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Bericht von der 3390-Magnetplattenspeicher-Front


22.12.1989 - 

Mit konventioneller Technik evolutionär zu neuen Höhen

Von CW-Mitrarbeiter Egon Schmidt*

Man stelle sich einen 747-Jumo-Jet mit seinen - ohne Fahrwerk - rund sieben Metern Höhe vor. Der würde auf einem - ideal glatten - Feld über Tausende von Meilen mit exakt 7 Millimetern Flughöhe dahinbrausen. Das gäbe einem eine Vorstellung davon, wie knapp Magnetköpfe moderner Plattenspeicher über den einzelnen Magnetspuren ihre Bahnen ziehen.

Die Manager von IBM wollten allerdings bei einer Fachpräsentation im Mainzer Herstellungsbetrieb der neuen Platteneinheiten einfach nicht mit interessanten technischen Details und Zahlen herausrücken. Zu fragen wäre etwa, welches die exakte "Flughöhe" der Magnetköpfe ihrer neuen Plattenspeicher-Einheiten 3390 ist. Diese Zahlen seien Top Secret.

Ebenso geheim ist bei IBM derzeit die Aufzeichnungsdichte ihres problembeladenen Magnetplatten-Neulings 3390 sowie ferner andere Details, die für die Konkurrenz vielleicht von großem Interesse sein würden.

IBM und Magnetplatten - das ist eine Geschichte mit mehr als 30 Jahren Hintergrund. Big Blue hatte im Jahre 1956 mit dem Modell 350 / "Ramac" die weltweit erste Plattenspeicher-Einheit überhaupt auf den Markt gebracht - und damit eine Entwicklung eingeleitet, an deren einem Ende heute die neuen 3390er-Systeme mit ihren maximal 22,7 Milliarden Byte pro Schrank stehen, während am anderen hochkompakte Mini-Zweizoll-Laufwerke für kleine Brieftaschen-Computer gedeihen. Und die auch Diskettenlaufwerke aller Klassen, Größen und Kapazitäten hervorbrachte.

Die neuen 3390er, so erläutert IBM-Platten-Manager Joerg Paul, stellen keinen revolutionären Durchbruch dar, sondern eher eine evolutionäre "Weiterentwicklung bewährter Techniken bei den Magnetplatten sowie bei Schreib-/Leseköpfen in Dünnfilmtechnik". Eine Technik, die IBM schon seit rund zehn Jahren zu nutzen weiß.

Aus Sicht des Anwenders dürfte an den neuen Systemen vor allem interessant sein, daß sie in der Antwortzeit um 20 Prozent besser liegen sollen als ihr Vorläufer, die Serie 3380K. Und gemessen an jenem System soll man auf gleicher Stellfläche nun auch dreimal soviel Daten Unterbringen können. Außerdem aber sollen sich, koppelt man das System an die neue Steuerungseinheit 3990, Daten künftig selbst dann greifen lassen, wenn "an einem bestehenden Magnetplatten-Strang Veränderungen notwendig werden" sollten - was jeder ausfallgeplagte Manager eines Rechenzentrums gewiß nur begrüßen kann.

Denn jetzt kann man die Systeme selbst bei fortlaufendem Betrieb - und auch an den Plattenoberflächen - warten; außerdem kann man sie - ohne Betriebspausen einzulegen reparieren, erweitern, oder auf einen anderen Strang umschalten. Vielleicht das wichtigste Argument aus Sicht eines Rechenzentrumsmanagers aber ist, daß die neuen Systeme im Gegensatz zu ihren Vorläufern um fast ein Drittel billiger arbeiten sollen; jedenfalls dann, wenn man auch Dinge wie Stromkonsum, Kühlung und Flächenreduzierung mit in die Rechnung einbezieht.

