Neuer Artikel: Test von Festplatten mit 14–16 TB: nicht nur mehr, sondern auch besser

Die Kapazität von Festplatten steigt weiter an, aber das Wachstumstempo hat in den letzten Jahren deutlich nachgelassen. So benötigte die Industrie nur zwei Jahre, um das erste Laufwerk mit 4 TB auf den Markt zu bringen, nachdem 2-TB-HDDs erhältlich waren; um die 8-TB-Marke zu erreichen, dauerte es drei Jahre, und das Volumen von 3,5-Zoll-Festplatten erneut zu verdoppeln, gelang erst nach fünf Jahren.

Der letzte Durchbruch wurde durch eine Vielzahl innovativer Lösungen ermöglicht. Heute sind selbst konservative Unternehmen wie Toshiba, die lange Zeit auf Helium verzichtet haben, gezwungen, Festplatten in hermetisch dichten Gehäusen zu produzieren. Die Anzahl der Platten auf der Spindel hat sich auf neun erhöht – obwohl fünf Platten einst als das vernünftige Maximum galten. In speziellen Nischen wird die Technologie der sogenannten Schindelaufzeichnung (SMR, Shingled Magnetic Recording) verwendet, bei der sich die Sektoren auf der Platte teilweise überlappen. Schließlich mussten die Hersteller, um die Kapazitätsgrenze der Festplatte von 14 auf 16 TB zu verschieben, ohne SMR anzuwenden, eine der vielversprechendsten Technologien implementieren, deren Liste wir in unseren Jahresberichten reproduzieren. Jahresberichten, — das gleichzeitige Lesen von Spuren mit mehreren Köpfen (TDMR, Two-Dimensional Magnetic Recording). Künftige Entwicklungen werden früher oder später auch umfassendere Änderungen in den Grundlagen der HDD-Technologie erfordern — wie das Erwärmen der Platte mittels Laser oder Mikrowellen (HAMR/MAMR, Heat/Microwave-Assisted Magnetic Recording), während der Schreibkopf vorbeigeht.

Es ist jedoch leicht zu erkennen, dass alle beschriebenen Methoden in erster Linie darauf abzielen, die Speicherdichte zu erhöhen und das Volumen auf einer einzigen Spindel zu steigern. Viele dieser Methoden haben jedoch den positiven Nebeneffekt einer höheren Geschwindigkeit beim sequenziellen Lesen und Schreiben von Daten. In diesem Bereich haben moderne HDDs die Grenze von 250 MB/s überschritten und sind bereits vergleichbar mit den frühen Verbraucher-SSD. Allerdings hat die Zugriffszeit auf zufällige Sektoren von Festplatten kaum Fortschritte gemacht, und bei Berücksichtigung des Volumens wird die Anzahl der Operationen pro Sekunde nur geringer. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Fehlertoleranz, denn je mehr Daten auf einer Spindel gespeichert werden, desto wichtiger ist es, diese nicht zu verlieren, und desto länger dauert die Wiederherstellung.

Doch auch auf diese Herausforderung haben die Hersteller von Magnetfestplatten eine Antwort gefunden. Wir haben drei Festplatten mit Kapazitäten von 14 bis 16 TB getestet, um zu erforschen, wie sich Technologien aus dem Jahr 1955 den Anforderungen von 2019 anpassen. Dabei haben wir einige Trends festgestellt. Die Spitzenmodelle der modernen 3,5-Zoll-Festplatten, die für Server und Speichersysteme hergestellt werden, weisen Gemeinsamkeiten mit Solid-State-Disks auf – von den Prinzipien zur Adressierung von Sektoren bis hin zur direkten Integration von Flash-Chips in den lokalen Speicherstack. Die Endbenutzermodelle haben sich indes immer mehr den Eigenschaften ihrer Server-Pendants angenähert; selbst die Bezeichnung „Desktop-HDD“ sagt inzwischen nicht mehr viel über die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit des Geräts aus. Doch es geht in diesem Bericht nicht nur um allgemeine Aussagen. Wir wollen herausfinden, wie sich neue Trends im Aufbau von Festplatten in konkreten Leistungszahlen niederschlagen.

