CMR/SMR

Der HDD-Guide zu den verschiedenen Aufnahmemethoden

SMR? CMR? PMR? Seit Mitte 2019 berichteten wir in unseren Artikeln zu Festplatten immer wieder von SMR-artigem Verhalten, ohne, dass die Festplatten als SMR gekennzeichnet sind. Letztes Beispiel war die WD Red 6 TB WD60EFAX, eine NAS-Festplatte mit SMR-Schreibcharakteristik. Mittlerweile hat WD bestätigt, dass bei diesem Modell SMR Verwendung findet. Aber was ist SMR eigentlich? Wir haben uns noch einmal genau angesehen, wie SMR funktioniert und welche Besonderheiten dabei zu beachten sind. Und: Welche Modelle von welchem Hersteller sind eigentlich betroffen? 

Als wir diesen Artikel begonnen haben, waren die Meldungen zu den Festplatten der Western Digital RED-Serie noch nicht existent. Jetzt gewinnt dieser Artikel jedoch zunehmend an Relevanz, da im Zuge der Bestätigung von Drive-managed-SMR als Aufnahmemethode in Festplatten fürs NAS viel Halbwissen und Panik im Umlauf sind. Zuerst beschäftigen wir uns mit der Entwicklung hin zu SMR.

PMR ist der Nachfolger von LMR, dem Longitudinal Magnetic Recording. Bei LMR wurde horizontal auf der Scheibe, genannt Platter, magnetisiert. Um die Dichte der möglichen Aufzeichnung zu erhöhen, magnetisiert man bei PMR, dem Perpendicular Magnetic Recording, senkrecht auf dem Platter. Der hierzu verwendete Schreib-/Lesekopf unterscheidet sich auch im Aufbau zum klassischen LMR-Kopf, welcher in seiner Arbeitsweise einem Tonband-Kopf ähnelt. Durch das senkrechte Positionieren der magnetischen Momente wird eine dreifach höhere Datendichte im Vergleich zum LMR-Aufzeichnungsverfahren erreicht. Die Hersteller Toshiba und Seagate verwenden das PMR-Verfahren seit der Mitte des letzten Jahrzehnts. Dieses Verfahren wurde notwendig, um in konventionellen 3,5-Zoll-Festplatten mehr als 750 GB bereit zu stellen und bei SAS-Festplatten, welche bauartbedingt weniger Wärmeemissionen verursachen dürfen, auf 300 GB bei 15.000 rpm zu kommen. 

Diesen beiden Techniken ist gemeinsam, dass einfach direkt auf die Festplatte an den finalen Speicherplatz der Daten geschrieben werden kann. Bei SMR ist das nicht möglich, denn SMR arbeitet anders.

Bei Shingled Magnetic Recording (SMR) werden die Daten überlappend geschrieben. Diese Idee entstand dadurch, dass physikalisch der Schreibkopf nicht so klein und filigran gebaut werden kann wie der Lesekopf. Der Schreibkopf schreibt also so nah an die vorhergehende Bahn, dass diese gerade noch so lesbar bleibt. Dabei werden aber die Daten in der folgenden Bahn überschrieben. Somit muss nach erfolgreichem Schreiben einer Bahn ggfs. die nächste Bahn ebenso neu geschrieben werden. Im schlechtesten Falle setzt sich dieser Umstand immer weiter fort. Der Vorteil dieser Aufnahmetechnologie ist, dass, bedingt durch den geringeren Abstand zwischen den Spuren, die Speicherdichte im Vergleich zu PMR noch weiter gesteigert werden kann. 

SMR-Festplatten verfügen deshalb in den schnellen, äußeren Spuren über einen sogenannten On-Disk-Cache, zusätzlich zum Controller-Cache. Einen Bereich, in dem nicht-überlappend mit PMR-Technologie geschrieben wird. Dort werden die ankommenden Daten geschrieben und, sobald wie möglich, vom Controller in den SMR-Bereich geschrieben. Hierin ist auch genau der Nachteil des Konzepts zu sehen. Sollte der schnelle On-Disk-Cache gefüllt sein, bevor der Controller die Möglichkeit hatte, die Daten in den SMR-Bereich zu schreiben, muss der Cache gezwungenermaßen geleert, bzw. geschrieben werden, bevor wieder neue Daten gespeichert werden können. Kopiert man also eine große Datei auf eine SMR-Festplatte, wird man feststellen, dass nach einer bestimmten Menge an geschriebenen Daten die Übertragungsrate einbricht und die Schreibgeschwindigkeit massiv abfällt. Bei SMR wird zwischen device-managed und host-managed SMR unterschieden. Bei letzterem reguliert nicht der Controller der Festplatte den Arbeitsaufwand innerhalb der Festplatte, sondern das Hostbetriebssystem bzw. dessen Gerätetreiber.

