Festplatte / Harddisk

Fesplatte

Festplatte (geöffnet)

Festplatten sind Massenspeicher, die auf einem magnetischen Scheiben als Datenträger beruhen, auf dem die Daten fest gespeichert werden und auch ohne Energieversorgung gespeichert bleiben. Festplatten werden typischerweise in einen Computer eingebaut, um darauf das Betriebssystem, die Anwendungsprogramme und Daten dauerhaft zu speichern.

Der Begriff Festplatte (engl. Hard Disk Drive oder Hard Density Disc, HDD) kommt durch die Unterscheidung zur Diskette (engl. Floppy Disk Drive, FDD), die als wechselbarer Datenträger lange Zeit vor der Festplatte verwendet wurde. Die Festplatte ist durch ihre Art, fest in das Gehäuse eines Computers eingebaut zu sein, benannt worden.

Festplatten unterscheiden sich in ihrer Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit, Speicherkapazität und damit auch im Preis. Für unterschiedliche Anwendungsfälle haben die Festplatten-Hersteller unterschiedliche Festplatten-Typen. Im Vergleich zu anderen Datenspeichern haben Festplatten ein sehr gutes Preis-Leistungsverhältnis.

Historisches

Festplatten ersetzen den Festwertspeicher ROM und die Diskette. Festplatten können viel mehr Daten speichern als Disketten. Im Gegensatz zum ROM kann man Daten von einer Festplatte nicht nur lesen, sondern auch darauf schreiben und jederzeit ändern.
1954 wurden Festplatten erstmals industriell eingesetzt. Doch erst 1983 gab es die erste PC-Festplatte. Seit dem hat sich sehr viel getan. Vor allem die Speicherdichte führte zu der uns heute bekannten Speicherkapazität. Im Prinzip funktioniert die heutige Festplatte genauso wie die ersten Modelle.

Im Zuge der Weiterentwicklung von Halbleiterspeicher wurde auch Flash-Speicher entwickelt, der wie die Festplatte Daten dauerhaft ohne Stromversorgung speichern kann. Flash-Speicher wird in Solid State Drives (SSD) verwendet, die mit einer herkömmlichen Festplatte vergleichbar sind. Im Gegensatz zur Festplatte hat eine SSD keine beweglichen Teile. Das äußerst sich in einer höheren Lese- und Schreibgeschwindigkeit, oft in anderen Bauweisen (Platinen und Steckkarten), geringerem Energieverbrauch und natürlich ein geräuschloser Betrieb.

Aus diesen Gründen sind klassische Festplatten als Massenspeicher ein technisches Auslaufmodell. Festplatten werden heute im Prinzip nur noch für Datensicherung oder Archivierung verwendet. Was Langzeitspeicherung angeht hat man mit herkömmlichen Festplatten viel Erfahrung, während Speicher auf Basis von Flash-Memory hier noch nicht stabil genug ist.

Speicherkapazität

In etwa 40 Jahren stieg die Festplatten-Kapazität von 10 MByte auf über 30.000.000 MByte (30 TByte). Die Entwicklung wurde durch Miniaturisierung, neue Aufzeichnungstechniken und den Marktbedarf angetrieben.

Aufbau einer Festplatte

In einem geschlossenen Metallgehäuse befinden sich alle Komponenten, die für das Funktionieren der Festplatte wichtig sind und als Speichermedium dienen. Um das Eindringen von Staub und Schmutz in das Gehäuse zu verhindern, sind die einzelnen Teile einer Festplatte in ein nahezu luftdichtes Gehäuse verschlossen. Als einziger Kontakt zum Computersystem dient eine Anschlussleiste für eine Schnittstelle, über die die Daten übertragen werden.
Der eigentliche Datenspeicher einer Festplatte ist eine oder mehrere Metallscheiben, die mit einem magnetisierbaren Material beschichtet sind. Um die Speichermenge zu erhöhen liegen mehrere Scheiben übereinander. Die Scheiben sind um eine Drehachse mittels Halteklammern befestigt und dadurch voneinander getrennt. Zwischen den Metallscheiben greifen die Schreib-Lese-Kopf-Arme hinein. Auf diesen Armen befindet sich eine federnde Aufhängung. Auf dieser ist der Kopf befestigt, der zum Lesen und Schreiben der Daten dient.