⇡#Technische Daten der Testkandidaten

Bevor wir mit der Analyse der Testergebnisse beginnen, ist es wichtig, die Eigenschaften der Geräte, mit denen wir es zu tun haben, genau zu betrachten. Diesmal sind es nicht so viele, wie wir es normalerweise bei unseren Gruppentests sehen, aber wir haben die grundlegenden Voraussetzungen erfüllt, ohne die kein Vergleich von Festplatten auf Vollständigkeit Anspruch erheben kann. An dem Review nahmen Produkte aller drei Hersteller — Seagate, Toshiba und Western Digital — teil, die verschiedenen Kategorien angehören: Verbraucher und Server. Die Hauptmerkmale, die sie vereinen, sind eine Kapazität von 14 oder 16 TB, ein hermetisches Gehäuse, das mit Helium gefüllt ist, und eine Drehzahl von 7200 U/min. Zum Vergleich mit den Schwergewichten in den Tests wurden drei bereits bekannte Geräte mit geringerer Kapazität (10 und 12 TB), die für den Einsatz in Servern, sowie in Heim- oder Büro-NAS ausgelegt sind, einbezogen.

Das erste Modell in unserer bescheidenen Sammlung von Festplatten mit überragendem Speicherplatz – die BarraCuda Pro mit 14 TB – ist ein Laufwerk für Desktop-PCs und DAS, jedoch nicht einfach, sondern „professionell“. Dies bedeutet einerseits, dass die BarraCuda Pro den typischen Einschränkungen von Desktop-Festplatten ausgesetzt ist. Sie ist beispielsweise nicht für den Betrieb in RAID-Arrays gedacht, da dafür eine TLER (Time-Limited Error Recovery) erforderlich ist – eine Firmware-Einstellung, die verhindert, dass HDDs aus dem Array fliegen, wenn der Mikrocontroller zu lange benötigt, um einen fehlerhaften Sektor zu lesen. Darüber hinaus ist das Gehäuse der BarraCuda Pro schlecht geeignet für den Einsatz in Regalen oder NAS mit mehreren Einschüben, da es keine Rotationsvibrationskompensation bietet.

Auf der anderen Seite verfügen die HDDs dieser Marke, anders als die meisten anderen Desktop-Festplatten, über eine erhöhte jährliche Belastbarkeit von bis zu 300 TB Neu-Schreibzyklen. Sie sind für den 24/7-Betrieb geeignet und bieten eine fünfjährige Garantie. Auch in Bezug auf die Leistung braucht man sich nicht zu beschweren (zumindest nicht bei Aufgaben mit überwiegend sequenziellem Datenzugriff): Dank der acht Platten mit je 1,75 TB erreicht das Gerät eine nachhaltige Datentransferrate von 250 MB/s. Darüber hinaus verspricht der Hersteller, dass die Zugriffszeiten bei der BarraCuda Pro im Vergleich zu herkömmlichen Desktop-Festplatten ebenfalls schneller sind, während der Energieverbrauch im Gegensatz dazu geringer ist als bei den meisten 3,5-Zoll-Modellen. Dennoch werden wir alle Aussagen von Seagate noch überprüfen.

Um eine so hohe Datendichte im Rahmen der standardmäßigen senkrechten Aufzeichnung ohne den Einsatz der Nischentechnologie SMR (Shingled Magnetic Recording) zu erreichen, musste Seagate eine der vielversprechenden Methoden implementieren, über die wir Jahr für Jahr in unseren Jahresberichten, — das sogenannte zwei-dimensionale Magnetaufzeichnung (Two-Dimensional Magnetic Recording). Entgegen ihrem Namen steht TDMR jedoch nicht im Zusammenhang mit dem Datenspeicherprozess selbst. Sie zielt darauf ab, das Verhältnis von Signal zu Rauschen unter Bedingungen mit hoher Spurendichte auf der Festplatte zu erhöhen, indem zwei Leseköpfe gleichzeitig auf eine Spur zugreifen: Diese sind so im Raum verteilt, dass das Feld benachbarte Spuren erfasst und die Kompensation von Interferenzen erleichtert wird. In Zukunft werden Festplatten mit TDMR noch mehr Köpfe haben, und zusammen mit der Zuverlässigkeit der Datenauslesung könnte sich auch deren Geschwindigkeit erhöhen, doch dies ist bisher Zukunftsmusik.

