Aktuelle Entwicklung von Hybrid-Festplatten
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| Name des Autors / der Autoren: | Marcel Köllner, Kevin Lier, Dirk Schult |
| Titel der Arbeit: | "Aktuelle Entwicklungen von Hybridfestplatten" |
| Hochschule und Studienort: | FOM Duisburg |
1 Einleitung
Festplatten sind seit Jahren ein sehr dynamisches und sich schnell entwickelndes Themengebiet. Seit etwa fünf Jahrzehnten gibt es immer wieder Neuerungen und Technologiesprünge, die vor Allem immer mehr Speicherkapazität auf immer weniger Platzbedarf bieten. Neben der klassischen Festplatte, ist seit einiger Zeit der Trend zum Festwertspeicher zu erkennen. Auch mobile Formen von Speichermedien sind durch USB-Sticks und USB-Festplatten im Taschenformat mittlerweile aus dem privatem, aber auch geschäftlichen Gebrauch, nicht mehr wegzudenken. Seit dem Jahre 2006 gibt es erste Versuche die klassische Festplatte durch den Einsatz von Flash-Speicherbausteinen zu verbessern. Bevor auf Technologien im Einzelnen eingegangen wird, folgt ein kurzer Einblick in die Entwicklung von Festplatten in Rechenzentren.
Am 13.September 2006 feierte die Festplatte ihr 50-jähriges Bestehen. Sie wurde 1956 erstmals von IBM vorgestellt und konnte im Modell IBM 350 bis zu 5 Megabyte Daten speichern.[1] Festplatten wurden erstmals in den 60er Jahren in Rechenzentren eingesetzt. Größen von zehn bis 14 Zoll waren üblich und ermöglichten eine Kapazität von maximal einigen Megabyte. Ein erster Trend zur Größenentwicklung beschreibt Hanssen: "Seit der Einführung der ersten Magnetplatteneinheiten vor fünfzig Jahren ist die Speicherkapazität jährlich um 25 - 30 Prozent gestiegen"[2]. Auch dies zeigt die Brisanz dieser Technologie und das Entwicklungspotenzial, was zu Beginn in Festplatten steckte.
Ob sich die Integration eines zusätzlichen Zwischenspeichers in eine klassische Festplatte lohnt, oder ob die Einführung von Festplatten, die nur aus Festwertspeicher bestehen (Solid State Disk), den Tod für die klassische Festplatte bedeutet, ist zur Zeit in Diskussion. Welche Vorteile die hybride Zusammensetzung bietet und wie das Zusammenspiel der beiden Komponenten in der Praxis z.B. im Betriebssystem Windows Vista funktioniert, zeigt diese Ausarbeitung.
2 Zugrunde liegende Speichertechnologien
Das lateinische Wort Hybrid kommt aus dem Griechischen und hat die Bedeutung von etwas Gebündeltem bzw. etwas Gekreuztem. Die Hybridfestplatte ist eine Speichereinheit mit zwei verschiedenen Komponenten, die sich technisch sehr stark unterscheiden, welche es gilt im Weiteren auf ihre Funktion und Nutzen zu untersuchen. Trotz der hybriden Zusammensetzung gehört die Hybridfestplatte in die Kategorie der magnetischen Datenträger. Der Anteil des nicht flüchtigen Speichers dient in den meisten Fällen als unterstützende Funktion.
2.1 Bestandteile der Hybridfestplatte
Bevor die Zusammensetzung der hybriden Bestandteile näher betrachtet werden können, muss auf die generelle Funktionsweise der Festplatte eingegangen werden. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem magnetischen Teil, also der Teil, aus dem seit Jahren Festplatten im Wesentlichen bestehen. Im nächsten Kapitel wird die Zusammensetzung der klassischen Festplatte und deren Funktionsprinzip näher betrachtet. Im zweiten Teil folgt eine isolierte Betrachtung des Festwertspeichers wie er z.B. in mobilen Datenträgern Verwendung findet.
2.1.1 Magnetischer Speicher
Eine Festplatte, wie sie in den meisten Fällen in Desktop- oder Notebooksystemen auch heute noch verbaut wird, gehört in die Kategorie der magnetischen Datenträger. Datenträger im Allgemeinen sind "physikalische Medien, die zur dauerhaften Aufnahme von Daten geeignet sind"[4]. Datenträger lassen sich wiederum in mehrere Kategorien einteilen. Die Hybridfestplatte hat ihren Hauptbestandteil, die magnetische Komponente, aus der Kategorie der magnetischen Datenträger und den nicht flüchtigen Teil aus der Kategorie der elektronischen Datenträger[5].
Ein magnetischer Speicher zeichnet sich durch das Speichern von Informationen auf dünnen magnetischen Schichten aus. Diese Ebenen bestehen aus "Chromdioxid, Reineisen und spezielle Metallbeschichtungen, die hohe Bitdichten erlauben".[6] Festplatten bestehen aus einzelnen, runden Magnetplatten, die übereinander angeordnet sind und von beiden Seiten beschrieben werden können. Der Durchmesser der Festplattenscheiben liegt bei 3 - 12 cm (und kleiner). Früher gab es Festplatten mit bis zu 14 Zoll. Heute sind Größen bis unter 1 Zoll technisch möglich und umgesetzt. Es gibt einen Festplattenkopf, der mit einer Spule versehen ist und abhängig von der Polarität, einzelne Magnetpartikel lesen bzw. schreiben kann.[7] Pro Magnetscheibe gibt es einen Schreib- bzw.- Lesekopf, die alle an einer Achse befestigt sind.
Einzelne physikalische bzw. logische Unterteilungen lassen sich wie folgt ableiten: Die größte Einheit ist der Zylinder. Der Zylinder besteht aus 1 - 12 Magnetscheiben, die mit einer Geschwindigkeit von 3.600 bis 15.000 Umdrehungen pro Minute rotieren. Die Magnetscheibe lässt sich in einzelne Spuren aufteilen, was man mit einer klassischen Schallplatte vergleichen kann. Die nächst kleinere Einheit ist ein Sektor, der üblicherweise 512 Byte fassen kann.[8] In einem Sektor gibt es unterschiedliche, logisch zusammengehörige Datensätze, die Block genannt werden. Abhängig von den Datensätzen, die logisch zusammen gespeichert werden sollen, kann die Blockung variiert werden.
Als zusätzlichen Baustein in heutigen Festplatten gibt es einen Zwischenspeicher, den Cache. Dies ist ein Chip, der zur Zeit eine Größe von 1 - 32 Megabyte hat und für eine Zwischenspeicherung von Daten sorgt. Meist handelt es sich um einen DRAM-Chip. Durch das Zwischenspeichern, wird der Schreib- und Lesezugriff beschleunigt.[9] Der DRAM-Cache ist zu unterscheiden von dem Cache, den es in Hybridfestplatten gibt. Zwar funktioniert die hybride Technologie ähnlich wie der DRAM-Zwischenspeicher, es wird jedoch eine andere Speichertechnologie verwendet, die Flash-Speichertechnologie, worauf im Folgenden näher eingegangen wird.
2.1.2 Nicht flüchtiger Speicher
Bevor auf die eigentliche Verwendung von Flash-Speicher als Komponente in hybriden Festplatten eingegangen werden kann, wird zunächst die Abgrenzung der Speichertypen beschrieben. Bei der Speichertechnologie gilt es zu Beginn zwei Arten von Speichertypen zu unterscheiden: Random Access Memory (RAM) und Read Only Memory (ROM).
