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MTTF, UER, MAMR – Das steckt hinter HDD-Spezifikationen

Festplatten liefern hohe Speicherkapazitäten zu geringen Kosten, doch die verschiedenen HDD-Modelle unterscheiden sich zum Teil erheblich. Was steckt eigentlich hinter Angaben wie MTTF und AFR? Was sagt die Unrecoverable Error Rate aus? Und was ist der Unterschied zwischen SMR- und MAMR-Laufwerken? Wir bieten einen Überblick über die wichtigsten Spezifikationen und wie sie zusammenhängen, um Nutzer bei der Auswahl von Festplattenmodellen zu unterstützen, die optimal zu ihren konkreten Anwendungsfällen passen.
Enterprise-HDDs minimieren Ausfallszeiten und eignen sich damit für kritische Anwendungen.
Die rasant ansteigenden Datenmengen in Unternehmen und privaten Haushalten lassen den Bedarf an Speichermedien mit hoher Kapazität schnell wachsen. Nach wie vor handelt es sich dabei zumeist um Festplatten, denn der Speicherklassiker wird kontinuierlich weiterentwickelt und ist pro Kapazitätseinheit deutlich günstiger als Flashspeicher. Deren Preise sinken zwar, doch das tun sie in ähnlichem Maße auch bei HDDs. In den großen Online-Storages von Cloud- und Unternehmensrechenzentren bleiben Festplatten daher ebenso gesetzt wie in NAS-Systemen und in Speicherlösungen für die Videoüberwachung.

Einsatzzweck bestimmt Spezifikationen
Nicht jede Festplatte eignet sich allerdings für jeden Einsatzzweck – genaugenommen sind die Laufwerke sogar sehr spezifisch auf verschiedene Anwendungsbereiche zugeschnitten. Welche das sind, machen die Hersteller durch eine Einteilung in verschiedene HDD-Klassen beziehungsweise Produktreihen sichtbar. Üblicherweise haben sie Laufwerke für PCs, NAS-Systeme, Videoüberwachungslösungen und den Einsatz im Rechenzentrum im Portfolio, die sich unter anderem hinsichtlich Schnittstellen, Leistung und Zuverlässigkeit unterscheiden.

So sind die Modelle für PCs und Notebooks zum Beispiel sind in der Regel für eine tägliche Betriebsdauer von acht bis 16 Stunden und eine jährliche Arbeitslast von 55 TByte ausgelegt – in NAS-Systemen oder Servern haben sie daher, obwohl günstiger im Preis, nichts zu suchen: Sie würden durch den Dauereinsatz sowie die höheren Schreib- und Leselasten schnell verschleißen, sodass die Fehler- und Ausfallwahrscheinlichkeit schon innerhalb der Garantiezeit steigt.

NAS-, Surveillance- und Enterprise-HDDs hingegen unterstützen einen 24/7-Betrieb und kommen mit höheren Arbeitslasten zurecht. Bei NAS- und Surveillance-Laufwerken sind es 180 und bei Enterprise-Laufwerken 550 TByte pro Jahr. Nur wenn dieser in Datenblättern als "Workload Rate" oder "Rated Workload" bezeichnete Wert eingehalten wird, gelten die Herstellerangaben zur Mean Time To Failure (MTTF). Bei Überschreitung der Rated Workload ist zwar nicht unmittelbar mit einem Defekt der Festplatte zu rechnen, aber die Fehlerwahrscheinlichkeit steigt und die MTTF sinkt.
Zuverlässige HDDs reduzieren den Wartungsaufwand
Die MTTF ist ein statistischer Wert, der die mittlere Betriebsdauer bis zum Ausfall einer Festplatte beschreibt. Je nach HDD-Modell liegt sie zwischen einer Million und zweieinhalb Millionen Stunden. Für ein einzelnes Laufwerk hat dieser Wert nur bedingt Aussagekraft, ein solches könnte jederzeit ausfallen – regelmäßige Backups und RAID-Konfigurationen schützen jedoch vor einem möglichen Datenverlust. Bei einer größeren Anzahl von Festplatten hilft die MTTF jedoch einzuschätzen, wie regelmäßig es zu Ausfällen kommen könnte. Bei einer MTTF von einer Million Stunden und einer Million Laufwerken wäre der Ausfall von einem Laufwerk pro Stunde zu erwarten – oder bei 1000 Laufwerken ein Ausfall alle 1000 Stunden.

