Das SATA-Festplattensortiment von Western Digital verstehen (2014)

Ich habe mich aus mehreren Gründen dafür entschieden, das SATA-Festplattensortiment von Western Digital’s zu kategorisieren. Einer davon ist, dass WD derzeit Marktführer bei rotierenden Festplatten ist, wodurch diese Kategorisierung für die größtmögliche Zahl von Menschen am nützlichsten ist. Die “farbcodierte” Reihe ist, anekdotischen Hinweisen zufolge, mit großem Abstand die bevorzugte Festplattenfamilie des Marktes für kleine Unternehmen, in dem die Einschätzung am wichtigsten ist und SATA-Festplatten die größten Unterschiede bei Funktionen und Faktoren aufweisen, was es weitaus notwendiger macht, sie gründlich zu verstehen. Während technisch gesehen der einzige Unterschied zwischen einer SAS- (SCSI) und einer SATA- (ATA) Festplatte oder sogar einer Fibre-Channel- (FC) Festplatte einzig das zur Kommunikation mit ihnen verwendete Übertragungsprotokoll ist, werden SAS- und FC-Festplatten in der Praxis nur in bestimmten, hochzuverlässigen Konfigurationen hergestellt und erfordern nicht denselben Grad an Prüfung und bergen nicht dieselben extremen Risiken wie SATA-Festplatten. Das Verständnis des SATA-Festplattenangebots ist für praktische, reale Speicheranforderungen das wichtigere.

WD hat das Verständnis seines SATA-Festplattensortiments besonders einfach gemacht, indem es dem Großteil seines SATA-Festplattenangebots Farbcodes hinzugefügt hat – jenen, die als “Consumer”-Festplatten gelten – sowie eine “E”-Bezeichnung für seine Enterprise-SATA-Festplatten und einem Ausreißer, den hochperformanten Velociraptor-Festplatten, die mit der Leistung gängiger SAS-Festplatten für SATA-Controller konkurrieren sollen. Insgesamt gibt es sieben SATA-Festplattenfamilien zu berücksichtigen, die das gesamte Spektrum der Festplattenfaktoren abdecken. Diese Einschätzung gilt zwar für das leicht verständliche WD-Sortiment, doch durch den Vergleich der hier genannten Faktoren mit dem Angebot anderer Festplattenhersteller lassen sich auch die Anwendungsfälle deren Festplatten bestimmen.

Bei der Betrachtung von SATA-Festplatten stechen drei wirklich zentrale Faktoren als die entscheidendsten hervor (abgesehen vom Preis, versteht sich).

URE-Rate: Eine URE, oder Unrecoverable Read Error (nicht behebbarer Lesefehler), ist ein Ereignis, das mit einer gewissen Regelmäßigkeit bei elektromechanischen Datenträgern auftritt, bei dem ein einzelner Sektor nicht ausgelesen werden kann. Bei einer einzelnen Festplatte geschieht dies von Zeit zu Zeit, betrifft aber in der Regel nur eine einzige Datei, und Anwender bemerken dies typischerweise als verlorene Datei (oft eine, die sie nicht vermissen) oder möglicherweise als beschädigtes Dateisystem, das sich mehr oder weniger leicht beheben lässt. In intakten RAID-Verbünden (außer RAID 0) bietet das RAID-System Spiegelung und/oder Parität, die diesen Sektorausfall ausgleichen und die Daten neu erzeugen kann, wodurch wir vor URE-Problemen geschützt sind. Befindet sich ein RAID-Verbund in einem degradierten Zustand, stellen UREs erneut ein potenzielles Risiko dar. Im schlimmsten Fall kann eine URE in einem degradierten Paritäts-Verbund unter Umständen den vollständigen Verlust des Verbundes verursachen (alle Daten gehen verloren). Daher ist die Berücksichtigung von UREs und ihrer Auswirkungen bei jedem Festplattenkauf äußerst wichtig und der wichtigste Treiber für Kostenunterschiede bei Festplatten verschiedener Typen. Die URE variiert vom unteren Ende bei 10^14 bis zum oberen Ende bei 10^16. Die Zahlen sind so groß, dass sie stets in wissenschaftlicher Notation geschrieben werden. Ich werde hier nicht ausführlich auf URE-Raten, deren Konsequenzen und Strategien zu ihrer Minderung eingehen, doch das Verständnis der URE ist entscheidend für die Entscheidungsfindung beim Festplattenkauf, insbesondere im Bereich der großvolumigen, weniger zuverlässigen SATA-Festplatten.