RAM beschreibt einen Speicher, wo sowohl ein Schreibe- als auch ein Lesezugriff möglich ist. RAM Speicher lässt sich in statische und dynamische Bausteine unterscheiden. Der Hauptunterschied ist die Technologie der einzelnen Speicherbausteine. Statische RAMs verwenden Flip Flop-Schaltungen, um Daten, solange Strom fließt, speichern zu können. Dynamische RAMs hingegen verwenden Transistoren, die elektrisch nachgeladen werden müssen.[10]
Bei einem ROM-Speicher ist nur ein Lesezugriff möglich, dass heißt, die Daten die bei Erstellung des Bausteins auf den Chip geschrieben werden, sollen dauerhaft zu Verfügung stehen. Diese Chips werden vor Allem in technischen Geräten verwendet, wo die Information oder das Programm auch bei abgeschalteter Stromzufuhr erhalten bleiben soll, bzw. die Information nie geändert wird. Es gibt jedoch auch ROM-Speichertypen, die nicht bei der Erstellung beschrieben werden, sondern in der Variante Programmable ROM (PROM) vom Unternehmen selbst ein Mal beschrieben werden können, oder in der Variante Erasable PROM (EPROM) beliebig oft, nach vorherigem Löschen, beschrieben werden können. Diese Speichertypen seien jedoch nur der Vollständigkeit halber erwähnt. Die eigentlich relevante Speicherart, nämlich eine Weiterentwicklung der EPROM, ist der Flash-Speicher, der als Komponente in der Hybridfestplatte Verwendung findet. Der Flash-Speicher zeichnet sich durch eine besonders flexible Löschfunktion aus. EPROM-Speicher können nur komplett durch ultraviolettes Licht geleert werden, wohingegen Flash-Speichersteine elektrisch, byteweise gelöscht werden können.[11] Ein Flash-Speicher kann etwa 100.000 Mal beschrieben werden und hat eine Zugriffszeit von ca.100 Nanosekunden. Bei einem Schreibvorgang kann kein Datensatz überschrieben werden. Der Block muss erst gelöscht werden, bevor er neu beschrieben werden kann. Die maximale Speicherzeit liegt bei etwa zehn Jahren[12]. Die eigentliche Speicherung von Daten findet in sogenannten Feldeffekttransitoren statt, wo durch Anlegen von einer Spannung, der Transistor aufgeladen bzw. entladen wird.
Um die Speicherzellen in einen Ladezustand zu versetzen oder auszulesen gibt es zwei unterschiedliche Ansätze. Beim Ersten, dem Single-Level-Cell Verfahren (SLC), kann eine Speicherzelle nur den Spannungszustand null oder eins annehmen und somit auch nur ein Bit speichern. Beim Zweiten, der Multi-Level-Cell Technologie (MLC), ist das Speichern von derzeit bis zu drei Bits möglich. Eine 4 Bit Speicherzelle wurde bereits für Anfang 2009 durch die Firma SanDisc angekündigt[13]. Das Speichern mehrer Bits in einer Zelle wird ermöglicht, indem die Speicherzelle mehrere unterschiedliche Spannungsladungen aufnehmen kann. Beim Auslesen wird geprüft welche Spannung an der Speicherzelle anliegt und welche Bitfolge sie darstellt. Zu berücksichtigen ist aber, je mehr Spannungsladungen in einer Zelle untergebracht werden, desto größer ist die benötigte Zeit, die gebraucht wird, um die Speicherzellenspannung auszulesen und in eine Bitkombination umzusetzen.[14]
2.2 Vorteile und Nachteile der einzelnen Bestandteile
Um im Weiteren auf die Zusammensetzung der einzelnen Technologien zu einer neuen Einheit eingehen zu können, werden zuvor die Vor- und Nachteile der Komponenten untersucht.
2.2.1 Magnetischer Speicher
Ein wesentlicher Vorteil einer mechanischen Festplatte ist die Möglichkeit der dauerhaften Datenspeicherung. Daten werden auch bei abgeschalteter Stromzufuhr über das in 2.1.1 beschriebene Verfahren dauerhaft in der Magnetschicht verfügbar gemacht und können bei erneuter Stromzufuhr gelesen werden. Die maximale Speicherkapazität einer modernen Festplatte liegt bei 500 Gigabyte bis 1 Terabyte, was gegenüber dem Festwertspeicher noch einen wesentlichen Vorteil bietet. Als einer der wesentlichen Nachteile gilt die Datentransferrate. Am Beispiel einer aktuellen internen SATA Festplatte liegt die Transferrate bei etwa 100 bis 150 Megabyte pro Sekunde, wohingegen beim Flash-Speicher mehrere Gigabyte pro Sekunde möglich sind. Eine Festplatte ist aufgrund der mechanisch, magnetischen Zusammensetzung empfindlich gegen Stöße. Ein weiterer Nachteil ist die mechanische Abnutzung der Komponenten. Zwar berührt der Schreib-/Lesekopf im Idealfall nie die Oberfläche der Magnetplatte, jedoch sind das Lager und die Spule nicht unbegrenzt haltbar. Um diese Ausfallsicherheit zu steigern, werden Redundant Array Idependant Disc-Systeme (RAID-Systeme)benutzt. Aufgrund der mechanischen Bauform ist ein Schreib-/Lesezugriff im Gegensatz zum Flash-Speicher immer mit einer gewissen Lautstärke verbunden, die entsprechend der Umdrehungszahl ansteigt. Festplatten produzieren aufgrund der Drehung einer Magnetplatte eine Abwärme die gekühlt werden muss und somit zusätzlichen Strom benötigt.
2.2.2 Nicht flüchtiger Speicher
Nicht flüchtiger Speicher in Form von Flash-Speichersteinen findet heute meist Verwendung in mobilen Speichermöglichkeiten, wie USB-Sticks oder Speicherkarten. Durch ihre komfortable und schnelle Löschfunktion, die z.B. direkt von einer Digitalkamera gestartet werden kann, ist der Flash-Speicher sehr beliebt geworden. Die zunehmende Kompaktheit der Flash-Einheiten lässt Speichersteine in Geräte integrieren (wie z.B. Taschenmesser oder Schlüsselanhänger) und ist zu dem bekanntesten mobilen Datenträger geworden, der eine Speicherkapazität von bis zu 64 Gigabyte (GB) bei USB-Sticks und 256 GB bei Flash-Speicher Festplatten (Solid State Disk) zulässt. Ein weiterer Vorteil neben der Kompaktheit und flexiblen Löschfunktion ist die schnelle Zugriffszeit. Der bei der magnetischen Komponente erwähnte Nachteil ist ein Vorteil des nicht flüchtigen Speichers. Eine mechanische Abnutzung durch Schreib- oder Lesezugriff gibt es als Solches nicht. Nicht flüchtiger Speicher in Form von USB-Festplatten oder USB-Sticks können während des Betriebes an den PC gesteckt werden und werden als Wechseldatenträger erkannt. Dieser Vorteil des sogenannten Hot Plugin zählt jedoch zu den Vorteilen der USB-Technologie und sei nur der Vollständigkeit erwähnt, da die häufigste Verwendung von Flash-Speicher zur Zeit die Form von USB-Geräten ist.
Ein wesentlicher Nachteil, der gerade zu Beginn der Verbreitung von Flash-Speichern entgegenstand, war die Wiederbeschreibbarkeit der Speichersteine. Nach Löschzyklen von etwa 10.000 Vorgängen konnte die Speicherkomponente nicht mehr verwendet werden. Bei herkömmlichen Festplatten liegt die Speicherfähigkeit bei einigen Jahren[16].
3 Aufbau und Funktionsweise der Hybridfestplatte
In den Kapiteln zuvor wurden die einzelnen Komponenten der Hybridfestplatte mit dessen Vor- und Nachteilen dargestellt. Doch wie geht die Geschichte der Speichermedien weiter?
Ein optimaler Datenspeicher für die Zukunft sollte ein großes Datenvolumen aufnehmen können, einen schnellen Zugriff ermöglichen, sowie möglichst energieschonend arbeiten. Diese Eigenschaften versucht man mittels einer Hybridfestplatte zu erfüllen, indem man sich den positiven Eigenschaften von magnetischen und nicht flüchtigen Speichermedien bedient und diese in einer Komponente vereint, der Hybridfestplatte.
