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Die Zukunft sieht rosig aus für HDDs, aber nur mit technologischem Fortschritt beim Speicherplatz (Teil 1)

Selbst wenn die Verkäufe der Chip-basierten SSD-Medien derzeit ständig steigen, sind die traditionellen magnetischen Festplatten weiterhin sehr beliebt, sowohl bei Privatleuten als auch in Unternehmen. Unabhängig vom Rückgang der Preise  für SSDs in den letzten Jahren, sind HDDs immer noch günstiger im Verhältnis zur Grüße ihres Speicherplatzes.

Aber die Hersteller von traditionellen HDDs wissen, dass sie in Zukunft technologische Fortschritte liefern müssen, um sicherzustellen, dass SSDs die HDDs nicht überflüssig machen. Unabhängig davon, dass es einen großen Unterschied bei den SSD- und HDD-Technologien gibt – nämlich die Tatsache, dass mit jedem Schreibvorgang die Lebensdauer einer SSD verkürzt wird – sind die Hauptgründe zur Nutzung einer normalen Festplatte der Preis pro Terabyte und die problemlosere Datenrettung nach einem Datenverlust.

Da diese Vorteile gegenüber der SSD-Technologie verschwinden könnten, sind die Hersteller bestrebt neue Festplatten-Technologien zu finden, um die bestehende Lücke zwischen diesen Kontrahenten zu halten oder zu erweitern.

Die technologische Entwicklung von HDDs

Seitdem IBM das erste Festplattenlaufwerk im Jahre 1956 vorstellte, haben die Hersteller immer wieder, um dem ständig steigenden Bedarf nachzukommen, die Speicherkapazitäten exponentiell erhöht. Mit der Einführung elektronischer Geräte, die beispielsweise Videos in 4K-Qualität und darüber hinaus aufnehmen oder abspielen können, sowie die Verarbeitung von sogenannter Big Data in Unternehmen, wächst der Bedarf nach Speicherplatz immer stärker.

Seit Jahrzehnten haben sich die HDD-Hersteller auf ein Verfahren konzentriert, das mittels der sogenannten Längsaufzeichnungstechnologie (longitudinal recording technology (LTR)) Daten auf den Laufwerken aufzeichnet. Bei der Längsaufzeichnung, ist die Magnetisierung jedes einzelnen Bit (d.h. die Binarziffer 0 oder 1) horizontal ausgerichtet, parallel zur Scheibe oder den Scheiben, die innerhalb der Festplatte rotieren.

Das Problem bei dieser Methode ist, dass wir uns so langsam dem Punkt nähern, an welchem die mikroskopisch kleinen magnetischen Körner auf der Platte so klein geworden sind, dass sie einander zu stören beginnen und dabei die Fähigkeit verlieren, ihre magnetische Ausrichtung beizubehalten. Die daraus resultierende Datenkorrumpierung würde dabei eine Festplatte unzuverlässig und unter Umständen unbrauchbar machen. Dieses Phänomen ist als der superparamagnetische Effekt (SPE) bekannt. Verbesserte Koerzitivkraft, oder die Fähigkeit eines Bits seine magnetische Ladung zu halten, wird benötigt, um den SPE zu überwinden.

Deshalb wurde das PMR –  das Perpendicular („senkrechte“) Magnetic Recording – erfunden und zuerst im August 2005 von Toshiba auf den Markt gebracht. (Nur ein paar Monate später folgten Western Digital und Seagate mit ihren PMR HDD Produkten). Bei der senkrechten SMR Aufzeichnung, stehen die magnetischen Dipolmomente, wobei jede einzelne ein logisches Bit repräsentiert und zusammen mit der logischen Schreibmethode – bekannt als PRML – eingesetzt wird, eben nicht parallel zur Oberfläche der Scheibe (longitudinal), sondern senkrecht dazu (perpendicular). Um etwas einfache auszudrücken: Die Daten gehen sozusagen in die Tiefe. Das führt zu einer potenziell viel höheren Datendichte (etwa dreimal so dicht) als bei seinem Vorgänger LRT; mit dieser Technologie können also mehr Daten auf der gleichen Oberfläche untergebracht werden.

Das ist auch Nachteil dieser Technologie: Die kleineren Weiss` Bezirke (die magnetischen Domänen in den Kristallen eines ferromagnetischen Materials) benötigen einen geringeren Abstand zwischen dem Schreib-/Lesekopf und der magnetischen Oberfläche, um Daten schreiben und lesen zu können. Deshalb ist diese Technologie auch nur schwer zu realisieren und kommt eben an einem bestimmten Punkt zu seinem natürlichen Ende, da die Größe der Köpfe nicht mehr kleiner ausgelegt werden kann.

Aber selbst mit diesem zukünftigen Problem ist PMR immer noch der derzeitige Standard bei der Festplattenaufzeichnung. Der Wechsel auf PMR hat die maximale Scheibendichte steil ansteigen lassen – von etwa 100 Gigabyte auf 1000 Gigabyte pro Quadratzoll – aber jetzt zeigen sich leider die Grenzen der PMR Technologie. Jetzt sehen wir bereits 8 TB-Festplatten mit 6 (!) Scheiben innerhalb des Geräts auf den Markt kommen. Experten erwarten 10 TB HDDs mit PMR Technologie, die noch zur Marktreife gebracht werden, aber ob die Hersteller darüber hinaus noch in der Lage sein werden die Köpfe über diesen Prunkt hinaus zu verkleinern und noch mehr und mehr Scheiben in eine HDD einzubauen, ist immer noch eine offene Frage.

Um dieses Problem zu lösen, wurde 2013 eine neue Technologie entwickelt, die immer noch auf der ursprünglichen PMR Methode (sogenanntes PMR+) basiert: das Shingled Magnetic Recording oder SMR. Diese Technologie erhöht die Plattendichte, um einen 25-prozentigen Zuwachs bei der Speicherkapazität zu erreichen. Einfach ausgedrückt wird die Anzahl der Datenspuren pro Zoll erhöht, indem sie zusammengedrückt werden, so dass sie leicht überlappen, wie es auch bei Dachschindeln (shingles) eines Hauses geschieht.

Aber diese neue Methode hat ebenfalls ein Problem: Das Schreiben einer Datenspur kann in manchen Situationen eine benachbarte Spur so beeinflussen, dass diese erneut geschrieben werden muss. Um zu vermeiden, dass der gesamte SMR-Bereich der HDD ersetzt werden muss (ab dem Zeitpunkt der Änderung), ist in der Regel eine Lücke zwischen den Spuren vorgesehen, die dafür sorgt, dass nicht weiter aktualisiert wird. Die notwendige Aktualisierung der benachbarten Spuren reduziert die Schreibgeschwindigkeit im Allgemeinen, sodass also generell SMR Festplatten mehr Platz bieten und langsamer sind.

Im zweiten Teil dieses Artikels werden wir die „Zukunftstechnologien von HDDs“ beleuchten…

Bildnachweis: Tim Reckmann  / pixelio.de