Trotz der Tatsache, dass im Laufe der Zeit immer mehr Spuren auf jedem Quadratmillimeter Platten platziert werden und die Lese- / Schreibköpfe alle paar Jahre komplexer werden, wächst die Zuverlässigkeit von Festplatten ständig. Daher hat das Unternehmen Backblaze, das sich mit Datenspeicherung befasst, einen Bericht für das zweite Quartal 2020 erstellt, der sich mit den darin verwendeten Festplatten befasst. Wie sich herausstellte, ist die jährliche Rate von Festplattenausfällen im Vergleich zum Vorjahr erheblich gesunken.
Bedeutet dies, dass Festplatten mit der Zeit zuverlässiger werden? Wie vielversprechende magnetische Aufzeichnungstechnologien wie MAMR und HAMR könnten die Festplattenzuverlässigkeit in den kommenden Jahrzehnten beeinflussen?
Der Weg von "Mega" nach "Tera"
Die erste Festplatte wurde in den 1950er Jahren in den Handel gebracht. Es war ein IBM 350 mit einer Kapazität von 3,75 MB. Das Gerät war in einem 152 x 172 x 74 cm großen Gehäuse untergebracht und enthielt 50 Scheiben mit einem Durchmesser von 610 mm (24 Zoll). Wenn Sie in unsere Zeit zurückgehen, stellt sich heraus, dass die beste moderne 3,5-Zoll-Festplatte (ca. 14,7 × 10,2 × 2,6 cm) mit herkömmlicher (nicht gekachelter) Aufzeichnungstechnologie bis zu 18 TB Daten speichern kann.
Interner Mechanismus der IBM 350-Festplatte
Bei der IBM 350 drehten sich die Platten mit 1200 U / min. In den letzten Jahrzehnten haben sich Festplatten entwickelt, um den Durchmesser der Platten zu verringern und ihre Drehzahl zu erhöhen (typische Werte sind 5400-15000 U / min). Weitere Verbesserungen umfassen das Platzieren der Lese- / Schreibköpfe näher an der Plattenoberfläche.
Das IBM 1301 DSU-Speichergerät (Disc Storage Unit) wurde 1961 herausgebracht. Es war ein innovatives Design, bei dem jede Platte ihren eigenen Lese- / Schreibkopf hatte. Eine weitere Neuerung dieses Modells war, dass die Köpfe unter der Wirkung aerodynamischer Kräfte über der Oberfläche der rotierenden Scheibe schwebten. Dies ermöglichte es, den Spalt zwischen den Köpfen und der Scheibenoberfläche zu verringern.
Nach 46 Jahren Entwicklungszeit verkaufte IBM 2003 sein Festplattengeschäft an Hitachi. Zu diesem Zeitpunkt hatte sich die Kapazität von Festplatten um das 48.000-fache erhöht und ihre Größe um das 29.161-fache verringert. Der Stromverbrauch sank von über 2,3 kW auf etwa 10 Watt (für Desktop-Modelle), und der Preis pro Megabyte fiel von 68.000 USD auf 0,002 USD. Gleichzeitig verringerte sich die Anzahl der Platten von zehn auf höchstens zwei.
Speicherdichte erhöhen
Mechanische und elektronische Geräte sowie Computer haben sich immer in Richtung Miniaturisierung entwickelt. Die riesigen Röhren- oder Relaiscomputer der 1940er und 50er Jahre entwickelten sich zu weniger sperrigen Transistorsystemen und dann zu modernen Miniaturwundern der Technologie, die auf speziellen integrierten Schaltkreisen basierten. Festplatten sind einen ähnlichen Weg gegangen.
Seagate MicroDrive 1-Zoll-Festplatteneinbauten
Die Steuerelektronik von Festplatten hat alle Freuden der Entwicklung von VLSI erfahren. Sie verwendeten immer genauere und wirtschaftlichere Servoantriebe. Fortschritte in der Materialwissenschaft haben zu leichteren und glatteren Platten (Glas oder Aluminium) mit verbesserter magnetischer Beschichtung geführt. Die Aufzeichnungsdichte wuchs. Die Hersteller von Festplatten konnten die Besonderheiten ihrer einzelnen Elemente (Mikroschaltungen, Lote, Laufwerke, Lese- / Schreibköpfe) besser verstehen, und revolutionäre Verbesserungen ihrer Eigenschaften erfolgten nicht sofort, sondern schrittweise durch kleine Verbesserungen.
Sechs offene Festplatten - von 8 "bis 1" ( Quelle )
Obwohl es mindestens zwei Versuche zur ernsthaften Miniaturisierung von Festplatten gegeben hat, in Form des 1,3 " HP Kittyhawk im Jahr 1992 und des 1" Microdrive im Jahr 1999, dem Markt Infolgedessen traf er seine Wahl und konzentrierte sich auf die Modelle mit 3,5- und 2,5-Zoll-Formfaktoren. Microdrives wurden als Alternative zu NAND-basierten CompactFlash-Karten angepriesen. Ihre Stärken sind höhere Speicherkapazitäten und praktisch unbegrenzte Umschreibzyklen, sodass sie für den Einsatz in eingebetteten Systemen geeignet sind.