3.1 Zusammenspiel der magnetisch und nicht flüchtigen Komponente
Herkömmliche Festplatten besitzen einen DRAM Cache in der Größe von 2, 8 oder 16 Megabyte, der für die Pufferung und Reorganisation der Daten verwendet wird, um einen optimalen Schreib- und Lesezugriff der Köpfe auf die magnetischen Scheiben sicherzustellen. Daten die bereits auf das magnetische Medium geschrieben sind, aber noch nicht wieder im Cache überschrieben wurden, können bei einem erneuten Zugriff direkt aus dem Cache gelesen werden, ohne dass auf das langsamere magentische Medium zugegriffen werden muss. Diese Eventualität erhöht die Datenzugriffszeit enorm.[17]
Bei Hybridfestplatten wurde das Verfahren weiterentwickelt, indem zusätzlich zu dem DRAM Cache einen Non Volatile (NV) Cache (dt. nicht flüchtiger Speicher) zwischen dem ATA-Controller und den rotierenden Scheiben der Festplatte implementiert wird. Mittels neuer ATA-8 Kommandos, welche spezielle für Hybridfestplatten entwickelt wurden, kann das Betriebssystem den NV Cache aktivieren und nutzen. Der NV-Cache kann parallel, vorgeschaltet oder nachgeschaltet zum DRAM Cache betrieben werden. Der NV-Cache stellt ebenfalls, wie der DRAM Cache, keine Vergrößerung der Speicherkapazität des Mediums dar, sondern hält ausgewählte Datenveränderungen der Festplatte als Duplikat vorrätig um einen schnelleren Zugriff darauf zu ermöglichen.[18] Ausgewählte Daten für den nicht flüchtigen Speicher können Daten des Betriebssystems oder von häufig verwendeten Anwendungen sein. Durch Anwenden dieser Methodik verkürzen sich der Applikationsaufruf und Bootvorgang des Betriebssystems.
Durch Einsatz von Flash-Speicher in den Festplatten vermindert sich auch der Strombedarf, da der Speicher eine deutlich geringere Stromaufnahme aufweist als der Antriebsmotor der herkömmlichen Magnetscheiben. Im Flash-Speicher werden vorwiegend Daten abgelegt, auf die fortwährend zugegriffen wird, wie z.B. Bestandteile des Betriebssystems und häufig verwendete Anwendungen. Durch diese sinnvolle Selektion wird sichergestellt, dass nicht jedes Mal, wenn auf hoch frequentierte Daten zugegriffen wird die Mechanik der Festplatte aktiviert werden muss. Dies ist das Hauptziel, welches mit dem Konzept eines NV-Caches in Festplatten verfolgt wird.[18] Durch den immer häufigeren Stillstand der Schreib-/Lesearme und der magnetischen Scheiben wird gleichzeitig auch die Hitzeentwicklung von Hybridfestplatten reduziert, welche durch den mechanischen Antrieb entsteht. Je schneller die Magnetscheiben gedreht werden (Angabe in Umdrehungen pro Minute) und je häufiger auf eine Festplatte zugegriffen wird, desto höher ist die dafür benötigte Energie des Antriebsmotors, wovon auch ein Teil in Wärmeenergie umgewandelt wird.[19]
Ein weiterer Vorteil den der Einsatz eines Hybrid-Drives verschafft, ist die Robustheit gegen Stöße und Erschütterungen während des Betriebes. Dies lässt sich darauf zurückführen, dass ein Flash-Speicher komplett schockresistent ist und das dieser Speicher in einer Hybridfestplatte für hoch frequentierte Daten verwendet wird. Dadurch wird das Ziel verfolgt, dass immer öfter der mechanische Schreib-/Lesekopf in seiner Parkposition verweilt und nicht über der magnetischen Scheibe schwebt und somit bei einer Erschütterung einen Zusammenstoß (engl.: head-crash) mit der Magnetplatte verursacht.[17] Dieser Zusammenstoß kann zu einem Ausfall des Speichers führen und damit einen nicht unerheblichen Datenverlust zu Folge haben[2].
3.2 Notwendigkeit von Windows Vista
Der Hype um die sog. Hybridfestplatten begann im April 2005 durch eine Ankündigung der Unternehmen Microsoft (Softwarehersteller) und Samsung (Festplattenproduzent), die in dem darauffolgenden Jahr eine fortschrittliche Hybridfestplatten-Technologie auf den Markt bringen wollten[20]. Mit dieser Technologie bzw. dem Konzept will Microsoft die Prozesse des Betriebssystems Windows Vista beschleunigen und den Energiebedarf von Festplatten senken[21]. Die für eine optimale Nutzung der Hybridfestplatte notwendigen Technologien wie z.B ReadyDrive oder SuperFetch, die Microsoft in das Betriebssystem Vista integriert hat, werden in einem späteren Kapitel behandelt. Laut der Aussage von Sun Spornraft, Produktmanagerin bei Samsung, unterliegen die Lizenzen für die Hybridtechnologien den Bestimmungen von Microsoft[22]. Auf dieses weißt auch ein Begleitschriftstück hin, welches Samsung seinen Hybridfestplatte beigelegt hat. In dem darauf hingewiesen wird, falls ein anderes Betriebssystem ausser Vista auf der Festplatte betrieben wird, welches die Hybridfunktionalität nutzt, der Kontakt mit Microsoft bzgl. eventueller Lizenzrechtsverletzungen zu suchen ist.
3.3 Interaktion der verwendeten Techniken
In dem zuvor behandelten Kapitel wurde die Notwendigkeit von Windows Vista für den Einsatz von Hybridfestplatten bereits angesprochen. Um den auf Festplatten hinterlegten Speicher ordnungsgemäß ansprechen zu können, wurden in Vista neue Techniken implementiert. Die Aufgaben und Funktionsweisen, sowie das Zusammenspiel dieser Optimierungsfunktionen werden im folgenden detailliert dargestellt.
3.3.1 NV-Cache
Um den auf der HDD abgelegten Speicher optimal zu nutzen, gibt es Schwellwerte hinsichtlich Größe und Geschwindigkeit für den sinnvollen Einsatz des nicht flüchtigen Speichers. Dabei sollte man sich in diesem Rahmen bewegen, da eine Über- bzw. Unterdimensionierung der Speichergröße keinen Sinn macht. Sehr schneller Flash-Speicher hat immer noch einen hohen Kostenfaktor, weshalb überflüssiger Speicher der nicht genutzt wird nur einen negativen Einfluss auf die Kosten der hybriden Festplatte hat. Achtet man hingegen nur auf den Preis, ist man eventuell nicht mit ausreichend Speicher gerüstet, um die Optimierungsfunktionen von Vista effizient zu nutzen. Ein ausgewogenes Verhältnis von Kosten und Nutzen soll dabei angestrebt werden.
Auf der WinHEC 2006 gab Microsoft folgende Richtwerte für die NV-Cache Größe bekannt:
| Größe | Vorraussetzung |
|---|---|
| 50 MB | als minimale Größe des NV-Cache |
| 120-256 MB | für Performancegewinn und Stromverbrauchreduktion |
| > 100 MB | für Anwendungspinning |
| 2048 GB | als maximale Größe des NV-Cache |
Die Tabelle 1 stellt Rahmenwerte für den Einsatz von nicht flüchtigem Speicher dar. Als Empfehlung wird ein Wert 128 MB bis zu 1 GB ausgegeben. Dabei wird der Cache zunächst zur Ablage von Firmware, als Schreib-Cache und für die Daten des Anwendungs-Pinnungs genutzt. Der Restspeicher wird dann für die SuperFetch-Daten genutzt.[24]
Anforderungen an die reine Größe des Cache sind dabei nicht die einzigen Kriterien, die der Cache erfüllen muss. Zusätzlich sind weitere Werte hinsichtlich der Latenzzeit für Schreib- und Leseprozesse sowie für den Datendurchsatz einzuhalten. Dabei sollten die Latenzzeiten für Lesen und Schreiben eines 4 KB Blocks weniger als 3 ms und für den Zugriff auf einen 4,5 KB Block weniger als 4 ms betragen. Dabei sind kleine Abweichungen erlaubt, solange 5 ms bzw. 10 ms in vereinzelten Fällen nicht überschritten werden.[25]
| Szenario | Durchsatz |
|---|---|
| zufälliges Lesen von 4 KB | > 4 MB/s |
| zufälliges Schreiben von 4 KB | > 4 MB/s |
| sequentielles Lesen von 64 KB | > 16 MB/s |
| sequentielles Schreiben von 64 KB | > 8 MB/s |
| zufälliges Lesen von 1 MB | > 16 MB/s |
| zufälliges Schreiben von 1 MB | > 10 MB/s |
Die Richtlinien für den Datendurchsatz sind aus der Tabelle 2 ersichtlich.
