{"id":97879,"date":"2020-10-22T20:43:09","date_gmt":"2020-10-22T18:43:09","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/administrirovanie\/tehnologii-magnitnoj-zapisi-hdd-prosto-o-slozhnom"},"modified":"2020-10-22T20:43:09","modified_gmt":"2020-10-22T18:43:09","slug":"tehnologii-magnitnoj-zapisi-hdd-prosto-o-slozhnom","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/de\/blog\/administrirovanie\/tehnologii-magnitnoj-zapisi-hdd-prosto-o-slozhnom","title":{"rendered":"Technologien der magnetischen HDD-Aufzeichnung: einfach erkl\u00e4rt","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\"Technologien
\nDie erste Festplatte der Welt, IBM RAMAC 305, die 1956 auf den Markt kam, hatte nur 5 MB Speicherplatz, wog jedoch 970 kg und hatte die Ausma\u00dfe eines industriellen K\u00fchlschranks. Moderne Unternehmensflagships k\u00f6nnen bereits mit einer Kapazit\u00e4t von 20 TB aufwarten. Stellen Sie sich vor: Vor 64 Jahren w\u00e4ren zur Speicherung einer derartigen Datenmenge \u00fcber 4 Millionen RAMAC 305 n\u00f6tig gewesen, und die ben\u00f6tigten Rechenzentren h\u00e4tten eine Fl\u00e4che von \u00fcber 9 Quadratkilometern eingenommen, w\u00e4hrend heute bereits eine kleine Box mit einem Gewicht von etwa 700 Gramm ausreicht! Einem Gro\u00dfteil dieses unglaublichen Anstiegs der Speicherdichte verdanken wir den Verbesserungen in den Methoden der magnetischen Aufzeichnung.<\/a><\/noindex>
\nEs ist schwer zu glauben, aber das grundlegende Design von Festplatten hat sich seit fast 40 Jahren nicht ver\u00e4ndert, seit 1983, als die erste 3,5-Zoll-Festplatte RO351, entwickelt von der schottischen Firma Rodime, das Licht der Welt erblickte. Dieses kleine Ger\u00e4t hatte zwei magnetische Platten mit jeweils 10 MB, was bedeutete, dass es doppelt so viele Daten speichern konnte wie das aktualisierte ST-412 mit 5,25 Zoll, das Seagate im selben Jahr f\u00fcr die IBM 5160 Personal Computer herausbrachte.<\/p>\n

\"Technologien
\nRodime RO351 \u2014 die erste 3,5-Zoll-Festplatte der Welt<\/i><\/p>\n

Trotz seiner Innovativit\u00e4t und kompakten Gr\u00f6\u00dfe war der RO351 zum Zeitpunkt seines Erscheinens praktisch niemandem von Nutzen, und alle weiteren Versuche von Rodime, sich auf dem Festplattentechnologiemarkt zu etablieren, scheiterten, was im Jahr 1991 zur Schlie\u00dfung des Unternehmens f\u00fchrte, das fast alle seine Verm\u00f6genswerte ver\u00e4u\u00dferte und das Personal auf das Minimum reduzierte. Doch Rodime sollte nicht in den Konkurs gehen: Bald begannen die gr\u00f6\u00dften Festplattenhersteller, sich an das Unternehmen zu wenden, um Lizenzen f\u00fcr die Nutzung des von den Schotten patentierten Formfaktors zu erwerben. Heute sind 3,5 Zoll der allgemein akzeptierte Standard f\u00fcr die Herstellung sowohl von Consumer-HDDs als auch von Enterprise-Speicherl\u00f6sungen.<\/p>\n

Mit dem Aufkommen von neuronalen Netzen, Deep Learning und dem Internet der Dinge (IoT) hat das Volumen der von der Menschheit erzeugten Daten explosionsartig zugenommen. Laut einer Sch\u00e4tzung des Analyseunternehmens IDC wird bis 2025 die Menge an Informationen, die sowohl von Menschen als auch von den uns umgebenden Ger\u00e4ten generiert wird, 175 Zettabyte (1 ZB = 10^21 Byte) erreichen, w\u00e4hrend sie 2019 bei 45 ZB lag, 2016 bei 16 ZB und im Jahr 2006 der gesamte gesammelte Datenbestand in der gesamten verf\u00fcgbaren Geschichte nicht mehr als 0,16 (!) ZB betrug. Mit modernen Technologien, darunter ausgekl\u00fcgelte Methoden zur Datenspeicherung, gelingt es uns, die Informationsflut zu bew\u00e4ltigen.<\/p>\n

