Plädoyer für neue Festplatten-Technik
Mehr Kapazität durch Helium-Festplattenlaufwerke
Die Speicherdichte ist mittlerweile ein wichtiges Kriterium im RZ. Nigel Edwards, Spezialist beim Hersteller HGST, erläutert die Vorteile von heliumgefüllten Festplattenlaufwerken und erklärt, wie sie zur Bewältigung der Speicherproblematik in Rechenzentren beitragen können.
Angesichts der Datenexplosion, die Cloud Computing, Social Networks, Big Data Analytics und Mobilgeräte mit sich gebracht haben, versuchen die Hersteller von Festplattenlaufwerken die Kapazitätsgrenzen von HDDs immer weiter zu erhöhen und den großen Rechenzentren Mittel an die Hand zu geben, um den nun in Petabyte-Schritten erfolgenden Datenanstieg in den Griff zu bekommen.
Als in den 1950er-Jahren erstmals ein Festplattenlaufwerk (Hard Disk Drive, HDD) vorgestellt wurde, war es noch meilenweit von den kompakten Geräten entfernt, die wir heute in Rechenzentren vorfinden. Die Festplattenlaufwerke von damals waren so groß wie Waschmaschinen und konnten gerade einmal wenige Megabyte an Daten speichern. Wer hätte damals schon gedacht, dass heute ein standardmäßiges 3,5-Zoll-Festplattenlaufwerk sechs Terabyte (6 TByte) an Daten speichern kann?
Trotz dieses bedeutenden Meilensteins wächst die Nachfrage nach höheren Kapazitäten in den Rechenzentren wesentlich schneller, als die Fähigkeiten der Festplattenindustrie, einen entsprechenden Anstieg der Aufzeichnungsdichte bereitzustellen. IDC zufolge steigen die Kapazitätsraten in Rechenzentren jährlich um mehr als 40 Prozent. Gleichzeitig flacht die Anstiegskurve der Aufzeichnungsdichte zwischen 2011 bis 2016 auf weniger als 20 Prozent ab, wodurch eine große Lücke entstanden ist. Und dies stellt nur eine der Herausforderungen dar.
Neben dem Anspruch, der ständig steigenden Nachfrage nach Speicherkapazitäten gerecht zu werden, sehen sich Rechenzentren zwei weiteren Anforderungen gegenüber: Einerseits wird gefordert, die Kosten für den Erwerb neuer Speicherkapazitäten und Server zu senken und diese Systeme dann auf optimale Weise effizient zu betreiben. Andererseits sollen diese Anforderungen mit den stagnierenden Budgets der Rechenzentren bestritten werden.
Um hier erfolgreich sein zu können, müssen IT-Manager riesige Mengen kosteneffizienter Speicherkapazitäten betreiben, die in Bezug auf größtmögliche Kapazität und Speicherdichte bei möglichst geringem Stromverbrauch sowie möglichst geringen Kühlungskosten für bestmögliche TCO (Total Cost of Ownership) optimiert sind. Aber auch die zugrundeliegenden Kennzahlen für die TCO-Kalkulation haben sich verschoben. TCO wird nicht mehr nur auf Basis von Kosten pro TByte gemessen. Immer häufiger werden im TCO eine ganze Reihe von Bezugsgrößen zusammengeführt, die von „Watt pro TByte“ über „TByte pro System“ bis hin zu „TByte pro Quadratmeter“ reichen.
Was bedeutet dies? Während IT-Manager in Rechenzentren nach energieeffizienten Speicherlösungen mit hoher Kapazität suchen, um die Betriebskosten zu senken, zeigt sich, dass es schwer ist beim traditionellen, mit Luft gefüllte Design mit fünf Scheiben die Festplattenkapazitäten im benötigten Maß zu steigern.
Im Vergleich zu luftgefüllten Festplattenlaufwerken bietet die geringere Dichte der versiegelten Helium-Festplattenlaufwerke dank weniger Stromverbrauch, Kühlung und verbesserter Speicherdichte unmittelbare Vorteile in Bezug auf Kosten, Kapazität und TCO. Warum? Helium weist eine siebenfach geringere Dichte auf als Luft. Das Edelgas erzeugt weniger Turbulenzen in der Luftströmung und somit Störungen der rotierenden Scheiben, sodass die Scheiben dünner ausfallen und enger zusammen positioniert werden können. Dadurch kann die Kapazität erhöht werden, da sich mehr Scheiben zu einem Stapel mit einer Höhe von einem Zoll zusammenfassen lassen. Wenn bisher üblicherweise fünf Scheiben sind, sind es nun sieben.
