Storage und Sustainability Festplatten – der Schlüssel zur Nachhaltigkeit von Rechenzentren

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Seagate Technology (Netherlands) BV (Germany Branch)

FAST LTA GmbH

Angesichts steigender Nachfrage nach KI und immer höherer Energiekosten sehen sich Betreiber von Rechenzentren mit Einschränkungen in den Bereichen Stromversorgung, Kühlung und Platzangebot konfrontiert. Stromnetze werden durch diese neuen Anforderungen stark belastet – und sind mittlerweile sogar Thema der politischen Debatte. Nachhaltigkeit wird dadurch nun Teil der Kapazitätsplanung.

Regulierungsbehörden, Kunden und Investoren erwarten glaubwürdige Fortschritte, um die gesetzten Klimaziele zu erreichen. Der Speicherbedarf wächst kontinuierlich weiter, angetrieben durch eine immer höhere Datenmenge. Die entscheidende Frage: Lässt sich zusätzliche Kapazität mit Nachhaltigkeitszielen und Effizienzauflagen vereinbaren?

IT-Architekturen müssen nutzbare Kapazität über einen langen Zeitraum bereitstellen, ohne dass dabei unverhältnismäßig hohe Emissionen auf Rack-Ebene sowie über den gesamten Lebenszyklus entstehen. Nachhaltigkeitsaspekte bestimmen daher, wie Unternehmen Speicher in großem Maßstab einsetzen. Im Gegenzug beeinflussen Entscheidungen hinsichtlich der Speichertechnik, wie effizient Rechenzentren Energie und Platz nutzen.

Hochkapazitäre Festplatten verbessern die Leistungsdichte, indem sie eine größere Datenmenge pro Watt und pro Rack liefern. Sie reduzieren den Energie-, Kühlungs- und Platzbedarf, der für die Produktivität von GPUs notwendig ist. Da der Stromverbrauch von GPUs generell ansteigt, tragen Festplattenspeicher dazu bei, Rechenzentren nachhaltig zu skalieren.

Um die Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit vollständig zu verstehen, sollte der Speicher auf Rack-Ebene und nicht auf Geräteebene bewertet werden. Unternehmen müssen Speicherarchitekturen anhand von drei Dimensionen beurteilen:

• 1. gebundener Kohlenstoff pro nutzbarem TB-Jahr,

• 2. Betriebsemissionen (basierend auf der Gesamtenergie pro nutzbarem TB, inklusive Kühlung und unterstützender Infrastruktur wie Gehäuse usw.),

• 3. Lebenszyklus-Verhalten (Einsatzdauer).

Die Auswertung dieser Faktoren zeigt, dass festplattenbasierte Architekturen im Laufe der Zeit den geringsten Gesamt-CO₂-Fußabdruck pro nutzbarem TB aufweisen.

Gebundener Kohlenstoff pro nutzbarem TB auf Rack-Ebene

Die erste Zeile der Tabelle beleuchtet den CO₂-Fußabdruck – also die mit dem Aufbau der Speicherkapazität verbundenen Emissionen. Sie zeigt, wie sich diese Auswirkungen im Zeitverlauf skalieren, wenn sie pro nutzbarem TB bewertet werden.

Auf Rack-Ebene bestimmen Stromversorgung, Kühlung und physikalische Einschränkungen die Ergebnisse. Architekturen, die höhere nutzbare Kapazität pro Gerät und Rack bieten, reduzieren die mit dem Aufbau und dem Austausch von Kapazität verbundenen Emissionen.

Auf Rack-Ebene benötigen auf Festplatten basierende Architekturen viermal weniger Betriebsenergie. Dies zeigen Modellierungen. Sie weisen außerdem etwa zehnmal weniger gebundenen Kohlenstoff auf als andere gerätebasierte Designs. Dieser Unterschied spiegelt wider, wie Kapazität in großem Maßstab erzeugt und aufrechterhalten wird. Dazu gehört auch die Fertigung der Speicher sowie des für die Lebensdauer erforderlichen Kapazitätsaufwands.

Solid-State-Laufwerke (SSDs) weisen daher ein Vielfaches des in Festplatten enthaltenen Kohlenstoffs pro nutzbarem Terabyte auf. Die modellierten Werte erreichen je nach Kapazität und Einsatzannahmen das bis zu 20-Fache des gebundenen Kohlenstoffgehalts von Festplatten. Der Einsatz von SSDs erfordert zudem häufig die Installation zusätzlicher Kapazität (sogenanntes Overprovisioning), da die Betreiber von Rechenzentren es vermeiden, bei anhaltenden Schreiblasten die volle Nennkapazität auszuschöpfen, um so vorzeitigen Verschleiß zu reduzieren. Dies begrenzt die nutzbare Kapazität pro eingesetzter SSD und erhöht gleichzeitig den CO₂-Ausstoß pro nutzbarem TB.

Betriebsemissionen auf Rack-Ebene: Stromversorgung und Kühlung

Die Zeile Online-Leistung in der Tabelle fokussiert sich auf den erforderlichen Energiebedarf, damit der Speicher online bleibt ebenso wie auf die dafür benötigte Kühlung und Infrastruktur. Sie unterstreicht, wie Leistungsdichte und Rack-Design die Gesamtemissionen maßgeblich beeinflussen. Die Betriebsemissionen hängen von der Online-Leistung pro TB ab. In den von S. McAllister et al. auf HotCarbon.org veröffentlichten Benchmarks wird hinsichtlich der Online-Leistung von einem 24x7-Betrieb von Hyperscalern ausgegangen. So lässt sich das Always-On-Verhalten im großen Maßstab darstellen.

