Fakt oder Fehleinschätzung: Was ist dran an gängigen Annahmen über die Geschwindigkeit von Festplatten?

(Auszug aus der Pressemitteilung)

Daten können schneller gelesen als geschrieben werden, SAS ermöglicht höhere Datenraten als SATA, und im Laufe der Zeit sinkt die Performance aufgrund von Verschleißerscheinungen kontinuierlich ab. Solche und andere Annahmen zur Geschwindigkeit von Festplatten kursieren seit Jahren, doch nicht alle lassen sich halten. Toshiba macht den Faktencheck und klärt, was Fehleinschätzungen sind und was nicht.

• Annahme 1: Die Datenrate aus dem Datenblatt ist ein Maximalwert
  Das stimmt. Die im Datenblatt genannte Sustained Data Rate gibt an, mit welcher Geschwindigkeit auf den äußeren Festplattenspuren gelesen und geschrieben werden kann. Diese Spuren sind länger als die weiter innen liegenden, sodass sie mehr Daten aufnehmen können und folglich auch mehr Sektoren während einer Umdrehung unter dem Schreib-Lese-Kopf vorbeifahren. Je näher am Zentrum der Magnetscheiben die Daten liegen, desto weiter sinkt daher die Geschwindigkeit ab – bis auf knapp 50 Prozent ganz innen. Über alle Spuren hinweg liegt die Datenrate im Mittel bei etwa 70 Prozent des Maximalwerts auf den Außenspuren, die üblicherweise als erstes gefüllt werden. Erreicht wird dieser Maximalwert allerdings nur bei aufeinanderfolgenden Sektoren, also beim sequentiellen Lesen und Schreiben größerer Dateien. Beim Ablegen oder Zugreifen auf kleinere Dateien muss der Schreib-Lese-Kopf häufiger umpositioniert werden und warten, dass die gewünschten Sektoren vorbeikommen, was die Performance drückt.
• Annahme 2: Daten lassen sich schneller lesen als schreiben
  Das stimmt nicht. Ob ein Bit gelesen oder geschrieben wird, hat bei einer Festplatte keine Auswirkung auf die Geschwindigkeit – selbst dann nicht, wenn bestehende Daten überschrieben werden. Anders als bei SSDs müssen diese nämlich nicht erst gelöscht werden, sondern lassen sich einfach überschreiben, indem der Schreib-Lese-Kopf die Bits neu ausrichtet.
• Annahme 3: SAS ist schneller als SATA
  Das stimmt nicht. Auf dem Papier bieten die beiden Schnittstellen zwar unterschiedliche Bitraten – 12 Gbit/s bei SAS-3.0 und 6 Gbit/s bei SATA-3.3, was einer Datenrate von circa 1.200 beziehungsweise 600 MB/s entspricht. Doch das ist mehr, als Festplatten nutzen können, da ihre Geschwindigkeit durch die Mechanik und die Speicherdichte begrenzt ist. Aktuelle HDD-Modelle schaffen rund 300 MB/s, unabhängig von der Schnittstelle. SAS bietet andere Vorteile wie Vollduplex-Übertragungen, Dual-Porting sowie höhere Signalstärken und durchgängige Datensicherheit.
• Annahme 4: Die Performance von HDDs lässt mit der Zeit nach
  Das stimmt nicht. Festplatten besitzen zwar mechanische Bauteile, die verschleißen, zeigen aber keine systematische Performance-Degradierung durch die Nutzung. Das heißt: Solange die Laufwerke funktionieren, verändert sich die Lese- und Schreibleistung nicht. Nur ganz am Ende der Lebensdauer kann es vereinzelt vorkommen, dass die Performance leicht sinkt, weil viele Datenblöcke defekt sind und neu allokiert werden müssen. Das ist in der Regel aber ein Hinweis auf einen drohenden Ausfall – das Laufwerk sollte möglichst bald ausgetauscht werden. Grundsätzlich sind Festplatten trotz mechanischer Bauteile äußerst robust und lassen sich auch über die Garantiezeit hinaus weiternutzen, etwa für weniger kritische Workloads. Die Annualized Failure Rate (AFR) moderner Laufwerke liegt bei 0,35 Prozent, wobei große Rechenzentrumsbetreiber oft noch deutlich geringere Ausfallraten erreichen.
