Einblick in die Festplattentechnik Äußere und innere Werte der HDD

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Rein äußerlich hat sich an Festplatten seit Jahrzehnten kaum etwas verändert, und das ist gut so. Der etablierte Formfaktor und die bewährten Schnittstellen bieten Investitionssicherheit und machen HDDs zur Konstante in sich schnell wandelnden IT-Infrastrukturen. Im Inneren der Laufwerke hat sich hingegen einiges getan.

Vergleicht man 20 Jahre alte Enterprise-Festplatten mit aktuellen Modellen, muss man schon genau hinschauen, um äußerliche Unterschiede festzustellen. Auffällig verändert hat sich eigentlich nur die Größe der Platine auf der Laufwerksunterseite – sie ist deutlich kleiner geworden und reicht nicht mehr bis unter die Spindel mit den Disks, sodass im Gehäuseinneren mehr Platz für die Magnetscheiben ist. Aus ursprünglich neun wurden erst zehn und inzwischen dank dünnerer Disks sogar elf Magnetscheiben, was deutlich höhere Speicherkapazitäten ermöglicht. Davon abgesehen haben Enterprise-HDDs aber nach wie vor einen 3,5-Zoll-Formfaktor und ein SATA- oder SAS-Interface.

Ein Formfaktor für die Ewigkeit

Der Formfaktor von 3,5 Zoll war ursprünglich gewählt worden, damit Festplatten in dieselben Einbauschächte wie Diskettenlaufwerke passen. Er etablierte sich schnell als Standard und blieb es bis heute. Zwar gibt es weiterhin einige 2,5-Zoll-Festplatten mit 10.500 oder 15.000 Umdrehungen pro Minute, doch diese „Perfomance-Drives“ mit geringen Kapazitäten von wenigen Terabyte werden mehr und mehr von SSDs verdrängt.

3,5-Zoll-Platten mit 7.200 Umdrehungen und Kapazitäten von über 20 TByte hingegen erfreuen sich anhaltender Beliebtheit und bilden unverändert das Rückgrat von Storage-Infrastrukturen in Unternehmen, großen Rechenzentren und Cloud-Umgebungen. Schließlich liefern sie viel Speicherplatz zu niedrigen Kosten und sind schlicht das wirtschaftlichste Speichermedium, das direkte Zugriffe ermöglicht.

Darüber hinaus bieten der etablierte Formfaktor und die bewährten Schnittstellen große Investitionssicherheit. Unternehmen können sowohl aktuelle Laufwerke als auch die kommenden HDD-Generationen problemlos in ihren Bestandssystemen nutzen – etwas, das bei SSDs aufgrund verschiedener Formfaktoren wie 2,5 Zoll, M.2, U.2 und mSATA nicht ganz so einfach ist. Für eine Vereinheitlichung soll hier der Enterprise and Datacenter Standard Form Factor (EDSFF) sorgen, doch auch er kennt verschieden große Speicherriegel und macht die Anschaffung neuer Systeme notwendig. Bei Festplatten werden sich die vorhandenen Laufwerke indes auch künftig jederzeit durch neuere Modelle ersetzen lassen, etwa wenn die HDDs am Ende ihrer Lebenszeit angelangt sind oder der Speicherplatz knapp wird.

Rückwärtskompatible Schnittstellen

Neuere Festplatten in älteren Systemen oder ältere Festplatten in neueren Systemen – das funktioniert nicht zuletzt deshalb ohne Schwierigkeiten, weil SATA und SAS rückwärtskompatibel sind. Aktuelle HDDs nutzen SATA 3.3 mit 6 Gbit/s oder SAS 3.0 mit 12 Gbit/s, arbeiten aber auch mit den Vorgängerspezifikationen zusammen – dann natürlich mit deren niedrigeren Datenraten. Bei SATA sind das 1,5 oder 3 Gbit/s und bei SAS 6, 3 oder 1,5 Gbit/s.