Die wichtigsten Punkte zusammengefasst:

• Da PMR auch innerhalb der SMR-Technologie genutzt wird, spricht man üblicherweise von CMR, dem conventional magnetic recording, wenn Festplatten mit reinem PMR-Aufnahmeverfahren gemeint sind. Wenn man sich diesen beiden Technologien bewusst ist, kann man Vor- und Nachteile gut nutzen.

• Mit SMR erhält man große Festplatten, mit geringerem Materialaufwand und meist geringerer elektrischer Leistungsaufnahme aufgrund weniger verbauter Platter. Diese sind aber nur mit Einschränkung für überwiegend schreibende Tätigkeiten zu gebrauchen.

• Benötigt man Festplatten, die mit möglichst hohen Übertragungsraten Daten speichern können, müssen reine PMR-bzw. CMR-Festplatten genutzt werden.

Leider gibt es hier aber das Problem, dass die Hersteller, gerade im Konsumenten-Bereich, oftmals nicht genug auf diese Gegebenheiten hinweisen.

Hersteller Seagate verwendete bisher zum Beispiel SMR (device managed) bei den Festplatten der BarraCuda (3,5 Zoll), FireCuda SSHD (2,5 Zoll) und bei den BarraCuda- und BarraCuda-Pro-Laufwerken im 2,5-Zoll-Format. Die BarraCuda-Pro-Laufwerke im 3,5-Zoll-Format sowie alle Modelle der Reihen IronWolf, IronWolf Pro, SkyHawk AI und Exos X sind CMR-Laufwerke. Die Serie SkyHawk ist in beiden Versionen entweder bereits auf dem Markt oder als SMR angekündigt. Hier wird im normalen Marketing nicht weiter auf die Besonderheiten der jeweiligen Aufnahmetechnologien hingewiesen. Glücklicherweise bietet Seagate jedoch umfangreiche Datenblätter und Betriebsanleitungen an, die interessierten Konsumenten die nötigen Informationen schnell zugänglich machen.

Bei Western Digital sind aktuell nur bestimmte Reihen der UltraStar Serie (ehemals HGST) mit SMR-Aufnahmetechnologie (device managed, sowie auch host-manged) gekennzeichnet. Wobei auch die neuen Modelle von Red und Blue des Jahres 2018 mit Cache-Features daherkommen (siehe unseren Artikel zur WD60EFAX), bzw. bestimmte Red-Modelle bereits bestätigte SMR-Festplatten sind. Im Gegensatz zu Seagate gibt es hier aber keine Erläuterungen zur Aufnahmemethode. Genauso auch beim Hersteller Toshiba, welcher auf Anfrage bestätigt hat, dass keine Informationen zur verwendeten Aufnahmemethode veröffentlicht werden können. Mittlerweile ist auch hier bekannt, dass Modelle der P300-Serie SMR verwenden, ohne dass sie als solche gekennzeichnet sind.

Wie öfters in unserem Forum zu lesen, kann es leider vorkommen, dass Kunden sich eine SMR-Festplatte kaufen und sich dann wundern, dass unter starkem Schreiben die Transferrate zusammenbricht. Hier ist nicht die "Festplatte schlecht", wie schnell zu hören ist, sondern für den vorhandenen Nutzungsfall schlicht und einfach die falsche Festplatte ausgewählt worden. Allerdings: Wer kann es beim undurchsichtigem Markt dem Endkunden ankreiden, dass er diese Festplatte ausgewählt hat?

Andererseits sind SMR-Festplatten auch nicht so schlecht wie ihr Ruf. Wir haben uns verschiedene Festplatten mit und ohne Angabe zur Aufnahmemethode angesehen. Zunächst erklären wir auf der nächsten Seite, wie man SMR-Festplatten erkennen kann.