Die BarraCuda Pro Laufwerke unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht von den verwandten Geräten der Basisreihe ohne Pro-Zusatz – beginnend damit, dass alle HDD-Hersteller bei ihren Standard-Desktop-Modellen bei Kapazitäten von 6–8 TB stagnieren. Die BarraCuda Pro kann eher als Nachkomme der Serverlinie von Seagate beschrieben werden, der jedoch keine Funktionen für den Einsatz in Arrays bietet. Das hat jedoch zur Folge, dass der Preis des Geräts auf das Niveau von Unternehmensmodellen, wenn nicht sogar darüber, gestiegen ist: In Russland ist das 14-Terabyte-Modell nicht günstiger als 34.348 Rubel zu finden, während es auf den Einzelhandelsplattformen in den USA 549 $ kostet. Selbst die Nearline-Modelle von Seagate mit vergleichbarer Kapazität sind günstiger – ab 375 $ oder 28.936 Rubel.

Die nächste Testeinheit, die 14-Terabyte-Festplatte Ultrastar DC HC530, ist ein Nearline-Speicher, der alles bietet, was die Ingenieure von Western Digital zu leisten vermögen, bis das neue Modell mit 16 TB auf den Markt kam. In der Praxis von 3DNews wurde es zur ersten Ultrastar-Festplatte ohne die gewohnten Buchstaben HGST im Namen: Das Unternehmen hat alle Servermodelle unter seiner eigenen Marke geführt, nachdem die Vermögenswerte von HGST vollständig in die fusionierte Gesellschaft übergegangen waren. In seinen Hauptmerkmalen ähnelt dieses Gerät der BarraCuda Pro mit dem gleichen Volumen: Innerhalb des hermetischen Gehäuses der Ultrastar DC HC530 befinden sich ebenfalls acht magnetische Platten mit einer nützlichen Kapazität von 1750 GB, und die Technologie TDMR sorgt für das Lesen von Daten von dicht gepackten Spuren. Jedoch kann die Ultrastar DC HC530 in Bezug auf andere Parameter und die Vielzahl zusätzlicher Funktionen, die typischerweise mit Unternehmens-HDDs verbunden sind, nicht mit Desktop-Modellen verglichen werden, auch wenn die BarraCuda Pro kein typischer Vertreter ihrer Kategorie ist.

Ja, die nützliche Datendichte der BarraCuda Pro- und Ultrastar DC HC530-Platten ist dieselbe wie die Drehgeschwindigkeit des Spindels, jedoch garantiert das Produkt von WD eine höhere konstante Geschwindigkeit für das sequentielle Lesen und Schreiben von Daten — bis zu 267 MB/s (die Herkunft des Unterschieds bleibt unklar, aber Tests werden zeigen, ob er tatsächlich existiert). Die Zugriffsverzögerungen beim zufälligen Zugriff werden durch den neuen, dreistufigen Aktuator der dritten Generation und einen großen 512 MB Puffer reduziert, insbesondere durch den Media Cache — Cache-Zonen für die schnelle Schreibblockverarbeitung, die über die Oberfläche der Platten verteilt sind. Dieses letzte Merkmal verbindet moderne Nearline-Festplatten mit Solid-State-Drives, bei denen ebenfalls ein variables Verhältnis zwischen physikalischen Sektoren und logischen Blöcken besteht. Ab den 10-Terabyte-Modellen Ultrastar DC HC330 verwendet WD zusätzlich einen kleinen Speicherbereich aus Flash-Speicher zum Cachen von Schreiboperationen. Es ist bemerkenswert, dass das Produkt von WD trotz (potenziell) äußerst hoher Geschwindigkeit für magnetische Speicher ein moderates Energieniveau aufweist — es handelt sich tatsächlich um das Gerät mit dem geringsten Stromverbrauch unter allen getesteten Geräten, wenn man seine technischen Spezifikationen betrachtet.

