{"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 Speicherung von HDDs: einfach erkl\u00e4rt","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\"Technologien
\nDie erste Festplatte der Welt, der IBM RAMAC 305, die 1956 auf den Markt kam, hatte gerade einmal 5 MB Speicherkapazit\u00e4t, wog jedoch 970 kg und hatte die Gr\u00f6\u00dfe eines industriellen K\u00fchlschranks. Moderne Unternehmens-Flaggschiffe k\u00f6nnen bereits mit einer Kapazit\u00e4t von bis zu 20 TB aufwarten. Stellen Sie sich vor: Vor 64 Jahren h\u00e4tte man mehr als 4 Millionen RAMAC 305 ben\u00f6tigt, um eine derartige Datenmenge zu speichern, und die daf\u00fcr n\u00f6tigen Rechenzentren w\u00e4ren \u00fcber 9 Quadratkilometer gro\u00df gewesen. Heute reicht daf\u00fcr ein kleines K\u00e4stchen, das gerade einmal 700 Gramm wiegt! Ein Gro\u00dfteil des unglaublichen Anstiegs der Speicherdichte ist auf die Weiterentwicklung der Magnetaufzeichnungstechniken zur\u00fcckzuf\u00fchren.<\/a><\/noindex>
\nEs ist schwer zu glauben, aber das Grundprinzip der Festplattentechnologie hat sich seit fast 40 Jahren nicht ver\u00e4ndert. Seit 1983, als die erste 3,5-Zoll-Festplatte RO351 von dem schottischen Unternehmen Rodime auf den Markt kam, hat sich kaum etwas Grundlegendes ge\u00e4ndert: Diese kleine Festplatte verf\u00fcgte \u00fcber zwei magnetische Platten mit jeweils 10 MB, was bedeutete, dass sie doppelt so viele Daten speichern konnte wie die aktualisierte ST-412 mit 5,25 Zoll, die Seagate im selben Jahr f\u00fcr die IBM-PCs 5160 herausbrachte.<\/p>\n

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

Trotz ihrer Innovationskraft und kompakten Gr\u00f6\u00dfe war die RO351 zum Zeitpunkt ihrer Markteinf\u00fchrung kaum gefragt. Alle weiteren Versuche von Rodime, sich auf dem Festplattenspeichermarkt zu etablieren, scheiterten, was 1991 zur Schlie\u00dfung des Unternehmens f\u00fchrte, das nahezu alle Verm\u00f6genswerte verkaufte und die Belegschaft auf ein Minimum reduzierte. Doch Rodime war nicht bestimmt, insolvent zu werden: Bald darauf wandten sich die gr\u00f6\u00dften Festplattenhersteller an sie, um eine Lizenz f\u00fcr die Nutzung des von den Schotten patentierten Formfaktors zu erwerben. Heute ist der 3,5-Zoll-Formfaktor der allgemein akzeptierte Standard f\u00fcr die Produktion sowohl von Verbraucher-HDDs als auch von Unternehmensspeichern.<\/p>\n

Mit dem Aufkommen von neuronalen Netzen, Deep Learning und dem Internet der Dinge (IoT) w\u00e4chst das Volumen der von der Menschheit erzeugten Daten explosionsartig. Sch\u00e4tzungen des Analystenhauses IDC zufolge wird die Menge an Informationen, die sowohl von Menschen als auch von uns umgebenden Ger\u00e4ten generiert wird, bis 2025 175 Zettabyte (1 ZB = 10^21 Bytes) erreichen. Zum Vergleich, im Jahr 2019 belief sich dieser Wert auf 45 ZB, 2016 waren es 16 ZB und im fernen Jahr 2006 \u00fcberschritt das gesamte Datenvolumen in der bisherigen Geschichte nicht einmal 0,16 (!) ZB. Mit der Bew\u00e4ltigung dieser Informationsflut helfen moderne Technologien, zu denen auch verbesserte Methoden der Datenspeicherung geh\u00f6ren.<\/p>\n

