋势上也得到验证。据Gartner 2021年统计，近5年来，全球外置存储市场全闪存规模呈逐年递增趋势，2020年占比39.9%；其中美国市场全闪存规模占比达53%；中国市场全闪存规模亦逐年提升，2020年占比为25%。

2021年5月，国家工业信息安全发展研究中心发布《数据安全白皮书》，建议在“十四五”期间，我国分阶段按行业普及全闪存数据中心，先期将关系国计民生行业的关键信息基础设施所在数据中心升级为全闪存数据中心，鼓励云服务提供商普及全闪存数据中心。随后其他行业及新建改造的数据中心全面普及闪存数据中心。