Die Seagate Mozaic Plattform etwa verbessert die Flächendichte und das Energiemanagement – und senkt so den Energieverbrauch auf Rack-Ebene. Die Analyse von Seagate auf Deployment-Ebene zeigt, dass Festplatten der Mozaic-Klasse mit circa 0,22 Watt pro TB betrieben werden. Unter definierten Annahmen verbrauchen sie bis zu 70 Prozent weniger Strom als Architekturen der Vorgänger-Generation. In modellierten Deployments von einem Exabyte verbessert die neueste Mozaic-4+-Plattform die gesamte Effizienz der Infrastruktur um etwa 47 Prozent im Vergleich zu Standardlaufwerken mit 30 TB. Darüber hinaus lässt sich die benötigte Fläche im Rechenzentrum um über neun Quadratmeter reduzieren und der jährliche Energieverbrauch um etwa 0,8 Millionen Kilowattstunden senken (interne Lebenszyklusmodellierung von Seagate zur Vorhersage von Mozaic-basierten Festplatten mit 40 TB im Vergleich zu PMR-Festplatten mit 12 TB (gebundener Kohlenstoff pro TB-Jahr und Stromverbrauch im Betrieb pro TB; Annahmen hinsichtlich eines fünfjährigen Lebenszyklus und einer Normalisierung der nutzbaren Kapazität)).

McAllister et al. unterstreicht, dass auf Festplatten basierende Speicherebenen einen großen Teil der bereitgestellten Daten verwalten können. Gleichzeitig verursachen sie nur einen geringeren Anteil der betrieblichen Speicheremissionen. Eine höhere Leistungsdichte der Racks erhöht gleichzeitig den Bedarf an Kühlung sowie an unterstützender Infrastruktur. Das Ergebnis: höhere betriebliche und Produkt-Emissionen. Laut McAllisters Analyse aus dem Jahr 2024 machen SSD-Racks nur 13 Prozent der eingesetzten Cloud-Kapazität aus. Sie sind jedoch für 39 Prozent der betrieblichen Speicheremissionen verantwortlich. Festplatten hingegen speichern 87 Prozent der Cloud-Daten, tragen aber 48 Prozent zu den betrieblichen Emissionen bei. Betriebliche Emissionen erfassen dabei die Kosten des Dauerbetriebs. Die Gesamtbelastung hängt zudem vom Lebenszyklus ab, sprich: vom Zeitraum, in dem sich die eingesetzte Kapazität unter realen Arbeitslasten nutzen lässt.

Lebenszyklus-Realitäten: Warum Festplatten nach wie vor der Standard sind

Festplatten speichern den Großteil der Unternehmens- und Cloud-Daten. Sie sind effizient skalierbar und bieten optimale Leistung bei langer Lebensdauer. Im Vergleich dazu erfordern Flash-Speichersysteme, die für Daten mit sofortigem Zugriffsbedarf sinnvoll sind, eine Über-Provisionierung. So ist die Schreibbeständigkeit bei anhaltender Auslastung gewährleistet. Allerdings schränkt dies die nutzbare Kapazität ein. Das Resultat sind höhere Kosten und CO₂-Ausstoß pro effektivem TB über die gesamte Lebensdauer hinweg.

Die längere Nutzungsdauer von Festplatten bedeutet auch, dass sie über den gesamten Lebenszyklus hinweg effizienter sind. Das Ergebnis ist ein deutlich geringerer CO₂-Fußabdruck pro TB und Jahr. Bei Festplatten liegt er bei 0,27 kg im Vergleich zu 5,9 kg bei SSDs (siehe Zeile „Embodied carbon“ in der Tabelle). Dies ist einer der Gründe, warum Objektspeicher und KI-Datenpipelines auf Festplatten basieren – abgesehen von der Möglichkeit, große Datenmengen zu speichern.

Eine längere Lebensdauer reduziert auch Austauschzyklen und die bei Herstellung und Betrieb der Produkten anfallenden Emissionen. Die Lebensdauer selbst hängt immer von der Auslastung sowie dem Systemdesign ab. Energiebewusste Architekturen ermöglichen den weiteren Einsatz bestehender Speicher, verlängern die Lebensdauer und reduzieren Elektronikschrott.

Unter Berücksichtigung des CO₂-Fußabdrucks, des Energieverbrauchs während des Betriebs und des Kühlungsaufwands bieten festplattenbasierte Speicher eine langlebige Basis für Workloads mit hoher Kapazität.

Klimapolitische Argumente für Festplatten

Speicher unterstützen das Wachstum von KI, Cloud und Analytik. Nachhaltigkeit hat bei Unternehmen ebenfalls Priorität. Lebenszyklus-Benchmarks und Modellierungen im Einsatzmaßstab bieten ihnen Orientierungshilfe.

Eine komplette Lebenszyklusbilanz zeigt, dass Festplatten einen geringeren CO₂-Fußabdruck pro nutzbarem TB aufweisen. Gleichzeitig verbrauchen sie weniger Strom und Kühlenergie auf Rack-Ebene. Plattformen wie Mozaic bieten zudem hohe Kapazität, längere Lebensdauer und umfassende Systemkompatibilität.

Angesichts der rasant wachsenden Datenmengen ist eine klimafreundliche Infrastruktur auf Technologien angewiesen, die sich über den gesamten Lebenszyklus hinweg skalieren lassen. Festplattenbasierte Lösungen bieten optimale Leistung, Skalierbarkeit und Effizienz, die für das Management von Energieverbrauch und Lebenszyklusemissionen erforderlich sind. Nachhaltigkeit erfordert somit Skalierbarkeit – und Festplatten bieten diese.

* Der Autor: Maarten Guijt, Vice President, Europe Sales, Seagate Technology

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