28.05.2014

HAMR, SMR & Helium

1. Teil: „Neue Festplatten-Techniken im Check“

Neue Festplatten-Techniken im Check

4 TByte passen derzeit auf eine Festplatte. Mit HAMR, SMR und Helium wollen die Hersteller die Kapazität auf 60 TByte erhöhen. Schon in diesem Jahr kommen Geräte mit den neuen Techniken auf den Markt.

4 TByte passen derzeit auf eine Festplatte. Mit HAMR, SMR und Helium wollen die Hersteller die Kapazität auf 60 TByte erhöhen. Schon in diesem Jahr kommen Geräte mit den neuen Techniken auf den Markt.

HAMR: Noch 2014 will Seagate erste Festplatten mit HAMR-Technik veröffentlichen. Sie sehen aus wie die abgebildete herkömmliche Festplatte, sollen aber eine Kapazität von 6,4 TByte haben.

Klassische Festplatten bieten eine enorm hohe Datendichte. So lassen sich auf einer 3,5-Zoll-Festplatte derzeit bis zu 4 TByte Daten speichern, auf einer 2,5-Zoll-Festplatte bis zu 2 TByte. Die Grenzen der aktuellen Festplattentechnik sind aber erreicht. Die Hersteller müssen neue Techniken entwickeln und anwenden, um die Kapazitäten zu steigern. Sie greifen deshalb künftig auf Laser, überlappende Datenspuren und Helium zurück.

HAMR

Die Technik klingt zwar nach Hammer, sie wirkt aber nicht mechanisch, sondern mit Lasern auf die Festplatten ein. Das vervielfacht die Datendichte.

Perpendicular Recording

Bis vor einigen Jahren wurden die Daten auf der Magnetoberfläche einer Festplatte waagerecht gespeichert. Die Magnetisierung folgte in ihrer Orientierung dabei der Rotation der Plattenoberfläche. Diese Art der Speicherung wird auch longitudinale Aufzeichnung genannt.

Perpendicular Recording: Bei der perpendikularen Datenaufzeichnung sind die magnetisierbaren Speichereinheiten auf den Magnetscheiben nicht waagerecht, sondern senkrecht aneinandergereiht. Das erhöht die Datendichte erheblich – auf die derzeit bei Desktop-Festplatten möglichen 4 TByte.

Die longitudinale Aufzeichnung benötigt aber viel Platz. Um die Speicherdichte zu erhöhen, änderten die Festplattenhersteller daher die Ausrichtung der magnetisierbaren Speichereinheiten. Anstatt sie liegend längs aneinanderzureihen, wurden die Speichereinheiten um 90 Grad gedreht und damit aufrecht gestellt. Die Magnetisierung erfolgt nun senkrecht zur Rotation der Plattenoberfläche. Diese Speicherungsart heißt daher perpendikulare Aufzeichnung.

Hohe Feldstärken

Perpendicular Recording verringert den Platzbedarf und erhöht die Speicherdichte drastisch. 2013 war die Technik aber maximal ausgereizt. Die Datendichte ließ sich nicht mehr weiter erhöhen. Das Problem ist die hohe Feldstärke, mit der die Speichereinheiten magnetisiert werden. Denn die Magnetisierung der Plattenoberfläche geht bei Perpendicular Recording nicht mehr in die Breite, sondern in die Tiefe. Damit die Speichereinheit in die Tiefe vollständig magnetisiert wird, muss die Magnetfeldstärke entsprechend angehoben werden.

Ab einer bestimmten Datendichte ist die Magnetfeldstärke aber so groß, dass sie nicht mehr nur die einzelnen, sondern stets auch die angrenzenden Speichereinheiten beschreibt. Mit Hitze lässt sich die benötigte Magnetfeldstärke jedoch erheblich verringern.

2. Teil: „HAMR - das Heat-assisted Magnetic Recording“

HAMR - das Heat-assisted Magnetic Recording

Um die Datendichte der Festplatten weiter zu erhöhen, greifen die Hersteller auf die HAMR genannte Technik zurück. HAMR steht für Heat-assisted Magnetic Recording, zu Deutsch: wärmeunterstützte Magnetaufzeichnung.

HAMR: Bei der Technik Heat-assisted Magnetic Recording – HAMR – erhitzt ein Laser in den Schreib-/Leseköpfen der Festplatte die Plattenoberfläche. Der Vorteil: Dadurch lässt sich die Platte mit geringeren Feldstärken magnetisieren und die Datendichte der Magnetscheiben signifikant erhöhen.

HAMR macht sich dabei einen besonderen physikalischen Effekt zunutze. Erhitzt man einen magnetisierbaren Werkstoff über eine bestimmte Temperatur hinaus, dann lässt er sich mit einem schwächeren Magnetfeld magnetisieren.