3.3.2 Windows Optimierung
Bisher wurde lediglich die technische Basis einer Hybridfestplatte erläutert und die Notwendigkeit von Windows Vista als Betriebssystem hervorgehoben. Das folgende Kapitel soll verdeutlichen, wie das Betriebssystem das Wechselspiel zwischen der mechanischen Festplatte, dem flüchtigen Speicher und der Software steuert. Die eigentliche Unterstützung der H-HDD erfolgt durch Windows ReadyDrive. Microsoft bietet jedoch weitere Techniken wie ReadyBoost und SuperFetch, die das Auslagern von Daten auf Flash-Speicher und somit auch auf eine H-HDD ermöglichen.
3.3.2.1 ReadyDrive
Windows ReadyDrive wurde entwickelt, um mit Hybridfestplatten zusammen zu arbeiten. Dabei soll der Stromverbrauch der Festplatte reduziert sowie die Zuverlässigkeit und Performance gesteigert werden. Gerade der Systemstart und die Wiederaufnahme aus dem Ruhezustand sollen dabei wesentlich beschleunigt werden[23]. Dies soll durch ablegen der Daten der Vista-Bootumgebung sowie der Hibernate-Datei im Flash-Speicher realisiert werden.
ReadyDrive wurde speziell für Mobilrechner entwickelt, die mit einem Hybridlaufwerk ausgestattet sind. Aus diesem Grund ist diese Funktion bei gegebener Konstallation auch standardmäßig aktiviert[27].
Die Kommunikation zwischen Betriebssystem und der Festplatte erfolgt über das NV-Cache Command Set. Dieses enthält Befehle, um den nicht flüchtigen Speicher einer Festplatte anzusprechen[28]. Anhand dieser ATA-8 Befehle definiert das Betriebsystem die Datenträgerdaten, die in dem Flash-Speicher abgelegt werden sollen[29]. Dabei greift die Vista ReadyDrive Technik anhand dieses Befehlssets auf den nicht volatilen Speicher zu. Anhand der Abbildung 3 wird verdeutlicht, wie Vista und die H-HDD beim Systemstart bzw. beim Weckruf aus dem Ruhezustand zusammen agieren.
Beim Herunterfahren des Systems oder auch bei dem Übergang in den Ruhezustand werden alle für den nächsten Bootvorgang notwendigen Daten im NV-Speicher abgelegt. Beim nächsten Bootvorgang erfolgt nun der BIOS Power On Self-Test. Erst im zweiten Abschnitt dieses Vorgangs wird der Festplattencontroller überprüft und bei Erfolg die Festplatte initialisiert[30]. Die HDD benötigt nun eine gewisse Zeit um in betriebsbereiten Zustand zu gelangen. Genau diese Zeit wird durch den NV-Cache Speicher überbrückt. Das BIOS kann somit die für den Boot-Prozess notwendigen Ein- und Ausgabedaten lesen. Ist der magnetische Speicher bereit, werden die Daten dann optimiert aus beiden Ebenen gelesen und geschrieben. Großes Potenzial verspricht diese Technik dabei, wie schon beschrieben, durch eine Verkürzung der Bootzeit. Da die Wartezeit zum Hochfahren der Festplatte nun aktiv genutzt werden kann, um Folgevorgänge direkt auszuführen, können mehrere Sekunden eingespart werden. Dieser Effekt kann verstärkt werden, wenn einzelne Prozesse des BIOS POST, z.B. Memory Check, sowie die Initialisierung von Chipsatz, Video und der Festplatte schnell durchlaufen werden[23].
Wie bereits beschrieben, kann der Cache auch angesprochen werden, wenn der Datenträger inaktiv ist. Das ermöglicht Schreib- und Leseprozesse, ohne dass die Spindel hochgefahren wird. Dadurch soll ein Stromsenkungspotential erreicht werden[29].
3.3.2.2 SuperFetch
In Kapitel 3.3.1 wurde bereits angedeutet, dass NV-Speicher, der nicht zur Ablage der Firmware oder als Schreib Cache genutzt wird, für die sogenannte SuperFetch Technik verwendet werden kann. Durch spezielle Speicherverwaltung soll die Systemleistung verbessert werden. Diese Technologie beruht auf der aus Windows XP bekannten Prefetch-Methode. Vista setzt dabei aber auf eine neue Methode bei der Verwaltung von Speicher- sowie E/A-Prioritäten. Um zu verstehen, wie die SuperFetch-Technologie funktioniert, sollten diese beiden Techniken genauer betrachtet werden.
Ein- und Ausgabeprioritäten wurden eingeführt, um die Beeinträchtigung von Vordergrundprozessen durch Hintergrundprozesse zu vermeiden. Somit hat man bei Windows Vista die Möglichkeit, einzelne E/A-Vorgänge oder gar ganze Bandbreiten zu priorisieren, um somit Vordergrundprozessen den Vortritt zu erteilen. Die Tabelle 3 zeigt die möglichen Prioritäten, die vergeben werden können, wobei derzeit nur 4 Prioritäten aktiv genutzt werden[29].
| E/A-Priorisierung | Einsatzgebiet |
|---|---|
| Kritisch | Memory Manager |
| Hoch | Nicht verwendet |
| Normal | Standardpriorität |
| Niedrig | Standardtaskpriorität |
| Sehr niedrig | Hintergrundaktivität |
Auch bei der Bearbeitung des Speicherinhaltes wurden Prioritäten eingeführt. Der Speichercache, auch Standbyliste genannt, kann Prioritäten von 0 bis 4 verwalten. Dadurch wird der Speichercache in genau 8 Listen unterteilt, wovon jede Liste eine dieser Prioritäten aufnehmen kann. Das System ist somit in der Lage, Daten mit niedriger Priorität zuerst aus dem Speicher zu entfernen[29].
Der Hauptalgorithmus für die optimale Verwaltung der Speicher- und E/A-Prioritäten ist durch SuperFetch realisiert worden. Dabei ermöglicht diese Technologie eine schnellere Reaktion auf Benutzereingaben, da die zuvor beschriebenen Benutzerprozesse eine höhere Priorität als Hintergrundprozesse zugeordnet bekommen. Darüber hinaus nutzt SuperFetch Leerlaufzeiten aus, um Hintergrundprozesse durchzuführen. Nach Beendigung dieser Prozesse setzt SuperFetch den Speicher wieder zurück in den vorhergehenden Zustand, so dass der Anwender sofort mit der Arbeit fortfahren kann[31].
Darüber hinaus wurde eine Methode implementiert, die abschätzen soll, welche Anwendungen am häufigsten ausgeführt werden, um diese bei der nächsten Nutzung vorab in der Standbyliste bereit zu stellen und mit einer Priorität zu versehen. Dies soll dem Nutzer bei folgenden Systemstarts in die Lage versetzen, schneller seine Arbeit aufnehmen zu können. Realisiert wird dies durch das Hinterlegen von Verlaufsinformationen in Szenariodateien[29].