Speichermedien dieser Klasse sind für den kontinuierlichen Betrieb in Server-Racks konzipiert: die doppelseitige Montage der Spindel und die Kompensation von Rotationsvibrationen – diese und andere Konstruktionsmerkmale des Ultrastar DC HC530 ermöglichen eine projektierte Belastung von bis zu 550 TB/Jahr, während die Betriebsdauer bis zum Ausfall typisch für Nearline-Modelle bei 2,5 Millionen Stunden liegt. Für den unwahrscheinlichen Fall eines Fehlers beim Firmware-Update ist ein Ersatzchip auf der Steuerplatine eingelötet. Die Festplatte wird in Varianten mit nativen 4-KByte-Blockzugriff oder der Emulation von 512-Byte-Sektoren sowie mit SATA- oder SAS-Interface angeboten. Letzteres bietet zudem die Option der Durchgängigen Datenverschlüsselung.

Die Einzelhandelspreise für die WD Ultrastar DC HC530 in der Konfiguration mit SATA-Anschluss und der Emulation des traditionellen 512-Byte-Layouts entsprechen den fortschrittlichen Merkmalen und Technologien dieses Geräts: ab 27.495 Rubel in russischen Online-Shops und 439 $ auf 'Amazon'.

Es war eine Herausforderung, eine Sammlung von 14 TB Festplatten für Vergleichstests zusammenzustellen, und das passende Gerät von Toshiba konnten wir leider nicht beschaffen. Stattdessen haben wir ein Modell der nächsten Generation mit 16 TB erhalten. Heute bieten alle drei Festplattenhersteller Speicher in ähnlichen Größen an, wobei das Produkt Toshiba der MG08-Serie unter ihnen das erste war. Der Rekord des japanischen Unternehmens beruht auf Platten mit einer physikalischen Datendichte, die ungefähr dem entspricht, wenn nicht sogar identisch ist, mit der der 14 TB Festplatten von BarraCuda Pro und Ultrastar. Toshiba konnte jedoch erstmals neun „Blinze“ in einem standardmäßigen 3,5-Zoll-Gehäuse unterbringen. Zudem kam die TDMR-Technologie zur Anwendung, die eine Voraussetzung für das Erreichen neuer Kapazitätsgrenzen war. Die Durchsatzrate des Toshiba MG08 bei linearen Lese-/Schreibvorgängen sollte auf dem Niveau der WD Ultrastar DC HC530 liegen, jedoch gibt der Hersteller keine weiteren Details zur Leistung des Geräts preis.

Es ist bekannt, dass auch Toshiba Maßnahmen ergriffen hat, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen und gleichzeitig die Latenz beim Schreiben zu reduzieren: Der Flash-Speicherchip im MG08 ermöglicht es, Daten, die vom Host-Controller zur Speicherung gesendet werden, im Falle eines Stromausfalls zu sichern. Die Testergebnisse zeigen zudem, dass er eine zweite Ebene des Cache nach dem DRAM-Puffer erfüllt. Diese Technologie (Persistent Write Cache) ist jedoch nur in den Spezifikationen der Festplatten mit 512-Byte-Emulation enthalten, was ein zusätzliches Risiko bei einem Stromausfall darstellt (und teilweise die Leistung beeinträchtigt), da bei jeder Schreiboperation logische Blöcke, die nicht mit den Grenzen physischer Sektoren übereinstimmen, einen read-modify-write-Prozess durchlaufen müssen. Die MG08-Serie umfasst jedoch auch Modelle mit nativem Zugang zu 4-Kilobyte-Sektoren. Ob das bedeutet, dass diese Modelle gar keinen Flash-Speicher haben oder ob nur die Backup-Funktion entfernt wurde, ist uns nicht bekannt. Unabhängig von PWC nutzen der Toshiba MG08 und andere Speicherlösungen dieses Herstellers Algorithmen des Dynamic Cache, die, so der Hersteller, den Pufferplatz optimal zwischen Lese- und Schreibvorgängen verteilen. Auch detaillierte Informationen dazu liegen uns nicht vor.

