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

Die Speicherkapazität von Festplatten nimmt weiterhin zu, jedoch hat sich das Wachstum in den letzten Jahren konstant verlangsamt. So benötigte die Branche nur zwei Jahre, um das erste Laufwerk mit einer Kapazität von 4 TB nach der Markteinführung von 2-TB-HDDs einzuführen, drei Jahre, um die 8-TB-Marke zu erreichen, und um das Volumen einer 3,5-Zoll-Festplatte erneut zu verdoppeln, vergingen fünf Jahre.

Der letzte Sprung wurde durch eine ganze Reihe innovativer Lösungen ermöglicht. Heute sind selbst Solchen wie Toshiba, die bis zuletzt auf Helium verzichtet haben, gezwungen, Festplatten in hermetischen Gehäusen zu produzieren, während die Anzahl der Platten im Spindel auf neun gestiegen ist – obwohl fünf Platten einst als vernünftige Grenze galten. In bestimmten Nischen wird die Technologie der sogenannten Schindelaufnahme (SMR, Shingled Magnetic Recording) eingesetzt, bei der die Sektoren auf der Platte teilweise überlappt sind. Und schließlich mussten die Hersteller, um die Kapazitätsgrenze der Festplatte von 14 auf 16 TB ohne SMR zu verschieben, eine der fortschrittlichen Technologien einführen, deren Liste sich allmählich verringert und die wir in jährlichen Abschlussartikeln reproduzieren., — das gleichzeitige Lesen von Spuren mit mehreren Köpfen (TDMR, Two-Dimensional Magnetic Recording). Weitere Fortschritte werden früher oder später auch umfassendere Änderungen in den Grundlagen des HDD-Betriebs erfordern – wie das Erhitzen der Platte mit einem Laser oder Mikrowellen (HAMR/MAMR, Heat/Microwave-Assisted Magnetic Recording) während der Passage des Schreibkopfes.

Es ist jedoch leicht zu erkennen, dass alle beschriebenen Ansätze in erster Linie auf die Erhöhung der Aufzeichnungsdichte und das Wachstum des Volumens auf einem Spindel abzielen, obwohl viele von ihnen einen erfreulichen Nebeneffekt in Form einer erhöhten Geschwindigkeit beim Lesen und Schreiben von Daten haben. In diesem Parameter haben sich moderne HDDs über die Grenze von 250 MB/s geschoben und sind bereits vergleichbar mit den frühen Verbraucher-SSD. Allerdings hat sich die Zugriffszeit auf zufällige Sektoren magnetischer Platten kaum verbessert, und in Bezug auf das Volumen wird die Anzahl der Operationen pro Sekunde lediglich geringer. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Fehlerresistenz, denn je mehr Daten auf einem Spindel gespeichert sind, desto wichtiger ist es, sie nicht zu verlieren und desto länger dauert die Wiederherstellung.

Doch für diese Herausforderung haben die Hersteller von Magnetlaufwerken eine Antwort gefunden. Wir haben drei Festplatten mit einer Kapazität von 14 bis 16 TB genommen, um herauszufinden, wie sich Technologien aus 64 Jahren an die Gegebenheiten von 2019 anpassen und haben mehrere Trends bemerkt. Die Spitzenmodelle der modernen 3,5-Zoll-Festplatten, die für Rack-Server und Storage Arrays (SAS) hergestellt werden, haben einiges mit Solid-State-Laufwerken gemeinsam – von den Prinzipien der Sektoradressierung bis zur direkten Integration von Flash-Chips in den lokalen Speicher-Stack. Und die Verbrauchermodelle haben sich ihrerseits in ihren Eigenschaften den Server-Analogien angenähert, sodass die Bezeichnung „Desktop-HDD“ nicht mehr so viel über die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit des Geräts aussagt. Aber das Ziel dieses Berichts beschränkt sich nicht auf allgemeine Erklärungen. Wir möchten untersuchen, wie sich die neuen Trends im Design von Festplatten in konkreten Leistungskennzahlen widerspiegeln.