Zieht man in Betracht, dass aktuelle Hybridfestplatten 256 MB NV-Cache besitzen und davon gerade einmal die Hälfte für SuperFetch zur Verfügung steht, ist jedoch fraglich inwiefern der Cache der Festplatte sinnvoll für SuperFetch eingesetzt werden kann. Geschwindigkeit und Größe sind dem RAM unterlegen[24]. Sinnvoller ist dabei das Zusammenspiel von SuperFetch und dem NV-Cache im Stromsparmodus, bei dem die Festplatte herunterfährt, wenn sie nicht unbedingt benötigt wird. Dabei speichert das Betriebssystem Ein- und Ausgabedaten auf dem nichtflüchtigen Speicher[23].
3.3.2.3 Anwendungs-Pinning
Neben den bisher beschriebenen Methoden, um den NV-Cache zu nutzen, gibt es noch eine weitere Methode. Das so genannte Anwendungs-Pinning oder auch OEM-Pinning genannt. Dabei gibt Microsoft den OEM-Herstellern, zumeist auch den Hersteller, die ihre PC´s mit Vista ausliefern, die Möglichkeit Daten zu bestimmen, die im NV-Cache abgelegt werden können. Dadurch soll ein schnellerer Start von Anwendungen ermöglicht werden. Da der Speicher seine Daten auch im Ruhezustand nicht verliert, kann diese Funktion auch bei HotStart-Anwendungen angewandt werden. Aufgrund des teilweise hohen Speicherdurchsatzes bei solchen Anwendungen muss ein ausreichend hoher Cache vorhanden sein[23]. Die benötigten Infos werden dabei in der Registrierung hinterlegt. Da Microsoft diese Funktion nur den OEM-Herstellern freigibt, ist es normalen Usern versagt, Anwendungen in den nicht volatilen Speicher zu pinnen[24].
4 Benchmark - H-HDD im Vergleich zur klassischen HDD
Betrachtet man die theoretischen Vorteile einer Hybridfestplatte gegenüber einer klassischen Festplatte, dann spricht vieles für den vorrangigen Einsatz der Kombigeräte. Wie der Vergleich in der Praxis ausfällt, soll der folgende Benchmark klären.
4.1 Benchmark-Vorbetrachtung
Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf Testszenarien, die genau die Punkte ansprechen, bei denen die Hybridfestplatte theoretisch Vorteile bieten soll. Dazu gehören die Bootzeit aus kaltem Zustand und dem Ruhezustand sowie der Akkulaufzeit. Darüber hinaus wird die Startzeit häufig verwendeter Programme miteinander verglichen. Um den Test zu komplettieren, werden noch die Transferraten auf den Prüfstand gestellt.
Die Testumgebung sowie die Testobjekte können aus der folgenden Tabelle entnommen werden. Um auf allen Festplatten eine gleiche Testumgebung zu gewährleisten, wird die Festplatte zu einem festen Stand auf alle Probanden geklont. Somit verfügt jede Festplatte über dasselbe Betriebssystem zu selben Einstellungen. Alle Festplatten werden im gleichen Notebook verbaut. Um den permanenten Speicher der Hybridfestplatte zu deaktivieren, wird ein Konsolen-SnapIn auf den Gruppenrichtlinien-Objekteditor erstellt. Dort werden in den administrativen Systemeinstellungen alle Einträge zum permanenten Cache entweder aktiviert (kein perm. Cache aktiv) oder deaktiviert (perm. Cache aktiv).
| Testumgebung |
| |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Testobjekte |
| |||||
| Testprogramme |
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Anzumerken ist, dass die zum Test ausgewählten Programme für klassische Festplatten ausgelegt sind. Das bedeutet, dass klassische Benchmark-Werte wie Transfer-Rate keine Unterschied zwischen aktivierten und deaktivierten Hybridmodus aufweisen sollten. Lediglich bei der Zugriffszeit ist bei aktiviertem Hybridmodus ein besserer Wert zu erwarten. Weitere Differenzen sind beim sequenziellen und zufälligen Schreiben und Lesen zu erwarten. Dies begründet sich auf der Tatsache, dass beim sequentiellen Lesen und Schreiben der magnetische Speicher Vorteile hat, während bei zufälligen Zugriffen der NV-Cache Vorteile aufweisen kann.
Glaubt man dem theoretischen Ansatz, dann sind markante Verbesserungen im Bereich von Bootzeiten und Akkulaufzeiten zu erwarten.
Um die Auswirkung der Prozessorleistung mit einzubeziehen, werden die Benchmarks, abgesehen vom Akkulaufzeittest, im Netzteilbetrieb sowie im Akkubetrieb durchgeführt. Im Akkubetrieb wird der Prozessor heruntergetaktet.
4.2 Boot- und Shutdownzeiten
Testszenario 1: Bootdauer aus kaltem Zustand
| Im ersten Test wird die Bootdauer gemessen, die das Notebook benötigt, um aus dem ausgeschalteten bis zum betriebsbereiten Zustand des Betriebssystems zu gelangen. Dazu werden zwei Zeitpunkte angesetzt. Der erste Messpunkt wird gesetzt, wenn die Kennworteingabemaske erscheint, und der zweite Messpunkte ist das fertige Laden der Windows-Sidebar.
Im Betrieb mit externer Stromversorgung tritt das erwartete Ergebnis ein. Die Hybridfestplatte lädt das Betriebsystem im aktivierten Hybridmodus deutlich schneller. Umso erstaunlicher ist die Tatsache, dass die Festplatte im Akkubetrieb signifikant einbricht und nur noch auf dem Niveau der anderen Probanden liegt bzw. sogar etwas dahinter. |  |  |
Testszenario 2: Dauer des Shutdown-Vorgangs
| Im zweiten Test wird die Bootdauer gemessen, die das Notebook für das Herunterfahren benötigt.
Das Ergebnis weist hier jedoch keine Vorteile für die Hybridfestplatte auf. Sie ist den Testgegnern hier sogar knapp unterlegen. An dieser Stelle wirkt der Flash-Speicher sich nachteilig auf die Performance aus. Ein Grund dafür ist sicherlich, dass hier zusätzliche Speichervorgänge auf dem nicht flüchtigen Speicher erfolgen um den nächsten Systemstart zu beschleunigen. Die Unterschiede zwischen Akku- und Netzbetrieb sind hier nicht erwähnenswert. |  |  |
Testszenario 3: Herunterfahren in den Ruhezustand
| Das dritte Szenario mist die Zeit die das System benötigt um in den Ruhezustand zu gelangen.
Wie im Vergleich zum totalen Shutdown des Systems gibt es auch hier keine nennenswerten Vorteile aus dem Hybridmodus zu ziehen. Die Seagate Festplatte ist zwar im Netzbetrieb deutlich der WesternDigital überlegen, mit aktiviertem Hybridmodus jedoch ist die Festplatte etwas langsamer als im deaktivierten Modus. Dies stützt sich auf der Theorie, dass der Hybridmodus an dieser Stelle etwas länger auf den Flash-Speicher zugreift. Im Akkubetrieb zeigt die WesternDigital leichte Vorteile, wobei alle Probanden nahezu auf einer Ebene liegen.
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Testszenario 4: Bootvorgang aus dem Ruhezustand
| Das vierte Szenario misst die Zeit, die das System benötigt, um in den Ruhezustand zu gelangen.
Hier deutet sich die erste wirkliche Überraschung an. Der Bootvorgang, eigentlich eine theoretische Stärke der Hybridfestplatten, dauert im Ruhemodus deutlich länger als bei den zwei anderen Testobjekten.
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4.3 Reaktionszeiten
| Dieses Szenario misst die Reaktionszeit der Festplatte. Zur Ermittlung werden zwei unabhängige Tools verwendet.