So gesehen, war es für viele ein harter Schlag, daß IBM die Premiere der neuen Laufwerke vergangenen Juli Knall auf Fall verschieben mußte; in den Genuß der angekündigten Verbesserungen kam man so erst mit Verzögerung. Paul verbrämt dieses Mißgeschick: IBM habe "gegen Ende der Testperiode unerwartet Erkenntnisse gewonnen, im August daraufhin "eine technische Änderung an der Magnetplatte vorgenommen" und "damit das aufgetretene Problem gelöst", so daß, nach erneutem Test, das neue System nun "das Speicherprodukt ist, an dem vor Auslieferung die umfangreichsten Tests durchgeführt worden sind".

Inzwischen war vom Chef der IBM-Abteilung General Products, Paul Low, zu hören, besagte "unerwartete Erkenntnisse" hätten ein bestimmtes Schmiermittel betroffen, das es offenbar nicht am vorgesehen Platz aushielt: Es neigte dazu, sich auf die Plattenoberflächen zu ergießen und dort das Lesen der gespeicherten Bits unmöglich zu machen.

Und außerdem war von Low zu erfahren, den ganzen Ärger mit dem neuen Schmierstoff hätte IBM sich letztlich eigentlich schenken können, denn er soll gegenüber seinem altbewährten Vorgänger aus der 3380er-Technik gar keine Vorteile geboten haben.

Jetzt vier statt zwei Datenpfade

Die neuen 3390-Einheiten bieten diverse neue technische Spezifikationen abgesehen von den um 20 Prozent kürzereren Antwortzeiten beziehungsweise rund 40 Prozent höherem Durchsatz:

Vier statt zwei Datenpfade zu jedem einzelnen Zugriffsmechanismus, von 3600 auf 4260 erhöhte Drehzahl pro Minute, woraus eine kürzere Umdrehungswartezeit von nur noch 7,1 statt 8,3 Millisekunden resultiert, eine von 3,0 auf 4,2 Megabyte pro Sekunde gesteigerte Datenübertragungsrate und schließlich die Minimalsuchzeit von nur noch 1,5 statt 2 Millisekunden beziehungsweise eine Durchschnittssuchzeit von jetzt 12,5 gegenüber zuvor 16 Millisekunden. Außerdem dauert es nur noch maximal 23 statt früher 29 Millisekunden, ehe ein Byte selbst aus der allerletzten "Ecke" herangeschafft ist.

Zu den interessanten Neuheiten des 3390er-Systems gehört des weiteren, daß es - "wie künftig alle unsere Speichersubsysteme - seinen eigenen Pufferspeicher" besitzt. Wobei bemerkt sei, daß dieser Pufferspeicher nicht nur den Durchsatz mehr als verdoppelt im Vergleich zu einem System ohne solche Zwischenspeicherungsmöglichkeit; seine Nutzung werde außerdem so raffiniert gesteuert, erläutert Paul, daß man fortan "ohne manuelle Feinabstimmung" auskäme, da die zugehörigen Systemprogramme automatisch "die richtigen Entscheidungen treffen" sollen.

Eine weitere Novität in Verbindung mit den neuen Platten ist die Möglichkeit, vom System selber Hinweise auf Baugruppen zu erhalten, die fehlerhaft arbeiten und daher ausgetauscht werden müssen.

Jedes der maximal sechs Laufwerke in einem 3390er-Schrank der Spitzenklasse weist zwei Zugriffsmechanismen auf, die jeweils knapp 1,9 Gigabyte beziehungsweise 2226 Zylinder zugänglich machen. Und jeder Zylinder umfaßt 15 Spuren zu je knapp 56 Kilobyte, was auf 850 Kilobyte pro Zylinder hinausläuft.

Im Vergleich zu den Vorgängermodellen 3380 mit ihren rund 300 Nanometern Lesekopf-"Flughöhe" wurde dieser Wert zwar "nicht halbiert", wie Paul eine Frage der COMPUTERWOCHE abwehrte, denn dann wäre man ja schon an der Grenze des theoretisch überhaupt Möglichen angelangt; aber er wurde doch "ein wenig" vermindert. Die Dünnfilmköpfe entsprechen im Grunde ihren Vorgängern und weisen auch die gleiche Zahl von Windungen auf, doch sind sie kleiner als jene. Und kleiner sind, bei höherer Aufzeichnungsdichte, auch die ganz neu entwickelten Platten mit ihrem Durchmesser von 8,8 Zoll und ihren schnelleren Zugriffsmechanismen, wobei übrigens vor allem der kleinere Durchmesser wesentlich zur Temposteigerung beitragen soll.

