Toshiba beleuchtet Vorzüge moderner HDDs Wachsende Datenmengen nachhaltig speichern

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Festplatten sind für die Speicherung von Daten im Cloud-Zeitalter unverzichtbar, gelten aber als stromhungrig. Stimmt das überhaupt? Und wie lassen sich große Storage-Infrastrukturen mit Festplatten nachhaltiger betreiben?

Die Speicherung von Daten ist für viele Aspekte unserer modernen Welt ebenso unerlässlich wie der Schutz der Umwelt und des Klimas. Häufig scheint beides jedoch miteinander in Widerspruch zu stehen, da der überwiegende Teil der Daten in der Cloud auf Festplatten abgelegt ist, die in dem Ruf stehen, viel Strom zu verbrauchen. Aber warum sind Festplatten nach wie vor das Speichermedium der Wahl für große Cloud-Storages?

Daten sind heutzutage ungemein wertvoll. Man könnte sie als die Währung des 21. Jahrhunderts bezeichnen. Ihre Speicherung und sichere Aufbewahrung ist daher für Unternehmen, aber auch für die Gesellschaft enorm wichtig. Als Speichermedien stehen allerdings nur die drei Optionen Tape, Hard Disk Drive (HDD) und Solid State Drive (SSD) zur Verfügung, die ganz unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.

Tape eignet sich vor allem als Backup-Medium. Es ist sehr zuverlässig und kostengünstig, erlaubt aber nur vergleichsweise langsame Zugriffe, sodass es nicht als Medium für Cloud-Storages infrage kommt. Damit bleiben noch HDD und SSD, die sich unter dem Gesichtspunkt der Performance beide für Cloud-Storages eignen. Unterschiede gibt es beim Stromverbrauch und der Geschwindigkeit, wo SSDs im Vorteil sind, doch den Ausschlag geben letztlich die Kosten.

Schaut man sich die Speicherkosten pro Kapazitätseinheit an, fällt schnell auf, dass diese bei HDDs nur ein Siebtel der Speicherkosten von SSDs betragen. Schon seit Jahren fallen die Kosten beider Medien zudem in ähnlichem Maße. Daran wird sich nach aktuellen Prognosen auch erst einmal nichts ändern, sodass nicht zu erwarten ist, dass SSDs kurz- bis mittelfristig pro Kapazitätseinheit kostengünstiger als HDDs werden.

Aufgrund der enormen Größe von Cloud-Storages sind die Kosten das wichtigste Kriterium bei der Auswahl der Speichermedien, weshalb der größte Teil der Cloud-Storages weiterhin auf HDDs basiert. Dementsprechend wurden auch 2022 noch 88 Millionen Enterprise-HDDs mit 3,5 Zoll und 7.200 Umdrehungen pro Minute ausgeliefert, deren Gesamtkapazität bei 1.021 Exabyte lag – das ist rund eine Milliarde Terabyte. Zum Vergleich: Im gleichen Zeitraum wurden 66 Millionen Enterprise-SSDs mit einer Gesamtkapazität von 175 Exabyte ausgeliefert.

Der Stromverbrauch von Festplatten sinkt

Allein schon wegen der Größe von Cloud-Storages und der Anzahl der Platten ist der Stromverbrauch von Festplatten ein entscheidender Faktor für die Betreiber. Diese arbeiten mit der Angabe von Watt pro Terabyte (W/TB), da sich damit die Energie-Effizienz von Storage-Infrastrukturen leicht vergleichen lässt und sich Entwicklungen im Laufe der Zeit gut nachvollziehen lassen.

Wegen der wachsenden Datenmengen in der Cloud strebt die Branche nach Effizienzverbesserung, damit sie höhere Speicherkapazitäten bereitstellen kann, ohne dass der Stromverbrauch steigt. Das ist dank der Weiterentwicklung der HDD-Technologie in den vergangenen Jahren auch gelungen: Eine HDD mit 4 TB aus dem Jahr 2011 beispielsweise benötigte noch 10,5 Watt (Toshiba MG03), was damals Stand der Technik war und einer Leistungsaufnahme von 2,6 W/TB entsprach. Bis 2017 stieg die Speicherkapazität auf das Zweieinhalbfache, während die Leistungsaufnahme mit 10,6 Watt annähernd gleich blieb (Toshiba MG06) – die Watt pro Terabyte hatten sich mehr als halbiert.

Tatsächlich war 2017 ein entscheidendes Jahr für die Festplatte. Bis dahin waren die Gehäuse mit Luft gefüllt. Dies führte jedoch zunehmend zu Problemen, da immer mehr und dünnere Platten untergebracht werden mussten, um die Speicherkapazitäten weiter zu erhöhen. Da die Drehung der Platten Turbulenzen in der Luft verursacht, beginnen dünne Platten leicht zu „flattern“. Deshalb wurde die Luft durch Helium ersetzt, um die Reibung in der Festplatte zu reduzieren. Die Platten laufen dadurch ruhiger und der Gesamtstromverbrauch der Laufwerke sinkt deutlich.

