HDD, SSD und lebende Bakterien 16.03.2018, 14:50 Uhr

Die Evolution der Speichermedien

Rechenzentrenbetreiber setzen meist auf eine Mischung aus HDDs und SSDs. Kostengründe verhindern es, dass nur noch die schnelleren Flash-Speicher verwendet werden. Aber auch völlig neue Technologien werden derzeit von verschiedenen Einrichtungen erforscht.
Festplatte
(Quelle: Daniel Krason / Shutterstock.com )
Unter den Speichermedien geben aktuell Solid State Drives (SSDs) mit hohen Geschwindigkeiten den Ton an. Allerdings sind die Flash-Speicher im Moment auch noch recht teuer. Aus diesem Grund setzen gerade Betreiber von Rechenzentren weiterhin primär auf Hard Disk Drives (HDDs).
Der Cloud-Anbieter Backblaze erläutert, wo die Unterschiede zwischen den Technologien liegen, welche Spezifikationen es gibt und an welchen anderen Speichermöglichkeiten derzeit geforscht wird.

Entwicklungen der HDD

HDDs haben im Laufe der Jahre eine bemerkenswerte Entwicklung durchlaufen. Nicht nur konnten die Kosten binnen 60 Jahre um das Zweimilliardenfache gesenkt werden, sondern auch die Speicherdichte wurde erhöht. Damit konnte schlussendlich die Gesamtgrösse der HDDs extrem verringert werden.
Bei der Shingle-Technik werden die verschiedenen Spuren überlappend auf der Festplatte abgespeichert.
Quelle: Backblaze
Für eine besonders hohe Speicherdichte sorgt bei Festplatten derzeit das Shingled Magnetic Recording (SMR). Bei dieser Technik werden neue Spuren so geschrieben, dass sie zu einem Teil die zuvor geschriebene Magnetspur überlappen. Dadurch wird die ältere Spur schmaler und es passen mehrere davon nebeneinander als ohne Überlappung.
Damit sich die Magnetkörperchen auf der Platte jedoch nicht gegenseitig stören, mussten sie verkleinert werden. 2002 veröffentliche der Speichermedien-Spezialist Seagate deshalb eine Technologie mit dem Namen Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR). Dabei werden die Magnetteilchen mit einem Laser erhitzt und so entsprechend positioniert. Seagate glaubt, mit HAMR bis 2019 Speichermedien mit einer Kapazität von bis zu 20 TB auf den Markt bringen zu können.
Eine ganz ähnliche Methode hat auch der Mitbewerber Western Digital (WD) entwickelt. Statt eines Lasers kommen hier allerdings Mikrowellen zum Einsatz, die auf die Magnetteilchen einwirken. WDs Ziele für sein sogenanntes Microwave Assisted Magnetic Recording (MAMR) gehen sogar noch etwas über die von Seagate hinaus. Hier will man bis 2025 Festplatten mit bis zu 40 TB-Speicherkapazität schaffen.

Unterschiedliche Schnittstellen

Bei Speichermedien kommt es nicht ausschliesslich auf die Art und Weise an, wie Daten gespeichert werden, sondern auch darauf, über welche Schnittstelle sie übertragen werden.
Wie auch bei HDDs kommt bei SSDs oft Serial Advanced Technologie Attachment (SATA) zum Einsatz. Für den Privatgebrauch sind SATA-SSDs völlig ausreichend und gleichzeitig günstig. Allerdings unterstützen die Speicher keine besonders hohe Geschwindigkeit und haben eine vergleichsweise geringere Lebensdauer.
Für Rechenzentren hingegen greifen die Betreiber gerne auf SAS-Laufwerke zurück. SAS steht für Serial Attached SCSI und ermöglicht ein schnelleres wahlfreies Lesen und Schreiben als SATA.
Wird eine noch höhere Übertragungsgeschwindigkeit benötigt, bietet sich der Einsatz von PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) an. Der Datenfluss erfolgt hier über mehrere Kanäle, womit im Vergleich zu SATA oder SAS eine deutlich schnellere Datenübertragung möglich wird.

Flash-Speicher mit Kapazitätsproblemen

Anders als bei HDDs kommen bei SSDs keine Magnetteilchen zum Einsatz, um die Daten zu sichern. Vielmehr basieren SSDs auf nichtflüchtigem Flash-Speicher, was auch als NAND bezeichnet wird. Hierbei werden die Daten in physikalischen Speicherzellen abgelegt. Je nachdem, wie viele Datenbits in einer einzelnen Zelle Platz haben, wird eine andere Bezeichnung verwendet. Jüngst werden in sogenannten Quad Level-Cell (QLC) vier Bit in einer einzelnen Zelle gesichert.
Je mehr Bits in einer Zelle untergebracht sind, desto höher ist natürlich auch die Datendichte. Allerdings verlangsamt eine gesteigerte Dichte auch die Lese- und Schreibgeschwindigkeit. Dies liegt daran, dass so auch mehr zusätzliche Informationen und damit Ladezustände in einer Zelle sind.

Forschungen jenseits von HDD und SSD

Die etwa 50-Cent-Münzen grossen Scheiben sollen eine Speicherkapazität von 360 TByte besitzen.
Quelle: Backblaze
Wie das bei Technologien häufig der Fall ist, arbeiten verschiedene Forscher beziehungsweise Unternehmen bereits an völlig neuen Methoden, die nur noch wenig mit der aktuellen gemein haben. So will zum Beispiel ein Forscherteam der Harvard University eine Möglichkeit entwickeln, die sie Genom-Editing nennen. Dabei sollen Videos in lebenden Bakterien kodiert werden.
Die Wissenschaftler des Optoelectronics Research Center (ORC) der University of Southampthon hingegen bleiben immerhin bei nicht lebenden Materialien. Sie haben eine Methode entwickelt, fünfdimensionale (5D) digitale Daten auf sogenannten Arch Mission Quartz Crystall Disks zu speichern. Diese Scheiben, etwa von der Grösse eines Einfränklers, sollen bis zu 360 TB Daten speichern können und eine theoretische Lebensdauer von 14 Milliarden Jahren haben. Geschrieben werden die Daten hierbei mithilfe einer Laser-Nanostrukturierung in Quarzglas.
Bis diese und ähnliche Entwicklungen aber tatsächlich zum Einsatz kommen beziehungsweise der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden, vergehen vermutlich noch einige Jahre. So lange setzen Betreiber von Rechenzentren wie Backblaze auf eine Kombination aus HDDs und SSDs. Die aktuell noch recht hohen Kosten verhindern es, dass ausschliesslich SSDs verwendet werden. Derzeit kommen die Flash-Speicher vor allem für Caching und Restoring zum Einsatz.


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