Der Abstand zwischen Kopf und Scheibe ist geringer, als ein Haar, Staub- oder Rauchpartikel. Die Berührung von Kopf und Scheibe führt zum Head-Crash, der wiederum zum Datenverlust führt. Dabei wird der Datenträger zerstört, was die Festplatte unbrauchbar macht. Normalerweise können sich Kopf und Platte nicht berühren. Denn bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten, bei der sich eine Festplatte dreht, bildet sich ein Luftpolster zwischen Kopf und Platte.
Die Schreib-Lese-Arme werden von einem Motor gesteuert, der zur Kopfpositionierung dient. Zur Steuerung des Motors befindet sich direkt daneben die Armelektronik. Unterhalb dieser ganzen Konstruktion befindet sich die Platine, auf der sich die Laufwerkselektronik befindet.
Während des Festplattenbetriebs rotieren die Scheiben ständig. Während des Schreib- oder Lese-Vorgangs werden die Arme und damit die Köpfe hin und her bewegt. Damit die Schreib-Lese-Köpfe beim Transport keinen Schaden nehmen, werden die Arme beim Stromverlust in eine Parkposition gebracht und arretiert. Der dafür nötige Strom wird von einem Generator erzeugt, der die Schwungmasse der Plattenrotation ausnutzt. So ist es möglich, dass die Parkposition auch bei einem plötzlichen Stromausfall eingenommen werden kann.

Geschwindigkeit einer Festplatte

Je schneller eine Festplatte ist, desto flüssiger laden die Daten und laufen die Programme. Besonders beim Start von Betriebssystem und Anwendungen spürt der Anwender eine schnelle Festplatte. Und nur mit einem schnellen Massenspeicher speichert ein Computer große Datenmengen mühelos. Folgende vier Kriterien machen eine Festplatte schnell:

Umdrehungsgeschwindigkeit

Die Umdrehungsgeschwindigkeit wird in Umdrehungen in der Minute (UPM, U/Min) angegeben. Je geringer die Drehzahl, desto länger dauert der Zugriff auf zufällig ausgewählte Sektoren.
Üblich sind die Umdrehungsgeschwindigkeiten 10.000, 7.200 und 5.400 U/Min. Sehr schnelle Festplatten laufen mit 10.000 U/Min. Dafür bedarf es einer zusätzlichen Kühlung. Deshalb findet man sie selten in normalen PCs. Normale Festplatten laufen mit 7200 U/Min. Das ist die Standardumdrehungsgeschwindigkeit. Geräuscharme und Strom sparende Festplatten laufen mit 5.400 U/Min.

Anzahl der Datenscheiben

Je mehr Datenscheiben eine Festplatte hat, desto höher ist ihre Kapazität. Doch auch die Lese- und Schreibgeschwindigkeit steigt, wenn der Datenstrom über mehrere Lese- und Schreibköpfe summiert wird.

Datendichte auf den Datenscheiben

Je höher die Datendichte, desto mehr Bit ziehen pro Sekunde am Schreib-Lese-Kopf vorbei und können gelesen oder geschrieben werden.

Zugriffszeit / Access Time / Datenzugriffszeit

Die Zugriffszeit gibt an, wie lange es dauert, bis die Festplatte die gewünschten Daten auf ihren Datenschreiben gefunden hat und die ersten Bit liefert. Die Zugriffszeit ist die Summe aus Such- und Latenzzeit und wird hauptsächlich von der Umdrehungsgeschwindigkeit der Festplatte bestimmt. Je schneller sich die Platte dreht, desto geringer ist diese Zeit.
Doch die Zugriffszeit hängt noch von zwei weiteren Faktoren ab: Als erstes braucht der Lese-/Schreibkopf eine bestimmte Zeit, um sich über eine bestimmte Spur zu platzieren (mittlere Suchzeit). Danach dauert es etwas, bis die Daten unter dem Lesekopf vorbeikommen (Latenzzeit). Im Schnitt benötigt die Platte eine halbe Umdrehung. Von der Anfrage, zur Positionierung des Lese-/Schreibkopfes auf der gewünschten Spur und Erscheinen des richtigen Sektors, bis zur Auslieferung der Daten können zwischen 4 und 20 Millisekunden vergehen.
Ein weiterer Faktor beeinflusst die Zugriffszeit. Zum Beispiel, wenn wegen Fragmentierung viele Sektoren an verschiedenen Stellen der Festplatte gelesen und geschrieben werden müssen. Dann müssen die Datenscheiben öfter gedreht werden, bis der Lesekopf an allen Sektoren vorbeigekommen ist. Besser ist es, wenn die zu lesenden Daten in einem Stück hintereinander abgelegt sind. In dem Fall hilft eine Defragmentierung.

