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Seite 2 - MTTF, UER, MAMR – Das steckt hinter HDD-Spezifikationen

Auf den äußeren Datenspuren schreibt sich's schneller
Neben der Zuverlässigkeit kommt es bei Festplatten vor allem auf die Leistung und den Energieverbrauch an. Die höchste Leistung bieten spezielle Performance-HDDs, die mit 10.500 oder 15.000 Umdrehungen pro Minute arbeiten – sie werden jedoch seit einigen Jahren zunehmend von SSDs verdrängt. Inzwischen liefern zudem schon Enterprise-HDDs mit 7200 Umdrehungen pro Minute einen sequentiellen Durchsatz von bis zu 280 MByte/s und bis zu 400 IOPS. Speichersysteme mit einigen Dutzend dieser Laufwerke erreichen über 5 GByte/s und mehr als 10.000 IOPS, was für viele moderne Anwendungen ausreichend ist.

Allerdings sinkt die Performance von HDDs mit ihrem Füllstand, weil die äußeren, zuerst beschriebenen Datenspuren auf den rotierenden Magnetscheiben länger sind und mehr Daten aufnehmen als die inneren. Während einer Umdrehung kann der Schreib-Lese-Kopf außen schlicht mehr Daten schreiben oder lesen als innen. Die von den Herstellern in Datenblättern angegebene "Sustained Data Rate" bezieht sich stets auf die äußeren Spuren – weiter innen kann der Wert auf circa zwei Drittel absinken.

Typischerweise werden alle Festplattenkategorien mit SATA-Schnittstelle angebunden, lediglich die oben erwähnten Performance-HDDs gibt es ausschließlich mit SAS-Interface. Standard beim SATA-Interface ist heute die Datenrate von 6 GBit/s (genannt SATA-3.3), mit Rückwärtskompatibilität zu den Vorgängerversionen mit 3 und 1,5 GBit/s.

Enterprise-HDDs sind wahlweise mit SATA- oder SAS-Schnittstelle zu haben, wobei SAS mit höheren Signalstärken, End-to-End Datenschutz und Dual Porting wichtige Features bietet, die SATA fehlen. Allerdings ist SAS teuer und hat einen etwas höheren Strombedarf. Für Unternehmen, die ihren Energiekosten optimieren wollen, gibt es jedoch andere Stellschrauben, allen voran die Modernisierung ihrer Festplatteninfrastruktur. Denn weil der größte Teil der Energie bei einer HDD für die Rotation der Spindeln benötigt wird, haben die Speicherkapazität sowie die Arbeitslast nur einen geringen Einfluss auf den Stromverbrauch. Wenige Festplatten mit hoher Kapazität sind daher wirtschaftlicher als viele kleine Festplatten.

Der derzeit verwendete SAS-Standard heißt SAS-3.0, bisweilen auch SAS3 genannt, und hat eine Datengeschwindigkeit von 12 GBit/s, ebenfalls mit Rückwärtskompatibilität zu 6, 3 und 1,5 GBit/s. SAS4 mit 24 GBit/s existiert auch schon, findet aber bei Festplatten keine Verwendung, da die Datenrate durch die Mechanik begrenzt ist.
Verschiedene Blockgrößen bieten Flexibilität
In den Datenblättern von Enterprise-HDDs findet sich zudem in der Regel auch eine Angabe zur Blockgröße: 512n, 512e oder 4Kn. Dabei handelt es sich um die Größe der logischen Blöcke, die auf eine Platte geschrieben beziehungsweise von ihr gelesen werden können. Früher waren das immer 512 Byte, die Laufwerke hatten also native 512-Byte-Sektoren – daher das "n" in der Bezeichnung. Später wurden größere Sektoren mit 4 KByte eingeführt, um größere Blöcke zu schreiben und zu lesen, was die Verwaltung von Festplatten mit hoher Kapazität erleichtert. Zudem arbeitet auch die Fehlerkorrektur bei größeren Blöcken effizienter.

Moderne Datei- und Betriebssysteme vermögen mit nativen 4K-Sektoren auf Festplatten umzugehen, ältere Versionen jedoch häufig nicht. Deshalb wurde mit 512e ein Format entwickelt, das zwar auf 4K-Sektoren setzt, in diesen aber jeweils acht 512-Byte-Sektoren emuliert. Ältere Datei- und Betriebssysteme können wie gewohnt 512-Byte-Blöcke schreiben und lesen. Beim Schreiben kann es aber zu Geschwindigkeitseinbußen kommen, wenn nicht der gesamte 4K-Sektor beschrieben wird. Die Festplatte muss zunächst den gesamten 4K-Sektor auslesen, um einen oder mehrere seiner emulierten 512-Byte-Bereiche zu füllen, und schreibt den Sektor dann zurück – es fällt also eine zusätzliche Leseoperation an.