Wendet man diesen Trick bei Festplatten an, dann lässt sich die Magnetfeldstärke stark reduzieren und die magnetisierbaren Speichereinheiten der Festplatten können noch enger zusammenrutschen.

Weil sich aber nicht einfach die gesamte Festplatte auf die benötigte Temperatur von mehreren Hundert Grad bringen lässt, müssen einzelne Bereiche der Festplatte gezielt erhitzt werden.

Dazu verwendet HAMR einen Laser, der in den Schreib-/Lesekopf der Festplatte integriert ist. Der Laser erhitzt punktuell die Plattenoberfläche und der Schreib-/Lesekopf kann anschließend die Speichereinheit magnetisieren.

Bis 60 TByte Kapazität

Dank der HAMR-Technik lässt sich die Speicherkapazität einer Desktop-Festplatte den Schätzungen nach auf 60 TByte erhöhen. Das entspräche dem 15-Fachen der momentanen Kapazität. Bei Notebook-Festplatten liegt die Grenze hingegen schon bei 20 TByte.

Bilderstrecke

Hybridfestplatten kombinieren zwei Speichertechniken in einem Laufwerk: schnellen Flash-Speicher und langsamen, aber kostengünstigen Magnetspeicher. So funktioniert diese Kombination.

Verdampfendes Schmiermittel

HAMR ist wegen der großen Hitzeentwicklung nicht unproblematisch. Die Plattenoberfläche wird normalerweise durch ein Schmiermittel geschützt. Durch die Hitze des Lasers verdampft das Schmiermittel aber und lässt die Plattenoberfläche ungeschützt zurück.

Seagate plant deshalb, zusätzliches Schmiermittel in Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu speichern und die Plattenoberfläche bei Bedarf nachzuschmieren. Irgendwann wäre das Ersatzschmiermittel aber ebenfalls aufgebraucht.

HAMR-Festplatten ab 2014

Seagate hat vor, noch in diesem Jahr eine erste Festplatte mit HAMR-Technik auf den Markt zu bringen. Die Kapazität soll bei 6,4 TByte liegen. Das entspräche einem Zuwachs von 60 Prozent bei der Speicherkapazität gegenüber derzeit erhältlichen Festplatten. Festplatten mit 20 TByte Kapazität sollen erst 2020 erhältlich sein.

3. Teil: „Helium statt Luft im Festplatten-Gehäuse“

Helium statt Luft im Festplatten-Gehäuse

Helium: Noch 2014 liefert HGST Festplatten mit 6 TByte Kapazität – dank Helium- statt Luftfüllung. Wie HGST die Festplattengehäuse hermetisch versiegeln konnte, ohne dass sie platzen, gibt der Hersteller nicht preis.

Ein weiterer Ansatz, um die Speicherkapazität einer Festplatte zu erhöhen, ist, mehr Magnetscheiben im Inneren der Festplatte unterzubringen.

Turbulenzen im Inneren

Im Inneren einer Festplatte herrscht kein Vakuum. Der Raum zwischen den Schreib-/Leseköpfen und den Magnetscheiben ist vielmehr mit Luft gefüllt. In dieser Umgebung rotieren die Magnetscheiben 7200-mal pro Minute und erzeugen dabei Strömungseffekte.

Einer dieser Effekte, der Bodeneffekt, bildet zum Beispiel ein Luftkissen, das für einen Abstand von 3 Nanometern sorgt und so verhindert, dass die Schreib-/Leseköpfe auf die Plattenoberfläche schlagen. Diese Strömungseffekte haben aber auch noch ganz andere Auswirkungen. Sie bilden einen mechanischen Widerstand, der den Motor der Festplatte bremst, verstärken die Vibrationen der Magnetplatten und der Schreib-/Leseköpfe, die Reibung der Luft produziert Wärme. Die Magnetscheiben müssen deshalb eine Mindesthöhe haben, um stabil genug zu rotieren.

Helium statt Luft

Bodeneffekt: Durch die Rotation der Magnetscheiben gerät auch die Luft innerhalb der Festplatte in Bewegung. Unter den Schreib-/Leseköpfen wird die Luft komprimiert und bildet ein Luftpolster. Man nennt das den Bodeneffekt. Einzig dieses Polster verhindert, dass die nur drei Nanometer entfernten Köpfe auf die Plattenoberfläche schlagen.

Die Luft im Inneren einer Festplatte entspricht normaler Umgebungsluft, wie wir sie atmen. Sie besteht unter anderem aus Sauerstoff und Stickstoff und hat eine recht hohe Dichte. Um die zahlreichen Strömungseffekte zu reduzieren, wird daher ein Gas benötigt, das eine geringere Dichte als Luft hat. Das trifft auf Helium zu.

