Festplatten und Flash für verschiedene Szenarien
Storage-Welt im Wandel
Über die Zukunftsaussichten der Hard Disk Drives (HDDs) diskutieren Insider bereits länger. Nahezu alle neuen mobilen Geräte nutzen heute Flash Memory als Speichermedium. Daneben kommen immer mehr Flash-basierende Solid-State Drives (SSDs) in Notebooks und Desktop-PCs zum Einsatz und verdrängen traditionelle HDD-Lösungen. Trotz dieser Entwicklung werden auch im Jahr 2016 HDDs den Großteil des Absatzes ausmachen, da sie große Datenmengen am wirtschaftlichsten speichern.
Generell gehen Experten davon aus, dass die Kapazität der Enterprise-Festplatten weiter steigt und bis zum Ende des Jahrzehnts in einer Größenordnung von 20 bis 40 TByte liegt. Der 3,5-Zoll-Formfaktor wird dabei als Industriestandard bestehen bleiben. Enterprise-HDDs mit einer Kapazität von 8 TByte sind bereits heute verfügbar - als Lösung für den Bedarf der Industrie an einer hohen Kapazität und Speicherdichte.
Neue Techniken wie das Shingled Magnetic Recording (SMR) werden die Kapazität auf derselben physischen Hardware weiter erhöhen, bei einem 8-TByte-Laufwerk auf zukünftig 10 TByte oder mehr. Während bei konventionellen HDDs die Daten auf Magnetspuren geschrieben werden, die sich nicht überlappen, erfolgt die Datenaufzeichnung bei SMR-HDDs auf sich teilweise überlappenden Spuren - ähnlich wie bei Dachschindeln. Dies erlaubt eine höhere Dichte der Datenspuren, was zu einer höheren Gesamtspeicherdichte führt.
Allerdings geht die höhere Speicherdichte mit einem Nachteil einher: Die Random-Schreibleistung dieser Laufwerke ist begrenzt und bis zu einem gewissen Punkt nicht bestimmbar. Die sequenzielle Lese-/Schreib- und Random-Lese-Performance hingegen ist vergleichbar mit derjenigen bei Nearline-Modellen. Dadurch eignen sich SMR-Laufwerke für Daten-Streaming, Datenarchivierung und die Speicherung von Daten, auf die Anwender oder Applikationen selten zugreifen.
Kleiner, schneller, dichter
Während HDDs in der nahen Zukunft bei der Archivierung von Daten weiterhin eine große Rolle spielen werden, wird sich ihr Einsatz in der Server-Architektur ändern. Enterprise-SSDs werden mehr und mehr die 15.000-rpm-Laufwerke ersetzen. Eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst diesen Wechsel: die verbesserte IOPS-Performance von ESSDs im Vergleich zu den schnellsten HDDs, der reduzierte Energieverbrauch von Flash-basierenden Laufwerken und die sinkenden Kosten pro GByte. Der Trend der fallenden Kosten pro GByte wird sich voraussichtlich weiter fortsetzen, vor allem da die Einführung von 3D-NAND-Technik wie 3D BiCS NAND die Chip-Bit-Dichte und die Laufwerkskapazität erhöht. Zwar steht die Veränderung der Storage-Landschaft durch die 3D-Technik noch am Anfang, jedoch bieten SSDs, die mit solch neuen Chips ausgestattet sind, eine höhere Belastbarkeit, mehr Geschwindigkeit, größere Energieeffizienz und höhere Kapazitäten.
Auf lange Sicht haben SSDs zudem prinzipiell das Potenzial, HDDs im Hinblick auf die Kapazität deutlich zu überholen. 256-TByte-SSDs werden voraussichtlich innerhalb der nächsten fünf Jahre verfügbar sein.
Die Schnittstellen-Landschaft verändert sich
Im Einstiegsbereich des Enterprise-Marktes haben sich ESSDs mit SATA-Schnittstelle sowohl als Boot-Laufwerke als auch für größere Storage-Volumes bewährt. Einer der Gründe dafür: SATA-SSDs bieten in Bezug auf das Kosten/Kapazitäts- Verhältnis den günstigsten Einstieg in die Flash-basierende Storage-Welt. Dieser ökonomische Vorteil resultiert aus der hohen Anzahl von Client-SATA-SSDs, die die Hersteller für den Ersatz von 2,5-Zoll-Notebook-HDDs produziert haben. Es ist jedoch zu erwarten, dass sich mit dem voraussehbaren Rückgang der 2,5-Zoll-Client-SATA-SSDs - bedingt durch den Wechsel zu M.2-PCI-Express (PCIe)-Modulen - dieser "Economies of Scale"-Faktor verringern wird oder ganz verschwindet.