Weitere Quellen für hohe Ausfallsicherheit in der Konstruktion der Toshiba MG08 sind die beidseitige Spindelmontage und die Sensoren für Drehvibrationen. Diese Festplatten sind für eine jährliche Datenaufzeichnung von 550 TB ausgelegt, verfügen über eine für Unternehmensgeräte übliche Mean Time Between Failures (MTBF) von 2,5 Millionen Stunden und bieten eine fünfjährige Garantie. Es sind mehrere verschiedene Konfigurationen der Festplatte mit SATA- oder SAS-Schnittstelle und optionaler End-to-End-Verschlüsselung verfügbar. Allerdings können wir Ihnen bezüglich des Preises keine Auskunft geben: Die 16-Terabyte-Festplatte von Toshiba wurde bereits im Januar vorgestellt, ist jedoch immer noch ein rares Produkt im Einzelhandel.

Toshiba MG08 16 TB

Jetzt, wo wir mit den drei Hauptakteuren des Tests vertraut sind, werfen wir einen Blick auf die Festplatten mit kleineren Kapazitäten, mit denen wir die neuen 14-16 Terabyte Modelle vergleichen werden. Eine davon, die Exos X10 mit 10 TB, ist ein Nearline-Speicher, der sieben magnetische Platten in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse enthält. Obwohl die nutzbare Kapazität der Platten von 1429 auf 1750 GB und mehr gestiegen ist, sollte auch die sequentielle Zugriffsgeschwindigkeit bei Festplatten zugenommen haben. In diesem Punkt hat die Exos X10 jedoch praktisch keine Nachteile gegenüber der BarraCuda Pro mit 14 TB, gemäß den Spezifikationen beider Speicher. Irgendetwas stimmt offensichtlich nicht mit den Spezifikationen der Seagate-Festplatten, aber wir haben die Möglichkeit, alles in der Praxis herauszufinden.

Um die Geschwindigkeit der Datenzugriffe zu verbessern, verfügt die Exos-Serie über einen fortschrittlichen Mechanismus zur Schreibcache-Verwaltung (AWC - Advanced Write Caching), der die Reaktionszeit verringert. Im Rahmen des AWC werden Schreibvorgänge im DRAM-Puffer gruppiert, ähnlich wie bei herkömmlichen Festplatten, jedoch speichert der Puffer eine Kopie der Daten, nachdem sie auf die Platten geschrieben wurden. Der Inhalt des Spiegelpuffers kann sofort vom Host-Controller gelesen werden. Seagate Serverfestplatten Der 2,5-Zoll-Formfaktor des AWC umfasst die nächste Geschwindigkeitsstufe – reservierte Bereiche auf der Plattenoberfläche, in die die Daten aus dem DRAM in einer sequenziellen Reihenfolge geschrieben werden (Media Cache), sowie einen kleinen Anteil nichtflüchtigen Speichers zur Rettung von Daten aus dem Puffer bei einem plötzlichen Stromausfall. In der Exos X10 ist jedoch kein Flash-Speicher vorhanden, möglicherweise fehlt auch der Media Cache.

Die Exos-Serie von Festplatten unterscheidet sich erheblich von herkömmlichen Consumer-Festplatten für Desktops und NAS. Sie bieten eine beeindruckende MTBF von 2,5 Millionen Stunden und eine Belastbarkeit von 550 TB/Jahr. Diese Festplatten sind für den Einsatz in Server-Racks ohne Begrenzung der Anzahl der Laufwerke konzipiert und kommen mit einer fünfjährigen Garantie. Das getestete Modell ST10000NM0016 gehört zu den Hyperscale-Varianten, die im Vergleich zu anderen Mitgliedern der Exos-Familie einen reduzierten Stromverbrauch aufweisen, jedoch ausschließlich mit SATA-Schnittstelle und 512-Byte-Sektoren emuliert werden. In SAS-Konfigurationen gibt es unter den Exos-Modellen auch Optionen mit nativen 4-Kilobyte-Sektoren sowie durchgehender vollstädiger Verschlüsselung.