Durch höhere Kapazitäten, die Umstellung auf eine Heliumfüllung und andere Innovationen ist der W/TB-Wert einer typischen Enterprise-HDD binnen zehn Jahren auf ein Fünftel gefallen – von 2,6 auf 0,5 W/TB. Mit aktuellen Festplattenmodellen setzt sich diese Entwicklung fort: Die Toshiba MG10ACA erhöht die Kapazität erneut um 2 auf nun 20 TB, während die Leistungsaufnahme des Laufwerks nur um 1 Watt gestiegen ist.

Was bringen Stromsparmodi?

Weitere Energiesparmöglichkeiten bieten die Idle- und Stand-by-Modi von Festplatten. Bei einer MG09 liegt die Betriebsleistung bei rund 8,3 Watt, wenn sich die Platten drehen und die Schreib-Leseköpfe Daten schreiben und lesen. Im Stand-by-Modus reduziert sich die Leistungsaufnahme auf 0,43 Watt, aber das ist mit dem Anhalten der Platten verbunden. Aus Verbrauchsperspektive mag der Modus attraktiv sein, doch es kann bis zu 20 Sekunden dauern, bis die Platten wieder angelaufen sind und sich Daten schreiben und lesen lassen. Für große Online-Storages, wie es Cloud-Storages sind, ist das (noch) nicht praktikabel.

Darüber hinaus gibt es noch drei Idle-Modi, in denen verschiedene magnetische und elektronische Bauteile deaktiviert werden, während sich die Spindel mit den Platten weiterdreht. Bei diesen Modi liegt die „Aufwachzeit“ zwischen 0,3 und 1,2 Sekunden. Da Storage-Umgebungen jedoch meist auf Software-definierte Architekturen oder RAID-Konfigurationen setzen, die regelmäßige Zugriffe auf die Speichermedien verursachen, auch wenn diese nicht von Anwendungen verwendet werden, lassen sich die Idle-Modi vorerst nicht für Energieeinsparungen nutzen.

Um das signifikante Einsparpotenzial der Idle- und Stand-by-Modi der Festplatten in großen Storage-Arrays mit vielen Festplatten nutzen zu können, wären somit weitere Optimierungen im Bereich der Zugriffsmethoden nötig.

Modernisierungen sparen Strom

Festplatten sind außerordentlich zuverlässig, die Ausfallquoten niedrig. Daher existiert noch eine riesige installierte Basis von HDDs mit SATA-6GBit/s-Schnittstelle, die teilweise seit 2010 im Einsatz sind. Da es sich um ältere Modelle mit älteren Technologien handelt, weisen sie signifikant höhere W/TB-Werte auf als moderne Enterprise-Laufwerke mit hoher Kapazität.

Die Formfaktoren und Schnittstellen haben sich seit damals nicht verändert, sodass es vergleichsweise einfach ist, die älteren Laufwerke durch neuere zu ersetzen. Dadurch könnten die Betreiber von Rechenzentren mehr Speicherkapazität bei gleichbleibendem oder geringerem Platzbedarf bereitstellen – der Stromverbrauch bliebe auch im schlechtesten Fall gleich. Beim Umstieg auf Helium-gefüllte HDDs wären jedoch Energieeinsparungen von bis zu 30 Prozent zu erwarten.

Hohe Zuverlässigkeit ermöglicht längere Nutzung

Eine der nachhaltigsten Möglichkeiten, HDDs einzusetzen, ist, sie länger zu nutzen – fünf Jahre oder sogar mehr. Das ist häufig kein Problem, da die jährliche Ausfallrate ("Annualized Failure Rate", AFR) in der vergangenen Dekade von 0,73 auf 0,35 Prozent gesunken ist.

Die längere Nutzung spart wertvolle Rohstoffe, denn jede HDD enthält bis zu einem Kilogramm Metall und andere Materialien. Haben die Laufwerke das Ende ihrer Lebenszeit erreicht und werden geschreddert sowie recycelt, stellen sie noch eine wertvolle Quelle für Aluminium und Kupfer dar. Künftig, wenn die Ressourcen noch knapper werden und die Zahl der zu recycelnden Festplatten eine lohnende Größenordnung erreicht hat, könnte auch die Entnahme und Wiederverwendung der Seltenerdmagneten sinnvoll sein.

Fazit: Moderne HDDs sind nachhaltiger als alte

Festplatten sind vor allem wegen ihrer niedrigen Kosten und hohen Speicherkapazitäten für viele Anwendungsfälle die beste Speichertechnologie. In großen Installationen richtet sich das Augenmerk der Betreiber jedoch zunehmend auf den Stromverbrauch der Laufwerke und ihren nachhaltigen Einsatz.

Innovationen haben die Energie-Effizienz der HDD-Technologie im vergangenen Jahrzehnt massiv verbessert. Die Leistungsaufnahme pro Terabyte liegt heute nur noch bei einem Fünftel – allein die Füllung der Laufwerke mit Helium statt Luft sorgte ab 2017 für einen 30 Prozent niedrigeren Stromverbrauch. Künftig könnten zudem Anpassungen an Speicherschemas wie RAID und Software-defined Storage dabei helfen, die bereits existierenden Idle-Modi von HDDs zu nutzen und den Stromverbrauch noch weiter zu reduzieren.

Moderne Festplatten halten länger und verbrauchen trotz deutlich höherer Kapazitäten ähnlich viel Strom wie frühere Generationen. Dadurch können sie und die verwendeten Netzteile länger eingesetzt werden – oft mehr als fünf Jahre.

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