Wie in anderen ähnlichen Fällen machten physische Einschränkungen der Schreibgeschwindigkeit und der Zeit des zufälligen Zugriffs auf Daten Festplatten letztendlich zu den willkommensten Gästen, bei denen das Wichtigste die Fähigkeit ist, große Informationsmengen kostengünstig und zuverlässig zu speichern. Dies ermöglichte es dem Festplattenmarkt, sich an Desktop- und Serversysteme sowie an die Anforderungen der Videoüberwachung und Datensicherung anzupassen (hier konkurrieren sie mit Bandlaufwerken).
Gründe für Festplattenausfälle
Obwohl die mechanischen Teile von Festplatten häufig als der schwächste Punkt angesehen werden, können Festplattenfehler nicht nur durch diese Teile verursacht werden. Unter solchen Gründen sind die folgenden:
- Menschlicher Faktor.
- Hardwarefehler (mechanisch, elektronisch).
- Beschädigung der Firmware.
- Umweltfaktoren (Temperatur, Luftfeuchtigkeit).
- Energieversorgung.
Festplatten werden im ausgeschalteten Zustand oder während des Betriebs auf Stoßfestigkeit geprüft (Platten drehen sich, Lese- / Schreibköpfe sind nicht geparkt). Wenn die Disc einer stärkeren Beanspruchung ausgesetzt ist als vorgesehen, kann der für die Bewegung der Köpfe verantwortliche Antrieb beschädigt werden und die Köpfe können mit der Oberfläche der Disc-Platten kollidieren. Wenn die Scheibe keinen solchen Einflüssen ausgesetzt ist, ist der Hauptgrund für ihre Ausfälle höchstwahrscheinlich ihr natürlicher Verschleiß. Festplattenhersteller geben ihnen eine mittlere Ausfallzeit (MTBF, Mean Time Before Failure) an, die eine Vorstellung davon gibt, wie lange eine Festplatte unter normalen Bedingungen arbeiten kann.
MTBF wird durch Extrapolation von Geräteverschleißdaten über einen bestimmten Zeitraum erhalten. Es gibt Standards, nach denen dieser Indikator berechnet wird. Die MTBF für Festplatten liegt normalerweise im Bereich von 100.000 bis 1 Million Stunden. Um die Festplatte wirklich zu testen, würde es daher 10 bis 100 Jahre dauern, sie zu beobachten. Gleichzeitig gehen die Hersteller bei der Angabe von MTBF für Discs davon aus, dass die Disc unter den empfohlenen Bedingungen funktioniert. Hier arbeiten Laufwerke bei Speicherunternehmen wie Backblaze.
Wenn Sie die Festplatte einem sehr starken Aufprall aussetzen (z. B. auf einen Steinboden fallen lassen) oder wenn ein schwerwiegender Fehler in der Stromversorgung des Laufwerks auftritt (z. B. ein Stromstoß), verringert sich natürlich die Lebensdauer der Festplatte. Weniger offensichtlich ist, dass die Zuverlässigkeit von Festplatten durch Herstellungsfehler beeinträchtigt werden kann, die nicht nur für Festplatten gelten. Sie sind der Grund, warum eine Metrik wie "akzeptable Ausfallrate" für die meisten Produkte gilt.
Es geht nicht um den Benutzer. Es geht um die Produktionslinie
Festplatten weisen hohe MTBF-Werte auf. Verständlicherweise bemüht sich Backblaze darum, dass fast 130.000 seiner Festplatten glücklich bis ins hohe Alter „leben“ und sich ruhig in eine bessere Welt zurückziehen (normalerweise in eine Altmetall-Zerkleinerungsanlage). Aber selbst ein Unternehmen wie Backblaze meldet ab dem ersten Quartal 2020 eine jährliche Ausfallrate (AFR) von 1,07%. Dies ist zum Glück die niedrigste Rate seit Beginn der Veröffentlichung solcher Berichte im Jahr 2013. Im ersten Quartal 2019 lag ihr AFR beispielsweise bei 1,56%.
In einem meiner MaterialienEs wurde gesagt, dass bei der Herstellung von Geräten, die integrierte Schaltkreise enthalten, Defekte in diesen auftreten können, die sich nicht sofort, sondern nach einer Weile während des Betriebs der Geräte zeigen. Im Laufe der Zeit können Faktoren wie Elektromigration, thermische Beanspruchung und mechanische Beanspruchung zu Fehlern in Mikroschaltungen führen. So können Drahtverbindungen bei Mikrokreisen unterbrochen werden, Elektromigration kann die Lötverbindungen und die Mikrokreise selbst beschädigen (insbesondere nach Einwirkung einer elektrostatischen Entladungsvorrichtung).