In diesem Zusammenhang erläutert Pauls Kollege Friedhelm Franz, bei modernen Plattenspeichern gehe der Trend heute generell einerseits zu immer kleineren Platten, die ja auch gleich von Haus aus mehr mechanische Stabilität böten und billiger herzustellen seien, andererseits zu "immer mehr Platten pro Laufwerk".

Eines der Hauptprobleme bei Magnetplattenspeichern ist natürlich, betont Franz, das Verhindern datenzerstörender Kollisionen zwischen Kopf und Platte. Doch obwohl die Oberflächen der Platten auch aus diesem Grund extrem glatt geschliffen werden, dürfen sie andererseits auch wieder nicht allzu glatt sein: Denn dann könnte es geschehen, war zu hören, daß Kopf und Platte im Ruhezustand aneinander festbacken.

Die 3390-Plattenspeicher werden im IBM-Werk in Mainz zu 95 Prozent selber gefertigt. "Selbst die Medien und die Köpfe werden bei uns nicht zugeliefert". Entwickelt wurden die Systeme - die im Interesse möglichst großer, kostendrückender Fertigungsstückzahlen teilweise auch an Siemens und Bull geliefert werden - allerdings im Schwesterwerk in Kalifornien.

Die neuen 90er-Typen werden teilweise in Reinsträumen der Klasse 100 gefertigt. Das bedeutet, hier sind pro Kubikfuß (28 Liter) Luft höchstens 100 Teilchen zulässig, die im Durchmesser aber keines größer als 500 Nanometer sein dürfen. Damit es in puncto Sauberkeit möglichst wenig Probleme gibt, ist die Montage der Laufwerke weitgehend automatisiert beziehungsweise roboterisiert, so daß Menschen "im allgemeinen bloß noch überwachend tätig sind" - oder aber in besonders kritischen Phasen der Herstellung

Weil hohe Qualität am ehesten dann erzielt werden kann, wenn man bei späteren Versagern genau identifizieren kann, wann, wo, wie, und von wem das fragliche Teil hergestellt beziehungsweise montiert worden ist, führen die Mainzer Plattenhersteller exakt und detailliert Buch über die Lebensgeschichte jeder einzelnen Kopfplatteneinheit. Denn so kann man Fehlern besser auf den Grund gehen und die einzelnen Schritte der Fertigung stufenweise und ganz gezielt immer weiter verbessern.

Dieses Identifizieren geht bei den neuen Platteneinheiten so weit, daß jede einzelne der Platten, die übrigens ein besonderer Roboter auf die Spindel aufpreßt, eine eigene Seriennummer trägt.

Die Platten weisen pro Millimeter "mehr als 82 Spuren auf", erfährt man auf einem Rundgang durch die Fertigung. Die Köpfe werden beim Zugriff mit teilweise "bis zur 80fachen Erdbeschleunigung" bewegt: das ist rund zehnmal soviel, wie die maximal 8 g, die man trainierten Astronauten allenfalls noch zuzumuten wagt.

Schnelle Spulenmagnete steuern die Magnetköpfe

Die Magnetköpfe der großen Magnetplattenspeicher werden mittels sehr schneller und genau arbeitender, kräftiger Tauchspulenmagneten in Position geschoben und nicht etwa, wie bei PC-Laufwerken, mit Hilfe von langsamen Schrittmotoren. Dabei findet man in den Laufwerken der 90er-Serien nun erstmals eine besonders kompakte Konstruktion verwirklicht, bei der diese massigen Tauchspulenmagnete nicht mehr außerhalb, sondern direkt innerhalb der - staubdichten und mit Reinstluft gefällten Kopfplatteneinheit ihren Platz haben. Doch da diese Magnete natürlich auch entsprechend intensive magnetische Felder erzeugen, "können Sie sich unsere Probleme ja vorstellen," meint Franz: denn schließlich werden "ja auch alle Daten magnetisch aufgezeichnet." Und da darf das eine das andere eben nicht stören.