LMR, PMR, CMR und TDMR: Was ist der Unterschied?<\/h2>\n

\nDer Betrieb von Festplatten ist relativ einfach. D\u00fcnne metallene Platten, die mit einer Schicht ferromagnetischen Materials (einer kristallinen Substanz, die magnetisch bleibt, auch wenn sie keinem \u00e4u\u00dferen Magnetfeld unterliegt und bei Temperaturen unterhalb der Curie-Temperatur arbeitet) beschichtet sind, bewegen sich relativ schnell (5400 Umdrehungen pro Minute oder mehr) im Vergleich zum Schreibkopf. Wird ein elektrischer Strom an den Schreibkopf angelegt, entsteht ein wechselndes Magnetfeld, das die Richtung des Magnetisierungsvektors der Dom\u00e4nen (diskrete Bereiche des Stoffes) des Ferromagneten ver\u00e4ndert. Das Auslesen von Daten geschieht entweder durch das Ph\u00e4nomen der elektromagnetischen Induktion (die Bewegung der Dom\u00e4nen relativ zum Sensor erzeugt einen wechselnden elektrischen Strom im Sensor) oder durch den gigantischen magnetoresistiven Effekt (die elektrische Widerstand des Sensors \u00e4ndert sich unter dem Einfluss eines Magnetfeldes), wie es in modernen Speichermedien umgesetzt ist. Jede Dom\u00e4ne kodiert ein Bit von Informationen und nimmt je nach Richtung des Magnetisierungsvektors den logischen Wert \u201e0\u201c oder \u201e1\u201c an.<\/p>\n

lange Zeit verwendeten Festplatten das Verfahren der longitudinalen magnetischen Aufzeichnung (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), bei dem der Magnetisierungsvektor der Dom\u00e4nen in der Ebene der magnetischen Platte lag. Trotz der relativ einfachen Umsetzung hatte diese Technologie einen erheblichen Nachteil: Um die Koerzitivit\u00e4t (den \u00dcbergang magnetischer Partikel in den Einheitsdom\u00e4nenzustand) zu \u00fcberwinden, musste zwischen den Spuren eine betr\u00e4chtliche Pufferzone (so genanntes Guard Space) gelassen werden. Infolgedessen betrug die maximale Aufzeichnungsdichte, die am Ende dieser Technologie erreicht wurde, nur 150 Gbit\/dim\u00b2.<\/p>\n

\"Technologien
\nIm Jahr 2010 wurde LMR praktisch vollst\u00e4ndig durch PMR (Perpendicular Magnetic Recording - senkrechte magnetische Aufzeichnung) ersetzt. Der Hauptunterschied zwischen dieser Technologie und der longitudinalen magnetischen Aufzeichnung besteht darin, dass der Magnetisierungsvektor jeder Dom\u00e4ne in einem Winkel von 90\u00b0 zur Oberfl\u00e4che der magnetischen Platte angeordnet ist, was eine erhebliche Verringerung des Abstands zwischen den Spuren erm\u00f6glichte. <\/p>\n

Durch diese Ma\u00dfnahme konnte die Aufzeichnungsdichte erheblich gesteigert werden (bis zu 1 Tbit\/dim\u00b2 in modernen Ger\u00e4ten), ohne die Geschwindigkeitsmerkmale und die Zuverl\u00e4ssigkeit der Festplatten zu beeintr\u00e4chtigen. Derzeit ist die senkrechte magnetische Aufzeichnung auf dem Markt dominant, weshalb sie auch oft als CMR (Conventional Magnetic Recording - konventionelle magnetische Aufzeichnung) bezeichnet wird. Dabei ist zu verstehen, dass es zwischen PMR und CMR absolut keinen Unterschied gibt \u2013 es ist lediglich eine andere Bezeichnung.<\/p>\n

\"Technologien
\nWenn Sie die technischen Spezifikationen moderner Festplatten untersuchen, k\u00f6nnen Sie auch auf das mysteri\u00f6se Akronym TDMR sto\u00dfen. Insbesondere wird diese Technologie in Enterprise-Klasse-Speichern verwendet Western Digital Ultrastar der Reihe 500<\/a><\/noindex>. Aus physikalischer Sicht unterscheidet sich TDMR (was als Two Dimensional Magnetic Recording - zweidimensionale magnetische Aufzeichnung \u00fcbersetzt wird) nicht von dem uns vertrauten PMR: Wie zuvor haben wir es mit nicht \u00fcberlappenden Spuren zu tun, in denen die Dom\u00e4nen senkrecht zur Ebene der magnetischen Platten ausgerichtet sind. Der Unterschied zwischen den Technologien liegt im Ansatz zur Informationsauslesung.<\/p>\n

Im Block der magnetischen Schreibk\u00f6pfe von Festplatten, die nach der TDMR-Technologie hergestellt wurden, kommen auf jeden Schreibkopf zwei Lesesensoren, die gleichzeitig Daten von jedem durchlaufenen Track lesen. Diese Redundanz erm\u00f6glicht es dem HDD-Controller, elektromagnetische St\u00f6rungen, die durch zwischen Track-Interferenzen (Intertrack Interference, ITI) entstehen, effektiv herauszufiltern.<\/p>\n