⇡#Technische Daten der Testkandidaten

Bevor wir mit der Analyse der Testergebnisse beginnen, sollten wir die Spezifikationen der Geräte, mit denen wir es zu tun haben, genau untersuchen. Diesmal sind es nicht so viele wie normalerweise in unseren Gruppentests, aber wir haben die wichtigsten Bedingungen erfüllt, ohne die ein Vergleich von Festplatten nicht vollständig sein kann. An dem Test nahmen Produkte aller drei Hersteller teil – Seagate, Toshiba und Western Digital – die verschiedenen Kategorien angehören: sowohl Verbraucher- als auch Servergeräte. Die Hauptmerkmale, die sie vereinen, sind eine Kapazität von 14 oder 16 TB, ein hermetisches Gehäuse, das mit Helium gefüllt ist, und eine Spindeldrehzahl von 7200 U/min. Zum Vergleich mit den Schwergewichten nehmen auch drei uns bereits bekannte Geräte mit einer kleineren Kapazität (10 und 12 TB) teil, die für den Einsatz in Servern, privaten oder Büro-NAS vorgesehen sind.

Das erste Modell in unserer bescheidenen Sammlung von Festplatten mit maßvollem Volumen – die BarraCuda Pro 14 TB – ist ein Speicher für Desktop-PCs und DAS, aber kein gewöhnlicher, sondern „professioneller“. Dies bedeutet einerseits, dass die BarraCuda Pro typischen Einschränkungen von Desktop-Festplatten unterliegt. Beispielsweise ist sie nicht für die Verwendung in RAID-Arrays vorgesehen, da dafür normalerweise eine TLER (Time-Limited Error Recovery) – Firmware-Einstellung erforderlich ist, die verhindert, dass HDDs aufgrund längerer Versuche des Mikrokontrollers, einen fehlerhaften Sektor zu lesen, aus dem Array geworfen werden. Darüber hinaus ist das Gehäuse der BarraCuda Pro schlecht für den Betrieb in Regalen oder NAS mit mehreren Schüben geeignet, da es keine Kompensation der Rotationsvibration bietet.

Andererseits verfügen die HDDs dieser Marke im Gegensatz zu den meisten anderen Desktop-Festplatten über eine erhöhte jährliche Belastungsgrenze – bis zu 300 TB Neuüberschreibungen, sind für den 24/7-Betrieb ausgelegt und werden mit einer fünfjährigen Garantie geliefert. Auch in Bezug auf die Leistung wird man sich wohl nicht beschweren müssen (zumindest bei Aufgaben mit überwiegend linearem Datenzugriff): Dank acht Platten mit je 1,75 TB erreicht das Gerät eine stabile Bandbreite von 250 MB/s. Darüber hinaus verspricht der Hersteller, dass auch die Zugriffszeit der BarraCuda Pro höher sein soll als die gewöhnlicher Desktop-Festplatten, während der Energieverbrauch im Vergleich zu den meisten 3,5-Zoll-Modellen geringer ist. Allerdings werden wir all diese Aussagen von Seagate noch überprüfen.

Um diesen hohen Daten-Dichtebereich bei der Standard- perpendicularen Aufzeichnung ohne spezialisierte SMR- (Shingled Magnetic Recording) Technologie zu erreichen, musste Seagate eine der vielversprechenden Methoden implementieren, über die wir Jahr für Jahr in unseren berichten. Abschlussartikeln reproduzieren., – das sogenannte Two-Dimensional Magnetic Recording (TDMR). Trotz seines Namens hat TDMR jedoch nichts mit dem eigentlichen Datenaufzeichnungsverfahren zu tun und dient dazu, das Signal-Rausch-Verhältnis bei hoher Spurendichte auf der magnetischen Platte zu erhöhen, indem zwei Leseeinheiten gleichzeitig die Spur auslesen: Diese sind räumlich so angeordnet, dass sie benachbarte Spuren erfassen, wodurch die Interferenzen leichter ausgeglichen werden können. In Zukunft könnten Festplatten mit TDMR noch mehr Köpfe haben, und zusammen mit der Zuverlässigkeit könnte sich auch die Lesegeschwindigkeit erhöhen, aber das bleibt vorerst Zukunftsmusik.

