SMR (Shingled Magnetic Recording) bringt mehr Speicherdichte

Die Welt wird immer datenintensiver: mobile Endgeräte, Streaming, Arbeiten in der Cloud und auf Servern. Der Datenverbrauch pro Haushalt soll schon bald bei einem Terabyte pro Monat liegen. Wie kann diese grenzenlose Nachfrage nach größerer Speicherkapazität gelöst werden? Die Antwort darauf könnte SMR lauten. Aber was verbirgt sich hinter Shingled Magnetic Recording, wie funktioniert diese neue Technologie und wie viel Speicherkapazität bringt sie?

Es schien lange so, dass Festplatten bei vier Terabyte erstmal am Limit sind. Größere Sprünge gab es ab da nicht mehr. Doch dann kam Shingled Magnetic Recording (oder kurz SMR), das sogar acht Terabyte-Festplatten ermöglicht – und bezahlbar macht. Das erstaunlichste an SMR-Festplatten ist ihre neue Flächendichte, wodurch sie über 25 Prozent mehr Speichervolumen bei gleicher physischer Größe bieten können.

Also, was ist SMR? Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich bei Shingled Magnetic Recording um eine Festplattentechnologie, bei der die Abstände zwischen den Spuren noch weiter verkleinert werden. Der englische Begriff Shingle bedeutet Schindel und gibt damit einen guten Eindruck davon, wie das Verfahren funktioniert. Denn die Spuren der SMR-Festplatte werden wie Dachschindel auf einem Haus übereinander geschichtet. Dadurch können mehr Daten auf demselben Raum geschrieben werden. Die Leseköpfe sind bei SMR wesentlich kleiner als die Schreibeinheiten, wodurch sie auch bei Überlappung der Spuren alle Daten lesen können.

Die Technologie ist noch neu, aber vielversprechend, und könnte schon bald den aktuellen Standard, das Perpendicular Magnetic Recording (PMR), ablösen. Bei diesem wird ein paralleles Spurlayout verwendet, bei dem die Pole der magnetischen Elemente (die Datenbits darstellen) senkrecht zur Oberfläche der Platte ausgerichtet werden. Magnetische Spuren werden ohne Überlappung nebeneinander geschrieben. Wer hier mehr Kapazität will, muss mehr Zoll in Kauf nehmen. Das unterstreicht nochmal das enorme Potenzial von Shingled Magnetic Recording. SMR ist eine Erweiterung von PMR und bietet eine verbesserte Flächendichte. Das Endprodukt sieht physisch genauso aus wie eine übliche PMR-Festplatte, hat aber eine viel höhere Kapazität im Innern. Die Änderung der Architektur bedeutet aber auch, dass die Benutzererfahrung mit einer SMR-Festplatte eine ganz andere ist.

SMR-Festplatten haben einen neuen Ansatz, um die physischen Grenzen einer gewöhnlichen Platte zu überwinden. Das fängt beim Lese- und Schreibkopf an, der relativ breit ist, sogar wesentlich breiter als die Spuren selbst. Seine Datenspuren schreibt er konsequent in sequentieller Form. Dabei werden Teile der Spuren überschrieben und weil diese überlappen, müssen auch jedes Mal die danebenliegenden Spuren überschrieben werden. Das hätte normalerweise zur Folge, dass die Änderung eines einzelnen Bytes, das Überschreiben der gesamten SMR-Festplatte erzwingen würde. Datenprozesse würden so langsam werden, dass Shingled Magnetic Recording völlig unbrauchbar wäre.

Damit das nicht passiert, werden beim SMR Spuren in sogenannten Bändern zusammengefasst. Dadurch ist die Überlappung der Spuren und damit ihr Überschreiben auf eine bestimmte Anzahl begrenzt. Zusätzlich hat jede Festplatte eine interne Pufferzone zum Zwischenspeichern sowie einen Cache. Auf diesen beiden Zwischenplätzen werden die Daten zuerst geschrieben und erst später an der richtigen Stelle auf der Spur eingetragen. Deshalb hört man die SMR-Festplatte häufig auch noch lange nach einem Schreibvorgang arbeiten.

Das System nutzt also ein sehr kräftiges Schreibelement, um sehr enge Spuren zu erzeugen, was zu der größeren Datendichte führt. Damit eignet sich SMR optimal für das kontinuierliche Schreiben von Daten auf die Festplatte in langen sequentiellen Schreibvorgängen.

Ein großer Nachteil von SMR ist, dass die noch sehr junge Technik nicht immer klar bei jeder Festplatte gekennzeichnet wird. Deshalb kommt es oft vor, dass Festplatten, die für den Einsatz im NAS gekennzeichnet wurden, in Wahrheit Shingled-Magnetic-Recording-Modelle sind. Prinzipiell kann eine SMR-Festplatte auch in NAS verwendet werden, aber bei wechselhaften Arbeitsanforderungen kommt die SMR aufgrund ihrer Konzeption schnell an ihre Grenzen.

Wer mehrere Festplattentypen nutzt, beispielsweise um einen Server mit SSD aufzustocken, sollte eine Kombination aus PMR und SMR vermeiden – hier gab es bei vereinzelten Herstellermodellen Probleme mit der Performance.

Theoretisch lässt sich SMR wie jede Festplatte einsetzen. So kann sie auch in FAT32 formatiert werden und unter Windows laufen. Die Datenrate ist im direkten Vergleich mit einer herkömmlichen PMR-Festplatte aus den oben genannten Gründen stark schwankend. Zumindest, sobald die Schreibzugriffe unregelmäßig erfolgen. Wenn die Prozesse mit der SMR-Festplatte linear ablaufen, besteht kein Geschwindigkeitsnachteil. Beim Lesen sind sogar keinerlei Unterschiede spürbar. Auch wenn Shingled Magnetic Recording im Vergleich zu anderen Speicherungstechniken besser als ihr Ruf abschneidet, die Vorherrschaft von SSD-Festplatten als Spiele- oder Programmlaufwerke kann sie nicht beenden. Doch für dieses Einsatzgebiet ist SMR auch nicht gedacht.

SMR ist dort optimal eingesetzt, wo das System kontinuierlich Daten auf die Festplatte schreibt. Diese langen sequentiellen Schreibvorgänge werden bei Serveranwendungen, Backup- und Archivdaten benötigt. Wie zum Beispiel als Cloud-Archive oder für Object Storage Architekturen.

Für den privaten Gebrauch, etwa als große Festplatte für den eigenen Rechner, sind sie aufgrund ihrer Hitze, ihrer Lautstärke und ihres hohen Stromverbrauchs nicht zu empfehlen. Das liegt am bereits erwähnten Reorganisationsmodus: Neue Daten werden zunächst auf einen leeren Bereich der Platte geschrieben, während auf der Originalspur die alten Daten vorübergehend erhalten bleiben. Wenn die SMR-Festplatte inaktiv wird, werden die alten Datenbits durch die neue ersetzt. Dafür braucht Shingled Magnetic Recording zwischendurch Leerlaufzeiten. Die Festplatte kann spürbar langsamer werden, wenn sie über längere Zeit ununterbrochen Daten auf zufällig verteilte Adressen schreiben muss, das sogenannte Random Write.

Hersteller von SMR-Festplatten wollen dem Problem mit einer Firmware entgegenwirken. Trotzdem bleiben für den privaten, normalen Gebrauch SSD-Festplatten die bessere Wahl, besonders seitdem sie immer günstiger in der Anschaffung werden.

Wer aber ein Datenarchiv auf seinem Server anlegen möchte, hat mit SMR eine (physisch) platzsparende, kostengünstige und zuverlässige Lösung dafür.