與 HDD 相比，嵌入的二氧化碳與快閃記憶體的等效性如何？

最近，有許多網路文章和部落格文章比較了商品現成 （COTS） 硬碟 （HDD） 與固態磁碟 （SSD） 的二氧化碳當量 （CO2_e）。如果您以面值進行這些比較，您很可能會捨棄相信，在這個永續性指標中，SSD 比 HDD 要差 8 倍，暗示從快閃建立儲存系統對環境而言比使用旋轉磁碟建立來得差。但如果您查看 HDD 和 SSD 上較新的 CO2_e 資料，數字會更接近，而且視您比較的快閃裝置而定，每 TB （TB） 可能不到 2 倍。 

將裝置層級的比較更新至目前數據後，我們會進行系統層級的比較，清楚顯示快閃式系統的 CO2e 明顯低於 HDD 式系統，視哪些供應商用於比較而定。我也驗證了為何使用裝置層級而非系統層級比較，對企業儲存系統提出永續性論點，是極為誤導的。 

獲得更新的嵌入式二氧化碳當量基準線  

一項威斯康辛大學的研究比較了 2017 年製造的 COTS HDD 和 SSD，比較了 1TB 消費級 HDD 和 1TB 消費級 SSD 製造過程中每 TB 的二氧化碳 （CO2_e/TB）。研究顯示 HDD 的廢氣排放量為 20 kg CO2_e/TB，SSD 則為 160 kg CO2_e/TB，差異是 8 倍！使用 SSD 硬碟廠商針對 2021 年製造的企業硬碟公開發表的資料，我比較了 18TB Seagate Exos X20 HDD 與 1.2 公斤的 CO2_e/TB 與 15TB Seagate Nytro 3332 SSD 以及 2.91 公斤的 CO2_e/TB。與 8 倍的差異不同，SSD 所體現的碳含量僅是同類 HDD 的 2.4 倍。

如果我們從 2017 年開始看到產業趨勢，毫無疑問，每 TB 的 SSD 製造排放量已經迅速減少（自 2017 年以來幾乎減少了 10 倍），同時，SSD 密度也比 HDD 密度更快。下圖 1 中的表格取自 Western Digital 2022 會計年度永續性報告，第 43 頁，並顯示連續幾年所有供應商製造的 HDD 和 SSD 的平均溫室氣體 （GHG） 排放強度比率。2020 年每 TB 售出的 HDD 和 SSD 的溫室氣體排放強度比顯示 SSD 高出 2.5 倍 （4.3/1.7），但顯而易見，SSD 的後續一年改善幅度遠高於 HDD。截至 2022 年，資料顯示每 TB SSD 的 SSD GHG 排放強度比已下降 49% 至 2.2，而 HDD GHG 排放強度比僅下降 29% 至 1.2，顯示 SSD 的 GHG 排放強度在當年僅高出 1.83 倍 （2.2/1.2）。 

圖 1. Western Digital 於 20FY22發佈的 HDD 和 SSD 的溫室氣體排放強度比比較。

但我們不應該就此停下來。裝置生命週期對 CO2_e 的影響呢？ 大多數 HDD 廠商提供二到五年的保固，而 SSD 廠商則一致報價五年。Backblaze 是一家獨立的雲端儲存和資料備份公司，根據一項研究，在自有實驗室中運行的數十萬台裝置發佈了儲存裝置可靠性數據，該研究於 2013 年開始，追蹤 HDD 和 SSD 在持續運行測試中的故障。Backblaze 最新的資料顯示，硬碟故障的頻率比 SSD 高出大約 50%，而追蹤到的HDD故障，平均故障年限為 2 年 10 個月。請注意，如果 SSD 的壽命是 HDD 的 1.83 倍，那麼它就達到了同等的 CO2_e，而發生這種情況的機率在企業環境中相當好。 

有鑑於此，很明顯地，就每 TB 的溫室氣體排放強度而言，SSD 與 HDD 更接近，而且 SSD 的壽命更長，仍可抵消差距。而 HDD 與 SSD 相比，每 TB 間隙的含碳量，隨著快閃製造效率的提升，以及製造設施利用更環保的發電來源，未來將持續縮小。 

裝置層級比較是否也與企業級儲存裝置相關？

我針對過去使用裝置層級比較的其他 HDD 與 SSD 比較進行了評論，尤其是那些顯示 HDD 原始容量成本低了 $/GB 的比較。如果您正嘗試在筆記型電腦等可能只有一個內建儲存裝置的電腦之間進行比較，也許可以進行裝置級比較。但企業級儲存系統通常有數百或數千個儲存裝置，而比較動態在這類環境中截然不同。我會說，使用裝置層級的比較，對企業級儲存系統提出永續性論點，是非常誤導性的。 