Die mechanischen Teile von Festplatten hängen von der Genauigkeit der Einhaltung technologischer Toleranzen und der Qualität der Schmierung beweglicher Teile ab. Zuvor gab es ein Problem wie das Aufkleben des Magnetkopfblocks auf die Oberfläche der Festplatte (Haftreibung ). Im Laufe der Zeit haben sich die Eigenschaften der Schmiermittel verbessert und der Kopfblock kann den Parkplatz nicht mehr verlassen. Infolgedessen wurde dieses Problem heute mehr oder weniger gelöst.
Trotzdem besteht bei jedem Schritt des Produktionsprozesses die Möglichkeit, etwas zu verderben. Dies manifestiert sich letztendlich als etwas, das die hübschen MTBF-Zahlen verschlechtert. Die fehlerhafte Festplatte fällt auf die dunkle Seite der Ausfallratenkurve. Diese Kurve ist zu Beginn durch einen hohen Peak gekennzeichnet, der auf Fehler aufgrund schwerwiegender Herstellungsfehler hinweist. Dann nimmt die Anzahl der Fehler ab und es sieht ruhig genug aus, bis das Gerät abläuft. Danach geht es wieder hoch.
Was weiter?
Es ist an der Zeit, dass HAMR-
Festplatten, wie wir sie kennen, ein Beispiel für das Endergebnis eines fein abgestimmten Herstellungsprozesses sind. Viele der Probleme, die diese Geräte in den letzten fünf Jahren geplagt haben, wurden entweder behoben oder gemildert. Vergleichsweise bemerkenswerte Veränderungen in der Festplattenproduktion, wie die Umstellung auf die Produktion von mit Helium gefüllten Laufwerken,hatten noch keinen signifikanten Einfluss auf deren Ausfallrate. Andere Änderungen wie der Wechsel von der senkrechten magnetischen Aufzeichnung ( PMR ) zur wärmeunterstützten magnetischen Aufzeichnung ( HAMR)) sollte die Lebensdauer der Festplatten nicht wesentlich beeinflussen. Und dies setzt voraus, dass neue Technologien keine neuen Probleme mit sich bringen.
Im Allgemeinen sieht die technologische Zukunft der Festplatte in jeder Hinsicht eher langweilig aus. Es handelt sich um kostengünstige Speicher mit großer Kapazität, die mindestens ein Dutzend Jahre lang normal funktionieren können. Das Grundprinzip der Herstellung von Festplatten, insbesondere die Magnetisierung kleiner Bereiche der Platten, kann sich so weit entwickeln, dass einzelne Moleküle die Rolle dieser „Bereiche“ spielen. Und wenn Sie hier so etwas wie HAMR hinzufügen, kann sich herausstellen, dass Sie die Speicherdauer von Informationen auf der Festplatte erheblich verlängern können.
Festplatten haben einen erheblichen Vorteil gegenüber NAND, das winzige Kondensatoren zum Speichern von Ladungen verwendet und eine Methode zum Schreiben von Daten verwendet, die diese Kondensatoren physisch beschädigen. Die physischen Einschränkungen eines solchen Speichers sind viel schwerwiegender als bei Festplatten. Dies führt zu einer Komplikation des Speicherdesigns, beispielsweise zur Erstellung von Laufwerken auf der Basis von Speicherzellen, die vier Bits speichern können (Quad-Level Cell, QLC). Bei der Arbeit mit solchen Zellen müssen 16 Spannungspegel unterschieden werden. Aufgrund dieser Komplexität des QLC-Speichers stellt sich heraus, dass die entsprechenden SSDs in vielen Szenarien nur geringfügig schneller sind als die Festplatten mit 5400 U / min. Dies gilt insbesondere für Verzögerungen beim Datenzugriff.
Ergebnis
Meine erste Festplatte war ein 20- oder 30-Megabyte-Seagate in einer IBM PS / 2 (386SX). Dieser Computer wurde von meinem Vater von der Arbeit gebracht. Sie wechselten zu neuen PCs und wollten wahrscheinlich Lager von alter Technologie befreien. In den Tagen von MS DOS reichten 20 bis 30 MB für das Betriebssystem, eine Reihe von Spielen, WordPerfect 5.1 und vieles mehr. Natürlich sah diese Menge an Speicher Ende der 90er Jahre lächerlich aus. Apropos Festplatten: Sie arbeiteten nicht mit Megabyte, sondern mit Gigabyte.
Trotz der Tatsache, dass ich seitdem viele Desktops und Laptops besessen habe, war ironischerweise das einzige Laufwerk, das sozusagen in meinen Händen starb, eine SSD. Dies sowie Veröffentlichungen über Festplatten, wie die Backblaze-Berichte, geben mir das starke Vertrauen, dass die Tage, an denen sich die Platten der letzten Festplatte nicht mehr drehen, sehr weit entfernt sind. Vielleicht ändert sich diese Prognose nur, wenn so etwas wie die 3D-XPoint- Technologie die Erstellung ausreichend großer und erschwinglicher Laufwerke ermöglicht. Lassen Sie in der Zwischenzeit alles wie gewohnt weitergehen.
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