Die BarraCuda Pro-Laufwerke unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht von den verwandten Geräten der unteren Serie ohne das Pro-Suffix – angefangen damit, dass alle Hersteller von HDD-Standard-Desktop-Modellen bei 6–8 TB feststecken. Die BarraCuda Pro lässt sich eher als Abkömmling der Server-Reihe von Seagate beschreiben, der Funktionen fehlen, die mit dem Betrieb in Arrays verbunden sind. Das Ergebnis ist jedoch, dass der Preis des Geräts auf das Niveau von Unternehmensmodellen gestiegen ist, wenn nicht gar darüber: In Russland ist das 14-TB-Modell nicht günstiger als 34.348 Rubel zu finden, und auf den Einzelhandelsplattformen der USA kostet es 549 $. Selbst Nearline-Modelle von Seagate mit dem gleichen Volumen sind günstiger – ab 375 $ oder 28.936 Rubel.

Der nächste Proband, die 14-Terabyte-Festplatte Ultrastar DC HC530, ist ein Nearline-Laufwerk, das alles verkörpert, was die Ingenieure von Western Digital zu leisten vermochten, bis das neue Modell mit 16 TB auf den Markt kam. In der Praxis von 3DNews wurde es zur ersten Festplatte der Marke Ultrastar ohne die gewohnten Buchstaben HGST im Namen: Das Unternehmen hat alle Servermodelle unter die eigene Marke umgestellt, nachdem die Vermögenswerte von HGST vollständig in der vereinigten Corporation aufgegangen sind. In seinen Hauptmerkmalen ähnelt dieses Gerät der BarraCuda Pro mit demselben Volumen: Im hermetisch verschlossenen Gehäuse der Ultrastar DC HC530 sind ebenfalls acht Magnetscheiben mit einem nutzbaren Volumen von 1750 GB untergebracht, und die Datenlesung von den eng angeordneten Spuren erfolgt mittels TDMR-Technologie. Aber in Bezug auf andere Parameter und die Vielzahl von zusätzlichen Funktionen, die typischen für Unternehmens-HDDs sind, kann die Ultrastar DC HC530 nicht mit Desktopmodellen verglichen werden, auch wenn die BarraCuda Pro kein typischer Vertreter ihrer Kategorie ist.

So ist die nützliche Aufzeichnungsdichte auf den Platten der BarraCuda Pro und Ultrastar DC HC530 dieselbe, ebenso wie die Drehgeschwindigkeit des Spindels, aber das WD-Produkt garantiert eine höhere konstante Geschwindigkeit für das sequenzielle Lesen und Schreiben von Daten – bis zu 267 MB/s (es ist unklar, woher der Unterschied kommt, aber Tests werden zeigen, ob es ihn tatsächlich gibt). Die Zugriffsverzögerungen werden durch den neuen zweistufigen Aktuator der dritten Generation und einen großen Puffer von 512 MB verringert, und das Wichtigste ist Media Cache – gepufferte Bereiche für das schnelle Schreiben von Blöcken, die über die Plattenoberfläche verteilt sind. Diese letzte Eigenschaft verbindet moderne Nearline-Festplatten mit Solid-State-Laufwerken, bei denen ebenfalls ein variables Verhältnis zwischen physischen Sektoren und logischen Blöcken besteht. Seit den 10-Terabyte-Modellen Ultrastar DC HC330 verwendet WD auch eine kleine Menge Flash-Speicher für das Caching von Schreibvorgängen. Es ist zu beachten, dass das Produkt von WD gleichzeitig mit (potenziell) extrem hoher Leistung im Vergleich zu magnetischen Speichermedien eine moderate Leistungsaufnahme aufweist – tatsächlich handelt es sich um das Gerät mit dem geringsten Energieverbrauch unter allen getesteten Modellen, wenn man seine Spezifikationen betrachtet.