Durch die verschiedenen Blockgrößen der Enterprise-Modelle bleiben Unternehmen flexibel und können jeweils zu den Festplatten greifen, die optimal zu ihren Datei- und Betriebssystemen passen. Ebenso bieten die Enterprise-HDDs flexible Security-Optionen, im Datenblatt meist als SED und SIE bezeichnet. SED steht für "Self-Encrypting Drive" und ist eine hardwarebasierte Verschlüsselung direkt durch die Festplatte, die nicht nur sehr sicher ist, sondern auch das System entlastet, in dem das Laufwerk steckt. SIE steht für "Sanitize Instant Erase" und ist eine Option, sämtliche Daten umgehend statt durch langwieriges Überschreiben sicher zu löschen.

SMR und MAMR sorgen für mehr Speicherplatz
Die verschiedenen HDD-Modelle unterscheiden sich zudem in der genutzten Aufzeichnungstechnologie: CMR, SMR und MAMR. CMR ist das seit Jahren übliche Conventional Magnetic Recording, das früher in Abgrenzung zur Vorgängertechnologie Longitudinal Magnetic Recording (LMR) auch als Perpendicular Magnetic Recording (PMR) bezeichnet wurde. Da PMR seit 15 Jahren nicht mehr zum Einsatz kommt, nennt man PMR heute auch "konventionell". PMR respektive CMR hat bei 16 TByte pro Laufwerk allerdings seine Grenze erreicht.

Shingled Magnetic Recording (SMR) erhöht die Speicherdichte, indem es mit überlappenden Datenspuren arbeitet. Das Lesen der Spuren funktioniert wie bisher, doch beim Überschreiben einer bestehenden Spur müssen zunächst die Daten der überlagernden Spur gelesen und dann mit den neuen Daten zurückgeschrieben werden. Das kann für Schwankungen bei der Schreibgeschwindigkeit sorgen, die Caches und Caching-Algorithmen jedoch abfangen. SMR findet in erster Linie bei PC- und Surveillance-HDDs Verwendung, weil diese keine dauerhaft hohen Schreiblasten mit zufälligen Zugriffen bewältigen müssen. Für gelegentliches Schreiben oder sequentielle Datenströme, wie sie etwa Überwachungskameras liefern, ist SMR ideal.

Enterprise-HDDs höherer Kapazität setzen hingegen auf Microwave Assisted Magnetic Recording (MAMR). Ein mikrowellenerzeugendes Element am Schreibkopf hilft, den magnetischen Fluss zu bündeln, sodass weniger magnetische Energie beim Schreiben benötigt wird. Der Schreibkopf kann dadurch kleiner ausfallen und Bits dichter schreiben. Aktuell kommt MAMR bei Festplatten mit 18 und 20 TByte zum Einsatz, und mit Weiterentwicklungen dieser Technologie können in Zukunft auch Festplatten mit bis zu 30 TByte erwartet werden.

Da keine Daten überlappend geschrieben werden müssen, unterliegt MAMR nicht den Einschränkungen und Performance-Limitierungen der SMR-Technologie. Festplatten mit MAMR erreichen den gleichen Level wie ihre PMR/CMR-Vorgänger. Eine Kombination von MAMR und SMR ist technisch ebenfalls möglich, wird aber zurzeit noch sehr limitiert praktiziert. Bei Kombination dieser beiden Verfahren erwartet die Industrie in Zukunft Kapazitäten bis zu 40 TByte – allerdings wieder mit den SMR-typischen Performance-Einschränkungen im wahlfreien Schreibzugriff.

Fazit
Kapazität und Preis sind nicht die einzigen Kriterien, die über die Wahl einer Festplatte entscheiden sollten. Andere Spezifikationen – etwa zur Zuverlässigkeit und den Betriebsbedingungen – gilt es ebenfalls zu berücksichtigen, damit Anwendungen zuverlässig mit Daten versorgt und Datenbestände nicht gefährdet werden. Die Herstellerklassifizierungen als PC-, NAS-, Surveillance- oder Enterprise-HDD sind bereits ein guter Wegweiser. Versteht der Nutzer aber auch noch die technischen Daten, kann er einfacher die bestmögliche Festplatte für den jeweiligen Anwendungsfall finden und optimal einsetzen. Denn unterschiedliche Anwendungsfälle erfordern unterschiedliche Festplattenmodelle.

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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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