HDD oder SSD? Die Festplatte bleibt auch im Cloud-Zeitalter unverzichtbar

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Cloud-Anbieter müssen nicht nur ihre Speicherkapazitäten stetig erweitern, sondern inzwischen auch immer höhere Performance-Anforderungen erfüllen. Weiterentwicklungen und Optimierungen im Festplattenbereich helfen ihnen dabei.

Obwohl die Datenmengen in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten schnell gewachsen sind, steht die Menschheit erst am Beginn des Datenzeitalters. Vernetzte Maschinen, Smart Devices und neue Sensoren werden in den kommenden Jahren ebenso für eine regelrechte Datenexplosion sorgen wie die voranschreitende Digitalisierung, die analoge durch digitale Prozesse ersetzt und viele neue Angebote hervorbringt. Nach Prognosen des Marktforschungsunternehmens IDC (IDC-Whitepaper „Data Age 2025“, Update von Mai 2020) steigt die weltweite Datenmenge bis zum Jahr 2025 auf 175 Zettabyte – das sind 175 Milliarden Terabyte und damit 130 Milliarden Terabyte mehr als die Menschheit bis 2019 insgesamt produziert hat. Der größte Teil dieser Daten wird in der Cloud landen: IDC geht davon aus, dass bereits ab dem kommenden Jahr mehr Daten in der Public Cloud als in klassischen Rechenzentren gespeichert werden.

Das wirtschaftlichste Medium für Online-Storage

Um diesen enormen Bedarf zu decken, erweitern die Cloud-Provider kontinuierlich ihre Speicherkapazitäten. Sie bauen bestehende Rechenzentren aus und nehmen neue Rechenzentren auf der ganzen Welt in Betrieb, sodass sie Daten mit geringer Latenz bereitstellen und lokale Rechtsvorschriften sowie Compliance-Anforderungen erfüllen können. Als Speichermedien setzen sie Festplatten ein, weil diese derzeit das wirtschaftlichste Medium für Online-Storage sind – und nebenbei auch das einzige, das die benötigten Kapazitäten liefern kann.

Flash-Speicher können schlicht nicht in ausreichender Menge hergestellt werden, sodass ihnen in solchen Infrastrukturen, die Daten im Petabyte-Bereich speichern müssen, vor allem die Rolle als Cache bleibt. Daran wird sich auch in den kommenden Jahren wenig ändern, weil eine Steigerung der Flash-Produktion sehr teuer ist und selbst mit enormen Investitionen nur ein Bruchteil des künftigen Kapazitätsbedarfs decken kann.

Firmware-Optimierungen sorgen für einen Leistungsschub

Allerdings haben sich in den letzten ein, zwei Jahren die Anforderungen an Cloud-Umgebungen verändert. Diese dienen Unternehmen nicht mehr primär als Datenlager, in dem nur auf einige Daten regelmäßig zugegriffen wird. Vielmehr wollen Unternehmen ihre Datenschätze in zunehmendem Maße nutzen, sodass immer mehr Anwendungen in Echtzeit mit ihnen arbeiten.

Die in den Cloud-Rechenzentren eingesetzten Festplatten müssen daher nun höhere IOPS-Werte liefern. Sie waren bisher lange auf sequentielle Performance getrimmt, damit Datenbestände schnell abgelegt und wieder ausgelesen werden können. Ihre Elektronik gibt das glücklicherweise her, sodass die Festplattenhersteller durch Optimierungen an der Firmware die notwendigen Leistungsverbesserungen bereits erreichen konnten.

Bis zu 30 Prozent mehr IOPS

Unter anderem wurden verschiedene Prüfroutinen, die zuvor mit höchster Priorität liefen, in Phasen verlagert, in denen eine Festplatte nicht unter voller Last steht. Die Zuverlässigkeit der Laufwerke leidet darunter nicht, dafür werden Ressourcen frei, um mehr zufällige Schreib- und Lesezugriffe abzuarbeiten. Obwohl sie als sogenannte Capacity Drives nach wie vor mit 7.200 Umdrehungen pro Minute arbeiten, liegen ihre Leistungswerte in Bereichen, die an die bisher für derartige Speicher verwendeten 10k- und 15k-Laufwerken heranreichen. Auch die sequentielle Schreib-und-Lese-Performance steigt, doch viel wichtiger ist das IOPS-Plus von bis zu 30 Prozent.

