Energy-Assisted PMR: Western Digital erklärt Technik der 18‑TB‑Festplatten

Die ersten Festplatten mit 18 TB Speicherkapazität sind auch die ersten mit einer Form des sogenannten Energy Assisted Magnetic Recording (EAMR). Western Digital hat parallel zum Marktstart der WD Gold und Ultrastar DC HC550 mit 18 TB verraten, was sich dahinter verbirgt.

Begrifflichkeiten und geänderte Roadmaps

Der Begriff Energy Assisted Magnetic Recording (EAMR) steht für Techniken, die mittels Energiezufuhr bei der magnetischen Aufzeichnung der Daten auf Festplatten behilflich sind. Auch die Techniken MAMR und HAMR werden dazu gezählt, da diese Mikrowellen respektive Laser als unterstützende Energie verwenden.

Western Digital hatte ursprünglich für 2019 die Einführung erster HDDs mit Microwave Assisted Magnetic Recording (MAMR) auf der Roadmap stehen. Doch neben der zeitlichen Verschiebung auf dieses Jahr gab es auch einen Wechsel bei den Begrifflichkeiten, denn der Hersteller sprach fortan nur noch von EAMR statt MAMR. Der Wechsel kam nicht nur für die Redaktion unerwartet und nebulös, denn welche Technik nun hinter den ersten Festplatten mit 18 TB und 20 TB steckt, blieb vorerst unklar. Klar war nur, dass es sich doch noch nicht um MAMR handelt.

ePMR als erste verfügbare Form von EAMR

Jetzt verschafft ein Dokument (PDF) von Western Digital Klarheit: Statt Mikrowellen oder Lasertechnik wird bei dieser Form von EAMR Strom als unterstützende Energie genutzt. Western Digital nennt dies nun Energy-Assisted PMR oder kurz ePMR, wobei PMR die Abkürzung für das seit vielen Jahren genutzte Perpendicular Magnetic Recording darstellt. Angeblich sei ePMR auf dem Weg der Entwicklung von Festplatten mit MAMR respektive HAMR entstanden, die weiter auf sich warten lassen.

Die technische Beschreibung für ePMR ist knapp aber erklärt das wesentliche Prinzip: Am Schreibkopf wird während des Schreibvorgangs ein elektrischer Strom angelegt, der ein zusätzliches Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld sorge für einen „bevorzugten Pfad“ beim Umkippen der Bits (magnetic flip). Das führe zu einem „beständigeren Schreibsignal“ und damit wesentlich reduziertem Jitter. Als Jitter werden störende Signalabweichungen bezeichnet, die in diesem Fall durch ein inkonsistentes Magnetfeld am Schreibkopf entstehen. Das zusätzliche Magnetfeld von ePMR verringert den Störeffekt und ermöglicht somit, dass der Abstand zwischen den geschriebenen Bits weiter reduziert werden kann. Das bedeutet eine höhere Datendichte, die in Bits per Inch (BPI), zu Deutsch Bit pro Zoll, bemessen wird.

During write operations, recording heads do not reach saturation in a consistent way, and thus provide an inconsistent magnetic field on the media. This produces distortion in write currents, which is characterized as ‘jitter’. ePMR applies an electrical current to the main pole of the write head throughout the write operation. This current generates an additional magnetic field which creates a preferred path for the magnetization flip of media bits. This, in turn, produces a more consistent write signal, significantly reducing jitter. When jitter is reduced it is possible to minimize the space between bits written, thus increasing BPI and areal density.

Western Digital

Mit Hilfe des ePMR ist es Western Digital gelungen, die Datendichte bei der Ultrastar DC HC550 mit 18 TB auf 1.022 Gigabit pro Quadratzoll zu steigern. Die neun Magnetscheiben (Platter) der Enterprise-HDD liefern somit je 2 TB Speicherplatz. Kommt zusätzlich Shingled Magnetic Recording (SMR) mit überlappenden Datenspuren (Tracks) zum Einsatz, steigt die Datendichte auf 1.160 Gigabit pro Quadratzoll, wie es bei der im nächsten Quartal erwarteten Ultrastar DC HC650 mit 20 TB der Fall sein wird, so der Hersteller.

Allerdings schränkt SMR das Einsatzgebiet ein, da beim Wiederbeschreiben von Tracks auch angrenzende Spuren aktualisiert werden müssen. Trotz großer Schreibpuffer kann SMR etwa bei RAID-Anwendungen hohe Leistungseinbußen bedeuten. Dass Hersteller SMR teils ohne Kennzeichnung und somit heimlich eingesetzt haben, sorgte daher für reichlich Wirbel. Für Archivzwecke mit seltenem Schreibaufkommen ist SMR aber durchaus geeignet.

Triple-Stage Actuator

Damit die enger zusammen gerückten Bits auf den Magnetscheiben aber auch korrekt geschrieben und gelesen werden können, musste die Präzision der Köpfe parallel erhöht werden. Dafür sorgt der erstmalige Einsatz eines sogenannten Triple Stage Actuator (TSA). Damit ist der mechanische Arm der Schreibköpfe, der Aktor, gemeint, der in der neuen Ausbaustufe über drei Drehpunkte (siehe Abbildung) verfügt, was eine noch feinere Positionierung der Köpfe über den Tracks ermöglicht.

Die ersten 18-TB-HDDs im Handel

Die ersten Festplatten mit ePMR sind ab sofort im Handel erhältlich. Die besagte Ultrastar DC HC550 mit 18 TB kostet rund 630 Euro in der Variante mit SAS-Schnittstelle, die SATA-Version ist im freien Handel noch nicht verfügbar.

Mit ähnlicher Technik ist auch die WD Gold mit 18 TB ausgestattet, die für knapp unter 600 Euro zu haben ist. Der Aufpreis gegenüber früheren Modellen mit 16 TB ist in beiden Fällen allerdings hoch. Es handelt sich um Enterprise-Modelle für den Einsatz in Servern.