Spindeldrehzahl: Dies ist einer der größten Faktoren für die meisten Anwender; die Spindeldrehzahl korreliert direkt mit IOPS und Durchsatz. Während Messungen der Festplattengeschwindigkeit bestenfalls dynamisch sind, ist die Spindeldrehzahl die insgesamt beste Methode, um zwei ansonsten identische Festplatten unter identischer Last zu vergleichen. Eine Festplatte mit 15.000 U/min liefert beispielsweise fast genau die doppelten IOPS und den doppelten Durchsatz einer Festplatte mit 7.200 U/min. SATA-Festplatten gibt es üblicherweise in Ausführungen mit 5.400 U/min und 7.200 U/min, wobei seltene Hochleistungsfestplatten mit 10.000 U/min erhältlich sind.

Error Recovery Control (ERC): Auch bekannt als TLER (Time Limited Error Recovery) in der Terminologie von WD, ist ERC eine Funktion der Firmware einer Festplatte, die konfigurierbare Zeitlimits für Lese- oder Schreibfehler ermöglicht, was wichtig sein kann, wenn eine Festplatte in einem RAID-Verbund eingesetzt wird, da die Fehlerbehebung oft auf Ebene des Verbundes und nicht auf Ebene der Festplatte erfolgen muss. Ohne ERC ist es wahrscheinlicher, dass eine Festplatte fälschlicherweise als defekt markiert wird, obwohl sie es nicht ist. Dies ist am gefährlichsten in hardwarebasierten Paritäts-RAID-Verbünden und hat je nach den Parametern des einzelnen RAID-Controllers unterschiedliche Wirksamkeitsgrade. Es ist eine wichtige Funktion für Festplatten, die für den Einsatz in RAID-Verbünden vorgesehen sind.

Zusätzlich zu diesen Schlüsselfaktoren führt WD viele weitere für seine Festplatten auf, etwa Cache-Größe, Anzahl der Prozessoren, mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen usw. Diese tendieren dazu, weitaus weniger wichtig zu sein, insbesondere MTBF und andere Zuverlässigkeitskennzahlen, da diese leicht verzerrt oder fehlinterpretiert werden können und selten die Einblicke in die Festplattenzuverlässigkeit bieten, die wir erwarten oder erhoffen. Die Cache-Größe ist für RAID-Verbünde nicht sehr bedeutsam, da der Cache aus Gründen der Datenintegrität deaktiviert werden muss. Daher gilt die Größe des Festplatten-Caches außerhalb von Desktop-Anwendungsszenarien im Allgemeinen als irrelevant. Auch die Anzahl der CPUs könnte irreführend sein, da einzelne CPUs leistungsstärker sein können als zwei CPUs, wenn die CPUs nicht identisch sind und die Wirksamkeit der zweiten CPU unbekannt ist. Doch WD führt dies als hervorgehobene Eigenschaft einiger Festplatten auf, und es wird angenommen, dass durch das Hinzufügen der zweiten CPU ein messbarer Leistungsgewinn entsteht, höchstwahrscheinlich in Form einer Latenzreduzierung. Ich behandle dies jedoch weiterhin als trivialen Faktor, der größtenteils nur als Kuriosität und nicht als Entscheidungsfaktor von Nutzen ist.
Die Festplatten.

Alle farbcodierten Festplatten (Blue, Green, Red und Black) teilen einen gemeinsamen Faktor – sie haben die “Consumer”-URE-Bewertung von 10^14. “Consumer” ist hier eine ungenaue Beschreibung, aber mehr oder weniger Industriestandard. Eine bessere Beschreibung wäre “Desktop-Klasse” oder geeignet für nicht-paritätsbasierte RAID-Anwendungen. Die einzige wirklich schlechte Anwendung von Festplatten mit 10^14 URE ist in Paritäts-RAID-Verbünden, und selbst dort können sie ihren Platz haben, sofern man sie richtig versteht.

Blue: WD-Blue-Festplatten sind das effektive Basismodell des SATA-Sortiments. Sie drehen mit den “standardmäßigen” 7.200 U/min, verfügen nicht über ERC/TLER und haben einen einzelnen Prozessor. Der Festplatten-Cache variiert je nach konkretem Modell zwischen 16 MB, 32 MB und 64 MB. Blue-Festplatten richten sich an die traditionelle Desktop-Nutzung – als einzelne Festplatten mit moderaten Geschwindigkeitseigenschaften, nicht gut geeignet für Server- oder RAID-Einsatz. Blue-Festplatten sind das, was man “erwartet”, in Standard-Desktops vorzufinden. Blue-Festplatten haben weithin an Beliebtheit verloren und sind oft nicht in größeren Kapazitäten erhältlich. Black- und Green-Festplatten haben die Verwendung von Blue-Festplatten weitgehend ersetzt, zumindest in Szenarien mit größerer Kapazität.