Datenträger dieser Klasse sind für den kontinuierlichen Einsatz in Server-Racks konzipiert: Die zweiseitige Befestigung der Spindel, die Kompensation der Rotationsvibration – diese und andere Konstruktionsmerkmale des Ultrastar DC HC530 haben es ermöglicht, die projektierten Datenlasten auf 550 TB/Jahr zu erhöhen, während die mittlere Betriebsdauer bis zum Ausfall den für Nearline-Modelle typischen Wert von 2,5 Millionen Stunden erreicht. Für den unwahrscheinlichen Fall eines Ausfalls beim Firmware-Update ist auf der Controller-Platine ein Ersatzchip eingelötet. Die Festplatte wird in Varianten mit nativem Zugang zu 4 KB-Partitionierung oder mit Emulation von 512-Byte-Sektoren, über SATA- oder SAS-Schnittstelle angeboten. Im letzteren Fall ist auch eine Option für die durchgehende Datenverschlüsselung verfügbar.

Die Einzelhandelspreise für die WD Ultrastar DC HC530 in der Konfiguration mit SATA-Port und Emulation der veralteten 512-Byte-Partitionierung entsprechen den fortgeschrittenen Merkmalen und Technologien dieses Geräts: ab 27.495 Rubel in russischen Online-Shops und 439 $ auf „Amazon“.

Es war nicht einfach, eine Sammlung von 14 TB-Festplatten für vergleichende Tests zusammenzustellen, und das geeignete Gerät eines Drittanbieters – Toshiba – konnten wir nicht beschaffen. Stattdessen erhielten wir ein Modell der nächsten Generation mit 16 TB. Derzeit bieten alle drei großen Festplattenhersteller Laufwerke mit einem solchen Volumen an, jedoch war das Produkt der Toshiba-Serie MG08 unter ihnen das erste. Der Rekord des japanischen Unternehmens basiert auf Platten mit ungefähr, wenn nicht gar genau der gleichen physikalischen Aufzeichnungsdichte wie bei den 14 TB-Festplatten BarraCuda Pro und Ultrastar, aber Toshiba konnte erstmals neun „Scheiben“ in einem standardmäßigen 3,5-Zoll-Gehäuse unterbringen. Auch die TDMR-Technologie, die eine wesentliche Voraussetzung für die Erreichung neuer Kapazitätsgrenzen darstellt, blieb nicht unberührt. Die Durchsatzrate der Toshiba MG08 bei linearen Lese-/Schreibvorgängen sollte auf dem Niveau des WD Ultrastar DC HC530 liegen, aber seltsamerweise gibt der Hersteller keine Details zur Leistungsfähigkeit des Geräts bekannt.

Es ist jedoch bekannt, dass auch Toshiba Maßnahmen ergriffen hat, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen und gleichzeitig die Latenzzeiten bei Schreibvorgängen zu reduzieren: Der Flash-Speicherchip des MG08 ermöglicht es im Falle eines plötzlichen Stromausfalls, die vom Host-Controller zum Schreiben gesendeten Daten zu sichern. Laut Testergebnissen fungiert dieser Chip zudem als Sekundärcache nach dem DRAM-Puffer. Diese Technologie (Persistent Write Cache) ist jedoch nur in den Spezifikationen von Festplatten mit 512-Byte-Emulation aufgeführt, die ein zusätzliches Risiko bei einem Stromausfall darstellen (und in gewissem Maße die Leistung beeinträchtigen), da für jeden Schreibvorgang von logischen Blöcken, die nicht mit den Grenzen der physischen Sektoren übereinstimmen, eine Lese-Modifizierungs-Schreiboperation erforderlich ist. Die MG08-Serie umfasst jedoch auch Modelle mit nativem Zugriff auf 4-Kilobyte-Sektoren. Ob das bedeutet, dass diese Modelle keinen Flash-Speicher haben oder ob lediglich die Backup-Funktion entfernt wurde, ist uns nicht bekannt. Unabhängig vom PWC verwendet Toshiba MG08, sowie andere Speicher dieser Marke, Algorithmen für den Dynamic Cache, die, so der Hersteller, den Pufferplatz optimal zwischen Lese- und Schreiboperationen verteilen. Detaillierte Informationen darüber liegen uns ebenfalls nicht vor.

