Festplatten-Fortschritte Der Weg zu 140 TB: Die radikale Evolution der Festplatte

Anbieter zum Thema

Toshiba Europe GmbH

Seagate Technology (Netherlands) BV (Germany Branch)

Western Digital Corporation

FAULHABER Antriebssysteme

ET System electronic GmbH

Der Datenhunger durch KI-Workloads zwingt Hyperscaler dazu, wieder mehr mit HDDs zu flirten. Western Digital will die Kapazität auf 140 TB hieven und präsentierte nun die Roadmap mit neuen Technologien dazu: Dual-Pivot-Aktorik oder eigener Laser-Lithografie sollen solche Dimensionen ermöglichen.

Die Festplatte galt lange als reines Datengrab: billig, kapazitätsstark, aber technologisch ausgereizt. Der längst etablierten SSD-Konkurrenz in vielerlei unterlegen – allen voran in der Transferleistung. Doch im KI-Zeitalter, welches SSD, DRAM und Flash-Zellen allgemein aufsaugt wie schwarzes Loch, erfährt die gute alte Magnetplatten-Architektur eine fundamentale Neubewertung. KI-Systeme benötigen nicht nur schnelle GPUs für das Training, sondern ein massives, ökonomisch skalierbares „Gedächtnis“ für die Inferenz-Historie. Jede Abfrage an ein KI-Modell generiert Kontextdaten, die gespeichert werden müssen, um das System lernfähig zu halten.

Für diese „Inference History“ ist Tape (ja, das gibt’s auch noch) zu langsam und Flash zu teuer. Die HDD besetzt hier die kritische Position als primäres Exabyte-Repository. Doch um in modernen KI-Clustern zu bestehen, muss sie ein grundlegendes Problem lösen: Das Missverhältnis zwischen steigender Kapazität und limitierter Schnittstellen-Bandbreite.

Bildergalerie

Das SATA-Paradoxon: Warum Flash ausgebremst wird

Ein bislang nicht angreifbares Argument der Flash-Befürworter war die Performance bei sinkenden Preisen. Letzteres ist nun hinfällig. Western Digital (WD) hält mit einer Analyse der Systemarchitektur dagegen, die als „SATA-Paradoxon“ bezeichnet werden kann.

In den riesigen Objektspeicher-Infrastrukturen der Hyperscaler (Object Stores) werden Laufwerke fast ausschließlich über die SATA-Schnittstelle angebunden. Diese limitiert den Durchsatz auf ca. 530 MB/s netto. Eine QLC-SSD mag intern zwischen Flash und Controller in Gigabytes pro Sekunde kommunizieren können. Aber sobald auch sie im SATA-Slot steckt, verpufft der Geschwindigkeitsvorteil am Interface-Flaschenhals. Natürlich gibt es längst schnellere Schnittstellen, aber NVME und Co. sind bei diesen Kapazitätsdimensionen noch zu teuer.

Für Rechenzentrumsbetreiber ergibt sich daraus eine ökonomische Irrationalität: Warum den zehnfachen Preis pro Kapazität für QLC-Flash zahlen, wenn die Systemarchitektur (SATA) die Performance auf ein Niveau deckelt, das mittlerweile auch HDDs erreicht haben? Zudem leiden QLC-SSDs bei den schreibintensiven Ingest-Workloads von KI-Systemen unter „Wear-out“ (Verschleiß), während HDDs, zumindest laut WD, konstante(re) Zuverlässigkeit bieten.

Die logische Konsequenz für WD: Nicht das Speichermedium muss gewechselt werden, sondern die HDD muss in der Lage sein, die SATA-Schnittstelle vollständig auszuschöpfen.

Kampf gegen „Stranded Capacity“: Mechanische Innovationen

Mit steigenden Kapazitäten (30, 40, 60 TB) entsteht das Risiko der „Stranded Capacity“: Speicherplatz, der zwar vorhanden ist, aber aufgrund von I/O-Engpässen nicht effizient genutzt werden kann. Soll heißen: die IOPS pro Terabyte sinken. Um dies zu verhindern, greift WD tief in die Mechatronik-Trickkiste:

Um den SATA-Bus komplett auszulasten, nutzt WD die Präzision des bewährten Triple Stage Actuators, um von mehreren Datenspuren (Tracks) simultan zu lesen oder zu schreiben. Das Ergebnis ist eine Verdopplung des sequenziellen Durchsatzes und eine 1,7-fache Steigerung bei Random Read/Write-Zugriffen. Perspektivisch sollen bis zu acht Spuren gleichzeitig adressiert werden können.