Black: WD-Black-Festplatten sind ein geringfügiges Upgrade gegenüber den Blue-Festplatten und ändern nichts, außer von einem auf zwei Prozessoren aufzurüsten, um die Leistung leicht zu verbessern, wobei sie nicht ganz so kosteneffizient sind. Wie die Blue-Festplatten verfügen sie nicht über ERC/TLER und drehen mit 7.200 U/min. Alle Black-Festplatten haben den 64-MB-Cache. Wie die Blue-Festplatten sind Black-Festplatten am besten für traditionelle Desktop-Anwendungen geeignet, bei denen Festplatten einzeln stehen.

Green: WD-Green-Festplatten sind, wie ihr Name nominell andeutet, für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch ausgelegt. Sie ähneln am ehesten den Blue-Festplatten, drehen jedoch mit langsameren 5.400 U/min, was weniger Strom benötigt und weniger Wärme erzeugt. Green-Festplatten sind, wie Blue und Black, für den eigenständigen Einsatz hauptsächlich in Desktops konzipiert, die weniger Festplattenleistung benötigen, als es bei einem durchschnittlichen Desktop erwartet wird. Green-Festplatten haben sich aufgrund ihrer niedrigen Anschaffungs- und Betriebskosten als sehr beliebt erwiesen. Es wird zudem angenommen, dass Green-Festplatten aufgrund des geringeren Verschleißes der langsameren Spindeln zuverlässiger sind als ihre schneller drehenden Pendants, auch wenn mir keine Studie zu diesem Effekt bekannt ist.

Red: WD-Red-Festplatten sind im “farbcodierten” WD-Festplattensortiment insofern einzigartig, als sie ERC/TLER bieten und für den Einsatz in kleinen RAID-Verbünden und Speichergeräten für den “Heimgebrauch” (wie NAS und SAN) konzipiert sind. Unter der Haube sind die WD-Red-Festplatten WD-Green-Festplatten; alle Spezifikationen sind identisch, einschließlich der Spindeldrehzahl von 5.400 U/min, jedoch mit in der Firmware aktiviertem TLER. Physisch sind es dieselben Festplatten. WD empfiehlt Red-Festplatten offiziell nur für Consumer-Anwendungen, doch Red-Festplatten haben sich aufgrund ihres geringeren Stromverbrauchs und TLER als äußerst beliebt in großen RAID-Verbünden erwiesen, insbesondere bei der Verwendung zur Archivierung. Red-Festplatten mit URE 10^14 sind für den Einsatz in Paritäts-RAID-Verbünden gefährlich, eignen sich aber hervorragend für gespiegelte RAID-Verbünde und glänzen wahrhaft bei der Archivierung und ähnlichen Speicheranforderungen, bei denen hohe Kapazität und niedrige Betriebskosten entscheidend sind und die Speicherleistung nicht sehr wichtig ist.

Abgesehen von den farbcodierten Festplatten hat WD drei SATA-Festplattenfamilien, die alle als Enterprise gelten. Was diese Festplatten gemeinsam haben, ist, dass ihre URE-Rate weitaus höher ist als die der “Consumer”-farbcodierten Festplatten. Sie reicht je nach Modell von URE 10^15 bis 10^16. Das wichtigste Ergebnis dieser URE-Rate ist, dass diese Festplatten weitaus besser für den Einsatz in Paritäts-RAID-Verbünden (z. B. RAID 6) geeignet sind.

SE: SE-Festplatten sind WDs Enterprise-SATA-Einstiegsfestplatten mit URE-10^15-Raten und Spindeldrehzahlen von 7.200 U/min. Sie verfügen über zwei Prozessoren und einen 64-MB-Cache. Am wichtigsten ist, dass bei SE-Festplatten ERC/TLER aktiviert ist. SE-Festplatten sind ideal für Enterprise-RAID-Verbünde, sowohl gespiegelte als auch paritätsbasierte.

RE: RE-Festplatten sind WDs hochwertige Standard-Enterprise-SATA-Festplatten, deren Spezifikationen mit denen der SE-Festplatten identisch sind, jedoch mit der noch besseren URE-10^16-Rate. RE-Festplatten sind die Stars in WDs RAID-Festplattenstrategie und perfekt für Verbünde mit extrem hoher Kapazität geeignet, selbst beim Einsatz in Paritäts-Verbünden. RE-Festplatten sind sowohl in SATA- als auch in SAS-Konfigurationen erhältlich, jedoch mit derselben Festplattenmechanik.