Weitere Quellen für erhöhte Ausfallsicherheit im Design des Toshiba MG08 sind die Befestigung der Spindel von beiden Seiten und die Sensoren für Rotationsvibrationen. Diese Festplatten sind auf die Aufnahme von 550 TB Daten pro Jahr ausgelegt, haben eine für Unternehmensgeräte übliche MTBF von 2,5 Millionen Stunden und eine fünfjährige Garantie. Verschiedene Konfigurationen der Festplatte mit SATA- oder SAS-Schnittstelle sowie einer optionalen End-to-End-Verschlüsselungsfunktion sind verfügbar. Leider können wir Ihnen keinen Preis nennen: Die 16-Terabyte-Festplatte von Toshiba wurde bereits im Januar vorgestellt, ist jedoch nach wie vor ein seltener Artikel im Einzelhandel.

Toshiba MG08 16 TB

Jetzt, da wir die drei Hauptteilnehmer des Tests kennengelernt haben, werfen wir einen Blick auf die Festplatten mit geringerem Volumen, mit denen wir die neuen 14-16-Terabyte-Modelle vergleichen werden. Eine davon, die Exos X10 mit einem Volumen von 10 TB, ist ein Nearline-Speicher, der sieben Magnetscheiben in einem hermetischen Gehäuse enthält. Und obwohl seitdem die nützliche Kapazität der Platte von 1429 auf 1750 GB und mehr gestiegen ist, sollte auch die Geschwindigkeit des sequentiellen Zugriffs bei Festplatten zugenommen haben, in diesem Punkt ist die Exos X10 jedoch fast gleichwertig mit der gleichen 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 praktisch herauszufinden.

Um die Geschwindigkeit der Zufallszugriffsoperationen zu erhöhen, gibt es in der Exos-Serie einen entwickelten AWC (Advanced Write Caching)-Mechanismus zur Schreibcache-Beschleunigung, der die Reaktionszeit verringert. Im Rahmen von AWC werden Schreiboperationen im DRAM-Puffer gruppiert, wie es bei jeder anderen Festplatte der Fall ist, jedoch behält der Puffer eine Kopie der Daten, nachdem sie auf die Platte geschrieben wurden, und der Inhalt des Spiegelpuffers kann sofort vom Host-Controller gelesen werden. In Seagate-Serverfestplatten hat der 2,5-Zoll-Formfaktor AWC die nächste Geschwindigkeitsstufe eingebaut – reservierte Bereiche auf der Oberseite der Platten, wo Daten aus dem DRAM sequenziell geschrieben werden (Media Cache), sowie ein kleiner Teil nichtflüchtiger Speicher zur Rettung von Daten aus dem Puffer bei einem unerwarteten Stromausfall. Aber in der Exos X10 fehlt Flash-Speicher, möglicherweise auch der Media Cache.

Im Gegensatz zu Consumer-Festplatten für Desktop-Computer zeichnen sich die Exos-Serie-Festplatten durch hohe Werte für die MTBF (2,5 Millionen Stunden) und die jährliche Belastung (550 TB/Jahr) aus. Sie können in Server-Racks ohne Begrenzung der Anzahl an Einschüben betrieben werden und bieten zudem eine fünfjährige Garantie. Die Festplatte mit der Modellnummer ST10000NM0016, die wir getestet haben, gehört zusätzlich zu den Hyperscale-Modifikationen, die im Vergleich zu anderen Mitgliedern der Exos-Familie einen reduzierten Energieverbrauch aufweisen, aber nur mit SATA-Schnittstelle und 512-Byte-Sektor-Emulation angeboten werden. In SAS-Konfigurationen gibt es unter den Exos-Modellen auch Optionen mit nativem Zugriff auf 4-Kilobyte-Sektoren sowie der Funktion der durchgehenden Festplattendenverschlüsselung.

