Seagate demonstra HDD inusitado com interface PCIe e protocolo NVMe

A Seagate demonstrou nesta terça-feira (18), durante a NVIDIA GTC, um protótipo funcional de disco rígido (HDD) que utiliza interface PCIe e protocolo NVMe — combinação até então exclusiva de SSDs de alta performance. A tecnologia marca uma possível revolução no mercado de armazenamento para data centers, especialmente os focados em cargas de trabalho de inteligência artificial, combinando a capacidade dos discos magnéticos tradicionais com interfaces de comunicação mais rápidas.

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A interface PCIe e o protocolo NVMe se popularizaram em SSDs nos últimos anos, oferecendo velocidades muito superiores aos tradicionais SATA e SAS utilizados em discos rígidos. Essa tecnologia é responsável pelos impressionantes ganhos de desempenho em sistemas de armazenamento modernos, tanto em computadores domésticos quanto em servidores corporativos e data centers, com dispositivos que ultrapassam os 14.000 MB/s de velocidade.

Embora a Seagate não seja a única empresa trabalhando em soluções do tipo — a tecnologia foi desenvolvida como parte de um projeto OCP (Open Compute Project) —, ela largou na frente ao demonstrar um sistema completo e funcional durante o evento. O protótipo foi integrado em um array híbrido contendo oito HDDs NVMe, quatro SSDs NVMe para cache e uma DPU NVIDIA BlueField 3, demonstrando a viabilidade prática da tecnologia em cenários reais de uso.

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Mais desempenho a preço reduzido

Atualmente, a vasta maioria dos discos rígidos utiliza interfaces SATA ou SAS para se comunicar com os sistemas. Essas tecnologias, embora confiáveis, limitam as velocidades de transferência entre 6 e 12 Gbps e dependem de protocolos serializados desenvolvidos na década de 1980, carregando camadas de protocolo legadas que não são adequadas para processamento de dados em alta velocidade exigidos na atualidade.

As configurações SAS e SATA também demandam adaptadores de barramento do host (HBAs) e camadas adicionais de controladores, o que aumenta a complexidade, cria pontos potenciais de falha e adiciona latência ao sistema. Na prática, tais arquiteturas não são adequadas para cargas de trabalho de IA, que exigem acesso de alta taxa de transferência e baixa latência a conjuntos massivos de dados.

O cenário ideal seria a implementação generalizada de SSDs PCIe NVMe, que oferecem largura de banda significativamente maior, menor latência e melhor escalabilidade. Entretanto, dois fatores principais impedem essa transição completa: o custo por terabyte ainda é consideravelmente mais alto em SSDs quando comparados aos HDDs e a durabilidade desses dispositivos (medida em ciclos de gravação) não é suficiente para sistemas que precisam armazenar exabytes de dados por longos períodos.

Em ambientes de data centers de IA, onde a quantidade de dados cresce exponencialmente, o armazenamento em SSDs se torna financeiramente insustentável a longo prazo. É exatamente nessa lacuna que o HDD PCIe NVMe da Seagate se posiciona como uma alternativa que mantém o custo por terabyte reduzido dos discos magnéticos, mas adiciona as vantagens da interface PCIe e do protocolo NVMe.

Do ponto de vista de complexidade do hardware, a adição do NVMe aos discos rígidos não é tão dispendiosa assim. Os HDDs mantêm seus conectores físicos SAS/SATA e o tradicional formato de 3,5 polegadas, e as principais alterações estão no suporte ao protocolo NVMe e na interface PCIe integrada ao controlador, que representam um custo adicional mínimo na produção.

Mais importante ainda, a transição para a conectividade NVMe/PCIe elimina os adaptadores HBA e reduz significativamente a complexidade do sistema, o que pode compensar eventuais aumentos no preço dos próprios discos. Como resultado, empresas podem adquirir capacidade massiva de armazenamento sem o revés do custo dos SSDs, mas ainda aproveitando parte dos benefícios de protocolos modernos.

