Kommantar zu Shingled Magnetic Recording

Niedrigere Schreibgeschwindigkeit steigert die HD-Kapazität

| Autor / Redakteur: Mike Alexenko / Rainer Graefen

Bei dieser technischen Innovation ändert sich diesmal nicht das Aufzeichnungsverfahren. Es geht um die bislang ungenutzten Freiflächen auf den Medien.
Bei dieser technischen Innovation ändert sich diesmal nicht das Aufzeichnungsverfahren. Es geht um die bislang ungenutzten Freiflächen auf den Medien. (HGST)

Ein paar Techniken haben die Festplattenhersteller noch, mit denen sie die Flächendichte steigern können. Während alle Welt auf HAMR wartet, überraschten uns die letzten verbliebenen HD-Hersteller mit SMR. Was erwartet uns?

Heute gibt es qualitativ und quantitativ gesehen mehr digitale Daten als je zuvor. Über die sozialen Medien geteilte Bilder und Videos, hochauflösendes medizinisches und wissenschaftliches Bildmaterial sowie Maschinen- und Sensordaten haben eines gemeinsam – der Großteil der Daten wird nach unmittelbarem Erstinteresse nur in unregelmäßigen Abständen nochmals erhoben bzw. gelesen oder bearbeitet.

Das gilt besonders dann, wenn die Daten schon älter sind. Meistens werden sie nur selten verändert. Der Nutzen dieser Daten würde jedoch steigen, wenn Sie mehr davon speichern und einfach zugänglich machen könnten. Darin liegen sowohl die Herausforderungen als auch die Chancen moderner Datenspeicher.

Das Basis-Prinzip ist seit 50 Jahren gleich

Die Festplatte dreht sich auch in Zukunft mit einigen Tausend Umdrehungen.
Die Festplatte dreht sich auch in Zukunft mit einigen Tausend Umdrehungen. (HGST)

HGSTs Geschichte reicht bis zur ersten Festplatte der Welt zurück, die 1956 erfunden wurde und die damals eine atemberaubende Kapazität von 5 MByte aufwies. Seitdem herrscht zwischen den Festplattenherstellern ein regelrechtes Wettrüsten, bei dem es darum geht, Festplatten mit immer höheren Flächendichten und deshalb auch größerer Effizienz anzubieten.

Auf einer Festplatte werden die Daten in „Spuren“ aufgezeichnet, bei denen es sich um in konzentrischen Ringen angeordnete magnetische Bahnen handelt, welche voneinander durch dünnere Ringe von Lücken oder Sicherheitsstreifen getrennt werden.

Die Spuren, die optisch den Schichten einer angeschnittenen Zwiebel ähneln, verfügen seit jeher über einen solchen Spurabstand. Für Festplatten wurde dieses Design schon seit den Anfängen eingesetzt.

Im Wettbewerb zählt nur die Flächendichte

Dank der Anstrengungen unserer Wissenschaftler und Ingenieure gelingt es uns mit jeder neuen Festplattengeneration die für die Datenspeicherung benötigten Domänen noch kleiner zu machen. Indem wir die Größe der Bits schrumpfen und die Spuren schmaler machen, können wir mehr von ihnen auf der gleichen Fläche unterbringen. Wir wissen nicht, ob sich das schwierig anhört, aber es ist schwierig. Extrem schwierig sogar.

Mehr Spuren bedeuten außerdem mehr Sicherheitsstreifen und damit mehr Fläche, auf der keine Daten gespeichert werden dürfen. Was wäre, wenn es uns gelingen könnte, die Zahl dieser Lücken zu verringern? Wir könnten die freiwerdende Fläche nutzen, um mehr Daten zu speichern.

Bei einer konventionellen, vertikal aufzeichnenden Festplatte nach dem PMR-Prinzip (von engl. „Perpendicular Magnetic Recording“) besitzen Anwendungen echten, wahlfreien Lese-/Schreibzugriff auf die Festplatte, da Daten in konzentrischen, von Sicherheitsstreifen getrennten Spuren aufgezeichnet werden.

Beliebige Blöcke können innerhalb beliebiger Spuren unabhängig voneinander gelesen, beschrieben oder verändert werden, was PMR-Festplatten ideal für regelmäßig aktualisierte Daten macht. Hierbei wird Kapazität zugunsten eines flexiblen Zugriffs auf die Daten geopfert.

Dachziegel statt Kreise

Bei Festplatten nach dem SMR-Prinzip (von engl. „Shingled Magnetic Recording“), bei denen Daten in schindelartig überlappenden Spuren gespeichert werden, opfern wir den bestmöglichen flexiblen Zugriff zugunsten von höchstmöglicher Kapazität. Diese wird erreicht, indem Datenspuren so angelegt werden, dass sie sich sequentiell überlagern. So passen mehr Datenspuren auf die magnetisierbare Fläche der Medien.