Schreib-Lese-Verfahren: Longitudial Magnetic Recording (LMR)

Ein Schreibkopf wird über die magnetisierbare Scheibe bewegt. Im Kopf befinden sich eine Spule, die von einem Strom durchflossen wird. Das entstehende Magnetfeld magnetisiert die Stelle unter dem Kopf. So entstehen viele kleine magnetisierbare Bereich, die kreisförmig auf der Scheibe angeordnet sind.
Beim Lesen induzieren die kleinen magnetischen Bereiche ein Magnetfeld in der Spule des Kopfes. Es wird eine Spannung induziert. Diese wird verstärkt und als Datenstrom ausgelesen.
Im Laufe der Zeit, von der ersten Festplatte bis heute, wurden die Schreib- und Lesevorgänge immer schneller und die Speicherstruktur immer kleiner. Diese Speicherstruktur muss man sich wie winzige Stabmagneten vorstellen, die in einer langen Kette hintereinander liegen. Man nennt dieses Schreib-Lese-Verfahren Longitudial Magnetic Recording. Mit diesem Verfahren werden 120 GBit pro Quadratzoll Speicherdichte erreicht. Dieser Wert gilt als Grenze, bis zu der sich der superparamagnetische Effekt in den Griff bekommen lässt. Beim superparamagnetischen Effekt reichen bereits geringfügige äußere Einflüsse, z. B. Temperaturschwankungen, um die magnetische Ausrichtung der Speicherbereiche umzukehren. Die Daten wären dann verloren.

Schreib-Lese-Verfahren: Perpendicular Magnetic Recording (PMR)

Perpendicular Magnetic Recording geht auf die Forschung des dänischen Wissenschaftlers Valdemar Poulsen zurück. Im späten 19. Jahrhundert zeichnete er Töne erstmals mit Perpendicular Magnetic Recording magnetisch auf.
Der Name dieser Aufzeichnungstechnik kommt von der vertikalen Anordnung der Speicherbereiche auf der Oberfläche der magnetischen Scheibe. Der wesentliche Unterschied, im Vergleich zum Longitudial Magnetic Recording, ist der geringe Platzverbrauch jedes einzelnen Speicherbereichs. Man spricht davon, dass 1 Terabit pro Quadratzoll möglich ist.
Für Perpendicular Recording muss ein neuer Schreibkopf und ein neues Speichermedium her. Die Feldlinien müssen über den Schreibkopf senkrecht in das Medium eindringen, um eine senkrechte Magnetisierung eines Speicherbereichs zu ermöglichen. Deshalb hat der Schreibkopf zwei unterschiedliche Schenkel. Im Medium wird der obere Schreibkopf durch eine zweite untere magnetische Schicht gespiegelt. Dieser Magnet ist nicht wirklich da. Die untere Schicht verhält sich jedoch so, also ob es ihn geben würde. Die Feldlinien treten aus dem breiten Schenkel heraus und in den dünnen Schenkel hinein. Die senkrecht verlaufenden Feldlinien erzeugen einen senkrecht ausgerichteten Speicherbereich.
Zum Lesen der Speicherbereiche wird ein normaler Lesekopf verwendet.

Perpendicular Magnetic Recording ist an seine technischen Grenzen gestoßen. Um die Speicherkapazität zu steigern, werden zusätzliche magnetische Platten eingebaut, damit man bei derselben Gehäusegröße bleiben kann.

Organisation der Daten auf einer Festplatte (Spuren und Sektoren)

Damit die Daten, die auf den magnetischen Platten abgelegt sind, wieder gefunden werden, ist es notwendig eine Einteilung der Magnetscheiben vorzunehmen. Als erster Schritt wird eine herstellerseitige Low-Level-Formatierung vorgenommen. Dazu werden auf den Scheiben Spuren angelegt. Es handeln sich dabei um konzentrische Kreise, die auf allen Magnetscheiben gleich sind. Die Spuren werden vom äußeren Rand der Platte nach innen, beginnend bei 0, durchnummeriert. Der Abstand der Spuren, die Spurdichte, bestimmt die Speichermenge. Diese Dichte wird in Spuren pro Zoll (Tracks per Inch, TPI) angegeben.
Die Anordnung mehrerer Spuren (durch übereinander gelagerte Magnetscheiben) nennt man Zylinder.
Die Spuren werden wiederum in kleinere Abschnitte eingeteilt. Dieser Abschnitt nennt sich Sektor und entspricht einem Kreisausschnitt.

