Was ist das Besondere an Toshibas Enterprise-HDDs mit 16 TByte?

Rainer Käse, Toshiba Electronics EuropeKäse: Unser derzeitiges Topmodell, die MG08 mit 16 TByte, ist mit SAS- und SATA-Interface erhältlich. Die HDD ist mit Helium gefüllt, besitzt ein 9-Schreiben-Design mit 18 Köpfen. Durch das 9-Platten-Design benötigen wir für 16 TByte kein Shingled-Magnetic-Recording. Das heißt, man kann die Festplatten für jede generische Applikation im Server oder in Storage Systemen verwenden, ohne Einschränkungen. Wir sind auch noch nicht auf Assisted-Magnetic-Recording-Technologien angewiesen, wir können die 16 TByte tatsächlich noch in konventioneller Technologie darstellen.

Vorteile von mit Helium gefüllten Festplatten

  Was zeichnet heliumgefüllte Platten aus?

Käse: Das Helium ist grundsätzlich dafür da, die Kapazität zu erhöhen. Die Festplatten brauchen eine bestimmte Dicke, damit sie nicht flattern. Luft ist ein turbulentes Gas und ermöglicht nur den Einbau von sieben Platten, in einer bestimmten Dicke. Mit Luft ist daher nur eine Speicherkapazität von 10 TByte möglich. Durch die Heliumfüllung sind die Turbulenzen nicht so groß und deswegen können wir dünnere – und dadurch mehr – Scheiben verwenden.

  Mit Helium-HDDs soll sich auch die Verlustleistung verbessern, wieso?

Käse: Ein angenehmer Nebeneffekt der Helium-Füllung ist die Tatsache, dass es als leichtes Gas den drehenden Platten einen geringeren Widerstand bietet. Dadurch sinkt die Verlustleistung – und zwar signifikant. Luftgefüllte Festplatten hatten über die letzten 15 Jahre, unter Volllast, immer eine Verlustleistung im Bereich von zehn bis elf Watt, abhängig von der Kapazität. Mit Helium-HDDs sinkt, durch die geringere Reibung des Gases, die Verlustleistung auf sechs bis sieben Watt. Das ist so ein bisschen wie schwimmen in Honig gegen schwimmen in Wasser.

Video-Interview: Helium-HDDs: Vorteile der geringeren Verlustleistung

Neue Erweiterungsmöglichkeiten für Storage- & IT-Architekturen

  Inwiefern wirkt sich dies auf Storage- und RZ-Architektur aus?

Rainer Käse, Toshiba: »Helium-HDDs sind eine ideale Erweiterungsmöglichkeit, mit 5facher Kapazität auf gleicher Stellfläche und geringerer Verlustleistung.«Käse: Mit Helium-Platten erzielen wir eine höhere Kapazität bei leicht steigender Performance unter gleichzeitig signifikanter Energieeinsparung. Dies eröffnet Rechenzentrumsbetreibern bei der Storage-Erweiterung neue Möglichkeiten: Bisher hieß es, man muss neue Racks bauen, oder neue Datacenter.

Nun hat man erstmalig die Option, dass Speichersysteme, die in den Jahren 2012 bis 2014 eingebaut wurden, die mittlerweile nach fünf Jahren aus der Garantie laufen oder kurz davor sind, nicht komplett neu ersetzt werden müssen. Einfach die 3-TByte-Platte herausnehmen und durch eine neue, Helium-gefüllte HDD ersetzen. Damit erreichen IT-Abteilungen eine Verfünffachung der Speicherkapazität, ohne am Rack zu schrauben oder Umbauten im RZ bzw. neuer Verkabelung.

Typische Bedenken bei der Erweiterung bestehender Infrastrukturen waren bisher, dass die Stromaufnahme direkt überschritten wird. Ein 44-Einheiten-Rack ist typischerweise auf zehn kW limitiert und bisher war die Befürchtung, dass diese mit mehr Kapazität überschritten wird. Beim direkten Einbau von Helium-HDDs sparen wir aber 40 Prozent Verlustleistung ein, das geht also. Daher sind Helium-Platten, wie gesagt, eine ideale Erweiterungsmöglichkeit, mit 5facher Kapazität auf gleicher Stellfläche und geringerer Verlustleistung.

  Können Sie die Auswirkungen mit einem Beispiel belegen?

Käse: Auf dem Cloudfest 2019 hatten wir einen Versuchsaufbau, bestehend aus einem RAID-10-System, mit zwölf luftgefüllten 6-TByte-HDDs, wie wir sie vor drei, vier Jahren verwendet haben und zum Vergleich ein Array mit 12 x 14-TByte-HDDs (Helium gefüllt). Das Offensichtliche ist natürlich der Kapazitätssprung von 72 auf 180 TByte. Es hat sich die Performance gesteigert, was nicht unbedingt das Ziel war, aber bei 14 TByte hat man eine höhere Recording-Dichte. Das heißt, mehr Bits pro Strecke. Wir drehen immer noch mit 7.200 U/min und daher kommen wir im Benchmark von zirka 1.800 IOPS auf 2.300 IOPS mit den Helium-gefüllten Festplatten. Zudem messen wir die Verlustleistung – der man bisher selten große Aufmerksamkeit geschenkt hat. Unser Versuchsaufbau zeigt aber, dass das Array mit den zwölf luftgefüllten 6-TByte-Platten unter Volllast 160 Watt verbraucht und die 14-TByte-Helium-HDDs nur 120 Watt.

