Kommentar: So verhält es sich wirklich mit Festplatten und SSDs Die HDD ist und bleibt das wichtigste Speichermedium im Rechenzentrum!

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Seagate Technology (Netherlands) BV (Germany Branch)

Rittal GmbH & Co. KG

Zum Thema Festplatten in Rechenzentren hat man in letzter Zeit einige gewagte Aussagen gehört: „Festplatten werden schon bald der Vergangenheit angehören“, „Reine Flash-Arrays werden schon bald die Festplatten und Hybrid-Arrays im Rechenzentrum ersetzen“ und „Das Rechenzentrum der Zukunft wird ausschließlich auf Flash basieren“. Wenn es danach geht, stehen HDDs im Rechenzentrum bald vor dem Aus. Ist das wirklich so?

Die Diskussion zur Zukunft der Festplatte ist nicht neu, sie läuft seit mehr als zehn Jahren. Wer der Festplatte das Grablied singt, setzt in der Regel auf Flash-Speicher. Sicher: Diese eignen sich sehr gut für Anwendungen, bei denen es auf hohe Leistung und Geschwindigkeit ankommt. Nicht umsonst steigt der Umsatz mit Flash ebenso wie der mit All-Flash-Arrays (AFA).

Flash im Fokus der Expertendiskussion

Das All-Flash-Rechenzentrum. Und was bedeutet Tape lebt?

Dennoch: Allein die enormen Datenvolumina, die mit der Omnipräsenz der Cloud und dem Aufkommen von Künstlicher Intelligenz (KI) einhergehen, lagern bis heute überwiegend auf Festplatten. Und auch in der Zeit, in der die Flash-Preise vorübergehend auf ein Allzeittief gefallen waren, haben Solid-State-Drives (SSDs) in Rechenzentren die Festplatten bei jenen Workloads, die Massenspeicher erfordern, nicht verdrängt.

Bislang: Kein sichtbarer Verdrängungseffekt durch All-Flash-Arrays

Im Gegenteil. Branchenanalysten gehen davon aus, dass Festplatten am meisten von dem anhaltenden Speicherwachstum im Exabyte (EB)-Bereich profitieren werden. Dieses Wachstum wird vor allem in Unternehmens- und großen Cloud-Rechenzentren stattfinden, wo bereits die große Mehrheit der weltweiten Daten gespeichert ist (siehe: Abbildung 1). Relativ gesehen wird für Festplattenspeicher ein Wachstum von 6.996 EB prognostiziert, während SSDs zwischen 2022 und 2027 um 1.363 EB zulegen werden.

In Rechenzentren haben sich Festplatten und Flash-Speicher mit ihren spezifischen Vorteilen bislang sehr gut ergänzt. In Zeiten generativer KI treiben eng mit Flash-Technologie gekoppelte Rechen-Cluster indirekt den Bedarf an weiteren Festplattenspeicher-Kapazitäten im Exabyte-Bereich voran, da die Inhalte kostensparend gespeichert werden müssen.

Vorläufiges Fazit: Festplatten sind alles, nur nicht veraltet.

Doch warum hält sich die vermeintlich einhellige Meinung so hartnäckig? Die Mythen, die dieser Meinung zugrunde liegen, nehmen stehen nachfolgend unter der Lupe.

Mythos 1: Die Preise von HDDs und SSDs gleichen sich an

Der Mythos: Die Preise für SSDs werden sich bald den Preisen für Festplatten angleichen. Wird das so sein?

Nein, in den nächsten zehn Jahren ist keine signifikante Annäherung zu erwarten - aus guten Gründen: Festplatten bieten einen deutlichen Kostenvorteil pro Terabyte (TB) gegenüber SSDs – ein entscheidendes Argument für Rechenzentrumsbetreiber.