Die Seagate IronWolf-Festplatte war vor kurzem in unserer Übersicht neuen Vertretern dieser Marke in Verbindung mit dem Seagate SSD für Netzwerkstorage. Das 12-Terabyte-Modell IronWolf wird offenbar mit Platten ausgestattet, die die gleiche physische Dichte der Anordnung wie die Exos X10 haben, nur dass es eine Platte mehr gibt. Seagate schätzt jedoch die Leistung ihres Produkts bei sequenziellen Lese- und Schreibvorgängen deutlich niedriger ein – nur 210 MB/s. Es gibt auch keine ausgeklügelten Technologien, die darauf abzielen, die hohe Reaktionslatenz, die magnetischen Speichermedien eigen ist, auszugleichen.

Im Gegensatz dazu haben alle IronWolf-Festplatten ab einem Volumen von 4 TB eine Reihe von Hardwaremerkmalen von der Exos-Serie übernommen, die zu einer höheren Ausfallsicherheit beitragen. Der Block der magnetischen Platten jedes Festplattenspeichers ist in zwei Ebenen ausgewogen, und die Sensoren für Rotationsvibrationen garantieren einen stabilen Betrieb in einem Rack-Speicher-System oder einem eigenständigen NAS mit bis zu acht Festplattenschächten. IronWolf ist für einen moderaten Betriebsmodus mit einer geplanten Belastung von 180 TB/Jahr ausgelegt und hat eine MTBF von 1 Million Stunden. Folglich ist auch die Garantiedauer für IronWolf nicht so lang wie bei schwereren Modellen im Seagate-Katalog – drei Jahre.

Unter der Marke S300 hat das japanische Unternehmen Toshiba eine Serie von Speichermedien für Videosysteme auf den Markt gebracht – diesen Festplatten ist ebenfalls ein eigenes Überblick Auf den Seiten von 3DNews. Durch die Erweiterung des ATA Streaming Command Set garantieren die älteren Modelle Toshiba S300 eine gleichzeitige Videoaufnahme von 64 Überwachungskameras, sind aber im Grunde typische Speicher für NAS und DAS, die 24/7 betrieben werden können und eine anständige Lebensdauer bis zum Ausfall haben: wie bei IronWolf beträgt sie 1 Million Stunden, und die Garantiezeit beträgt ebenfalls drei Jahre. Dank der konstruktiven Vorteile des S300-Gehäuses - der Befestigung der Spindel von beiden Seiten und der aktiven Kompensation von Rotationsvibrationen - ist der Einbau von mehr als acht solcher Geräte in ein Rack oder ein eigenständiges NAS möglich.

Das Modell S300, das zum Vergleich mit den Neuheiten mit 14–16 TB ausgewählt wurde, basiert auf dem Gehäusedesign der Serverfestplatten MD06ACA-V und enthält sieben magnetische Platten, während die Spezifikationen des Geräts eine für moderne Hochkapazitäts-HDDs typische zufällige Lese-/Schreibgeschwindigkeit von 248 MB/s angeben. Von den Technologien, die in den Toshiba-Serverfestplatten eingesetzt werden, um die Latenz zu reduzieren, hat S300 nur die Funktion des dynamischen Cache behalten.

Im Gegensatz zu allen anderen getesteten Teilnehmern kommt S300 selbst mit einem dichten Stapel aus sieben Platten ohne Helium aus und ist in einem standardmäßigen belüfteten Gehäuse untergebracht. Offenbar ist das der Grund, warum das 10-TB-Modell den höchsten Energieverbrauch in der zusammenfassenden Tabelle der Testspezifikationen aufweist; dieser Parameter ist, obwohl er für die Administratoren von Rechenzentren allein wichtig ist, direkt für die Temperatur der HDD entscheidend. Den tatsächlichen Energieverbrauch des S300 werden wir noch selbst überprüfen, aber vorerst nehmen wir diesen Punkt zur Kenntnis.

Quelle: 3dnews.ru