• Annahme 5: Mehr Umdrehungen heißt mehr Durchsatz
  Das stimmt. Eine Desktop-HDD mit 5.400 Umdrehungen pro Minute überträgt deutlich weniger Daten als eine Rechenzentrumsfestplatte mit 7.200 Umdrehungen pro Minute. Schließlich fahren die Datenblöcke auf den Magnetscheiben viel langsamer unter dem Schreib-Lese-Kopf durch. Eine für PCs gedachte Toshiba P300 mit 6 TB beispielsweise erreicht maximal 185 MB/s, während es eine für Server und Speichersysteme gedachte Toshiba MG10 mit ebenfalls 6 TB auf 281 MB/s bringt. Die niedrigere Drehzahl sorgt allerdings auch für eine geringere Geräuschentwicklung, was wichtig für Arbeitsplatzsysteme ist, und geht mit einem geringeren Stromverbrauch und niedrigerer Wärmeentwicklung einher.
• Annahme 6: HDDs mit mehr Scheiben sind schneller
  Das stimmt nicht. Auch wenn in Modellen mit mehr Magnetscheiben zumindest theoretisch auf mehreren Disks parallel gearbeitet werden könnte, funktioniert das in der Praxis nicht. Die Spuren auf den Scheiben liegen so dicht nebeneinander, dass die Schreib-Lese-Köpfe äußerst präzise positioniert werden müssen und immer nur einer der bis zu zehn Köpfe aktiv sein kann. Die anderen sind währenddessen nicht optimal positioniert und können nicht genutzt werden, um Daten parallel zu lesen oder zu schreiben. Die Anzahl der Scheiben in einer HDD hat somit nur Auswirkungen auf die Kapazität und die Leistungsaufnahme, da eine Spindel mit mehr Scheiben auch mehr wiegt und mit mehr Kraft bewegt werden muss. Die höheren Kapazitäten gleichen das allerdings aus: Die Watt pro Terabyte (W/TW) sinken, sodass größere Kapazitäten wirtschaftlicher sind. Eine Toshiba MG11 mit 14 TB verbraucht 6,89 W, also 0,49 W/TB. Das gleiche Modell mit 24 TB hingegen verbraucht 7,50 W, also nur 0,31 W/TB.
• Annahme 7: Neuere HDD-Generationen sind schneller als alte HDDs
  Das stimmt. Vor allem durch die höhere Bitdichte auf den Datenspuren ist die Geschwindigkeit von Generation zu Generation gestiegen. Es rotieren bei gleicher Umdrehungsgeschwindigkeit schlicht mehr Bits pro Spur unter dem Schreib-Lese-Kopf durch. Eine Toshiba MG04 mit 6 TB von 2014 beispielsweise überträgt 215 MB/s, eine MG06 gleicher Kapazität brachte es drei Jahre später schon auf 241 MB/s. Mit der MG08 kletterte die Datenrate eines 6-TB-Modells dann 2019 auf 251 MB/s und mit der MG10 von 2021 auf immerhin 281 MB/s.

„Einige Fehleinschätzungen zur Geschwindigkeit von Festplatten halten sich hartnäckig und können dazu führen, dass die Laufwerke die in sie gesetzten Erwartungen nicht erfüllen“, erklärt Rainer W. Kaese, Senior Manager Business Development Storage Products bei Toshiba Electronics Europe. „Nur wer weiß, was hinter den in Datenblättern angegeben Werten steckt und die grundlegenden Eigenschaften von Festplatten kennt, kann ihre Performance richtig einschätzen und optimal zu den Anwendungsfällen passende Modelle auswählen.“

Rainer W. Kaese, Senior Manager Business Development Storage Products bei Toshiba Electronics Europe