Zudem prognostiziert das Analystenunternehmen Forward Insights bis 2025 einen Preisanstieg für SSDs. Der Preisunterschied pro Terabyte zwischen Enterprise-SSDs und Enterprise-Festplatten wird voraussichtlich bis mindestens 2027 bei einem Verhältnis von 6:1 oder darüber bleiben.

Dieses Preis-pro-TB-Gefälle zeigt sich besonders im Rechenzentrum, wo die Anschaffungskosten für Geräte den mit Abstand größten Teil der Gesamtbetriebskosten (TCO) ausmachen. Werden alle Kosten des Speichersystems berücksichtigt, einschließlich der Kosten für die Anschaffung von Geräten, Strom, Netzwerk und Rechenleistung, so weisen festplattenbasierte Systeme pro Terabyte gerechnet weitaus bessere TCO auf (siehe: Abbildung 3).

Um diese Unterschiede hinsichtlich der Gesamtbetriebskosten und Preisen zu umgehen, haben einige AFA-OEMs begonnen, ihre eigenen kundenspezifischen High-Density-NAND-Bausteine mit einer Kapazität von Hunderten von Terabytes zu entwickeln. Das Problem bei dieser Logik ist, dass eine dramatisch höhere NAND-Dichte in einem einzelnen Gerät oder System nichts an dem markanten Kostenunterschied pro Terabyte bei den Rohmedien ändert.

Eine weitere Strategie, die von den Nachteilen der Kosten pro Terabyte ablenken soll, hat mit den so genannten „TBe“ oder den „effektiven Terabytes“ zu tun. Es wurde festgestellt, dass ein Solid-State-Drive aufgrund von Techniken zur Datenreduzierung, zum Beispiel durch Datenkomprimierung, erheblich mehr Speicherplatz bieten kann, als es die reine Kapazität vermuten lässt.

Bei großen Rechenzentren findet die Datenreduzierung bereits vorher im Software-Stack statt, wodurch sie auf Speicherebene irrelevant wird. Außerdem ist eine Datenkomprimierung in den meisten Unternehmens- und Cloud-Anwendungsfällen angesichts der zunehmenden Konzentration auf Datenschutz und der Verschlüsselung oft nicht durchführbar.

Verschlüsselte Daten können nicht komprimiert werden, da ihre Informationsdichte so hoch ist, dass es kein Muster zur Vereinfachung gibt. Auch wenn sich Flash für spezifische und leistungsintensive Aufgaben bewährt hat, bleiben in Rechenzentren Festplatten das Mittel der Wahl, da sie für absehbare Zeit eine konkurrenzlos zuverlässige und wirtschaftliche Lösung darstellen.

Mythos 2: NAND kann die gesamte Festplattenkapazität ersetzen

Ein weiterer Mythos betrifft die Themen Angebot und Skalierung. Oft heißt es, das Angebot an NAND könne die gesamte Festplattenkapazität ersetzen.

Doch auch hier sieht die Realität anders aus. Der Ersatz von Festplatten durch NAND-Speicher würde enorme Investitionskosten verursachen. Allein eine signifikante Erhöhung der NAND-Industrie-Produktion würde die Branche glattweg überfordern und konkurrenzfähige Preise unmöglich machen.

Laut dem NAND Market Monitor-Bericht für das 4. Quartal 2023 des Branchenanalysten Yole Intelligence hat die gesamte NAND-Industrie von 2015 bis 2023 3,1 Zettabyte (ZB) ausgeliefert, während sie gleichzeitig ganze 208 Milliarden US-Dollar investieren musste – etwa 47 Prozent ihres Gesamtumsatzes.

Im Gegensatz dazu deckt die Festplattenindustrie den überwiegenden Teil – fast 90 Prozent – des Speicherbedarfs in Rechenzentren auf äußerst kapitalschonende Weise ab. Seagate hat beispielsweise im Zeitraum zwischen 2015 und 2023 3,5 ZB an Speicher ausgeliefert.

