Fachartikel

Ausblick auf die Festplattenzukunft

Das klassische Perpendicular Magnetic Recording, das seit anderthalb Jahrzehnten bei Festplatten zum Einsatz kommt, ist mehr oder weniger ausgereizt. Doch mit dem Microwave Assisted Magentic Recording steht bereits eine neue Technologie in den Startlöchern, mit der sich die Speicherkapazität von HDDs mittelfristig über 30 TByte hinaus steigern lässt. Um die Laufwerke zukunftsfähig zu machen, arbeiten die Hersteller auch an Dual-Aktuatoren für einen höheren Datendurchsatz.
Durch moderne Festplattentechnologien ist das Ende der Speicherkapazität noch nicht erreicht.
Mehr als 60 Jahre gibt es Festplatten nun schon. Und auch wenn ihr Ende immer wieder vorausgesagt wurde, so sind sie doch gerade aus dem Enterprise-Bereich nicht wegzudenken. 2020 wurden erstmals HDDs mit einer Gesamtkapazität von mehr als einem Zettabyte ausgeliefert – das sind eine Milliarde TByte. Zum Vergleich: SSDs kamen im gleichen Zeitraum lediglich auf ein Fünftel davon und werden aufgrund höherer Preise und beschränkter Produktionskapazitäten noch lange brauchen, um gleichzuziehen. Festplatten tragen also im Informationszeitalter die Hauptlast der Datenspeicherung und werden das auf absehbare Zeit weiterhin tun.

Das Erfolgsgeheimnis von Festplattenlaufwerken sind ihre hohen Speicherkapazitäten zu niedrigen Preisen. Damit sind sie ideal geeignet, um in den Rechenzentren von Unternehmen, Datacenter-Betreibern und Cloudanbietern die wachsende Datenflut aufzufangen. In den vergangenen Jahren legte die Kapazität von Enterprise-HDDs kontinuierlich um etwa 2 TByte pro Jahr bei gleichbleibenden Kosten zu. Das dabei als Aufzeichnungstechnologie eingesetzte Perpendicular Magnetic Recording (PMR) ist jedoch nahezu ausgereizt und erlaubt keine signifikanten Kapazitätssteigerungen mehr über 16 TByte hinaus.
Überlappende Datenspuren
Mit Shingled Magnetic Recording (SMR) gibt es schon seit einiger Zeit eine Aufzeichnungstechnologie, die Datenspuren überlappend schreibt, was im Vergleich zu PMR eine höhere Speicherdichte ermöglicht. Auf der gleichen Anzahl rotierender Magnetscheiben in einem Gehäuse lassen sich somit deutlich mehr Informationen unterbringen. Das Verfahren eignet sich sehr gut für das sequenzielle Schreiben und kommt deshalb in Festplatten für die Archivierung und Videoüberwachung zum Einsatz, die vor allem sequenzielle Datenströme verarbeiten.

Bei nicht-sequenziellen Schreibvorgängen müssen dagegen regelmäßig kleine Teile in bestehenden Spuren überschrieben werden. Damit sich alle Spuren weiterhin richtig überlappen und lesbar bleiben, ist es notwendig, einen kompletten Bereich zunächst zu lesen, die zu ändernden Daten im Speicher zu modifizieren und den kompletten Bereich überlappend zurück auf die Platte zu schreiben. In der Vergangenheit hat das dazu geführt, dass SMR-HDDs keine gleichbleibende Schreibgeschwindigkeit liefern konnten.

Allerdings fangen die Hersteller diese Schwankungen inzwischen durch größere Caches und bessere Caching-Algorithmen ab. Dadurch lassen sich die Festplatten in nahezu allen Bereichen einsetzen und stecken heute auch in vielen Desktop-Rechnern und externen Laufwerken. Aber gerade im Enterprise-Bereich, wo dauerhaft hohe Schreiblasten auftreten können und zahlreiche Anwendungen auf eine gleichbleibende, planbare Performance angewiesen sind, bedarf es anderer Lösungen.

Kleinere Schreibköpfe dank Mikrowellentechnik
Die nächste Generation von Enterprise-Festplatten setzt auf Microwave Assisted Magnetic Recording (MAMR) – ein erstes Modell mit der neuen Technologie kam im vergangenen Jahr mit der Toshiba MG09 auf den Markt. Ein Mikrowellengenerator am Schreibkopf bündelt hier den magnetischen Fluss, sodass weniger Energie benötigt wird, um das Material in der Platte zu magnetisieren. Dadurch kann der Schreibkopf kleiner ausfallen und Datenspuren dichter schreiben. 3,5-Zoll-Festplattendesigns mit neun Magnetscheiben fassen daher 18 statt 16 TByte, in Kürze verfügbare Modelle mit zehn Scheiben sogar 20 TByte.

Dabei handelt es sich aber nur um die erste Version von MAMR, Flux Controlled MAMR (FC-MAMR) genannt. In kommenden Versionen sollen die Mikrowellen zudem das Material der Magnetscheiben beim Schreibvorgang gezielt aktivieren, wodurch ein geringerer magnetischer Fluss für die Magnetisierung der Bits benötigt wird. Das ermöglicht noch kleinere Schreibköpfe und noch dichter geschriebene Datenspuren. Die ersten Festplatten, die dieses Microwave Assisted Switching MAMR (MAS-MAMR) nutzen, werden voraussichtlich eine Kapazität von 22 TByte bieten.

Während FC-MAMR mit den bestehenden Magnetscheiben arbeitet, erfordert MAS-MAMR Magnetscheiben aus einem neuen Material, das sich durch Mikrowellen aktivieren lässt. Im Labor funktionieren die neuen Medien bereits sehr gut, sie dürften also bald den Weg in die Serienfertigung finden. Mit ihnen dürfte sich die Speicherkapazität von HDDs nach Einschätzung von Experten in den nächsten Jahren auf bis zu 50 TByte steigern lassen. Andere Assisted-Recording-Verfahren bieten Potenzial für größere Kapazitäten, sind aber in der Entwicklung noch nicht so weit fortgeschritten.



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16.02.2022/ln/Rainer W. Kaese, Senior Manager, HDD Business Development bei Toshiba Electronics Europe

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