Vergleich von Perpendicular und Shingled Magnetic Recording
Vergleich von Perpendicular und Shingled Magnetic Recording (HGST)

Das kann man sich in etwa wie bei Dachschindeln vorstellen, die reihenweise übereinander gelegt werden. Man beginnt unten am Dach und arbeitet sich dann immer weiter nach oben vor, wobei man die Schindeln in derselben Richtung ordentlich anordnet und sie Reihe für Reihe überlappen lässt.

Auch eine SMR-Festplatte bietet echten, wahlfreien Lesezugriff – wenn Sie bestimmte Daten benötigen, werden sie wie auf jeder anderen Festplatte aufgesucht und direkt gelesen. Bei der Änderung eines Datensatzes muss jedoch ein wenig anders vorgegangen werden.

Da möglicherweise eine andere „Datenschindel“ auf dem Datensatz liegt, den Sie verändern wollen, können Sie diesen nicht unmittelbar manipulieren. Die gesamte oberhalb von ihm liegende Datenreihe müsste an eine andere Stelle verschoben werden, dann die jeweils weiter oben liegende und so weiter und so fort.

Einteilung in Speicherareale

Das Verschieben Ihrer Daten bei jedem Zugriff zum Ändern oder Löschen ist nicht besonders effizient; allerdings gibt es einige Methoden, mit denen das Problem teilweise umgangen werden kann.

Zum einen können mehrere überlappende Spuren zu „Zonen“ gruppiert werden, die durch einen Sicherheitsstreifen, auf den keine Daten geschrieben werden, getrennt sind.

SMR: Beim Lesen ändert sich nichts, beim Schreiben schon
SMR: Beim Lesen ändert sich nichts, beim Schreiben schon (HGST)

Eine SMR-Festplatte kann eine beliebige Anzahl solcher Zonen besitzen, was je nach Auslegung unterschiedliche Effekte hat. Eine SMR-Festplatte mit wenigen, größeren Zonen kann eine höhere Kapazität erreichen, da wir hier die Anzahl von Sicherheitsstreifen reduzieren und den gewonnen Platz für zusätzliche überlappende Datenspuren zur Verfügung stellen.

Diese Option eignet sich z. B. für langfristige Archivierungsanwendungen, der Aufbewahrung von Unterlagen im Rahmen von gesetzlichen Vorgaben oder anderen „kalten“, langfristigen Speicheraufgaben, bei denen Daten fast nie aktualisiert oder gelöscht werden.

Eine SMR-Festplatte mit vielen, kleineren Zonen stellt eine andere Alternative dar. Mehr Zonen bedeuten, dass Daten einfacher geändert oder gelöscht werden können, wozu jedoch mehr Sicherheitsstreifen nötig sind. In Folge dessen opfern wir etwas Speicherkapazität, um Flexibilität zu gewinnen. Bei unserer kürzlich angekündigten 10-TByte-Festplatte greifen wir auf diese Option zurück, da damit unterschiedliche Einsatzszenarien bedient werden können.

Daneben können wir bei Änderungs- oder Löschzugriffen intelligenter vorgehen. Mithilfe von eleganten Algorithmen, die unsere Forschungsabteilung entwickelt hat, führen wir Änderungen und Löschoperationen „gebündelt“ und gleichzeitig innerhalb einer Zone aus, nachdem eine ausreichende Anzahl solcher Anfragen gesammelt wurde. Dadurch wird die Gesamtleistung verbessert.

SMR-Zonen, richtungsweisend für die Zukunft

Obwohl einige der Vorbehalte und Kompromisse bei der SMR-Technologie abschreckend wirken können, bleibt unter dem Strich eine Steigerung der Flächenausbeute von 25 %. Sie können damit also mehr Daten speichern. Sie ist zudem die Grundlage zukünftiger Generationen von Hochkapazitätsfestplatten mit kosteneffizienten Terabyte-Preisen.

Mit der Überlagerung von Datenspuren lassen sich 25 Prozent mehr Kapazität auf einer 3,5-Zoll-Festplatte erzielen.
Mit der Überlagerung von Datenspuren lassen sich 25 Prozent mehr Kapazität auf einer 3,5-Zoll-Festplatte erzielen. (HGST)

Wir haben die erste 10-TByte-Festplatte der Enterprise-Klasse angekündigt, die noch andere Innovationen wie unsere HelioSeal-Technologie mitbringen wird. SMR-Festplatten wie unser 10-TByte-Produkt eignen sich für „kühle“ und „kalte“ Speicheraufgaben, bei denen Daten selten bis nie aktualisiert oder gelöscht werden: aktive Archive, soziale Medien und andere Anwendungsszenarien, bei denen es auf höchste Speicherdichte, niedrige Betriebskosten und beste Terabyte-Preise ankommt.

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