Eine versiegelte, heliumgefüllte Festplatte bietet zusätzlich unter anderem folgende zentrale Vorteile:
* Geringeres Gewicht je Festplattenlaufwerk durch Verwendung dünnerer Scheiben,
* geringerer Stromverbrauch aufgrund von reduziertem Rotationswiderstand,
* weniger Risiko für Veränderungen des Feuchteklimas oder eine Kontaminierung, die sich auf die Verlässlichkeit der Festplatte auswirken könnten, wodurch sich bisher nicht mögliche, neue Anwendungsumgebungen für Festplattenlaufwerke eröffnen, und
* verbesserte Track-Misregistration (TMR) aufgrund von geringeren Vibrationen für Scheiben, Schreib-/Lesekopf und Aufhängung.
Die Vorteile von heliumgefüllten Festplatten sind bereits seit Langem bekannt. Doch bisher ist es niemandem gelungen, einen Weg zu finden, das Helium am Austreten zu hindern. HGST ist nun jedoch genau dies durch ein Produkt- und Prozessdesign gelungen, das das Helium hermetisch im Festplattengehäuse einschließt und auf kosteneffiziente Weise eine Produktion im großen Maßstab ermöglicht. Das Forschungs- und Entwicklungsteam des Herstellers hat seit 2003 an der Lösung des Helium-Problems gearbeitet und konnte es schließlich durch Anwendung von Erkenntnissen aus dem Bereich Aerodynamik erfolgreich lösen, wodurch das Unternehmen in der Lage ist, die Festplattenkapazität zu erhöhen und die TCO zu verbessern.
Warum sind Speicherinnovationen so wichtig? Die Architektur der in hohem Grade skalierbaren Rechenzentren von heute – in denen Zehntausende Server, jeweils angefüllt mit Petabytes (oder sogar Exabytes) an Inhalt, Such-, Social-Media-, Big-Data-, Online-Banking- oder Einzelhandelsanwendungen hosten – muss die laufenden Betriebskosten ebenso kritisch berücksichtigen wie die Investitionskosten. Dies führt zu einer veränderten Sichtweise von IT-Managern auf die Speicherkapazitäten.
Speicher ist nicht länger ein austauschbares, für alle einheitliches Gebrauchsgut. Speicher wird immer häufiger zu einer wichtigen Grundlage sowohl für die Investitionskosten als auch die Betriebskosten.
Energie und Kühlung gehören zu den wichtigsten Kostenfaktoren für die Betriebskosten in Rechenzentren. Heliumgefüllte 6-TByte-Festplatten bieten 50 Prozent mehr Kapazität und eine um 23 Prozent geringere Leistungsaufnahme. Dadurch bieten sie ein um 49 Prozent verbessertes Watt-pro-TByte-Verhältnis als aktuelle, mit Luft gefüllte 4-TByte-Festplatten mit fünf Scheiben. Dadurch bieten sie eine bessere Speicherdichte sowie geringe Energie- und Kühlungskosten, und IT-Manager erhalten wertvollen Spielraum, um andere Bedürfnisse des Unternehmens zu decken. So würde man beispielsweise für eine Aufrüstung auf 11 PByte mit konventionellen 3,5-Zoll-Festplattenlaufwerken mit je 4 TByte geschätzte Ressourcen und eine Ausrüstung bestehend aus 240 Gehäusen und 2.880 Festplatten sowie 98,4 Kilowatt (kW) Strom und benötigen. Mit den heliumgefüllten 6-TByte-Festplattenlaufwerken reduzieren sich diese Zahlen drastisch. Dagegen kann man geschätzt mit den 6-TByte-Heliumfestplatten mit nur 160 Gehäusen, 1.920 Festplatten und einem Einsatz von 62,4 kW auskommen. Dies verdeutlicht, dass durch die Verwendung von 6-TByte-Festplattenlaufwerken die Zahl der Server, Racks, Kabel und Netzwerkausrüstung reduziert werden kann, so dass IT-Manager Kosten für Strom und Kühlung einsparen und gleichzeitig die Speicherkapazitäten deutlich erhöhen können.
Angesichts des ständig steigenden Drucks auf Rechenzentren in Unternehmen und für Cloud-Services, die Speichereffektivität zu verbessern und die Kosten zu senken, bieten Helium-Festplattenlaufwerke Möglichkeiten zur Verbesserung der TCO von Rechenzentren in allen Bereichen: Kapazität, Leistung, Kühlung und Speicherdichte – und dies im üblichen 3,5-Zoll-Format.
Die Helium-Technik zeigt, dass es, auch wenn die Aufzeichnungsdichte nur langsam ansteigt, andere Wege und Möglichkeiten gibt, die Kapazitäten bereitzustellen, die alle benötigen. Helium wird für die nächsten zehn und mehr Jahre die Grundlage für die weitere technische Entwicklung von Festplattenlaufwerken sein. Nach dem sprunghaften Kapazitätsanstieg, den die aktuelle Technologie des Perpendicular Magnetic Recording (PMR) bietet, wird Helium verwendet werden, um neuere fortschrittliche Techniken wie etwa HAMR (Heat-assisted Magnetic Recording), SMR (Shingled Magnetic Recording) und BPM (Bit Patterned Recoding) zu komplementieren und die Aufzeichnungsdichte in Zukunft weiter zu erhöhen.
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