Das Investitionsvolumen

In diesen acht Jahren investierte Seagate insgesamt 4,3 Milliarden Dollar, was nur etwa fünf Prozent des gesamten Umsatzes mit Festplatten ausmachte. Das entspricht etwa 67 Milliarden Dollar pro ZB für die NAND-Branche gegenüber etwa einer Milliarde US-Dollar pro ZB für die Festplattenproduktion.

Die Festplatte ist somit das deutlich wirtschaftlichere Speichermedium für die Bereitstellung von Speicher im Zettabyte-Bereich in Rechenzentren. Seagates Analyse von Prognosen von IDC für Festplatten und von Forward Insights für SSDs zeigt, dass die Produktion von Festplatten im Exabyte-Bereich im Jahr 2024 fast dreimal so hoch sein wird wie die von SSDs. Im selben Jahr wird die Produktion von Festplatten im Exabyte-Bereich in Unternehmen und Rechenzentren sechsmal so hoch sein wie die von SSDs.

Die NAND-Industrie wird von 2025 bis 2027 etwa 73 Milliarden Dollar investieren. Das entspricht rund 76 Dollar pro TB an produziertem Flash-Speicher.

Bei Anwendung desselben Kapitalpreises pro Bit wären zusätzliche Investitionen in Höhe von 206 Milliarden Dollar erforderlich, um die für 2027 prognostizierte Festplattenkapazität von 2,723 ZB zu erreichen (siehe: Abbildung 4). Insgesamt sind das fast 279 Milliarden Dollar an Investitionen für einen Gesamtmarkt von etwa 25 Milliarden Dollar. Das klingt nicht nur unwahrscheinlich – das ist es auch. Dabei müsste die NAND-Industrie nicht nur die gesamte künftige Jahresproduktion neuer Festplatteninstallationen ersetzen, sondern auch erheblich investieren, um den alternden Teil dieser installierten Basis von 10 ZB an Festplatten für Rechenzentren am Ende ihres Lebenszyklus zu ersetzen.

Die Vorstellung, dass NAND-Speicher Festplatten in absehbarer Zeit vollständig ersetzen könnte, ist höchst unwahrscheinlich, wenn nicht gar unmöglich. Dazu müsste die Branche enorme finanzielle und logistische Hürden überwinden und große Summen an Kapital und Technik investieren, und zwar in einen Markt, der nicht auf eine große Umstellung der derzeitigen Rechenzentrumsarchitekturen vorbereitet ist.

Mythos 3: Moderne Workloads überfordern Festplatten

Ein ganz besonders zäher Mythos iost der folgende: Nur All-Flash-Arrays können den Leistungsanforderungen heutiger Workloads gerecht werden.

Richtig ist: Ein Enterprise-Speicher setzt sich in der Regel aus verschiedenen Medien wie Festplatten- oder Hybrid-Arrays, Flash- und Tape-Laufwerken zusammen. Oft werden reine Flash-Lösungen zur Vereinfachung oder auch zu einer vermeintlichen Zukunftssicherheit angepriesen.

Doch sieht die Wahrheit etwas anders aus. Unternehmen mit knappen Budgets und schnell wachsenden Datenbeständen müssen einen Kompromiss zwischen Kapazität, Kosten und Leistung finden – und die scheinbar einfache einstufige Speicherarchitektur ist eine „Lösung auf der Suche nach einem Problem“. Genauer: Die meisten Daten sind in der Cloud und in großen Rechenzentren gespeichert und folgen der Pareto-Regel: Die verfügbare Leistung wird nur von einem kleinen Anteil der Workloads in Anspruch genommen. Deshalb lag laut IDC in den letzten fünf Jahren der Anteil der Festplatten an der installierten Speicherbasis von Cloud-Service-Anbietern und Hyperscale-Rechenzentren bei 90 Prozent.

Wie sehen Kompromisse aus?