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

\nDer Funktionsprinzip von Festplatten ist relativ einfach. D\u00fcnne metallische Platten, die mit einer Schicht aus ferromagnetischem Material beschichtet sind (ein kristallines Material, das Magnetisierung selbst ohne \u00e4u\u00dferes Magnetfeld bei Temperaturen unterhalb der Curie-Temperatur speichern kann), bewegen sich relativ zu einem Schreibkopfblock mit hoher Geschwindigkeit (5400 U\/min oder mehr). Bei Anlegen eines elektrischen Stroms an den Schreibkopf entsteht ein wechselndes Magnetfeld, das die Richtung des Magnetisierungsvektors in den Dom\u00e4nen (diskrete Bereiche des Materials) des Ferromagneten ver\u00e4ndert. Das Auslesen der Daten erfolgt entweder durch das Ph\u00e4nomen der elektromagnetischen Induktion (die Bewegung der Dom\u00e4nen relative zum Sensor erzeugt einen alternierenden elektrischen Strom) oder durch den riesigen magnetoresistiven Effekt (die elektrische Widerstands\u00e4nderung des Sensors unter dem Einfluss eines Magnetfelds), wie es in modernen Speichermedien realisiert wird. Jede Dom\u00e4ne kodiert ein Bit Information, wobei sie den logischen Wert \u201e0\u201c oder \u201e1\u201c je nach Richtung des Magnetisierungsvektors annimmt.<\/p>\n

\u00dcber viele Jahre verwendeten Festplatten die Methode der longitudinalen magnetischen Aufzeichnung (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), bei der der Magnetisierungsvektor der Dom\u00e4nen in der Ebene der Magnetplatte lag. Trotz der relativen Einfachheit der Implementierung hatte diese Technologie einen wesentlichen Nachteil: Um die Koerzitivit\u00e4t (den \u00dcbergang magnetischer Partikel in einen Einheitsdom\u00e4nzustand) zu \u00fcberwinden, musste zwischen den Spuren ein erheblicher Pufferraum (das sogenannte Guard Space) gelassen werden. Dies f\u00fchrte dazu, dass die maximale Aufzeichnungsdichte, die am Ende dieser Technologie erreicht werden konnte, lediglich 150 Gbit\/dm\u00b2 betrug.<\/p>\n

\"Technologien
\nIm Jahr 2010 wurde LMR praktisch vollst\u00e4ndig von PMR (Perpendicular Magnetic Recording \u2014 senkrechte magnetische Aufzeichnung) verdr\u00e4ngt. Der Hauptunterschied dieser Technologie zur longitudinalen magnetischen Aufzeichnung besteht darin, dass der Magnetisierungsvektor jeder Dom\u00e4ne unter einem Winkel von 90\u00b0 zur Oberfl\u00e4che der Magnetplatte angeordnet ist, was es erm\u00f6glichte, den Abstand zwischen den Spuren erheblich zu verringern. <\/p>\n

Durch diese Technologie konnte die Datendichte deutlich erh\u00f6ht werden (bis zu 1 Tbit\/inch\u00b2 in modernen Ger\u00e4ten), ohne dabei die Geschwindigkeit und Zuverl\u00e4ssigkeit der Festplatten zu beeintr\u00e4chtigen. Derzeit ist die senkrechte Magnetaufzeichnung die dominierende Technologie auf dem Markt, weshalb sie auch h\u00e4ufig als CMR (Conventional Magnetic Recording \u2014 herk\u00f6mmliche Magnetaufzeichnung) bezeichnet wird. Es ist wichtig zu verstehen, dass es zwischen PMR und CMR keinen wesentlichen Unterschied gibt \u2014 es handelt sich lediglich um eine andere Bezeichnung.<\/p>\n

\"Technologien
\nWenn Sie die technischen Spezifikationen moderner Festplatten untersuchen, k\u00f6nnten Sie auf die geheimnisvolle Abk\u00fcrzung TDMR sto\u00dfen. Insbesondere wird diese Technologie in Unternehmensspeichermedien eingesetzt. Western Digital Ultrastar der 500er-Serie<\/a><\/noindex>. Physikalisch betrachtet unterscheidet sich TDMR (was f\u00fcr Two Dimensional Magnetic Recording \u2014 zweidimensionale Magnetaufzeichnung steht) nicht von dem uns vertrauten PMR: wie zuvor haben wir es mit nicht \u00fcberlappenden Spuren zu tun, deren Bereiche senkrecht zur Oberfl\u00e4che der magnetischen Platten ausgerichtet sind. Der Unterschied zwischen den Technologien liegt im Ansatz zur Informationsauslesung.<\/p>\n

In den magnetischen Kopfbl\u00f6cken von Festplatten, die mit der TDMR-Technologie hergestellt wurden, gibt es f\u00fcr jeden Schreibkopf zwei Lesesensoren, die gleichzeitig Daten von jedem zur\u00fcckgelegten Track lesen. Diese Redundanz erm\u00f6glicht es dem HDD-Controller, elektromagnetische St\u00f6rungen, die durch die Intertrack-Interferenz (Intertrack Interference, ITI) verursacht werden, effizient zu filtern.<\/p>\n