Die Hybridfestplatte mit aktivierte, permanenten Cache zeigt schnellere Zugriffszeiten. Diese werden durch den schnelleren Zugriff auf den Flash-Speicher erreicht. Die Unterschiede zwischen HD Tach und HD Tune sind zu vernachlässigen, da sie sich im selben Verhältnispegel bewegen. Da nicht genau bekannt ist, wie diese Programme die Zugriffszeiten ermitteln, kann ein Grund für die Abweichung eine unterschiedliche Berechnungsformel sein.
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4.4 Burst-Rate
| Dieses Szenario misst die Burst-Rate. Zur Ermittlung wird HD Tune verwendet. Die Burst Rate ist ein theoretischer Wert und gibt die Schnittstellenbandbreite zwischen dem Cache der Festplatte und dem Hauptspeicher an. Mit dem Cache ist an dieser Stelle der DRAM gemeint. Das Tool selbst unterstützt direkt keinen Flash-Speicher.[33]
Dieser Test zeigt im ersten Schritt keine besonderen Performancevorteile. Man kann jedoch erkennen das bei aktiviertem permanenten Cache die Burst-Rate stark einbricht. Da der permanente Cache sowie der DRAM hier zusammen arbeiten, übernimmt der NV-Cache einen Großteil des Datendurchsatzes. Darauf kann man zurückzuführen, dass der DRAM nicht mehr so stark belastet wird, was wiederrum die niedrige Burst-Rate bei aktiviertem Hybridmodus erklärt.
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4.5 Transfer-Rate
| Dieser Test vergleicht die maximalen und minimalen Transferraten der Festplatten. Der Test legt den Betrachtungswinkel weg von den Hybridfähigkeiten auf die Gesamtperformance der Speichermedien. Um zu vermeiden, dass Ausreisser das Ergebnis verfälschen, fließen die Werte mehrerer Benchmark-Programme in den Test ein.
Die Western Digital fällt im Test stark gegen die Seagate-Varianten ab. Die Seagate Festplatte erreicht in beiden Modi die gleichen Leistungswerte. Dies verdeutlicht, dass der permanente Cache keine Auswirkung auf die Transferrate hat. Das die Ergebnisse über alle Benchmark Programme das gleiche Leistungslevel erreichen, verdeutlicht das Ergebnis zusätzlich.
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4.6 Akku-Laufzeit
| Dieser Test misst die Akku-Laufzeit. Dazu wird das Tool BatteryMark in der Version 4.0.1 verwendet. Dieses Programm stellt einen vordefinierten Conditioning-Test zur Verfügung. Alle Festplatten durchlaufen mit 100% geladenen Akku das Testszenario.
Das Ergebnis weist als Gewinner die WesternDigital Festplatte aus. Der Akku hielt dabei neun Minuten länger als beim Lauf mit der Seagate Festplatte und aktiviertem Hybridmodus. Bei der Gesamtlaufzeit von fast vier Stunden macht dies jedoch einen zu vernachlässigenden Unterschied aus. Jedoch ist klar erkennbar, dass die Hybridfestplatte hier keinerlei Vorteile aufweisen kann. Zwar war die Laufzeit deutlich höher, als bei der gleichen Festplatte mit deaktivierten Hybridmodus, jedoch konnte die klassische Festplatte eines anderen Hersteller gänzlich ohne Hybridmodus gewinnen.
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5 Alternativen und zukünftige Entwicklungen
Im letzten Kapitel wurden Techniken angesprochen, die die Besonderheiten von Hybridfestplatten direkt oder auch indirekt nutzen können. Zum einen ReadyDrive das direkt für Hybridfestplatten entwickelt wurde und auf der anderen Seite SuperFetch und OEM-Pinning, welche in Zusammenarbeit den NV-Cache der Festplatte nutzt. Dabei ist immer Windows Vista notwendig, um die etwaige Technik nutzen zu können. Gegenwärtige und zukünftige Entwicklungen und Alternativen versuchen dabei Potenziale wie mehr Performance oder auch Stromeinsparung durch andere Techniken zu erreichen.
5.1 Solid State Disk
Eine Weiterentwicklung von Hybridfestplatten und somit eine gute Alternative zu diesen stellt die Solid State Disk (SSD) dar. Bei Ihr wurde das Konzept der Hybridfestplatte, die „langsame“ Mechanik durch einen deutlich schnelleren Flash-Speicher zu unterstützen, weitergedacht. In SSD Festplatten wird komplett auf die beweglichen Bauteile einer herkömmlichen Festplatte verzichtet. Die rotierenden Magnetscheiben und der Schreib-/Lesearm, wird vollständig durch Halbleitermodule, den Flash-Speicher, ersetzt.[34] Diese, auch gerne als Flash-Festplatten bezeichneten Datenspeicher, verhalten sich aber gegenüber einem Ein-/Ausgabecontroller (z.B. IDE oder SCSI) genauso wie eine herkömmliche Festplatte[35]. Die Kapazitäten der SSD in den derzeit gängigen Formfaktoren 1.8, 2.5 und 3.5 Zoll bewegen sich zwischen 8 und 256 GB.
Eine SSD-Festplatte besteht aus mehreren Flash-Speicherchips, die in eine Vielzahl von SLC oder MLC Speicherzellen unterteilt sind, welche bereits in Kapitel 2.1.2 behandelt wurden. Jede einzelne dieser Flash-Speicherzelle ist in der Lage, Informationen in Form von elektrischen Ladezuständen aufzunehmen.
Bei SSD Speichermedien sind neben den Geschwindigkeitsvorteilen (bis zu 200 MB/s schreiben und 220 MB/s lesen) und einer Zugriffszeit von 0.1 ms noch weiter positive Merkmale zu nennen. Da wäre einmal der geringe Stromverbrauch von 0.04 Watt im Standby-Modus und von 0.5 Watt im Betriebszustand durch den die Firma Samsung eine längere Laptop-Laufzeit von bis zu 30 Minuten verspricht. Durch den Wegfall der Mechanik ist ebenfalls eine Verkleinerung des Formfaktors, eine Gewichtsreduktion, eine geringere Hitze- und Geräuschentwicklung sowie eine Robustheit gegen Stöße im laufenden Betreib zu erreichen. Als einen weiteren großen Vorteil, gegenüber einer herkömmlichen Festplatte, preist die Samsung den mindesten dreimal so hohen Mean Time Between Failures (MTBF) ihrer SSD an.[36] Mit einem MTBF Wert geben Hersteller ein Festplattenattribut in Stunden an, welches die durchschnittliche Zeitdauer wiedergibt, in der es zu einem wahrscheinlichen Ausfall der Festplatte kommt[37].
Trotz der vielen Vorteile, die eine Flash-Festplatte aufgrund des Verzichts der Mechanik mit sich bringt, halten etablierte Festplattenhersteller vorerst an dem herkömmlichen Konzept, der drehenden Magnetscheiben fest. Laut Aussage von Herrn Martin Bayer ist der Grund dafür in den Kosten zu finden. Denn die Kosten pro Gigabyte an Speicher sind bei Flash-Festplatten erheblich höher.[34] Diese Aussage lässt sich auch durch eine aktuell durchgeführte Kosten pro Gigabyte Untersuchung der beiden Festplattenmodelle HDD und SSD, bei unterschiedlichen Kapazitäten unterstreichen. Die Auswertung der Werte sind der folgenden Tabelle zu entnehmen.
| Festplattenkapazität: | Modelle: | Kaufpreis: | Kosten pro GB: | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 64 GB |
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| ||||||
| 128 GB |
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| ||||||
| 256 GB |
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| ||||||
| 512 GB |
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Neben den hohen Kosten sind als weitere Nachteile noch die derzeit geringe Speicherkapazität und die begrenze Anzahl an Schreibzugriffen zu nennen. Bei SLC-Speicherzelle ist von 100.000 und bei MLC-Speicherzellen ist von 10.000 Schreibzyklen auszugehen[38].
