Western Digital OptiNAND-HDDs Höhere Datendichte mit iNAND-Flash

Autor: Klaus Länger

Bei der OptiNAND-Technologie von Western Digital hilft ein integrierter NAND-Flash-Baustein der internen HDD-Architektur auf die Sprünge. Er ermöglicht eine höhere Dichte der Tracks auf den Magnetplatten und soll noch in diesem Jahrzehnt zu 50-TB-HDDs führen.

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Im Gegensatz zu Hybrid-Festplatten wird der NAND-Flash bei der OptiNAND-Technik von Western Digital nicht als Cache für Daten verwendet, sondern primär als Speicher für Metadaten. Diese verwendet der SoC in der HDD für eine präzisere Positionierung des Schreib-Kopfes. So können Dichte und Kapazität der Tracks erhöht werden.
Im Gegensatz zu Hybrid-Festplatten wird der NAND-Flash bei der OptiNAND-Technik von Western Digital nicht als Cache für Daten verwendet, sondern primär als Speicher für Metadaten. Diese verwendet der SoC in der HDD für eine präzisere Positionierung des Schreib-Kopfes. So können Dichte und Kapazität der Tracks erhöht werden.
(Bild: Western Digital)

Festplatten mit integriertem NAND-Flash hat es schon mal gegeben. Allerdings wurde bei diesen Hybrid-Festplatten eine kleine SSD als Cache für die HDD genutzt. Diese oft in Notebooks verwendeten SSHDs waren komplex und langsamer als erhofft. Daher sind sie bei fallenden SSD-Preisen schnell vom Markt verschwunden. Dagegen haben reine HDDs mit hoher Kapazität immer noch ihre Berechtigung, vor allem in NAS-Systemen für Privatanwender oder kleinere Unternehmen und natürlich im Datacenter für das Speichern großer Datenmengen. Denn bei den Kosten pro Terabyte können SSDs immer noch nicht konkurrieren.

Mit OptiNAND hat Western Digital nun eine Technologie entwickelt, bei der ein NAND-Baustein dafür genutzt wird, die Datendichte auf den Magnetplatten und damit die Kapazität der Festplatte zu steigern. Er speichert dabei keine Nutz-, sondern nur Metadaten, die der als Controller genutzte SoC benötigt, um die Schreibköpfe möglichst präzise zu positionieren. Western Digital setzt hier mit iNAND hauseigene UFS-Bausteine (Universal Flash Storage) ein, die Controller und Speicher auf einem Chip vereinen. Die Technologie will der Hersteller schrittweise im kompletten Festplattenportfolio einführen.

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Mehr Tracks pro Platter

Ein Problem von HDDs mit sehr hoher Kapazität pro Platter und entsprechend vielen Tracks und Sektoren ist die höhere Anzahl magnetischer Interferenzen mit benachbarten Sektoren (Adjacent Track Interference) beim Schreiben von Daten in einem Sektor. Diese erfordern bei herkömmlichen Platten einen regelmäßigen Refresh von Sektoren, da im DRAM nur wenig Platz für Metadaten wie die Anzahl der ATIs und die Position der Schreibköpfe ist. Daher wird auch nur die Position auf Track-Ebene gespeichert. Der iNAND-Chip kann viel mehr Metadaten speichern und auch die Position auf Sektorlevel ablegen. Damit kann die Zahl der ATI-Refreshs, also das Einlesen und erneutes Schreiben von Sektoren zur Vermeidung beschädigter Daten, deutlich verringert werden, was die Latenz verringert. Zudem speichern HDDs ohne OptiNAND weitere Metadaten direkt auf der Platte, was zusätzliche Zugriffe mit sich bringt und die nutzbare Kapazität verringert. Bei OptiNAND-HDDs werden diese Metadaten komplett im schnelleren iNAND abgelegt. Damit steigen Performance und Speicherplatz. Auch die Notwendigkeit von Cache-Flushes bei aktiviertem Schreibcache wird reduziert.

Laut Western Digital bringt der integrierte NAND-Chip auch ein Plus an Sicherheit. Denn im Falle eines plötzlichen Stromausfalls können hier nicht nur zwei MB an noch nicht geschriebenen Nutzerdaten gesichert werden, mehr Platz bietet der winzige serielle Flash herkömmlicher HDDs nicht, sondern bis zu 100 MB. Dabei nutzt die Platte die Rotationsenergie der sich noch drehenden Magnetplatten um Kondensatoren auf der Platte zu speisen, die es dem SoC ermöglichen, Daten im DRAM-Cache auf dem iNAND zu sichern.

Erste OptiNAND-Platte mit 20 TB

Eine erste OptiNAND-Festplatte mit ePMR-Technik und 20 TB Speicherkapazität liefert Western Digital bereits an ausgewählte Kunden aus. Ohne den Flash-Baustein schafft der Hersteller diese Kapazität nur bei SMR-Festplatten.
Eine erste OptiNAND-Festplatte mit ePMR-Technik und 20 TB Speicherkapazität liefert Western Digital bereits an ausgewählte Kunden aus. Ohne den Flash-Baustein schafft der Hersteller diese Kapazität nur bei SMR-Festplatten.
(Bild: Western Digital)

Eine erste 20-TB-Platte mit OptiNAND-Technologie liefert Western Digital bereits an ausgewählte Kunden aus. Sie nutzt mit ePMR (Energy-Assisted PMR) eine weitere Innovation von Western Digital zur Steigerung der Kapazität auf Bit-Ebene sowie die Triple-Stage-Actuator-Technik zur genaueren Positionierung der Köpfe. Dabei verfügt der Arm, der die Schreib-Lese-Köpfe trägt, über drei Drehpunkte. Bisher konnte Western Digital ePMR-HDDs mit maximal 18 TB Kapazität bei neun Plattern liefern. Mit OptiNAND steigt der Speicherplatz auf 20 TB, also 2,2 TB pro Magnetscheibe. Die Kapazität soll allerdings noch weiter steigen. Für die zweite Hälfte des Jahrzehnts verspricht Dr. Siva Sivaram, President Global Technology and Strategy bei Western Digital, ePMR-Festplatten mit 50 TB Kapazität. Zudem kann die OptiNAND-Technologie auch zusammen mit HAMR oder MAMR eingesetzt werden, um zukünftig noch größere Festplatten zu ermöglichen.

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