Velociraptor: WDs Velociraptor ist ein etwas eigenartiges Mitglied der SATA-Kategorie. Mit URE 10^16 und einer Spindeldrehzahl von 10.000 U/min ist der Velociraptor sowohl hochzuverlässig als auch sehr schnell für eine SATA-Festplatte und konkurriert mit gängigen Mainstream-SAS-Festplatten. Überraschenderweise hat der Velociraptor nur einen einzelnen Prozessor, und noch überraschender ist, dass ihm ERC/TLER fehlt, was seinen Einsatz in RAID-Verbünden fragwürdig macht. Da ERC fehlt, kann der Einsatz in RAID je nach Implementierung individuell in Betracht gezogen werden, abhängig davon, wie das RAID-System mit dem Timing der Festplatte interagiert. Mit der hervorragenden URE-Bewertung wäre der Velociraptor eine ausgezeichnete Wahl für große, leistungsstärkere Paritäts-RAID-Verbünde, jedoch nur, wenn der Verbund das Fehler-Timing auf elegante Weise handhabt; andernfalls ist das Risiko, dass der Verbund die Festplatte als ausgefallen markiert, für einen so kostspieligen Verbund, wie dieser es wäre, inakzeptabel hoch. Es sei angemerkt, dass Velociraptor-Festplatten nicht in Kapazitäten erhältlich sind, die mit den anderen SATA-Festplattenangeboten vergleichbar wären – sie sind deutlich kleiner.

Natürlich ist der letzte Vergleich, den man anstellen muss, der des Preises. Bei der Betrachtung von Festplattenkäufen, insbesondere wenn große RAID-Verbünde betroffen sind oder andere Massenspeicheranforderungen bestehen, sind die Kosten pro Festplatte oft ein wesentlicher, wenn nicht der ausschlaggebende Faktor. Der Einsatz langsamerer, weniger zuverlässiger Festplatten in einem zuverlässigeren RAID-Level (etwa Red-Festplatten in RAID 10) gegenüber schnelleren, zuverlässigeren Festplatten in einem weniger zuverlässigen RAID-Level (etwa RE-Festplatten in RAID 6) bietet oft eine bessere Mischung aus Zuverlässigkeit, Leistung, Kapazität und Kosten. Reale Festplattenpreise spielen bei diesen Entscheidungen eine bedeutende Rolle. Diese Preise können, anders als die Festplattenspezifikationen, von Tag zu Tag schwanken und Planungsentscheidungen in unterschiedliche Richtungen lenken, bleiben aber insgesamt im Verhältnis zueinander relativ stabil.

Zum Zeitpunkt dieses Artikels, Ende 2013, ergab eine kurze Preisrecherche für 3-TB-Festplatten von WD diese ungefähre Aufschlüsselung:

Green 120 $
Red 135 $
Black 155 $
SE 204 $
RE 265 $

Wie zu erkennen ist, kommt der Preissprung in erster Linie zwischen den Consumer- bzw. Desktop-Klasse-Festplatten und den Enterprise-Festplatten mit ihren besseren URE-Raten zustande, wobei Red- und RE-Festplatten, beide mit ERC/TLER, in einem Preisverhältnis von fast genau 2:1 stehen, sodass es bei gleicher Kapazität günstiger ist, beispielsweise viel mehr Red-Festplatten in RAID 10 zu wählen als wenige RE-Festplatten in RAID 6. Der Vergleich einer Reihe von Faktoren zusammen mit aktuellen realen Preisen ist daher entscheidend für viele Kaufentscheidungen.

Neuere Festplatten, die gerade erst auf den Markt kommen, weisen zunehmend Reduzierungen des integrierten Festplatten-Caches auf, und zwar aus genau den oben genannten Gründen: Festplatten, die rund um den RAID-Einsatz konzipiert sind, haben wenig oder keinen Zweck für einen integrierten Cache, da dieser aus Gründen der Datenintegrität deaktiviert werden muss.

Festplattenhersteller bieten heute eine breite Palette traditioneller spindelbasierter Festplattenoptionen an, um vielen unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden. Das Verständnis dieser Optionen kann zu besserer Zuverlässigkeit und kosteneffizienterem Einkauf führen und die Nützlichkeit traditioneller Festplattentechnologien bis in die kommenden Jahre verlängern.