Es bleibt bei der horizontalen Aufzeichnung

IBM bevorzugt derzeit weiterhin noch die traditionelle, horizontale Datenaufzeichnung; eine Technik also, bei der die einzelnen Bits als magnetische Nordsüd-Dipole geschrieben werden, die, in Richtung der Spuren, parallel zur Plattenoberfläche angeordnet sind. Paul meint, der viel diskutierte Übergang zur fortschrittlichen "vertikalen" Aufzeichnung mit Dipolen, die dann senkrecht zur Oberfläche der Platten angeordnet wären, sei eine Sache, die er allenfalls nach etwa fünf Jahren erwarte. Denn "die heutige Technik bietet noch ein gutes Potential" für weitere Entwicklungen.

In diesem Zusammenhang ist interessant, daß Werner Grau vom Speichermedien-Produzenten BASF bei Festplatten "in den nächsten Jahren" eine Steigerung der Aufzeichnungsdichte um etwa das Fünffache gegenüber dem Stand von Mitte 1988 erwartet. Daß ferner insbesondere die Vertikalaufzeichnung "theoretisch und experimentell gut fundiert" eine "erhebliche Steigerung der linearen Aufzeichnungsdichte auf relativ dicken und deswegen auch verschleißfesteren Metallschichtfilmen in Aussicht stellt".

Grau hebt an der neuen Technik hervor, "die Übergangslängen zwischen den entgegengesetzt magnetisierten Bereichen" würden hier auf bloß noch die, "Korngrenzen-Dimensionen der Magnetschicht" schrumpfen. Außerdem stießen bei ihr "die entgegengesetzt magnetisierten Bereiche" - endlich - "nicht mehr mit den gleichpoligen Enden aneinander".

Da bei Vertikalaufzeichnung auch "die entmagnetisierenden Felder mit zunehmender Bit-Dichte kleiner werden", könne die Schicht demzufolge hier nun "ohne negative magnetische Effekte dicker gemacht werden", was wiederum ihrer Resistenz gegenüber Verschleißerscheinungen guttue. Und im Sinne der weiteren Steigerung der Aufzeichnungsdichte ist sicherlich auch nicht unerwünscht, daß "der Abstand zwischen den einzelnen magnetisierten Bereichen" bei Vertikaltechnik nun "nur noch von den nichtmagnetisierbaren Korngrenzen vorgegeben" wird. Dabei bestimme dann übrigens die Struktur des Kopfes, wie weit jeder dieser magnetisierten Bereiche sich "in Längsrichtung des Mediums ausdehnt".

Aufzeichnungstechnik erfordert viel Aufwand

Betrachtet man bisherige Versuche mit Kobalt-Chrom-Schichten (CoCr), so lassen sie schon für "die erste Produktgeneration lineare Dichten von mehr als 80.000 Bit pro Zoll" erwarten. Und für die fernere Zukunft rechnen Experten an Hand ihrer Labordaten gar schon mit mehreren Hundert Bit pro Zoll, wie Grau bemerkt.

Der Übergang auf die neue Aufzeichnungsgeometrie wird allerdings seinen Preis fordern. Denn diese Technik verlangt nach Medien mit neuartigen magnetschichten, nach neuartigen Magnetköpfen und vor allem nach neuen Schaltungen zur Verarbeitung der elektromagnetischen Signale. Wobei übrigens gerade diese Schaltungen als besonders kritisch gelten, müssen sie hier doch in der Lage sein, unsymmetrische statt, wie bisher gewohnt, symmetrische Signalimpulse zu bewältigen.