Damit das Helium nicht entweicht und keine Luft ins Innere strömt, müssen Festplatten mit Heliumfüllung hermetisch versiegelt werden. Die Festplatten müssen daher so konstruiert sein, dass trotz Erwärmung des Heliums ein Druckausgleich stattfinden kann, ohne dass das Festplattengehäuse platzt.

Kühler, dünner, energieeffizienter

Dank der Heliumfüllung können die Magnetscheiben kleiner ausfallen, sodass statt fünf nun sieben Magnetplatten in eine 3,5-Zoll-Festplatte passen. Außerdem sinken durch die geringe Dichte von Helium die Turbulenzen, es entsteht weniger Abwärme, die Festplatte bleibt kühler, der Motor hat mit weniger Widerstand zu kämpfen, wodurch eine Heliumfestplatte weniger Energie benötigt.

Helium ab 2014

Als erster Hersteller wird HGST Festplatten mit Heliumfüllung auf den Markt bringen. Wie es HGST gelungen ist, die Festplatten hermetisch zu versiegeln, ohne dass sie während des Betriebs platzen, will der Hersteller nicht verraten.

Fest steht: Noch 2014 sollen Festplatten mit Heliumfüllung und 6 TByte Kapazität erhältlich sein. Einige Händler listen die HGST-Festplatte bereits – zu einem Preis von 700 Euro.

4. Teil: „SMR - Shingle Magnetic Recording“

SMR - Shingle Magnetic Recording

SMR: Das Logo für Shingle Magnetic Recording deutet an, dass sich die Spuren von SMR-Festplatten wie Dachschindeln überlappen. 25 Prozent mehr Speicherkapazität bringt das.

Von Seagate stammt der Plan, die Datendichte auf Festplatten zu steigen, indem die Datenspuren der Festplatte überlappend angeordnet werden. Das soll die Kapazität um bis zu 25 Prozent steigern.

Festplattenstruktur

Die Magnetscheiben einer Festplatte sind in Spuren unterteilt, die zudem konzentrisch angeordnet sind. Jede einzelne Spur ist wiederum in Tausende Blöcke unterteilt, in denen die Daten gespeichert sind.
Zwischen jeder Spur gibt es einen sogenannten Guard Space, zu Deutsch: Sicherheitsabstand. Die Spuren sind exakt so breit wie der Schreibkopf der Festplatte. Der Schreibkopf fällt im Vergleich zum Lesekopf aber deutlich größer aus. Der Lesekopf liest somit nur einen viel schmaleren Teil der Datenspuren, als der Schreibkopf eigentlich magnetisiert und beschreibt.

Shingle Magnetic Recording

Der Sicherheitsabstand und die breiten Spuren stellen sicher, dass beim Magnetisieren der Plattenoberfläche keine Daten versehentlich durch andere überschrieben werden. Seagate kam aber auf die Idee, genau dieses Risiko absichtlich einzugehen.

SMR: Die Spuren einer Festplatte sind normalerweise durch einen Sicherheitsabstand, den Guard Space, voneinander getrennt. Bei Shingle Magnetic Recording entfällt der Abstand nicht nur, die Spuren werden sogar absichtlich überlappend angeordnet. Das spart Platz. Die überlappenden Spuren werden aber mit jedem Schreibvorgang überschrieben und müssen deshalb ebenfalls neu geschrieben werden.

Seagate verzichtet bewusst auf den Sicherheitsabstand zwischen den Spuren und schiebt die Spuren übereinander. Der Hersteller nennt das Verfahren daher Shingle Magnetic Recording oder kurz SMR. Wie bei Dachschindeln – englisch Shingles – überlappen sich dabei die Spuren. Das spart erheblich Platz, weil so mehr Spuren auf eine Magnetscheibe passen.

Das bedeutet aber auch, dass bei jedem Schreibvorgang die daneben liegende Spur überschrieben wird, und somit die Daten verloren gehen, falls man keine Gegenmaßnahmen ergreift.

Zwischenspeichern und neu schreiben

Um den Datenverlust abzuwenden, muss die Festplatte vor jedem Schreibvorgang die Daten der angrenzenden Spur auslesen und zwischenspeichern. Anschließend wird die eigentliche Spur beschrieben und die überlappende Spur überschrieben.

Bilderstrecke

Schneller als eine Festplatte erlaubt: USB-3.0-Sticks mit über 200 MByte/s. Wir zeigen die schnellsten, ihre Besonderheiten und was es zu beachten gibt.

Nun müssen die Daten der überlappenden Spur wiederhergestellt werden – mit einem weiteren Schreibvorgang, der aber wiederum die nächste überlappende Spur überschreibt. Diese Kettenreaktion würde sich bis zur letzten Spur fortsetzen.

Mehrere Spuren sind ein Band

Dem wirkt Seagate entgegen, indem mehrere Spuren zu Bändern zusammengefasst werden. Die letzte Spur eines Bandes wird dabei nicht von einer anderen Spur überlappt. Somit müssen beim Speichern von Daten nur die Spuren eines spezifischen Bandes neu beschrieben werden. Das reduziert den Schreibaufwand erheblich und spart Zeit.