5.2 Zweite Generation der Hybridfestplatte
Hybridfestplatten bleiben bisher hinter ihren Erwartungen zurück. Die unzureichenden Benchmark-Ergebnisse sowie die direkte Abhängigkeit von Windows Vista sind dabei die ausschlaggebenden Nachteile. Aus diesem Grund kündigte Seagate Ende 2008 eine neue Generation von Hybridfestplatten an. Dabei soll die Zusammenarbeit von NV-Cache, DRAM und der Spindel unabhängig von Betriebssystem und Modulen in der Festplatte selbst geregelt werden. Wie genau diese so genannten Advanced Storage Drives ihre Arbeit verrichten, ist dabei noch nicht bekannt.
5.3 ReadyBoost
ReadyBoost stellt eine weitere Möglichkeit dar, die Systemperformance zu erhöhen. Gedanke dahinter ist, einen externen Flash-Speicher als Zwischenspeicher zu nutzen[39]. Grund dafür ist der Flaschenhalseffekt zwischen CPU und Speicher auf der einen Seite sowie der Festplatte auf der anderen Seite. Optimaler geeignet wäre dafür der reine Arbeitsspeicher, der aber aufgrund seines hohen Kostenfaktors noch nicht in Frage kommt. Somit stellt der externe Flash-Speicher bei ReadyBoost die logische Zwischenspeicherebene zwischen dem Speicher und der Festplatte dar, da er immerhin noch bis zu ein zehnfaches schneller ist als die herkömmliche Festplatte[29]. ReadyBoost kann nur mit einem Speichergerät genutzt werden. Dieses Speichergerät muss zusätzliche Bedingungen erfüllen damit das Betriebssystem die Nutzung zulässt. So muss das Gerät mindestens über 256 MB Speicherkapazität verfügen und ist aufgrund der FAT32-Konformität auf vier GB beschränkt. Da die Daten im Verhältnis zwei zu eins komprimiert werden, stehen insgesamt acht GB zur Verfügung[40].
ReadyBoost unterstützt dabei Flash-Speicher wie USB-Sticks, SD-Cards, CF-Cards, Memory-Sticks sowie PCIe- und SSA-Busse, wobei USB-Sticks über den USB 2.0-Standard verfügen müssen. Laut Microsoft sollte das Verhältnis von ReadyBoost-Speicher zu Arbeitsspeicher mindestens im Verhältnis eins zu eins stehen, empfohlen wird sogar ein Verhältnis von drei zu eins[41]. Die folgende Tabelle 6 stellt dar, welche Performance der Speicher erfüllen muss.
| Anforderung | Minimum | Empfohlen |
|---|---|---|
| zufälliges Lesen von 4 KB | 2,5 MB/s | 5 MB/s |
| zufälliges Schreiben von 512K | 1,75 MB/s | 3 MB/s |
Erfolgt der erste Plug-In des Gerätes im System prüft Vista, ob es alle Normen erfüllt. Erst dann wird die Option zur Nutzung als ReadyBoost-Erweiterung freigegeben. Ist dies erfolgt, wird die Datei ReadyBoost.sfcache auf dem Speicher abgelegt. Ab diesem Zeitpunkt werden alle Lese- und Schreibvorgänge auf der Festplatte sowie in dieser Datei gesichert. Der zuständige Dienst ecache.sys unterscheidet dabei anhand der Zugriffsmuster, ob die Daten in dem Speicher oder der Festplatte geschrieben werden. Beim Füllen des Speichers kommt auch hier die bereits genannte SuperFetch Technik zum Zuge[29].
Da die Daten immer auf Festplatte sowie auf dem Cache-Speicher abgelegt sind, kann das Gerät auch im laufenden Betrieb entfernt werden, ohne Daten zu verlieren. Um die extern abgelegten Daten zu schützen, erfolgt eine AES-128 Verschlüsselung[40].
5.4 Intel TurboMemory
Einen anderen Weg als die Hybridfestplatte schlägt Intel mit seiner TurboMemory Technolgie, auch Robson-Technik genannt, ein. Dabei wird der Speicher nicht auf der Festplatte platziert, sondern gesondert als eigenständiges PCIe-Modul. Dabei wurde dieses Feature erstmals mit der Centrino-Plattform Santa Rosa veröffentlicht[42].
Der Einsatz dieses Chipsatzes bringt auch Anforderungen an die Systemplattform mit sich. So muss ein Intel Prozessor der Baureihe Centrino, Centrino 2 oder Core2 im System laufen. Performancegewinn und Stromeinsparungspotenzial sollen durch Zusammenspiel von Festplatte, TurboMemory-Modul und dem Betriebssystem erreicht werden. Auf Seite des Betriebssystems arbeitet der NV-Cache Speicher mit ReadyDrive und ReadyBoost in Vista zusammen. Auch hier ist Anwendungs-Pinning möglich.[43] Im Gegensatz zur Hybridfestplatte, die direkt durch Vista unterstützt wird, müssen bei der Intel-Alternative zusätzliche Treiber installiert werden. Hierzu kommt der Intel-eigene Matrix-Storage-Manager zum Einsatz[42].
Intel setzt auf eine höhere Flash-Kapazität. Während die ersten Module noch mit 512 MB bzw. 1 GB Größe ausgeliefert wurden, kann man mittlerweile Kapazitäten von 2 bis 4 GB erhalten. Wird ReadyDrive noch von jeder Modulgröße unterstützt, werden ReadyBoost und Anwendungs-Pinning hier unterschiedlich behandelt. Die Tabelle 7 zeigt diese Möglichkeiten.
| Speicher | ReadyDrive | ReadyBoost | Anwendungs-Pinning |
|---|---|---|---|
| 1 GB | j | j | n |
| 2 GB | j | j | n |
| 4 GB | j | n | j |
In der zwei GB Alternative ist es möglich, per Software auch Anwendungen pinnen zu können.
5.5 AMD HyperFlash
Um mit Intel konkurrieren zu können, plante AMD für ihren Griffin-Kern mit dem RS780-Chipsatz auch eine Technologie namens HyperFlash. Dabei sollte nicht wie bei Intel PCIe, sondern eine eigene Schnittstelle zwischen Southbridge und dem HyperFlash-Controller zum Einsatz kommen[44]. Aufgrund der Erfolglosigkeit der Konkurrenzprodukte wurde dieses Vorhaben seitens AMD jedoch nicht vehement verfolgt[45].
6 Schlussbetrachtung
Eine rückblickende Bewertung der Vor- und Nachteile einer Hybridfestplatte ergibt vor Allem bei der isolierten Betrachtung der einzelnen Komponenten, dass sich wesentliche Vorteile ergeben müssten. Der Flash-Speicher ist mit seinen klaren Vorteilen im Bereich Geschwindigkeit, Robustheit und Energieeffizienz ein Trend, der zur Zeit soweit geht, dass erste SSD-Festplatten gegenüber herkömmlichen Festplatten bevorzugt werden. 50 Jahre Festplatte zeigen, dass die mechanische Technologie die sich dahinter verbirgt, zwar ausgereift und immer noch sehr gefragt ist, jedoch mit den Leistungmöglichkeiten heutiger Konkurrenten nicht standhalten kann.
Hybridfestplatten stellten einen guten Ansatz dar, um die Zeit zu reinen Flash-Speicher-Lösungen zu verkürzen. Jedoch wurde dieses Potenzial schon im Ansatz stark beeinträchtigt. Durch die Bindung der Technik an das Betriebsystem Windows Vista wurde die Verbesserung und Weiterentwicklung des eigentlich sinnvollen Ansatzes stark eingeschränkt und auch die Bandbreite der potenziellen Nutzer ist somit stark gemindert, da Vista kein hohes Ansehen geniesst. Desweiteren ist zu erwähnen, dass Microsoft Vista erst ab SP1 (ServicePack1) einen nennenswerten Vorteil für die Anwender bringen sollte. Diese hatten sich jedoch schon vor dessen Veröffentlichung von den Hybridfestplatten aufgrund der minimalen Performancesteigerung zu einem zu hohen Preis distanziert. Weitere Kritikpunkt waren auch der zu gering dimensionierte Flash-Speicher sowie die fehlende Treiberunterstützung durch Microsoft.