Die Nutzung neuer Schnittstellen hat ebenfalls den Formfaktorwechsel von 2,5-Zoll zu M.2- und noch kleineren Modulen beschleunigt. Die vor Kurzem angekündigte weltweit kleinste NVM Express (NVMe) SSD von Toshiba, die 256 GByte in einem BGA-Gehäuse unterbringt, misst lediglich 16 mm × 20 mm.
Ein Faktor, der die Geschwindigkeit der SSDs begrenzt, ist ihre Verbindung mit dem Rechner - die gewöhnlich genutzte 6-GBit/s-SATA-Schnittstelle bietet eine Bandbreite von bis zu 600 MByte/s, während eine SAS-12-GBit/s-Schnittstelle bis zu 1.200 MByte/s erreicht. SSDs, die auf PCIe der dritten Generation basieren, unterstützen typischerweise vier Lanes mit Bandbreiten von annähernd 1 GByte/s pro Lane. Dies führt zu einer gesamten Bandbreite von 4 GByte/s. Langfristig werden sich im SATA-ESSD-Markt wohl PCIe-basierende Lösungen (für das Booten) und SAS-ESSDs (für Speicher-Volumes) durchsetzen.
NAND-Chips
Die höhere Bandbreite einer PCIe-SSD ermöglicht der CPU, mehr NAND-Chips gleichzeitig zu adressieren. Dies reduziert die Latenz und verbessert die Lese-/Schreib-Geschwindigkeiten. Deshalb ist ein Wechsel auf SSDs zu beobachten, die über eine direkte Verbindung zum PCIe-Bus unter Verwendung des NVMe-Schnittstellen-Protokolls verfügen, das viele Betriebssysteme unterstützen.
Die ersten Server-Modelle, die diese Schnittstelle unterstützen, sind bereits verfügbar. Allerdings ist die Anzahl der Speichereinheiten durch die Anzahl der freien PCI-Express-Verbindungen im Chipsatz des Motherboards limitiert. Wenn zukünftig PCIe-basierende Enterprise-SSDs mit mehr als 4 bis 8 TByte verfügbar sind, wird diese Konfiguration ausreichend Speicherkapazität für Tier-0-Storage in Server-Architekturen bereitstellen können.
PCIe-SSDs mit hohem Drive-Writes-Per-Day-Wert (DWPD) werden ebenfalls im Add-in-Card-Formfaktor (AIC) verfügbar sein - für ein direktes Plug-in in die PCIe-Slots des Motherboards. Mit solchen Lösungen entfällt zwar die Notwendigkeit des Verkabelns, aktuell bieten sie allerdings keine Hot-Plug-Funktionalität - ein Erweitern, Entfernen oder Austausch von Karten ist deshalb nicht ohne Service-Unterbrechung möglich.
Für größere, komplexere Storage-Systeme bleibt voraussichtlich 12 GBit/s SAS die Standardschnittstelle. Sie unterstützt einen End-to-end-Datenschutz durch den SAS-Link, die Dual-Link-Funktion und die Vielzahl vorhandener Infrastrukturlösungen für Controller, HBA, Expander, Backplanes und JBOD, die sich weiter nutzen lassen.
Wichtige Wachstumstreiber
In Zukunft wird der Bedarf an Storage-Kapazität weiter steigen. Dies wird auch die Nachfrage nach Cloud-Storage-Lösungen erhöhen. Dank seiner Skalierungseffekte kann Cloud-Storage die Kosten für die Speicherung der immer größer werdenden Datenmengen reduzieren. Neben der Datenarchivierung in der Cloud ist auch die Speicherung von Videoüberwachungsdaten ein wichtiges Wachstumssegment. Applikationen für Videoüberwachungssysteme finden sich in immer mehr Bereichen, einschließlich der Überwachung industrieller Prozesse, Flughäfen und Verkehr oder im Handel, wo zum Beispiel Verhaltensanalysen von Kunden die Basis für eine Verbesserung der vielzitierten Customer Experience schaffen. Überwachungsdaten dienen damit zunehmend nicht nur zum Schutz vor Sicherheitsrisiken, sondern werden außerdem Teil eines umfassenden Geschäftsprozess-Management-Tools.
Storage in weiteren Architekturen
Insgesamt wird die Einführung neuer Techniken und Schnittstellen weiterhin einen großen Einfluss darauf haben, wie und wo HDDs und SSDs in verschiedenen Storage-Architekturen zum Einsatz kommen sollen. Dabei steht die Industrie mit dem zunehmenden Wechsel von HDDs auf SSDs an einem Wendepunkt. Begünstigt durch den fallenden Preis pro GByte wird der Absatz von SSDs weiter zunehmen, ihre Nutzung wird sich intensivieren - auch im Hinblick auf neue Applikationen. Um erfolgreich zu sein, müssen Hersteller die vollständige Kontrolle über Design und Entwicklung der Laufwerke und der Firmware behalten - im SSD-Markt umfasst dies Firmware, Controller und Flash-Speicher.
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