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Know-how I MassenspeicherBoi FeddernStreben nach GrößeremAufzeichnungsverfahren und Speichertechniken fü r die Festplatten der Zuku nftMit heutigen Techniken lässt sich die Datendichte von Festplatten und SSDs kaumnoch steigern. Neue Aufzeichnungsverfahren sollen helfen, bestehende Grenzenzu überwinden. Dafür füllen die Hersteller Festplatten mit Helium, bauen MiniLaser ein, überlappen Datenspuren oder stapeln bei SSDs mehrere Flash-Zelllagenübereinander - mit nur einem Ziel: Die Kapazität von Massenspeichern in naherZukunft auf mindestens 20 Terabyte zu verfünffachen.172 c't 2013, Heft 24
..Know-how I Massenspeicherus Flash-Speicherchips aufgebaute Massenspeichersind der letzte Schrei, eineAZukunft ohne Festplatten ist derzeit abernicht denkbar. Mit keinem anderen Datenspeicherkann man so hohe Speicherkapazitätenpro Einzellaufwerk zu vergleichbargünstigen Kosten erreichen. Nur ein andererDinosaurier aus der Anfangszeit des ITZeitalters hält noch mit: Magnetbänder speicherngroße Datenmengen ebenfalls zurecht geringen Kosten, lassen sich aber nursequenziell schnell beschreiben. Damit eignensie sich zur Archivierung, aber nicht fürDaten, auf die häufig zugegriffen wird. Dazubraucht man Massenspeicher, die schnellerenwahlfreien Zugriff ermöglichen.Solid-State Disks erfüllen diese Anforderungenin besonderem Maße. Sie fassen mittlerweile1 Terabyte zu erschwinglichen Preisen,sind im Vergleich zur herkömmlichen Festplatteaber immer noch viel zu teuer: Für dasGigabyte auf einer 1-TByte-SSD zahlte man beiRedaktionsschluss dieses Artikels 17-mal soviel wie für den gleichen Speicherplatz aufeiner magnetischen Festplatte. Bei kleinerenLaufwerkskapazitäten bis 256 GByte haben sichdie Preise von SSDs und Festplatten zwar inzwischenangenähert, doch selbst hier beträgtdas Verhältnis immer noch 2:1 . 3D-NAND (sieheKasten auf Seite 174) soll bald den nächstenKapazitätsschub bei Flash-Speichern einleiten,löst aber wohl nicht das Preisproblem.Stattdessen erlebt die klassische Festplattegerade ein Revival: Mit neuen Aufzeichnungstechnikenwollen die Hersteller in dennächsten sieben Jahren die Speicherkapazitätauf mindestens 20 Terabyte pro Einzellaufwerksteigern, gleichzeitig sollen die Preiseauf nur noch 1 Cent pro Gigabyte sinken -20-Terabyte-Festplatten für 200 Euro rückenin Reichweite. Solche Riesenlaufwerke wissenzwar noch wenige Privatanwender zufüllen, in Cloud-Rechenzentren oder ColdStorage-Speichern braucht man sie abereher heute als morgen.Cold Storagedungszweckvon der Halbleiterindustrie Flash- ruhig auch "besonders schlecht, Hauptsachegroß und billig". Facebook kann sichdas leisten, weil es keine Garantie auf denErhalt der Daten gibt. Weil die Entwicklung beiaktuellen Flash-Speichermedien aber eher inRichtung Datensicherheit, kurze Zugriffszeitund hohe Geschwindigkeit geht und FlashSpeicher allgemein sehr knapp ist, wird dieMagnetplatte auch auf absehbare Zeit nochgebraucht. Wer mit gigantischen Datenmassenhantiert - wie Facebook -, benötigt füreffizienten Betrieb des Rechenzentrums dannaber Laufwerke mit möglichst großer Kapazitätpro Spindel, denn jede zusätzliche Platteverschwendet nicht nur Platz im Serverraum,sondern braucht Strom und Kühlung.Dem Wunsch nach größeren Einzellaufwerkenwären die Festplattenherstellerschon länger gerne nachgekommen, siesehen sich aber mit den Grenzen der Physikkonfrontiert: Einerseits lassen sich die Datenbitsauf der Magnetscheibe nicht beliebigeng aneinanderrücken, weil sie sich sonst gegenseitigbeeinflussen und ihre magnetischeOrientierung verlieren. Andererseits lassensich auch die Spuren bei heutigen Plattenmit Perpendicular Magnetic Recording (PMR)(siehe Video über c't-Link) nicht mehr weiterverkleinern: Aktuell beträgt die Spurbreitenur noch 70 Nanometer, was etwas mehr alseinem Tausendstel der Breite eines menschlichenHaares entspricht.