Sektorengröße

Der Speicherplatz auf Festplatten ist in Spuren und Sektoren eingeteilt. Alle Festplatten hatten mit 512 Byte lange Zeit die gleiche Sektorengröße. In der Regel arbeiten Festplatten mit einer Sektorgröße von 4 kByte. Manche geben nach außen hin 512 Byte große Sektoren an. Intern bilden diese Festplatten acht logische 512-Byte-Sektoren auf einem physikalischen 4-kByte-Sektor ab.
Für Festplatten mit 4 kByte Sektoren gibt es die Bezeichnung Advanced Format Drives (AFD) . Wenn zusätzlich ein "512e" angehängt ist, dann steht das "e" für emulated. Das bedeutet, bei 512e werden die 512 Byte großen Sektoren auf einer 4-kByte-Sektoren-Festplatte nur emuliert. Festplatten mit einer physikalischen Sektorengröße von 4 kByte werden mit "4Kn" gekennzeichnet, was für "4 kByte native" steht.

Der Vorteil größerer Sektoren oder Speicherblöcken ist das Einsparen von Overhead, den jeder logische Speicherblock umschließt. Dazu gehört ein Synchronisationsblock (Sync Section), eine Data Allocation Map (DAM), eine Prüfsumme (ECC) und ein kleiner Leerbereich zwischen den Speicherblöcken. Fasst man acht 512-Byte-Blöcke zu einem 4-kByte-Block zusammen, dann fallen sieben mal die Steuer- und Korrekturblöcke weg. Die Prüfsumme wird zwar größer, aber insgesamt reduziert sich der Overhead bei 4K-Sektoren um 75 Prozent.
Dateisysteme, wie NTFS oder HFS+, verwalten den Speicher auf Festplatten schon lange mit 4 kByte großen Einheiten. Auch der Arbeitsspeicher wird in den gängigen Betriebssystemen mit 4 kByte großen Blöcken (Pages) adressiert.
Desweiteren erleichtert es die Fertigung von Festplatten mit hoher Speicherkapazität. Parallel entsteht so mehr Platz für die Nutzdaten auf der Magnetscheibe. In der Regel profitiert man auch von einer Geschwindigkeitssteigerung.

MTBF - Mean Time Between Failures

Grob übersetzt bedeutet MTBF soviel wie Hardware-Ausfallwahrscheinlichkeit. Der MTBF wird in Stunden angegeben. Die typischen Werte für Enterprise-Festplatten liegen bei 1.000.000 Stunden und bei normalen Festplatten bei 600.000 Stunden.
Das ist allerdings kein garantierter Wert. Der MTBF basiert auf Stichproben, die hochgerechnet werden. Also mehr so eine Art Durchschnitt. Man muss dabei auch berücksichtigen, dass die Betriebsbedingungen auf den MTBF Einfluss haben. Ohne diese Berücksichtigung ist der Wert eigentlich nutzlos.

NCQ - Native Command Queuing

Unter Command Queuing versteht man die Fähigkeit einer Festplatte, mehrere Kommandos entgegenzunehmen und in einer Warteschlange (Queue) zu verwalten. Anstatt sie nacheinander abzuarbeiten, sortiert die Festplatte die Kommandos so, dass die Schreib-Lese-Köpfe möglichst kurze Wege zurücklegen. So wird die Latenzzeit minimiert, die vergeht, bis der gewünschte Sektor unter den Köpfen vorbeikommt.
NCQ kann die Daten selbständig in den Hauptspeicher schreiben bzw. daraus lesen. Erst nach Beendigung eines oder mehrerer Kommandos wird das Betriebssystem informiert. Die Daten sind dann bereits im Puffer oder sogar weggeschrieben.
NCQ wurde in SATA-Festplatten eingeführt, da kannte man dieses Verfahren in SCSI-Festplatten schon länger. Dort wird das Feature als "Tagged Command Queuing" bezeichnet. NCQ in SATA-Festplatten ist eine neue Implementierung von Command Queuing.
Command Queuing erhöht den Datendurchsatz in Multi-Tasking-Umgebungen. Denn hier wollen viele Prozesse gleichzeitig auf die Platte zugreifen. Wenn Command Queuing tatsächlich die Kommando-Reihenfolge optimieren kann, dann wird der Datendurchsatz tatsächlich gesteigert.