我在其他出版物中詳細介紹了這些論點，但在此我將總結為何裝置級比較對企業級儲存造成如此誤導。要進行企業級儲存系統的相關比較，您需要為系統設定目標效能和容量需求，然後建立能夠滿足使用 HDD 或 SSD 需求的系統。然後，您需要考慮從更高原始容量到可用容量轉換（更高容量利用率、更有效率的清除編碼）所產生的快閃記憶體容量節省。由於 SSD 的效能和密度明顯提高，以及原始容量轉換比較高，因此您所需的 SSD 遠比 HDD 要少，這也意味著您需要的支援基礎架構（控制器、機殼、風扇、電源、交換基礎架構）要少很多，這些都驅動了產品壽命結束時的成本、能源消耗、碳排放和電子廢棄物。 

請記住，SSD 的效能更好，意味著您仍然可以使用更大的裝置，同時又能達到效能和磁碟重建時間的目標。此外，您還能使用去重複資料技術，即時運作，進一步提升 SSD 的有效容量。 

圖 2 顯示為滿足 4 PB 需求而打造的系統比較，這些系統使用 12TB HDD 和三種不同的快閃裝置選項（15.36TB SSD、30.72TB SSD、75TB DFM）1。為了建立圖 2，我使用FY22圖 1 的 FY22溫室氣體排放強度比率，進行磁碟旋轉和快閃。CO2_e 和使用階段的排放可依慣例交替使用。您會注意到，僅根據儲存裝置的 CO2_e，SSD 系統僅高出 1.84 倍（而不是最近文章隱含的 8 倍）。此快速比較並未將 HDD 系統所需的其他元件和機殼納入考量（所有這些元件和機殼都會加入其 CO2_e）。 [Note that I added in two 1U switches for the networking in each system type to get to the rack space requirement.] 

圖 2. 使用不同裝置類型的企業級儲存系統的儲存裝置計數和 CO2_e 的快速比較。

我不想在這篇部落格詳細比較生命週期的能源消耗，但我會注意到，SSD 系統使用的能源遠比 HDD 系統少。12TB HDD 的平均使用功率約為 6 瓦特，產生 TB/瓦特的 2.0。30.72TB SSD 可依活動量提供 9 至 13 瓦的功率。如果我們使用 11 瓦的假設，SSD 會產生 TB/瓦 2.8，比 HDD 高出約 40%。圖 2 的比較顯示，HDD 系統僅裝置的耗電量為 2，052 瓦，30.72TB SSD 系統則為 1，474 瓦。Pure Storage 的 75TB DirectFlash® 模組 （DFM） 系統甚至更低。我們的 DFM 耗用 10 瓦，TB/瓦 7.5，而且如圖 2 所示，可驅動 550 瓦的能源消耗，比 HDD HDD 系統低約 75%。更完整的能源消耗比較將成為另一個部落格的主題，但很明顯地，在能源消耗及其相關的 CO2_e 方面，快閃式系統比 HDD 式系統更勝一籌。

那麼電子廢棄物又是如何？ 若我們將圖 2 所示的 10 年比較用於 12TB HDD 和 30.72TB SSD，則您需處理 2.55 個 HDD。我們假設 HDD 和 SSD 在系統的五年生命週期內運作（可能對於 HDD 相當慷慨）。因此，在 10 年後，您只丟棄了 684 個 HDD，但只有 267 個 30.72TB SSD（更不用說必須購買並丟棄所有額外控制器、機殼、風扇、電源，以及 HDD 所需的交換基礎架構）。

系統層級使用階段排放 

我們再來看看旋轉磁碟和快閃式選項的總使用階段排放量。Western Digital 的 FY22永續性報告顯示，平均 HDD 的使用階段排放量比平均 SSD 高出 1.2 倍。在圖 3 中，我比較了使用 22TB HDD 的 HDD 和使用 150TB DFM 的 Pure Storage DFM 基礎架構，這些 DFM 將在 2024 年底前出貨，並在 10 年間進行 1 EB 部署2。我假設 HDD 的生命週期為 5 年（可能相當慷慨），DFM 的生命週期為 10 年（這是 Pure Storage 內部年度故障率[AFRs]和耐久性追蹤紀錄所證明的）。因此，就圖 3 而言，我們假設 HDD 式設備必須購買兩次，為期 10 年，而 DFM 式設備只能購買一次。您會注意到，HDD式配置的總壽命週期 CO2_e 比 DFM 式配置高出 7.3 倍。

圖 3. 1EB HDD 型與 1EB DFM 型部署在 10 年期間的 CO2e 比較。 

任何比較都會根據裝置大小而改變，同時仍可滿足效能、磁碟重建時間及其他需求，但很明顯地，如果您能使用較大的裝置，您只需要更多。特別是在 HDD 系統方面，許多企業選擇較小的裝置大小來解決重建問題和整體系統效能問題，因此更實際的比較可能會使用 10TB 或 8TB HDD，從而進一步減少 SSD 和 HDD 系統之間的初始 CO2_e 差距。另一方面，如果效能和重建時間需求非常冗長，您可以使用較大的 HDD。24TB HDD 目前普遍可用，未來數年，我們可能會出現 30TB HDD 轉為大量生產。這當然會增加 SSD 和 HDD 之間的初始 CO2_e 差距。 