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

    \n
  1. Die Reduzierung des St\u00f6rfaktors erm\u00f6glicht eine h\u00f6here Datendichte, indem der Abstand zwischen den Tracks verringert wird, was zu einer Gesamtkapazit\u00e4tssteigerung von bis zu 10 % im Vergleich zu herk\u00f6mmlichem PMR f\u00fchrt;<\/li>\n
  2. In Kombination mit der RVS-Technologie und einem dreipositionierten Mikroaktuator kann TDMR effektiv gegen Rotationsvibrationen, die durch den Betrieb von Festplatten verursacht werden, entgegenwirken. Dies hilft, ein stabiles Leistungsniveau selbst unter den anspruchsvollsten Betriebsbedingungen zu erreichen.<\/li>\n<\/ol>\n

    <\/p>\n

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

    \nDie Gr\u00f6\u00dfe des Schreibkopfs ist etwa 1,7 Mal gr\u00f6\u00dfer als die des Lesesensors. Dieser signifikante Unterschied l\u00e4sst sich einfach erkl\u00e4ren: Wenn man das Schreibmodul noch kompakter gestaltet, reicht die St\u00e4rke des erzeugten Magnetfelds nicht aus, um die Dom\u00e4nen der ferromagnetischen Schicht zu magnetisieren, was bedeutet, dass die Daten einfach nicht gespeichert werden k\u00f6nnen. Bei dem Lesesensor stellt sich dieses Problem nicht. Dar\u00fcber hinaus erm\u00f6glicht seine Miniaturisierung, den Einfluss des zuvor erw\u00e4hnten ITI auf den Lesevorgang weiter zu reduzieren.<\/p>\n

    Diese Tatsache bildet die Grundlage f\u00fcr die Schindelmagnetaufzeichnung (Shingled Magnetic Recording, SMR). Lassen Sie uns zusammen erkunden, wie das funktioniert. Bei herk\u00f6mmlichem PMR bewegt sich der Schreibkopf im Vergleich zu jedem vorherigen Track um einen Abstand, der der Breite des Schreibkopfs plus der Breite des Schutzraums (guard space) entspricht.<\/p>\n

    \"Technologien
    \nBeim Einsatz der Schindelaufzeichnungs-Methode bewegt sich der Schreibkopf nur um einen Teil seiner Breite nach vorne, wodurch jeder vorherige Track teilweise vom folgenden \u00fcberschrieben wird: Die magnetischen Spuren \u00fcberlagern sich wie Dachziegel. Dieser Ansatz erm\u00f6glicht eine zus\u00e4tzliche Erh\u00f6hung der Aufzeichnungsdichte, wodurch die Kapazit\u00e4t um bis zu 10 % gesteigert wird, ohne dass dies den Leseprozess beeintr\u00e4chtigt. Ein Beispiel daf\u00fcr ist     Western Digital Ultrastar DC HC 650<\/a><\/noindex> \u2014 die ersten 3,5-Zoll-Laufwerke der Welt mit einer Kapazit\u00e4t von 20 TB und SATA\/SAS-Schnittstelle, deren Entwicklung dank der neuen Magnetaufzeichnungstechnologie erst m\u00f6glich wurde. So erm\u00f6glicht der Wechsel zu SMR-Laufwerken eine h\u00f6here Datenspeicherdichte in denselben Racks bei minimalen Kosten f\u00fcr die Modernisierung der IT-Infrastruktur.<\/p>\n

    \"Technologien
    \nTrotz des erheblichen Vorteils hat SMR einen klaren Nachteil. Da die magnetischen Spuren \u00fcbereinandergelegt werden, erfordert die Aktualisierung von Daten nicht nur das \u00dcberschreiben des ben\u00f6tigten Fragmentes, sondern aller nachfolgenden Spuren innerhalb der magnetischen Platte, deren Kapazit\u00e4t 2 Terabyte \u00fcberschreiten kann. Dies kann zu erheblichen Leistungseinbu\u00dfen f\u00fchren.<\/p>\n

    Ein Ansatz zur L\u00f6sung dieses Problems besteht darin, eine bestimmte Anzahl von Spuren in separate Gruppen zu b\u00fcndeln, die als Zonen bezeichnet werden. Obwohl dieser Ansatz zur Datenspeicherung die Gesamtkapazit\u00e4t der HDD geringf\u00fcgig verringert (da zwischen den Zonen ausreichende Abst\u00e4nde eingehalten werden m\u00fcssen, um ein \u00dcberschreiben der Spuren aus benachbarten Gruppen zu verhindern), erm\u00f6glicht er eine signifikante Beschleunigung des Aktualisierungsprozesses, da nun nur eine begrenzte Anzahl von Spuren beteiligt ist.<\/p>\n

    \"Technologien
    \nDie scheibenf\u00f6rmige magnetische Aufzeichnung sieht mehrere Implementierungsvarianten vor:<\/p>\n