Die Fortschritte der letzten Jahre sind immens

Problematisch sind im Zusammenhang mit der vertikal orientierten Datenspeicherung laut Grau aber auch die bisher beobachteten Verschleißerscheinungen bei den neuen CoCr-Schichten. Und ganz allgemein ist zu hören, kundige Experten bezweifelten "aus bestimmten Gründen" überhaupt, daß die Vertikalaufzeichnung für Magnetplatten überhaupt vorteilhaft einsetzbar sei: denn jene arbeiteten ja "grundsätzlich mit Abstand" zwischen Kopf und Platte.

Während der exakte Wert für die Aufzeichnungsdichte der neuen Platteneinheiten von den IBMern nicht verraten wurde, zeigt ein historischer Rückblick doch immerhin, wie immens die Fortschritte auch auf diesem Feld sind. Denn vor mehr als 30 Jahren brachte IBM pro Quadratmillimeter Plattenoberfläche allenfalls drei Bit unter, während es beim Top-Modell der 3380er-Reihe 56000 sind; also fast 20000 mal soviel.

Bei diesen letzten Modellen weist der Lesekopf eine Polbreite von 10 Mikrometern auf, während der Luftspalt zwischen den Polen schmäler als 1 Mikrometer ist. Dabei schreibt dieses Laufwerk Bits in Gestalt von jeweils 1,5 Mikrometer langen magnetisierten Bereichen in die einzelnen, 12 Mikrometer voneinander entfernten Spuren.

Doch wenn man derartige Systeme in einer Variante mit "gläsernem" Gehäuse dann einmal konkret arbeitend und zuckend auf die einzelnen Spuren zugreifen sieht - dann möchte man nie und nimmer für möglich halten, daß diese elektrotechnisch-feinmechanischen Wunderwerke jene Stellen tatsächlich wiederfinden, auf denen sie irgendwann mal vor Wochen ein bestimmtes Bit abgelegt haben. Irgendwo auf einer haarfeinen Spur, und eingezwängt zwischen mikrofeinen Magnetbezirken.

Alles im Griff

Kommt das Thema auf Plattenspeichereinheiten von IBM, gibt es unterschiedliche Reaktionen bei EDV-Leitern: Die einen sind überzeugt von den technischen Vorzügen der Big-Blue-Speicher. Und kaufen blind. Die anderen scheinen in der Überzahl - und Zweifler zu sein. Und kaufen trotzdem. Sie kaufen neue Produkte von der IBM, die in der Regel mit Verspätung auf den Markt kommen. Und die - zumindest in der Einführungsphase - mit technischen Problemen behaftet sind.

Ist hier mit der 3390-Einheit ein Wandel eingetreten? Im Gegensatz zum 3380- Vorgängermodell ist jene nur um vier Monate im Zeitverzug. Neu-Investitionen für die 3380-Einheit mußte man glatte anderthalb Jahre zurückstellen. An den Schwierigkeiten mit der Head Disk Assembly Unit der Modelle J und K der 3380er-Speicherplatten dokterte Big Blue noch zwei Jahre nach der Markteinführung herum.

Die IBM wechselte die Lager, so daß die für die Datenverluste verantwortlich gemachten Vibrationen nicht mehr auftraten. Dann bot man dem Anwender ein Frühwarnsystem-Tool in Form von Mikrocode für den Disk-Controller an, das vor zu erwartenden Lagerproblemen rechtzeitig warnte.

Natürlich würde der Anwender lieber eine funktionierende Magnetplatteneinheit kaufen. So mußte man froh sein, daß wenigstens die Warnsoftware funktionierte und man im Zweifelsfall zumindest das System rechtzeitig herunterfahren konnte.

Auch bei den 3390-Einheiten sah Big Blue sich mit Problemen konfrontiert. Die blieben angeblich aber sogar dem IBM-Chef für General Products, Paul Low, schleierhaft. Nach außen und gegenüber dem Anwender präsentierte sich so die IBM, als wüßte die rechte Hand nicht, was die linke tut. Vor allem weiß der Benutzer wieder nicht, was das Problem ist, das er sich für teures Geld einkauft.

Möglicherweise hat sich also doch nicht so viel geändert: Die einen kaufen blind, die anderen trotzdem. Big Blue hat sie alle fest im Griff. jm