Die Umsetzung dieses Aktuators ist ein Lehrstück der Regelungstechnik: Da die Spurdichte (Tracks per Inch, TPI) bei modernen Laufwerken in die Hunderttausende geht, reicht ein einfacher Voice Coil Motor (VCM) nicht mehr aus, um mechanische Resonanzen und Vibrationen auszugleichen. WD setzt hier auf eine dreistufige Kaskade:

• 1. VCM (Voice Coil Motor): Übernimmt die grobe Positionierung des gesamten Arms über den gesamten Schwenkbereich.

• 2. Milli-Aktor: Ein Piezo-Element am Arm selbst, das für die Feinpositionierung und schnelle Korrekturen im mittleren Frequenzbereich zuständig ist.

• 3. Mikro-Aktor: Ein weiteres Piezo-Element, das direkt am Slider (dem Träger des Schreib-/Lesekopfes) sitzt. Dieser regelt hochfrequente Störungen aus und ermöglicht erst die extreme Präzision, die nötig ist, um bei Rotationgeschwindigkeiten von 7.200 U/min auf Nanometerebene die Spur zu halten. Und das nun parallel auf mehreren Plattenstapeln.

Dual Pivot: der IOPS-Beschleuniger

Die vielleicht radikalste mechanische Neuerung ist die „Dual Pivot“-Architektur. Anstatt alle Schreib-/Leseköpfe über einen einzigen Drehpunkt zu bewegen, setzt WD zwei separate Aktuatoren auf zwei unabhängigen Drehpunkten ein.

• Der Effekt: Doppelte Transaktionen pro Sekunde (IOPS) und eliminiert Vibrationseffekte, da sich die Impulskräfte der gegenläufigen Armbewegungen teilweise kompensieren können.

• Das Besondere: Im Gegensatz zu früheren Multi-Aktuator-Versuchen der Industrie passt das Dual-Pivot-Design in den bestehenden 3,5-Zoll-Formfaktor und erfordert keine Änderungen am Chassis oder der Stromversorgung („Drop-in Replacement“).

Die optische Wende: VCSEL-Laser und Wafer-Level-Testing

Während die Mechanik die Geschwindigkeit sichert, sorgt die Materialwissenschaft für die Dichte. WD setzt voll auf HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording), differenziert sich aber durch eine hohe vertikale Integration: Die Laser werden selbst gefertigt.

Hier kommt die VCSEL-Technologie (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) zum Einsatz, die herkömmlichen kantenemittierenden Lasern (Edge Emitters) in der Fertigung überlegen ist:

• Bauform & Thermik: VCSEL-Module sind kleiner und thermisch effizienter. Dies ist entscheidend, um den „Head-Media-Spacing“ (Abstand Kopf zu Platte) minimal zu halten und thermische Ausdehnungseffekte am Schreibkopf zu minimieren.

• Wafer-Level Testing: Ein entscheidender Vorteil für Prozessingenieure. Da der Laser vertikal abstrahlt, kann seine Funktion bereits auf dem Wafer getestet werden, bevor dieser zerschnitten wird. Bei Kantenemittern ist dies erst nach der Vereinzelung möglich. Das steigert die Ausbeute (Yield) massiv und senkt die Kosten pro Einheit.

Die Mathematik der 140 Terabyte

Die Miniaturisierung durch VCSEL ermöglicht es WD, mehr Platter (Scheiben) in das 3,5-Zoll-Gehäuse zu packen.

• Heute: 10 bis 11 Platter.

• Roadmap: Bis zu 14 Platter sind durch die neuen Laser möglich.

• Dichte: Ziel ist eine Flächendichte von 10 TB pro Platter bis 2028.

• Kapazität: 10 TB x 14 Platter = 140 TB pro Laufwerk.

Cool Tier: Energieeffizienz durch optimierte Drehzahl

In modernen Rechenzentren ist der Energieverbrauch (PUE-Wert) längst ein ebenso kritischer KPI wie die reine Speicherkapazität. KI-Datenbestände erzeugen nicht nur „Hot Data“ (Inferenz), sondern auch riesige Mengen an „Warm“ oder „Cool Data“, auf die seltener zugegriffen wird, die aber dennoch nicht auf Tape ausgelagert werden können, da die Zugriffszeiten im Millisekundenbereich bleiben müssen.

WD adressiert diesen „Cool Tier“ mit einer neuen Laufwerksgeneration, die Energieeffizienz als primären Designparameter nutzt. Durch eine Optimierung der Firmware und Motorsteuerung – faktisch eine Absenkung der Drehzahl – sinkt der Energieverbrauch um signifikante 20 Prozent. Der Trade-off ist dabei kalkuliert: Die sequentielle Transferrate sinkt lediglich um 5 bis 10 Prozent. Für massive Object Stores, bei denen die Netzwerklatenz oft dominanter ist als die reine Plattenmechanik, ist dies ein attraktiver Tausch, der die Total Cost of Ownership (TCO) drastisch senkt.