Üblicherweise nahm der Spurabstand mitder Größe der Lese- und Schreibelemente desAufnahmekopfes ab. Ohne neue Speichertechnikenkönnen diese aber nicht mehr kleinerausgeführt werden - das gilt insbesondere fürden Schreibkopf: Wäre er kleiner, reichte dasMagnetfeld, das er erzeugen kann, nicht mehraus, um einzelne Bits zu magnetisieren. DurchVergrößern der Sektoren von 512 Byte auf4 KByte bei modernen Platten schöpften dieHersteller zuletzt auch noch das allerletzte Mittelaus, um ein Quentehen mehr Platz für Nutzdatenauf der Magnetscheibe zu schaffen [1].Nachdem die Speicherkapazität von Festplattendeshalb schon länger bei 4 TBytestagnierte, gibt es jetzt neue Nachrichten: Allmählichwerden neue Techniken marktreif,welche die Kapazitäten pro Platte auf bis zu20 TByte wachsen lassen sollen. Leider bringendie dafür nötigen Kniffe auch Nachteilemit sich, sodass man künftig wohl sehr genaudarauf achten muss, welche Platten man fürwelche Anwendungszwecke beschafft.SchindelnDa neue Aufzeichnungsverfahren Umstellungenim Fertigungsverfahren erfordern undneue Bauteile oder Trägermaterialien ebenfallsdie Kosten treiben, versuchen die Festplattenhersteilermöglichst lange, an bestehendenVerfahren festzuhalten. So ist esnicht weiter verwunderlich, dass das etabliertePerpendicular Recording erst einmal nureine leichte Variation erfährt. Beim sogenanntenShingled Magnetic Recording (SMR,siehe Video über c't-Link) bringt man mehrLongitudinal RecordingSo fi ng alles an: Beim Longitudinal Recordingrichtet der Schreibkopf die Magnetpartikelparallel zur Magnetscheibe aus.Magnetisierungsrichtung'-... -...Spuren pro Magnetscheibe unter, indemman die Abstände zwischen ihnen so weitverkleinert, dass sie sich wie Dachschindeln(engl. Shingle) überlappen. Das Auslesenfunktioniert trotzdem Spur für Spur, wennder Lesekopf klein genug ist.Beim erstmaligen Schreiben eines Tracksgibt es bei SMR keine Nachteile im Vergleichzu herkömmlichen Verfahren. Sollen abernur einzelne vorhandene Daten überschriebenwerden, funktioniert das nicht mehr wiebisher: Weil der Schreibkopf größer als derLesekopf ist, zerstört er beim Schreiben auchunweigerlich benachbarte Tracks. Deshalbmüssen vor dem Schreiben neuer Daten alteTracks zuerst eingelesen, um die neuenDaten ergänzt und anschließend gemeinsamgeschrieben werden. Um zu verhindern, dasseine SMR-Piatte diesen Vorgang bis zumEnde des gesamten Laufwerkes durchführenmuss, teilt man die Platten in Abschnitte(Bänder) ein, die jeweils aus einer bestimmtenAnzahl Tracks bestehen. Zum Änderneinzelner Bits müssen dann nur Daten innerhalbeines Bandes bearbeitet werden. Weildann immer noch mehr Daten geschriebenwerden müssen als eigentlich nötig, kommtes zu Verzögerungen, die man besondersbei verteilten Schreibzugriffen spürt (WriteAmplification).Diese Nachteile lassen sich nivellieren,wenn SMR-Piatten verteilte Schreibzugriffe,die in kleinen Häppchen eintreffen, zunächstpuffern, zusammenfassen und dann in größeren,zusammenhängenden Blöcken aufdie Magnetscheiben wegschreiben. Dafürkönnte man einen wenigen Gigabyte großenBereich auf der Magnetscheibe opfern, denman "unshingled" belässt. Vorstellbar wäreauch, (nichtflüchtige) Flash-Bausteine alsschnellen Pufferspeicher einzubeziehen. Mitder dafür nötigen Hybrid-Piattentechnikkonnte insbesondere Seagate schon längerErfahrung sammeln.Mit fortschreitender Nutzungsdauer undsteigendem Füllstand können sich bei SMRPiatten aber weitere Probleme ergeben: WerdenDateien gelöscht, enthalten einige Bändermöglicherweise sowohl gültige als auchungültige Dateien. Auch das kann Schreibzu-Unter Cold Storage versteht man billigen LowPerformance-Speicher, den Cloud-StorageAnbieter und Sociai-Media-Giganten wieFacebook als Datengrab benötigen. AlleineFacebook verarbeitet mehr als 500 Terabyteneue Daten täglich und hortet mehrerehunderte Petabytes (1 Petabyte entspricht1000 Terabyte) in riesigen Rechenzentren.Viele der 350 Millionen Fotos, die etwa täglichbei Facebook landen, werden aber nie oderselten abgerufen. ln Cold-Storage-Centernhält Facebook dafür Speichermedien bereit,die die meiste Zeit im Leerlauf bleiben oderzugunsten der Energiebilanz ganz abgeschaltetwerden, bis eine konkrete Anfrage eingeht.Massenspeicher für diesen Zweck müssenbesonders billig sein, aber nicht extremschnell. Wer ein uraltes Foto auf Facebookanklickt, kann schließlich auch mal warten.Jason Taylor, der für die Infrastruktur desSociai-Media-Anbieters verantwortlich ist,wünschte sich zwar auch für diesen Anwenc't2013, Heft 24173
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