Partitionierung

Das Partitionieren ist das Aufteilen eines physikalischen Laufwerks oder einer erweiterten Partition in mehrere kleinere logische Partitionen, um sie als eigenständige Laufwerke ansprechen zu können.

• Mehr Informationen zu Partitionierung

Fragmentierung / Defragmentierung

Unter Fragmentierung versteht man den Effekt, dass zusammenhängende Dateien nicht am Stück auf der Festplatte gespeichert werden. Sie werden verstreut auf der ganzen Festplatte verteilt. Das äußert sich in einer geringeren Datentransferrate, weil die Festplatten-Logik die Daten erst an verschiedenen Stellen lesen und zusammensetzen muss.
Defragmentieren ist ein Vorgang, bei dem die Einzelteile von Dateien nachträglich so auf die Festplatte geschrieben werden, dass sie zusammenhängend gespeichert sind. In der Regel erhöht man dadurch die Lesegeschwindigkeit. Besonders beim Starten von Betriebssystem und Anwendungen.

• Mehr Informationen zu Fragmentierung / Defragmentierung

Energiespar-Festplatten

Festplatten mit Energiesparfunktionen können manuell oder automatisch schlafen gelegt werden. Insbesondere dann, wenn sie für eine gewisse Zeit keine Schreib- und Lesetätigkeiten ausführen, also untätig sind, macht es Sinn auf diese Weise Energie zu sparen. In der Praxis fallen die Pausen nicht sehr häufig und lange aus, weil Multitasking-Betriebssysteme, wie Windows immer einen Dienst im Hintergrund laufen haben, der auf die Festplatte zugreift.
Um Energie zu sparen arbeiten Energiespar-Festplatten mit einer variablen Drehzahl. Finden über eine längere Zeit keine Zugriffe statt, wird die Drehzahl automatisch von 7.200 auf 5.400 U/min reduziert. Außerdem werden die Schreib-/Leseköpfe während des Leerlaufs entladen.

Festplatten-Hersteller

Die Zahl der Festplatten-Hersteller ist in den letzten Jahrzehnten stark zurückgegangen. Viele kleinere und mittlere Hersteller wurden von größeren Firmen aufgekauft oder sind vom Markt verschwunden. Desweiteren haben sich Flash-Speicher in vielen Computern wie Laptops, Tablets oder Smartphones durchgesetzt. Der Markt für Festplatten ist demzufolge auf spezielle Einsatzbereiche geschrumpft.

• Seagate
• Toshiba
• Western Digital

SSD - Solid State Drive

Ein Solid State Drive (SSD) ist ein Massenspeicher, der Flash-Memory nutzt und als Speicher für Betriebssysteme und Daten dient. Im Prinzip wie bei einer Festplatte. SSDs bieten Vorteile wie geringeren Energieverbrauch, kurze Zugriffszeiten und Verzicht auf mechanische Teile.

• Mehr Informationen zur SSD (Solid State Drive)

Übersicht: Festplatten

• CE-Festplatte
• SSHD - Solid-State Hybrid Drives (Hybrid-Festplatten)
• SSD - Solid State Drive

Übersicht: Schnittstellen für interne Festplatten

• IDE (AT-Bus)
• ATA / Ultra-ATA / EIDE
• SATA / Serial ATA
• SATA-II / Serial-ATA-II
• SATA-3 / SATA-600 / SATA 6G
• SATAe - SATA Express
• SCSI - Small Computer System Interface
• SAS - Serial Attached SCSI

Übersicht: Schnittstellen für externe Festplatten

• USB - Universal Serial Bus
• Thunderbolt
• eSATA - external SATA
• FireWire / IEEE 1394 / i.Link

Weitere verwandte Themen:

• Disketten
• Datenrettung
• Partitionen
• Fragmentierung / Defragmentierung
• RAID - Redundant Array of Independent Disk
• Maßeinheiten in der IT
• Datenspeicher

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