Helium-Festplatten: Mehr Speicherplatz, weniger Energieverbrauch

Die Datenmenge und der Einsatz moderner Technologien wie KI (künstliche Intelligenz) in Rechenzentren nehmen kontinuierlich zu. Damit steigt auch der Stromverbrauch. Eine performante und gleichzeitig energieeffiziente Alternative sind Helium-Festplatten, wie Manfred Berger von Western Digital weiß. [...]

Der deutsche Branchenverband Bitkom rechnet in einer aktuellen Studie aufgrund rechenhungriger moderner Technologien wie KI mit einem jährlichen Energiebedarfszuwachs in Rechenzentren von etwa 3,5 bis fünf Prozent bis 2030. Dies erfordert zuverlässige Speicherlösungen, die hoch performant und gleichzeitig energie- sowie kosteneffizient sind. Dafür gibt es verschiedene Ansätze. Helium-Festplatten sind einer davon.

Helium statt Luft 

Physikalisch lässt sich eine Helium-HDD wie die Helio Seal-Modelle von Western Digital nicht von einem konventionellen luftgefüllten Laufwerk unterscheiden. Das Innenleben hingegen schon: Anstelle von Luft ist das Festplattengehäuse mit Helium gefüllt und dort hermetisch verschlossen. Das Edelgas ist aus unterschiedlichen Gründen für den Einsatz in HDDs prädestiniert.

Zum einen hat Helium nur ein Siebtel der Dichte von Luft. Dadurch können Strömungseffekte verringert werden, die bei der Rotation der Scheiben in der Festplatte entstehen. Dies senkt den Energieaufwand und ermöglicht den Einsatz dünnerer und damit mehr Scheiben im Gehäuse. Das Ergebnis: Höhere Kapazitäten bei gleichem Formfaktor der HDD.

Zum anderen sind Helium-HDDs im Vergleich zu luftgefüllten Festplatten 4 °C bis 5 °C kühler im Betrieb. Dies bringt mehrere Vorteile mit sich: Die Helium-Platten erfordern weniger Kühlung im Rechenzentrum. Dies senkt die Energiekosten für Kühlung und Betrieb. Eine niedrigere Temperatur wirkt sich zudem positiv auf die Zuverlässigkeit der Laufwerke aus. Darüber hinaus sind die Festplatten leichter und leiser, was positive Auswirkungen auf die Architektur des Rechenzentrums hat.

Hohe Ingenieurskunst

Die Entwicklung der HelioSeal-Festplatten bedurfte einiges an Arbeit. Denn es gab eine Reihe von Herausforderungen zu bewältigen. Etliche Experimente waren dafür nötig, auch Fehlschläge mussten in Kauf genommen werden, bis das Konzept perfekt war.

Die größte Schwierigkeit bestand darin, Helium zuverlässig und dauerhaft in einem Gehäuse einzuschließen, ohne dabei die Fertigung und den Formfaktor neugestalten zu müssen. Es mussten zuerst das passende Material und dessen Position im Gehäuse gefunden werden, um die hermetische Abgeschlossenheit zu gewährleisten. Anfangs hatte das Festplattengehäuse im Durchschnitt zehn Öffnungen an unterschiedlichen Stellen. Jede davon ist ein potenzielles Leck. Der Versuch, diese Öffnungen mit unterschiedlichen Materialien zu verschließen, blieb erfolglos. Erst die Idee, sämtliche undichte Stellen an einer Seite zu platzieren, brachte die Lösung. Als zentrale Abdeckung wurde dafür eine dünne Metallfolie entwickelt.

Das nächste Problem war die Versiegelung des Gehäuses. Es war eine Schweißtechnik notwendig, die die Komponenten im Gehäuse nicht schädigt. Die Antwort fanden die Ingenieure von Western Digital in der Weltraumtechnik – genauer gesagt, in der Satellitenproduktion. Dort müssen Mikrowellengeräte zum Teil hermetisch mit Lasern verschweißt werden. Die Lösung für die Gehäuseversiegelung der Helium-Platten war gefunden.

Jetzt ging es daran, einen Weg zu finden, um Daten- und Stromleitungen in das Festplattengehäuse zu legen. Dabei durfte weder ein neues Loch entstehen noch die Versiegelung zerstört werden. Auch hier lag der Königsweg in einer anderen Branche – in der Kühlschranktechnik. Kühlschränke müssen sehr gut abgedichtet sein, damit das Kältemittel Freon nicht entweicht. Dafür kommen Glas-Metall-Durchführungen zum Einsatz, die günstig sind und sich in Massen produzieren lassen. Diese Vakuumtechnik ermöglichte es, die Leitungen für elektrische Signale und den Datentransport dicht verschlossen in das HDD-Gehäuse zu führen.

Damit waren die größten Hürden überwunden. Trotzdem dauerte es noch eine ganze Weile, bis alle Produktionsschritte geplant und die Maschinen für eine zuverlässige Massenfertigung bereit waren.  

Heute verfügt Western Digital über langjährige Erfahrungen beim Einsatz dieser Technologie. Während die erste HelioSeal-Festplatte im Jahr 2013 die Produktionsbänder verließ, werden die Helium-HDDs heute bereits in der achten Generation für Enterprise-Anwendungen eingesetzt. Die höchsten aktuell in der Industrie verfügbaren Kapazitäten betragen bis zu 22 TB (CMR) und 26 TB (SMR).