  Bestehende Systeme am Ende der Garantiezeit zu erweitern ist aber eher unüblich.

Käse: Eine Speichererweiterung im gleichen Rack wurde nicht gern gesehen, weil die Racks oft schon am Stromlimit agierten. Daher hieß es meist, neue Platten schaffen meine 10-kW-Limited-Racks nicht. Da aber die Helium-Festplatten signifikant weniger Energie verbrauchen, kann man die Laufwerke ersetzen und hat sogar noch Luft für weitere JBODs und Speichereinheiten. Die ersten Rechenzentren machen dies bereits. Wir erwarten, dass dies auf breiter Basis so sein wird.

  Ein zweiter Demoaufbau sollte belegen, dass man Storage so dicht packen kann, wie man möchte.

Käse: In einem zweiten Versuchsaufbau hatten wir einen 1U-Server mit zwölf Helium-Festplatten, a 14 TByte, ebenfalls als RAID-10-Verbund – Software-defined wäre aber auch gegangen. Während eine Konfiguration mit luftgefüllten HDDs immer 300 bis 400 Watt verbraucht hat, sind es mit Helium-Platten nur 220 Watt, sogar unter Volllast. Deshalb könnte man im Rechenzentrum einen 19-Zoll-Schrank mit 44 Höheneinheiten tatsächlich mit diesen Systemen vollstapeln und unter dem 10-kW-Limit bleiben (44 x 220 Watt = 9.680 Watt). In der Praxis würde man vielleicht nur« 38 bis 40 Server in ein Rack einbauen, aber man kann den Storage so dicht packen wie man möchte und bleibt unter dem 10-kW-Limit.

Helium, ein bekanntes aber trickreiches Gas

  Helium ist aber in der Festplatten-Produktion nicht gänzlich neu, oder?

Rainer Käse, Toshiba: »Mit einem Füllstandssensor stellen wir sicher, dass kein Helium unbemerkt austreten kann.« (Bild: speicherguide.de)Käse: Richtig, Helium spielt in Festplatten schon seit Jahrzehnten eine Rolle. Wir benutzen Helium in Heliumkammern, um die hochgenauen Steuer-Tracks zu schreiben. In dem leichten Heliumgas, ohne Turbulenzen, kann man das tatsächlich viel genauer. Es war lange Zeit ein Traum, die Festplatten auch hinterher in Helium zu betreiben und nicht in diesem turbulenten und schweren Luftgasgemisch. Die Versiegelung war allerdings lange Zeit ein Problem, weil Helium durch alles hindurchgeht und nicht in der Festplatte geblieben ist. Es hat lange gedauert, aber seit Anfang des Jahrzehnts haben wir das im Griff. Bei Toshiba nutzen wir zur Versiegelung eine Schweißtechnik, die aus der Batterieherstellung kommt. Damit können wir Helium nun auch langzeitstabil versiegeln.

Da Helium als leichtes Gas durch alles durchkommt, müssen wir sicherstellen, dass es auch nicht die kleinsten Mikrorisse in der Versiegelung gibt. Und natürlich auch keine Mikrorisse in dem Aluminium-Gehäuse der HDD selbst. Diese Risse würden wir, speziell bei Enterprise-Festplatten, in der Testprozedur erkennen, die jede Platte durchläuft, bevor sie ausgeliefert wird. Falls Helium austreten würde und Luft eintritt, können wir das am Verhalten der Festplatte erkennen. Bisher sind uns aber Helium-Leckfehler noch bei keiner einzigen, ausgelieferten HDD aufgefallen.

Video-Interview: Vorteile der Helium-Füllung bei HDDs & der Produktion

  In großen Arrays mit starken Vibrationen kann nicht ausgeschlossen werden, dass sich nach Jahren Mikrorisse bilden. Gibt es einen Sicherheitsmechanismus, um frühzeitig zu erkennen ob Helium austritt?

Käse: Die Garantie beläuft sich auf fünf Jahre. Die Helium-Festplatten selbst sind aber durchaus für eine längere Lebensdauer ausgelegt. Sollte sich tatsächlich ein Riss bilden, dann würde das Gas über einen langen Zeitraum austreten, also nicht mit einem Schlag. Für den Fehlerfall haben wir einen Helium-Füllstandsensor in den SMART Werten der Festplatte implementiert. Das Helium-Level zählt ab 100 Prozent abwärts und bei 75 Prozent wird eine Pre-Fail-Warnung ausgegeben. Diese kann bei NAS- und SDS-Systemen (Software-defined Storage) als Warnung zum Austausch der Festplatte verwendet werden. 75 Prozent sind noch kein kritischer Wert, die Platte würde noch länger funktionieren. Es bleibt also noch genug Zeit, die Daten zu retten und das Laufwerk auszuwechseln.