Eu diria um único DB. Você deseja que os conjuntos de tabelas sejam mantidos em sincronia com relação ao estado de backup / restauração, segurança de acesso do usuário, disponibilidade e assim por diante. Tabelas separadas também adicionam problemas com as soluções de indexação e envio de log.
Como você espera um padrão de acesso de E / S tão diferente, você deve colocar as tabelas em grupos de arquivos diferentes. Em seguida, você pode implantar cada grupo de arquivos no disco adequado para o seu padrão de E / S.
Com os dois conjuntos de tabelas em um único DB, alguns pontos de contenção são compartilhados, como as gravações de log. Mas isso não é uma preocupação para o caso que você descreve porque apenas a parte OLTP do aplicativo se preocupa com o log.