Je nach Modell erreicht eine einzelne Enterprise-Festplatte nun zwischen 400 und 600 IOPS. Das ist zwar immer noch weniger, als eine SSD schafft, aber in großen Infrastrukturen mit zehntausenden Speichermedien kommt es nicht auf den Performance-Vergleich einzelner Datenträger an. Storage-Systeme, die mit vielen HDDs bestückt sind, können durchaus mehrere 10.000 IOPS liefern – und das bei gleichen Kosten mit einem Vielfachen der Kapazität von SSD basierten Lösungen.

Festplattentrends für 2021 und danach

„Disks mit Mikrowellentechnik kommen noch 2021“

Allerdings kommt in solchen Umgebungen der Zuverlässigkeit der Festplatten eine enorme Bedeutung zu. Gar nicht so sehr wegen möglicher Datenverluste, die sich durch Sicherungsmechanismen gut verhindern lassen, sondern wegen des Aufwands für den Austausch defekter Platten. Schon eine um 0,2 Prozent niedrigere Annualized Failure Rate (AFR) sorgt dafür, dass in einem Cloud-Rechenzentrum mit 100.000 HDDs pro Jahr 200 Laufwerke weniger ersetzt werden müssen.

Neue Technologien machen HDDs fit für die Zukunft

Mit den optimierten Capacity HDDs und der schieren Menge an Festplatten können Cloud-Anbieter die aktuellen Anforderungen an Speicherkapazität und Performance sehr gut erfüllen. Aber auch bei weiter steigenden Ansprüchen werden Festplatten das dominierende Speichermedium bleiben: Zum einen lässt sich die Produktion von HDDs deutlich schneller und kostengünstiger erhöhen als die von SSDs, weil weniger Reinraumfertigung als bei der Halbleiterherstellung notwendig ist. Zum anderen schreitet die Festplattenentwicklung kontinuierlich voran, sodass die Speicherkapazitäten und Leistungswerte weiter zulegen. Zu den wichtigsten neuen Technologien zählen dabei HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording) und MAMR (Microwave-Assisted Magnetic Recording).

Bei HAMR wird die Plattenoberfläche mit einer Laseriode punktuell erhitzt. Dadurch sinkt der Energieaufwand für die Magnetisierung der Bits, und es kann ein kleinerer Schreibkopf eingesetzt werden, wodurch sich wiederum eine höhere Speicherdichte erreichen lässt. Bei MAMR wird dagegen am Schreibkopf ein Mikrowellenfeld erzeugt, sodass ebenfalls mit weniger magnetischer Energie geschrieben werden kann – und mit entsprechend kleineren Schreibköpfen und höherer Datendichte. Zwar gibt es mit dem Shingled Magnetic Recording (SMR) noch eine weitere neue Technologie für größere Festplattenkapazitäten, da diese allerdings auf sich überlappende Aufzeichnungsspuren setzt, ist die Schreibgeschwindigkeit geringer, und die Laufwerke eignen sich vor allem für sequentielle Schreibvorgänge wie bei der Archivierung oder beim Backup. In Cloud-, Core- und Edge-Rechenzentren kommen daher Enterprise-Festplatten mit HAMR und MAMR zum Einsatz.

HDD-Speicherkapazität steigt weiter

In den kommenden Jahren wird die Speicherkapazität von Festplatten nach Einschätzung von Experten weiterhin um etwa zwei Terabyte pro Jahr bei gleichbleibenden Kosten zulegen. Um auch die Performance zu steigern, arbeiten die Hersteller derzeit an verschiedenen Neuerungen wie mehreren oder geteilten Festplattenarmen (Aktuator). Bei aktuellen HDDs fahren bis zu 18 Schreib-/Leseköpfe zwischen die Scheiben. Mit einem zweiten Aktuator oder einer Trennung in zwei Kopfträger, die am selben Gelenk montiert sind und unabhängig voneinander positioniert werden können, wären deutlich mehr Zugriffe möglich. Vor allem die mittlerweile so wichtige IOPS-Leistung ließe sich so nahezu verdoppeln.

Die gerne totgesagten Festplatten sind somit aktuell und in den kommenden Jahren nicht nur unverzichtbar, sondern bieten auch noch einiges an Potenzial für große Kapazitäts- und Leistungssteigerungen. Und so rechnet dann auch IDC damit, dass bis Ende 2025 noch mehr als 80 Prozent der Enterprise-Daten in klassischen und Cloud-Rechenzentren sowie an der Edge auf Festplatten gespeichert werden.

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

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