Für Festplatten im 24/7-Betrieb lässt sich aus der MTTF die jährliche Ausfallrate (Annulized Failure Rate, AFR) ermitteln, die als Prozentwert intuitiver ist. Vereinfacht lässt sich diese so berechnen: jährliche Betriebszeit von 8760 Stunden geteilt durch die MTTF in Stunden mal 100. Ein Enterprise-Laufwerk mit einer MTTF von 1,4 Millionen Stunden hat demnach eine AFR von 0,625 Prozent. In einem Rechenzentrum mit 100.000 dieser Laufwerke fallen somit pro Jahr voraussichtlich 625 Festplatten aus und müssen ersetzt werden. Greift der Betreiber zu Enterprise-Laufwerken mit einer MTTF von 2,5 Millionen Stunden, liegt die AFR bei 0,35 Prozent und es fallen im gleichen Zeitraum geschätzt nur 350 Festplatten aus – 275 weniger. Der Wartungsaufwand wird deutlich reduziert.

Geeignete Umgebungsbedingungen sind Pflicht
Weniger schwerwiegend als Ausfälle sind Lesefehler, die eine interne Fehlerkorrektur zumeist ausgleicht. Nicht immer gelingt das, weshalb die Unrecoverable Error Rate (UER) eine wichtige Kennzahl von Festplatten ist. Bei PC-, NAS- und Surveillance-HDDs beträgt sie 1 in 1014 – ein nicht korrigierbarer Bitfehler tritt durchschnittlich alle 1014 gelesenen Bits auf, also alle 12,5 TByte. Bei Enterprise-HDDs mit einer UER von 1 in 1015 kommt es hingegen nur alle 125 TByte zu einem Lesefehler.

Verteilt man den jährlichen Workload einer PC-Festplatte (55 TByte) gleichmäßig, gibt es etwa alle 2,7 Monate einen nicht korrigierbaren Lesefehler. Würde sie allerdings mit dem jährlichen Workload einer Enterprise-Festplatte (550 TByte) konfrontiert, käme es alle 0,27 Monate – etwa alle acht Tage – zu einem Fehler. Umgekehrt würde das Enterprise-Laufwerk ebenfalls alle acht Tage statt alle 2,7 Monate einen Lesefehler produzieren, läge seine UER bei den 1 in 1014 des PC-Laufwerks.

Sowohl MTTF als auch UER lassen sich nur erreichen, wenn Nutzer die Festplatten innerhalb der von den Herstellern vorgegebenen Umgebungsbedingungen einsetzen. Das betrifft etwa die Temperatur. PC-Laufwerke beispielsweise sind zumeist für den Einsatz zwischen 0 und 60 Grad Celsius ausgelegt, Enterprise-Laufwerke wiederum für 5 bis 55 Grad Celsius – sie stecken schließlich in Systemen, die in klimatisierten Räumen oder Rechenzentren untergebracht sind. Auch zur Empfindlichkeit gegenüber Stößen und Vibrationen machen die Hersteller Angaben. NAS-HDDs sind in dieser Hinsicht etwas unempfindlicher als PC- oder Surveillance-HDDs, weil mehrere von ihnen in einem Gerät arbeiten. Deren Rotationsschwingungen können sich gegenseitig verstärken, weshalb die NAS-Modelle mit speziellen Schwingungssensoren und Steuerungsmechanismen ausgestattet sind, die das registrieren und ausgleichen.



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11.01.2023/ln/Rainer W. Kaese, Senior Manager Business Development Storage Products bei Toshiba Electronics Europe

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