Zwar gibt es längst SAS 4.0 mit 24 Gbit/s, doch diese SAS-Version kommt bei Festplatten nicht zum Einsatz, da die Mechanik der Laufwerke die Datenrate begrenzt und sie die Bandbreite gar nicht ausnutzen könnten. Es existieren jedoch durchaus Möglichkeiten über die Rotationsgeschwindigkeit hinaus, die Datenraten von Festplatten zu erhöhen. Die Hersteller arbeiteten beispielsweise an Laufwerken mit zwei Festplattenarmen, sodass sich verschiedene Bereiche auf den Magnetscheiben parallel ansteuern lassen und Daten schneller geschrieben beziehungsweise gelesen werden können. Da der Platz im Festplattengehäuse knapp ist und kein zweiter Arm mit eigenem Gelenk hineinpasst, handelte es sich um zwei Arme an einem Gelenk, die unabhängig voneinander bewegt werden.

Allerdings konnte sich dieses Konzept trotz deutlich höherer Datenraten nicht am Markt durchsetzen. Denn bei Festplatten steht vor allem der günstige Speicherplatz im Vordergrund und weniger die Performance. Zumal die Geschwindigkeit aktueller Festplatten für die meisten Anwendungsfälle ausreichend ist – nicht die Geschwindigkeit einzelner Laufwerke wohlgemerkt, sondern die von Festplattenverbünden. Diese schaffen leicht einen Durchsatz von mehr als 15 GB/s und über 15.000 IOPS. Genügt das nicht, lassen sich SSDs als Cache ergänzen.

Kompatibilität und Wirtschaftlichkeit gehen vor

Der Hauptfokus der Festplattenhersteller liegt daher auf der Steigerung der Kapazitäten. Zumindest theoretisch wäre das mit größeren Gehäusen, in die mehr Magnetscheiben hineinpassen, schnell machbar – da neue Formfaktoren jedoch neue Systeme erfordern, die diese Formfaktoren unterstützen, ist das keine Option. Das liefe dem Anspruch zuwider, mit einer unveränderten Bauweise für Kompatibilität und Investitionssicherheit zu sorgen. Bleibt also nur, die Magnetscheiben dünner zu konstruieren und die Datendichte auf den Magnetscheiben weiter zu erhöhen.

Waren die Disks bisher 0,635 Millimeter dick, so messen die neuesten Disks nur noch 0,55 Millimeter, sodass ein 3,5-Zoll-Laufwerk elf statt zehn Scheiben aufnehmen kann. Hinzu kommen neue Aufzeichnungsverfahren, die die Datendichte auf ganz unterschiedliche Art und Weise erhöhen. Shingled Magnetic Recording (SMR) setzt auf sich überlappende Datenspuren, wobei die Technologie durch komplexere Mechanismen zur Fehlerkorrektur inzwischen zuverlässiger ist als in ihren Anfangstagen und ein noch stärkeres Überlappen der Spuren erlaubt. Microwave Assisted Magnetic Recording (MAMR) und Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR) wiederum nutzen Mikrowellen beziehungsweise Laserstahlen, um den Bedarf an magnetischer Energie beim Schreiben zu reduzieren, sodass der Schreibkopf kleiner ausfallen und sowohl Bits als auch Datenspuren dichter schreiben kann. MAMR ist momentan die ausgereiftere Technologie und wird nach Einschätzung von Branchenexperten in den nächsten Jahren zu Festplatten mit bis zu 40 TB führen. Anschließend dürfte HAMR übernehmen, das mehr Potenzial bietet und noch größere Kapazitäten ermöglicht.

Ein besonderes Augenmerk haben die Hersteller bei der Weiterentwicklung von MAMR und HAMR auf kosteneffiziente Produktionsprozesse, denn die wichtigste Anforderung ist, dass neue Technologien den Preis pro Kapazitätseinheit nicht erhöhen. Schließlich sollen Festplatten nicht ihrer großen Stärke – der Wirtschaftlichkeit – beraubt werden. In den vergangenen Jahren ist ihre Kapazität bei gleichbleibenden Kosten jeweils um etwa 2 TB pro Jahr gestiegen, und MAMR und HAMR sollen dazu beitragen, dass das so bleibt. Der etablierte Formfaktor und die bewährten Schnittstellen stellen dabei sicher, dass Unternehmen, Rechenzentrumsbetreiber und Cloud-Anbieter davon profitieren können, ohne zu einem Austausch ihrer Server- und Storage-Systeme gezwungen zu sein.

* Der Autor: Rainer W. Kaese ist Senior Manager, HDD Business Development bei Toshiba Electronics Europe

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