Doch nicht nur diese theoretischen Vorbetrachtungen rücken Hybridlaufwerke in ein schlechtes Licht. Auch im Praxistest können die Laufwerke nicht überzeugen. Zwar wird die suggerierte schnellere Bootzeit erreicht, jedoch konnte bei der Akkulaufzeit keinerlei Verbesserung festgestellt werden. Dabei fallen die Vorteile so minimal aus, dass sie bei subjektivem Empfinden nicht einmal auffallen. Ein Grund dafür liegt sicherlich an den noch unausgereiften Command-Sets, die das Gesamtsystem ausbremsen. Dies wird auch deutlich wenn man die Performance des Konkurrenzproduktes von Intel vergleicht. Trotz größeren Speichers können auch hier keine merklichen Vorteile erreicht werden. Beim jetzigem Stand kann man sogar mehr Performance erreichen, wenn man sich für eine schnelle klassische Festplatte entscheidet.
7 Abkürzungsverzeichnis
| Abkürzung | Beschreibung |
|---|---|
| AES | Advanced Encryption Standard |
| AMD | Advanced Micro Devices |
| ATA | Advanced Technology Attachment |
| BIOS | Basic Input Output System |
| CF | Compact Flash |
| CPU | Central Processing Unit |
| DRAM | Dynamic Random Access Memory |
| E/A | Eingabe/Ausgabe |
| EPROM | Erasable Programmable Read Only Memory |
| FAT | File Allocation Table |
| GB | Gigabyte |
| H-HDD | Hybrid Hard Disk Drive |
| HDD | Hard Disk Drive |
| IBM | International Business Machines Corporation |
| IDE | Integrated Drive Electronics |
| MB | Megabyte |
| MLC | Multi-Level-Cell |
| MTBF | Mean Time Between Failures |
| NV | Non-Volatile |
| OEM | Original Equipment Manufacturer |
| POST | Power On Self-Test |
| PROM | Programmable Read Only Memory |
| RAID | Redundant Array of Independent Disks |
| RAM | Random Access Memory |
| ROM | Read Only Memory |
| SATA | Serial Advanced Technology Attachment |
| SCSI | Small Computer System Interface |
| SD | Secure Digital |
| SLC | Single-Level-Cell |
| SSA | Serial Storage Architecture |
| SSD | Solid State Disk |
| USB | Universal Serial Bus |
| WinHEC | Windows Hardware Engineering Conference |
8 Abbildungsverzeichnis
| Abb.-Nr. | Abbildung |
|---|---|
| 1 | Magnettrommel aus den 50er-Jahren |
| 2 | USB-Stick an einem Taschenmesser der Firma Victorinox |
| 3 | Zusammenspiel von Vista und H-HDD beim Systemstart |
| 4 | Gegenüberstellung der Speicherbehandlung mit und ohne SuperFetch |
| 5 | Dauer des Bootvorgangs im Netzteilbetrieb |
| 6 | Dauer des Bootvorgangs im Akkubetrieb |
| 7 | Dauer des Shutdowns im Netzteilbetrieb |
| 8 | Dauer des Shutdowns im Akkubetrieb |
| 9 | Dauer des Shutdowns in den Ruhezustand im Netzteilbetrieb |
| 10 | Dauer des Shutdowns in den Ruhezustand im Akkubetrieb |
| 11 | Dauer des Bootvorgangs aus dem Ruhezustand im Netzteilbetrieb |
| 12 | Dauer des Bootvorgangs aus dem Ruhezustand im Akkubetrieb |
| 13 | Reaktionszeit der Festplatten in ms |
| 14 | Burst-Rate der Festplatten in MB/s |
| 15 | Maximale Transferraten in MB/s |
| 16 | Minimale Transferraten in MB/s |
| 17 | Akku-Laufzeit der Festplatten in min |
9 Tabellenverzeichnis
| Tabelle Nr. | Quelle |
|---|---|
| 1 | Anforderungen an die NV-Cache Größe |
| 2 | Anforderungen an den NV-Cache Durchsatz |
| 3 | E/A-Prioritäten in Windows Vista |
| 4 | Details zur Testumgebung |
| 5 | Kosten pro GByte bei aktuellen HDD/SDD Festplatten des Hersteller Samsung |
| 6 | ReadyBoost-Anforderungen an Flash-Speicher |
| 7 | Anwendungsunterstützung von IntelTurboMemory |
10 Fussnoten
- ↑ Vgl. Steudten, Thomas (2006)
- ↑ 2,0 2,1 Vgl. Hansen, Robert (2005), Seite 126
- ↑ Quelle: IBM
- ↑ Vgl. Hansen, Robert (2005), Seite 95
- ↑ Vgl. Hansen, Robert (2005), Seite 98 f.
- ↑ Vgl. Hansen, Robert (2005), Seite 109
- ↑ Vgl. Tannenbaum, Andrew S. (2005), Seite 99
- ↑ Vgl. Hennessy, John L. (2003), Seite 680 f.
- ↑ Vgl. List, Andreas (2007)
- ↑ Vgl. Tannenbaum, Andrew S. (2005), Seite 190 ff.
- ↑ Vgl. Hansen, Robert (2005), Seite 181
- ↑ Vgl. Jeschke, Malte (2002)
- ↑ Vgl. SanDisc (2008)
- ↑ Vgl. Woitowitz, Roland (2007), Seite 276
- ↑ Quelle: Tech Galerie
- ↑ Vgl. Tannenbaum, Andrew S. (2005)
- ↑ 17,0 17,1 Vgl. Vilsbeck, Christian (2007)
- ↑ 18,0 18,1 Vgl. T13 (a) (2006)
- ↑ Vgl. Vilsbeck, Christian (2000)
- ↑ Vgl. Ha, Kien Nghi (2005), Seite 12
- ↑ Vgl. Kanellos, Michael (2007)
- ↑ Vgl. Hempel, Peter (2007)
- ↑ 23,0 23,1 23,2 23,3 23,4 Vgl. Panabaker, Ruston (2006)
- ↑ 24,0 24,1 24,2 Vgl. Schmid, Patrick (2007)
- ↑ 25,0 25,1 Vgl. Microsoft Corporation (2009)
- ↑ Quelle: in Anlehnung an: Panabaker, Ruston (2006)
- ↑ Vgl. Stanek, William R., Seite 303
- ↑ Vgl. T13 (b) (2006)
- ↑ 29,0 29,1 29,2 29,3 29,4 29,5 29,6 29,7 Vgl. Russinovich, Mark (2007)
- ↑ Vgl. Schulz, Hans-Peter (2007)
- ↑ Vgl. Stanek, William R. (2007), Seite 304
- ↑ Quelle: in Anlehnung an: Martyn, Simon (2007)
- ↑ Vgl. HD Tune (2005)
- ↑ 34,0 34,1 Vgl. Bayer, Martin (2008)
- ↑ Vgl. Flik, Thomas (2005), Seite 607
- ↑ Vgl. Samsung (2008)
- ↑ Vgl. Lintermann, Franz-Josef (2006), Seite 98
- ↑ Vgl. Schröder, Joachim (2009), Seite 23
- ↑ Vgl. Stanek, William R. (2007), Seite 299
- ↑ 40,0 40,1 Vgl. Tierling, Eric (2008), Seite 1438
- ↑ 41,0 41,1 Vgl. Microsoft Corporation (2006)
- ↑ 42,0 42,1 Vgl. Rau, Thomas (2007)
- ↑ 43,0 43,1 Vgl. Intel (2009)
- ↑ Vgl. Shimpi, Anand Lal (2007)
- ↑ Vgl. Heise Online (2009)
11 Literatur- und Quellenverzeichnis
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