Pure Storage DirectFlash 模組 

讓我來談談 Pure Storage® DirectFlash 模組 （DFM）。我們幾乎在十年前決定，要打造最有效率的快閃式系統，我們不能仰賴 COTS SSD，我們需要打造自己的裝置3。憑藉 2.5 吋 SFF 封裝技術的極限，我們證明能夠打造超大型容量快閃裝置，不僅能在企業系統中完全使用，還能提供更一致的效能、更佳的容量利用率，以及比 COTS SSD 更高的密度、可靠性、耐久度和能源效率。雖然磁碟供應商通常暗示其 SSD 的生命週期為 10 年，但實際上僅提供五年的保固。我們的 DFM 保固符合我們的生命週期分析假設，也就是 10 年。我們的 DFM 比 COTS SSD 成本低 $/TB。

自 2023 年起，我們便開始運送 75TB DFM，而且我已將 DFM 納入圖 2。您可以看到，我們較高的 DFM 密度導致更精簡的系統，需要的設備更少、更少的支援基礎架構和機架空間、耗電量更低，並啟用比 HDD HDD 系統更低的 CO2_e（取決於所選的裝置容量）。我們將於 2024 年底前運送 150TB DFM，並計畫於 2026 年前推出 300TB DFM。那些容量更大的 DFM 對建立多 PB 系統而言將非常有吸引力，同時我們將保留較小的容量 DFM（我們現在也在出貨），以用於較小的系統。 

不要忘記可靠性

HDD 與 SSD 之間存在顯著的可靠性差異。在 Backblaze 在 2024 年 5 月的最新版本中，顯示平均 HDD AFR 為 1.41%。最新發表的 Backblaze SSD AFR 高達 0.96%。 儲存管理員從經驗中得知，AFR 會隨著 HDD 的老化而上升。是的，廠商將更換仍處於保固期的故障裝置，但事實上，使用 HDD 系統，管理員會花更多時間更換故障的裝置，並因硬碟故障而重建資料。此外，無論製造商是否進行更換，並不表示更換裝置對 CO2_e 沒有影響，而是改換。每個替換的裝置都為系統的總碳量增加越來越多。

Pure Storage DirectFlash 模組甚至比 SSD 更可靠。我們的 AFR 高達 0.12%，從 2017 年以來，我們在系統內出貨的 DFM 數十萬台，比 COTS SSD 最新的 AFR 高出 8 倍！

那麼，由於較高的裝置故障率，所產生的額外 CO2_e 又是多少？ 圖 4 採用圖 3 的假設，比較 22TB HDD 與 150TB DFM 的 1EB 系統在 10 年的生命週期內，顯示 HDD HDD 系統從 169，224 kg 的替換裝置中產生額外的 CO2_e，而 DFM 系統則只會產生額外的 26，400 kg，差異超過 6 倍。將這種附加功能加入到每個系統（HDD式和 DFM 式系統）的整體 CO2_e 中時，會產生重大差異。  

圖 4. 1EB 配置因裝置故障而產生的額外 CO2e。

結論

因此，很明顯地，如果希望鼓勵基於 HDD 的系統購買以 CO2_e 為基礎的企業用途，在系統生命週期內查看整個系統，這些論點並不會真正被淘汰。提升快閃製造效率，已將 HDD 與 SSD 在裝置層級的初始 CO2_e 差距縮小至不到 2 倍，而且隨著 SSD 的 GHG 排放強度比 HDD 更快下降，此效果將一直下降。而且，如果您考慮了有用的使用壽命，那麼變窄（有時）會消除任何 CO2e 差異。如果您使用 Pure Storage 的儲存系統，並評估整個企業儲存系統的 CO2_e – 我強烈認為這是評估它正確的方法-事實上，全快閃系統比 HDD 系統具有更低的碳影響。  

Pure Storage 解決方案在各種系統層級的指標中，持續超越 HDD 系統：整體效能以及效能一致性、容量利用率、密度、可靠性、耐久度、成本/TB、能源效率和生命週期。最近文章顯示 HDD 對快閃的 CO2_e 優勢遠遠優於快閃，這讓企業客戶有理由繼續購買新的 HDD 系統，但這項分析顯示，使用 SSD 打造的系統壽命週期 CO2e HDD 遠比裝置級比較來得近。而使用 Pure Storage DFM 打造的大規模儲存系統，不僅能在整個十年生命週期內，還能在初次購買時降低碳含量。因此，如同成本/TB 一樣，COTS SSD 還未提供對 HDD 造成滅絕級事件威脅的容量，但 DFM 顯然是如此。

 1 75TB DirectFlash 模組 （DFM） 是一套由 Pure Storage 專為企業用途打造的快閃儲存裝置。 

 2 以目前的 Pure Storage 方案為基礎。 

 3 我們在 2017 年首次推出 DFM。