\"Technologien
\nDie L\u00f6sung des ITI-Problems bietet zwei \u00e4u\u00dferst wichtige Vorteile:<\/p>\n

    \n
  1. Die Verringerung des St\u00f6rfaktors erm\u00f6glicht eine h\u00f6here Datendichte durch Verringerung des Abstands zwischen den Spuren, was eine Gesamtkapazit\u00e4tssteigerung von bis zu 10 % im Vergleich zu herk\u00f6mmlichen PMR erm\u00f6glicht;<\/li>\n
  2. In Kombination mit der RVS-Technologie und dem dreistufigen Mikroaktuator erm\u00f6glicht TDMR eine effektive Bek\u00e4mpfung der rotierenden Vibrationen, die durch den Betrieb der Festplatten verursacht werden, was hilft, ein stabiles Leistungsniveau selbst unter den schwierigsten Betriebsbedingungen zu erreichen.<\/li>\n<\/ol>\n

    <\/p>\n

    Was ist SMR und wie funktioniert es?<\/h2>\n

    \nDie Gr\u00f6\u00dfe des Schreibkopfes ist etwa 1,7 Mal gr\u00f6\u00dfer als die Gr\u00f6\u00dfe des Lesesensors. Dieser erhebliche Unterschied l\u00e4sst sich einfach erkl\u00e4ren: Wenn das Schreibmodul noch kompakter gestaltet wird, reichen die generierten Magnetfeldkr\u00e4fte nicht aus, um die Dom\u00e4nen der ferromagnetischen Schicht zu magnetisieren, was bedeutet, dass die Daten einfach nicht gespeichert werden. Bei dem Lesesensor tritt dieses Problem nicht auf. Dar\u00fcber hinaus erm\u00f6glicht eine Miniaturisierung des Lesesensors eine zus\u00e4tzliche Verringerung des Einflusses der oben erw\u00e4hnten ITI auf den Lesevorgang.<\/p>\n

    Diese Tatsache bildet die Grundlage f\u00fcr die schindelartige magnetische Aufzeichnung (Shingled Magnetic Recording, SMR). Lassen Sie uns herausfinden, wie das funktioniert. Bei der Verwendung von herk\u00f6mmlichem PMR wird der Schreibkopf relativ zu jedem vorherigen Track um einen Abstand verschoben, der gleich seiner Breite plus der Breite des Sicherheitsraums (guard space) ist.<\/p>\n

    \"Technologien
    \nBeim Einsatz der Plattendach-Magnetaufnahme wird der Schreibkopf lediglich um einen Teil seiner Breite vorw\u00e4rts verschoben, sodass jeder vorherige Track teilweise vom nachfolgenden \u00fcberschrieben wird: Die Magnetbahnen \u00fcberlappen sich wie Dachziegel. Dieser Ansatz erm\u00f6glicht es, die Datendichte zus\u00e4tzlich zu erh\u00f6hen und eine Kapazit\u00e4tssteigerung von bis zu 10 % zu erzielen, ohne dass sich dies auf den Lesevorgang auswirkt. Als Beispiel kann man anf\u00fchren     Western Digital Ultrastar DC HC 650<\/a><\/noindex> \u2014 die ersten 3,5-Zoll-Laufwerke der Welt mit 20 TB Kapazit\u00e4t und SATA\/SAS-Schnittstelle, deren Erscheinung gerade durch die neue Magnetaufzeichnungstechnologie m\u00f6glich wurde. Somit erm\u00f6glicht der Wechsel zu SMR-Laufwerken, die Datenspeicherdichte in denselben Racks bei minimalen Modernisierungskosten zu erh\u00f6hen.<\/p>\n

    \"Technologien
    \nTrotz dieses erheblichen Vorteils hat SMR auch einen offensichtlichen Nachteil. Da die Magnetbahnen \u00fcbereinander liegen, erfordert die Aktualisierung von Daten die Neuschreibung nicht nur des ben\u00f6tigten Abschnitts, sondern auch aller nachfolgenden Tracks innerhalb der Magnetplatte, deren Volumen 2 Terabyte \u00fcberschreiten kann, was zu einem erheblichen Leistungsabfall f\u00fchren kann.<\/p>\n

    Um dieses Problem zu l\u00f6sen, hilft die Zusammenfassung einer bestimmten Anzahl von Tracks in separierte Gruppen, die als Zonen bezeichnet werden. Obwohl dieser Ansatz zur Datenorganisation die Gesamtkapazit\u00e4t der HDD etwas verringert (da zwischen den Zonen ausreichend Abst\u00e4nde eingehalten werden m\u00fcssen, um das \u00dcberschreiben von Tracks aus benachbarten Gruppen zu verhindern), beschleunigt er den Aktualisierungsprozess erheblich, da jetzt nur eine begrenzte Anzahl von Bahnen beteiligt ist.<\/p>\n

    \"Technologien
    \nDie Plattendach-Magnetaufnahme sieht mehrere Varianten der Umsetzung vor:<\/p>\n