Western Digital OptiNAND: Integrierter Flash-Speicher soll 50-TB-HDDs ermöglichen

Western Digital bestückt kommende HDDs mit NAND-Flash-Speicher. Um Hybridfestplatten (SSHDs) handelt es sich aber nicht. Denn bei der sogenannten OptiNAND-Technik werden nicht Nutzer-, sondern Metadaten der HDD im NAND-Flash gesichert. Dies ermöglicht mehr Speicherplatz, mehr Leistung und mehr Datensicherheit bei Stromausfall.

HDD mit Flash, aber keine SSHD

Eine klassische Festplatte (HDD) mit dem auf SSDs eingesetzten NAND-Flash-Speicher zu kombinieren, ist keine neue Idee. Vor einigen Jahren wurde dies bei den Hybridfestplatten (Solid State Hybrid Drive, SSHD) gemacht, wo ein kleiner Anteil NAND-Flash als Zwischenspeicher für häufig verwendete Nutzerdaten diente und so Anwendungen deutlich beschleunigte. Das Konzept setzte sich aber nicht durch und die SSHD-Technik (Test) ist inzwischen vom Markt verschwunden.

Mit der von Western Digital jetzt vorgestellten OptiNAND-Technik geht die Kombination aus HDD und NAND-Flash eine ganz andere Richtung. Der NAND dient nämlich nicht zur Ablage von Nutzerdaten, sondern zum Speichern erweiterter Metadaten der HDD. Gemeint sind etwa Informationen zu magnetischen Interferenzen bei benachbarten Sektoren oder zur Position der Schreibköpfe der Festplatte.

Während bei bisherigen HDDs nur ein Bruchteil dieser Daten im schnellen, aber kleinen DRAM-Cache (aktuell maximal 512 Megabyte) gespeichert wird, landet der Rest der laut Western Digital heutzutage mehrere Gigabyte umfassenden Metadaten direkt auf den Magnetscheiben (Platter). Werden diese benötigt, ist der Zugriff aber sehr langsam und beeinträchtigt generell die Leistung der HDD. Zudem belegen sie Speicherplatz, der nicht für Nutzdaten zur Verfügung steht.

iNAND speichert mehr Metadaten

Die Idee hinter OptiNAND ist die Integration von NAND-Flash, auf dem diese Metadaten gespeichert werden. Dafür wird auf der Hauptplatine der HDD ein Embedded-Flash-Drive (EFD) untergebracht. In dem BGA-Package sitzen ein Controller und der NAND-Flash-Speicher. Western Digital vertreibt solche Speicherbausteine mit Speicherkapazitäten von 8 GB bis 256 GB separat unter dem Namen iNAND zum Beispiel für Smartphones, Drohnen oder IoT-Gateways. Welche Kapazität der Chip im Falle der OptiNAND-HDD besitzt, ist allerdings unklar. Der iNAND basiere auf TLC-NAND mit 3 Bit pro Speicherzelle, lasse sich aber zugunsten von mehr Leistung bei im Gegenzug reduzierter Kapazität auch im SLC-Modus mit 1 Bit betreiben.

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Der iNAND ist zwar langsamer als DRAM, aber kann kostengünstig weitaus mehr Speicherplatz bieten und ist immer noch weitaus schneller als der Zugriff auf den Magnetspeicher. Somit wird bei der OptiNAND-HDD der Abruf von erweiterten Metadaten ermöglicht, die wiederum erlauben, die Datenspuren (Tracks) noch enger zusammenrücken zu lassen und die Flächendichte zu erhöhen. Mit den präziseren Metadaten lassen sich laut Hersteller nun wiederholte Schreiboperationen auf einzelne Sektoren begrenzen, während zuvor ganze Tracks aufgefrischt werden mussten. Mit OptiNAND sollen also mehr Tracks per Inch (TPI) ohne Leistungseinbuße möglich sein, konkrete Angaben werden dazu aber nicht gemacht.

Erste Generation mit 20 TB, 50 TB als Fernziel

Zunächst kommt OptiNAND bei HDDs mit 20 TB Speicherplatz zum Einsatz. Im versiegelten 3,5-Zoll-Gehäuse mit Heliumfüllung rotieren dabei neun Magnetscheiben mit jeweils rund 2,2 TB Speichervolumen. Während Western Digital diese Kapazität zuvor schon unter Einsatz der nachteilbehafteten SMR-Technik mit überlappenden Spuren erreicht hat, ist dies nun mit dem konventionellen Aufzeichnungsverfahren (CMR) möglich. Wie schon beim 18-TB-Modell und beim 20-TB-Modell mit SMR kommen die Techniken Energy-Assisted PMR (ePMR) sowie der Triple Stage Actuator zum Einsatz.

Auch wenn solche Prognosen immer mit Vorsicht zu genießen sind, sieht Western Digital in der OptiNAND-Methode eine Möglichkeit, noch im Laufe dieser Dekade Festplatten mit 50 TB Speicherkapazität zu erreichen. Ob die Konkurrenten Seagate und Toshiba ähnliches planen, wird sich zeigen. Diese müssten allerdings den NAND erst zukaufen, während Western Digital diesen in Kooperation mit Kioxia selbst herstellt. Seagate verfolgt aktuell die bisher nur in kleinem Maßstab eingesetzte HAMR-Technik mit Laser im Schreibkopf für größere Speicherkapazitäten. Toshiba hat hingegen die mit Mikrowellen arbeitende MAMR-Technik auf den Markt gebracht, der Western Digital überraschend den Rücken gekehrt hatte.

Mehr Leistung und Datenerhalt

Die OptiNAND-HDD soll durch weniger „Refreshes“ mehr Leistung liefern. Zudem sollen im Falle eines unerwarteten Stromausfalls mehr als 100 MB Daten aus dem Schreibcache noch im nicht-flüchtigen iNAND gesichert werden können, während es zuvor nur rund 2 MB waren, die noch im winzigen NOR-Flash landeten. Die nötige Energie für das Entleeren des Zwischenspeichers werde durch die Rotationsenergie der Magnetscheiben geliefert, die in Kondensatoren gespeichert wird.

Die Leistung beim wahlfreien Schreiben (random writes) im Modus mit deaktiviertem Schreibcache soll sich jener mit aktiviertem Schreibcache annähern. Mit Firmwareoptimierungen soll letztlich die Latenz verbessert werden. Doch auch hier fehlt es an konkreten Eckdaten.

OptiNAND für die ganze HDD-Palette

Zunächst werden Muster der OptiNAND-Festplatte mit 20 TB an „ausgewählte Kunden“ ausgeliefert, erklärt Western Digital. Für die Zukunft sei geplant, die Technik in allen HDD-Serien und damit bestückten Storage-Plattformen des Unternehmens einzuführen. Entsprechende Produktankündigungen sollen noch in diesem Jahr erfolgen.

Weitere Informationen zur Technik liefern ein Tech Brief (PDF) sowie ein Blog-Eintrag bei Western Digital.