Zudem gibt es hybride Speichersysteme, die vergleichbar oder sogar schneller sind als reine Flash-Systeme. Auch werden die signifikanten Leistungsvorteile von Flash oft durch andere infrastrukturelle Gegebenheiten wie Netzwerkkapazität oder -qualität eingeschränkt. Insgesamt sind bei den meisten Entscheidungen zur Rechenzentrumsinfrastruktur die Gesamtbetriebskosten ausschlaggebend und es braucht einen entsprechenden Kompromiss. Festplatten und Hybrid-Arrays aus Festplatten und SSDs eignen sich hervorragend für die meisten Unternehmen sowie für Cloud-Speicher und -Anwendungen.

Denn Flash-Speicher bietet zwar hervorragende Leistung in lese-intensiven Szenarien, allerdings nimmt die Langlebigkeit mit zunehmender Schreibaktivität ab. Over-Provisioning als Gegenmaßnahme ist mit Zusatzkosten verbunden.

Technologien wie Triple Level Cell (TLC) und Quad Level Cell (QLC) sorgen zwar dafür, dass Flash-Speicher datenintensive Workloads mit der Zuverlässigkeit einer Festplatte bewältigt, aber das ist nicht wirklich wirtschaftlich. Hier bieten Festplatten mit ihrer wachsenden Flächendichte pro Scheibe und immer höherer Speicherkapazität eine kostengünstigere Lösung. Zwar übernimmt QLC-Flash einen beträchtlichen Prozentsatz des TLC-Marktes, aber aufgrund von Kosten, Verfügbarkeit und Workload wird der Marktanteil von Festplatten nicht erodieren.

Kommentar zum Artikel: „Flash im Fokus der Expertendiskussion“

Flash im Diskurs: Warum das All-Flash-Rechenzentrum unmittelbar bevorsteht

Darüber hinaus behaupten Flash-Befürworter, dass die Verwendung eines einzigen Speichertyps einer Mischung verschiedener Medien und Speicherschichten vorzuziehen sei. Viele hybride Speichersysteme nutzen eine bewährte softwaredefinierte Architektur, die alle Stärken der unterschiedlichen Medien produktiv nutzt. Scale-Out-Architekturen für Rechenzentren von Private- oder Public-Clouds bieten eine völlig ausreichende Flexibilität und erlauben Unternehmen die Anpassung ihrer Speicherkapazität an veränderliche Anforderungen.

Flash eignet sich für Workloads, für die sich Festplatten nicht eignen. Beide Medien werden im Rechenzentrum koexistieren, wobei Festplatten hinsichtlich der auf absehbare Zeit gespeicherten Exabytes weiterhin den Großteil ausmachen werden.

Fazit: Kein Rechenzentrum ohne Festplatten

Die Preise für NAND und Festplatten werden sich in absehbarer Zeit nicht annähern. Vor allem nicht aufgrund der gesteigerten Speicherdichte je Scheibe bei Festplatten mit der HAMR-Technologie, die beispielsweise bei der „Mozaic 3+“-Plattform von Seagate zum Einsatz kommt.

Zudem werden NAND-Hersteller ihre Produktionskapazitäten nicht skalieren können, um die aktuelle und künftige Nachfrage nach Speicherkapazität im Exabyte-Bereich zu erfüllen. Aufgrund der erforderlichen Investitionen ist es für AFA-Anbieter unmöglich, sowohl ein ausreichendes Angebot als auch eine günstigere Speicherkapazität anzubieten.

Betreiber großer Cloud- und Rechenzentren sind pragmatisch und verstehen, dass Scale-Out-Speicherarchitekturen eine Kombination von Speichermedien erfordern, die für die Budget-, Kapazitäts- und Leistungsanforderungen ihrer Workloads optimiert sind. Festplatten werden daher im Rechenzentrum nicht verschwinden, sondern auch in Zukunft den größten Teil der Daten weltweit speichern.

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