HDD se comunica diretamente com GPU

O principal benefício de um HDD com interface NVMe sobre PCIe é a possibilidade de comunicação direta com GPUs — componentes essenciais em sistemas de inteligência artificial. Por meio do GPUDirect, tecnologia que permite transferência direta de dados entre dispositivos de armazenamento e GPUs sem passar pela CPU, é possível minimizar significativamente a latência em workloads de IA.

A Seagate disse ter conseguido reduzir drasticamente os gargalos criados por CPUs em tarefas pesadas de processamento de dados para IA. Essa característica é extremamente importante em cenários onde grandes conjuntos de dados precisam ser processados rapidamente para treinamento ou inferência de modelos.

Outro diferencial importante é o suporte ao NVMe-over-Fabric (NVMe-oF), que permite a integração contínua de diversos clusters para IA, facilitando o escalonamento da capacidade dos servidores. Através dessa tecnologia, sistemas de armazenamento para IA podem ser expandidos para níveis de exabyte de forma eficiente e, mais importante, sem interrupções operacionais.

Para validar essa arquitetura, a Seagate construiu um sistema de prova de conceito integrando oito HDDs NVMe, quatro SSDs NVMe para cache, uma DPU NVIDIA BlueField 3 e software AIStore, tudo funcionando em um gabinete de array híbrido NVMe da marca. Os testes confirmaram que os HDDs NVMe podem suportar ambientes de IA de alta performance sem exigir soluções de armazenamento totalmente baseadas em flash, reduzindo custos enquanto mantêm desempenho adequado.

A empresa também observou que o sistema pode escalar para níveis de exabyte quando utilizado com NVMe-over-Fabric, permitindo expansão perfeita de clusters de armazenamento de IA em múltiplos racks — característica crucial para escalar eficientemente em grandes data centers.

IA vai demandar cada vez mais do armazenamento

Sistemas de IA estão impulsionando um crescimento exponencial nas necessidades de armazenamento de dados. As arquiteturas existentes enfrentam restrições significativas: SSDs oferecem desempenho de alta velocidade, mas são financeiramente insustentáveis para armazenamento de longo prazo nessa escala; HDDs SAS e SATA oferecem preços acessíveis, mas introduzem complexidade e latência devido à dependência de HBAs, silício proprietário e sistemas controladores não-otimizados para os requisitos de alta taxa de transferência e baixa latência da IA.

À medida que empresas passam a gerenciar conjuntos de dados na escala de petabytes a exabytes para treinamento e inferência de modelos de IA, essas limitações ficam mais evidentes.

A Seagate não está sozinha na percepção dessa tendência de mercado. Recentemente, a Western Digital anunciou que está abandonando completamente o mercado de SSDs para concentrar seus esforços exclusivamente em discos rígidos para data centers, onde as margens de lucro são maiores e a demanda está crescendo aceleradamente com a expansão da IA.

Embora o protótipo demonstre viabilidade técnica, ainda há desafios a serem superados. Um ponto crítico é que, à medida que os HDDs ganham capacidade, seu desempenho de IOPS por terabyte diminui, o que pode afetar o desempenho ao trabalhar em clusters de IA no futuro. Para mitigar isso, é possível que HDDs de duplo atuador, como o Seagate Mach.2, sejam preferíveis para clusters de IA, oferecendo melhor equilíbrio entre capacidade e performance.

Quanto à chegada ao mercado, o cenário ainda é incerto. Grandes empresas preferem ter fornecimento de dupla fonte para produtos como HDDs, razão pela qual os discos rígidos NVMe foram desenvolvidos como parte do projeto OCP.

Enquanto a Seagate já possui protótipos funcionais, seus concorrentes ainda precisam apresentar suas alternativas. Quando isso acontecer, e todos os fabricantes puderem produzir tais produtos em volume, provedores de serviços em nuvem que atendem empresas e cargas de trabalho de IA começarão a adotar esses produtos em escala.

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