SMR ab 2014

Noch für dieses Jahr rechnet Seagate mit Festplatten, die die SMR-Technik nutzen. Der Vorteil ist, dass die Technik in bereits vorhandenen Festplatten eingesetzt werden kann und sich die Kapazität damit um derzeit 25 Prozent steigern lässt. Aus 4 würden also 5 TByte fassende Festplatten.

5. Teil: „4K-Sektoren sorgen seit 2011 für mehr Raum“

4K-Sektoren sorgen seit 2011 für mehr Raum

Fast unbemerkt haben die Hersteller seit 2011 Festplatten auf 4K-Sektoren umgestellt. Diese Technik ist also bereits im Einsatz.

Sektorengröße

Die Spuren einer Festplatte sind in Sektoren unterteilt und diese Sektoren waren lange Zeit 512 Byte groß. Jeder dieser Sektoren erhält eine eigene Adresse, anhand derer der Sektor identifiziert und gefunden werden kann. Für jeden Sektor wird zudem eine Prüfziffer gespeichert. Je mehr Kapazität die Festplatte hat, desto mehr Sektoren hat sie, desto mehr Prüfziffern werden gespeichert und desto aufwendiger ist die
Adressierung der Sektoren.

Deshalb wurde vor einigen Jahren die Sektorengröße von 512 Byte auf 4 KByte angehoben. Somit gibt es insgesamt weniger Sektoren auf einer Festplatte und es müssen weniger Prüfziffern gespeichert werden. Weniger Prüfziffern bedeutet wiederum mehr Platz für die eigentlichen Daten.

Sektorgröße passt zum Dateisystem

Jede Datei wird vor dem Speichern in Fragmente zerlegt. Jedes Fragment hat eine bestimmte Mindestgröße. Unter Windows beträgt die Fragmentgröße normalerweise 4 KByte. Verwendet die Festplatte 512 Byte kleine Sektoren, dann muss jedes 4-KByte-Fragment vor dem Schreibvorgang in acht kleinere Teile zerlegt werden und wird über die Festplatte verteilt.

Verwendet die Festplatte dagegen 4 KByte große Sektoren, dann ist jeder Sektor so groß wie ein Dateifragment. Das Fragment kann in einem Stück in einen 4K-Sektor geschrieben werden. Das kommt dem Betriebssystem entgegen.

4 KByte lesen, 512 Byte ändern

Misalignment: Western Digital druckt Anleitungen auf die Festplatten, wie sich Misalignment verhindern lässt.

Viele moderne Festplatten haben bereits Sektoren, die physikalisch 4 KByte groß sind. Aber nicht alle Betriebssystem können mit dieser Sektorgröße umgehen. Deshalb werden die physischen Sektoren von der Festplatte in acht logische Sektoren zerlegt und 512 Byte kleine Sektoren emuliert.
Der Nachteil der Emulation ist der hohe Schreibaufwand. Soll ein logischer Sektor mit neuen Daten beschrieben werden, dann muss die Festplatte den kompletten 4 KByte großen Sektor lesen, den logischen Sektor ersetzen und wieder den kompletten 4 KByte großen physischen Sektor schreiben.

Misalignment

Misalignment: Windows XP legt fest, dass die erste Partition ab dem Sektor 63 beginnt. Emuliert die Festplatte 512-Byte-Sektoren nur und verwendet stattdessen 4K-Sektoren, kommt es daher zum Misalignment. Denn der erste Block der Partition beginnt dann auf dem letzten logischen des physischen Sektors 8 und ragt in den Sektor 9 hinein. Die Festplatte muss somit stets zwei 4K-Sektoren beschreiben und wird langsamer.

Die Emulation der 512-Byte-Sektoren kann zudem zum sogenannten Misalignment führen, einem Ausrichtungsfehler. Denn Windows XP erwartet, dass die erste Partition ab dem Sektor 63 beginnt. Die Sektoren einer 4K-Festplatte entsprechen acht 512-Byte-Sektoren. Die erste Partition beginnt deshalb stets auf dem letzten logischen 512-Byte-Sektor und reicht dann sieben logische 512-Byte-Sektoren in den darauffolgenden Sektor 9 hinein. Somit muss die Festplatte also immer zwei 4K-Sektoren lesen und schreiben, weshalb die Datenrate entsprechend einbricht.

4K bereits verfügbar

Bereits seit einigen Jahren werden Festplatten mit 4K-Sektoren gefertigt. Ob es sich bei einer Festplatte um eine 4K-Festplatte handelt oder nicht, lässt sich nur anhand der Modellbezeichnung und einer Recherche auf der Webseite des Festplattenherstellers herausfinden.