Schnittstelle zur Software: Open API statt Black Box

Jahrzehntelang war die Festplatte für das Betriebssystem eine „Black Box“: Das OS sendete logische Blockadressen (LBA), und der Controller der Platte entschied intransparent, wo und wie diese Daten physikalisch abgelegt wurden. In Zeiten von hochoptimierten Software-Defined-Storage-Stacks ist dieser Overhead unerwünscht.

WD treibt daher die Öffnung der Hardware-Schnittstelle mittels einer Open API voran. Ziel ist es, Technologien wie Zoned Namespaces (ZNS) und Host-Managed SMR (Shingled Magnetic Recording) auch für kleinere Cloud-Provider („NeoClouds“) zugänglich zu machen, ohne dass diese proprietäre Firmware-Stacks entwickeln müssen. Das Prinzip: Die Festplatte meldet ihre physische Geometrie (Zonen) an den Host. Das Dateisystem (z. B. btrfs oder f2fs) platziert Daten dann direkt sequenziell in die passenden Zonen. Dies eliminiert den internen Garbage-Collection-Overhead der Platte, reduziert die Write Amplification und sorgt für eine deterministische Latenz – ein entscheidender Faktor für Echtzeit-nahe KI-Anwendungen.

Die duale Roadmap: Risikominimierung für Hyperscaler

Trotz der HAMR-Fortschritte ist die Industrie konservativ. Eine Änderung der Speichertechnologie erfordert oft monatelange Re-Qualifizierungen der Software-Stacks. WD begegnet dem mit einer dualen Strategie:

• 1. ePMR (Energy-assisted Perpendicular Magnetic Recording): Im Gegensatz zu HAMR wird hier kein Laser verwendet, sondern elektrischer Strom („Bias Current“) am Schreibkopf angelegt. Dies erzeugt ein unterstützendes Magnetfeld, das den Schreibprozess stabilisiert („Jitter“ reduziert) und somit engere Spuren ermöglicht. Diese bewährte Technologie wird weiter ausgereizt: Aktuell qualifiziert WD die erste 40 TB ePMR-HDD (11 Platter). Für den Schritt auf 60 TB ist ein 12-Platter-Design vorgesehen. Dies dient als „Sicherheitsnetz“ für Kunden, die noch nicht auf HAMR wechseln wollen.

• 2. HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording): Parallel dazu läuft der Ramp-up von HAMR, der technologisch den Weg zu 100+ TB ebnet. Hierbei erhitzt ein mikroskopischer Laser am Schreibkopf das Medium punktuell für Nanosekunden. Diese kurzzeitige Erhitzung senkt die Koerzitivfeldstärke des magnetischen Materials drastisch, wodurch Daten auf wesentlich kleinere, thermisch stabilere Körner geschrieben werden können, was der Schlüssel zu extremen Flächendichten ist.

Da beide Technologien auf derselben mechanischen Plattform (Chassis, Firmware-Basis) aufsetzen, können Kunden ePMR- und HAMR-Laufwerke theoretisch im selben Rack mischen, ohne ihre Software-Architektur anpassen zu müssen.

„Stop! HAMR-Time!“: Neuer Frühling für die Festplatte?

Die Festplatte ist im KI-Zeitalter keineswegs ein Auslaufmodell, sondern steigt auf zur strategischen Komponente für skalierbare KI-Infrastrukturen. Die Innovationen rund um VCSEL-Laser und Dual-Pivot-Mechanik zeigen, dass die physikalischen Grenzen der Magnetspeicherung noch lange nicht erreicht sind. Vielmehr verschiebt Western Digital den Fokus von reiner Kapazität hin zu nutzbarer I/O-Performance, um dem „SATA-Paradoxon“ in Rechenzentren effektiv zu begegnen.

Während Flash-Speicher für Hot-Tier-Anwendungen unverzichtbar bleiben, festigt die HDD ihre Rolle als ökonomisches Rückgrat für die massiven Datenmengen der Inferenz-Historie und des Trainings. GPU für die Berechnung und HDD für die Datenhaltung werden damit zum Team für effiziente KI-Cluster der Zukunft. Der Weg zu 140 Terabyte ist somit nicht nur eine Roadmap-Notiz, sondern eine notwendige Bedingung, um das massive Datenwachstum der kommenden Jahre überhaupt noch wirtschaftlich abbilden zu können. (mc)

(ID:50705770)