Die Seagate IronWolf Festplatte war kürzlich in unserer Bewertung zu sehen. Neue Modelle dieser Marke, ausgestattet mit einer Seagate SSD für Netzwerkspeicher. Das 12-Terabyte-Modell IronWolf scheint mit Platten ausgestattet zu sein, die die gleiche physische Dichte wie das Exos X10 aufweisen, jedoch mit einer zusätzlichen Platte. Seagate schätzt jedoch die Leistung seines Produkts bei sequentiellen Lese- und Schreibvorgängen viel niedriger ein — nur 210 MB/s. Es fehlen auch ausgeklügelte Technologien, um die hohe Reaktionslatenz von magnetischen Speichermedien auszugleichen.

Alle IronWolf-Festplatten, beginnend mit einer Kapazität von 4 TB, nutzen eine Reihe von Hardware-Features aus der Exos-Serie, die die Fehlertoleranz erhöhen. Der Block der magnetischen Scheiben jeder Festplatte ist in zwei Ebenen ausgewogen, und die Sensoren für rotierende Vibrationen sorgen für einen stabilen Betrieb in einer Rack-Storage-Lösung oder in einem Standalone-NAS mit bis zu acht Laufwerksschächten. IronWolf ist für einen moderaten Betriebsmodus ausgelegt, mit einer jährlichen Projektnutzung von 180 TB und einer mittleren Betriebsdauer von 1 Million Stunden. Folglich ist auch die Garantiedauer für IronWolf nicht so lang wie bei den ernsthafteren Modellen im Seagate-Katalog – drei Jahre.

Unter der Marke S300 hat das japanische Unternehmen Toshiba eine Serie von Speicherlösungen für Überwachungssysteme herausgebracht – diesen Festplatten ist ebenfalls ein eigener Testbericht auf den Seiten von 3DNews. Durch die Erweiterung des ATA Streaming Command Set garantiert die obere Modellreihe Toshiba S300 gleichzeitige Videoaufnahmen von 64 Überwachungskameras, bleibt jedoch grundlegend ein typisches Speichermedium für NAS und DAS, das für den 24/7-Betrieb ausgelegt ist und eine respektable Lebensdauer aufweist: ähnlich wie bei IronWolf beträgt diese 1 Million Stunden, und die Garantiezeit beträgt ebenfalls drei Jahre. Dank der konstruktiven Vorteile des S300-Gehäuses – der beidseitigen Befestigung der Spindel und der aktiven Kompensation von Rotationsvibration – ist die Installation von mehr als acht solchen Geräten in einem einzigen Rack oder in einem Standalone-NAS möglich.

Das Modell S300, das für den Vergleich mit den neuen 14–16 TB-Modellen ausgewählt wurde, basiert auf dem Hardware-Gehäuse der Serverfestplatten MD06ACA-V und enthält sieben magnetische Platten. Die Spezifikationen des Geräts geben eine typische Zugriffsgeschwindigkeit von 248 MB/s für moderne Hochleistungs-HDDs an. Von den Techniken, die in Toshiba-Serverfestplatten zur Senkung der Latenz verwendet werden, ist beim S300 nur die Funktion Dynamic Cache geblieben.

Im Gegensatz zu allen anderen Testteilnehmern benötigt das S300 selbst bei einem dichten Stapel von sieben Platten kein Helium und ist in einem standardmäßig belüfteten Gehäuse untergebracht. Wahrscheinlich ist genau dies der Grund, warum das 10-Terabyte-Modell den höchsten Stromverbrauch in der Zusammenfassung der Spezifikationen der Testteilnehmer aufweist. Obwohl dieser Parameter an sich für Rechenzentrumsadministratoren wichtig ist, bestimmt er direkt die Temperatur der HDD. Den tatsächlichen Stromverbrauch des S300 werden wir noch selbst überprüfen, aber vorerst nehmen wir diesen Punkt zur Kenntnis.

Quelle: 3dnews.ru