Festplatte

Speichermedium
Harddisk-full.jpg
Allgemeines
Name	Hard Disk Drive
Abkürzung	HDD
Typ	magnetisch
Ursprung
Erfindungsjahr	1956
Erfinder	IBM
Daten
Größe	3,5″
Gewicht	ca. 0,6 kg
Drehzahl	bis zu 15.000 min⁻¹
Speicherkapazität	bis zu 750 GB (Stand: 04.2006)
Puffergröße	bis zu 16 MB
Schnellste Übertragungsrate	ca. 120 MB/s (Perpendicular Recording Server-Festplatten) (theoretisch bis zu 320 MB/s mit SCSI)
Minimale Betriebstemperatur (typ.)	5 °C
Maximale Betriebstemperatur (typ.)	60 °C
Minimale Luftfeuchtigkeit	ca. 5%
Maximale Luftfeuchtigkeit	ca. 95%
Lebensdauer	mehrere Jahre (hängt von vielen Faktoren ab)
Der Bereich „Daten“ gilt nur für 3,5″-Festplatten und kann abhängig vom konkreten Modell variieren

Eine Festplatte (engl. hard disk drive = HDD) ist ein magnetisches (meist ferro-magnetisches) Speichermedium der Computertechnik, welches die Daten binär auf die Oberfläche einer rotierenden Scheibe schreibt. Dies geschieht mittels magnetischer Umpolung, auf dauerhaften (remanenten), magnetischen (suszeptiblen) Oberflächenschichten. Die schwer magnetisierbare (steile Hysterese) Magnetschicht ist auf starren, rotierenden Scheiben aufgebracht. Im Gegensatz dazu besteht die Scheibe einer Diskette aus einem flexiblen Material. Die Bezeichnung für diese Speichermedien ist direct access storage device (DASD), da die Daten nicht wie bei einem Magnetband oder Lochstreifen linear gelesen werden müssen, sondern auf diese direkt zugegriffen werden kann.

Auf einer Festplatte können beliebige Dateien, z. B. die des Betriebssystems, der Anwendungsprogramme oder persönlicher Daten (Dokumente, Videos, Musik, Bilder) dauerhaft, mittels der binären Nord-Süd-Ummagnetisierung (binär = 0/1) gespeichert werden.

Allgemeine technische Daten

Speicherkapazität

Das Fassungsvermögen einer Festplatte wird heute üblicherweise in Gigabyte (GB) angegeben.

Vor allem Festplattenhersteller definieren bei der Angabe der Kapazität ein Gigabyte als 1000³ Byte = 10⁹ Byte = 1.000.000.000 Byte, während Computerprogramme ein Gigabyte meist als 1024³ Byte = 2³⁰ Byte = 1.073.741.824 Byte behandeln. Mit den Binärpräfixen (Mebibyte, Gibibyte) versucht man, diese Doppeldeutigkeit zu vermeiden.

Wenn man die Kapazität einer Festplatte, die in „Gigabyte“ (1000³ Byte = 10⁹ Byte) angegeben wurde, in Gibibyte (GiB, 1024³ Byte = 2³⁰ Byte) umrechnen möchte, so kann man folgenden Umrechnungsfaktor benutzen: $\frac{1000^3}{1024^3}=0{,}93132 \frac{\mathrm{GiB}}{\mathrm{GB}}$

Beispiel: $80\ \mathrm{GB} \cdot 0{,}93132\ \frac{\mathrm{GiB}}{\mathrm{GB}} = 74{,}51\ \mathrm{GiB}$

Viele Computerprogramme zeigen die Kapazität in Einheiten mit binärem Präfix (z. B. Gibibyte) an, oft jedoch fälschlich mit Dezimalpräfixes (wie Gigabyte) beschriftet.

Im April 2006 kündigte Seagate die neue Modellreihe Seagate Barracuda 7200.10 an. Deren größtes Modell besitzt eine Kapazität von 750 GB (698,6 GiB) und stellt damit die größte momentan erhältliche Festplatte dar (Stand Mai 2006). Harddisk-head.jpg Hard disk WD 400.jpg | MicroDrive1GB.jpg (1″)]]

Baugrößen

Die physikalische Größe von Festplatten wird traditionell in Zoll angegeben und ist keine exakte Größenangabe, sondern ein Formfaktor. So sind beispielsweise 3,5″-Festplatten exakt 100 mm breit, was knapp 4 Zoll entspricht. Die Größe der Scheiben in diesem 100 mm breiten Gehäuse liegt aber um die 3,5 Zoll, wobei Serverplatten häufig etwas kleiner sind.

Die zur Zeit verwendeten Formfaktoren reichen von 5,25″ bis 0,85″, wobei der Trend zu kleineren Festplatten geht. Der 3,5″-Formfaktor ist im Desktop-Bereich der am weitesten verbreitete, in Laptops findet man meist 2,5″-Festplatten, in noch kleineren portablen Geräten (z. B. MP3-Player) häufig 1,8″-Festplatten.

Die ersten Festplatten hatten Baugrößen von 24″ (IBM 350, 1956). Im Laufe der Zeit verringerten sich diese Größen.
5,25″-Baugrößen sind die 1980 von Seagate eingeführten Baugrößen der PC-Festplatten, jedoch ist diese Gattung aber seit 1996/97 ausgestorben. Einige SCSI-Server-Platten, sowie die LowCost-IDE-Platte BigFoot von Quantum waren die letzten Vertreter dieser Spezies. Man unterscheidet Geräte mit voller Bauhöhe (3,5″ bzw. ca. 88 mm), die zwei Steckplätze belegen und halber Bauhöhe (1,75″ bzw. ca. 44 mm). Die Breite beträgt 146 mm, die Tiefe ist variabel und sollte nicht wesentlich oberhalb von 200 mm liegen.
3,5″-Baugrößen wurden um ca. 1990 eingeführt und werden derzeitig in Desktop-Computern und Servern verwendet, die meisten Platten haben halbe Bauhöhe (1″ bzw. ca. 25 mm). Im Serverbereich gibt es auch Platten bis 1,8″ Höhe (1,8″ bzw. ca. 44 mm). Die Breite beträgt 100 mm, die Tiefe ist variabel und sollte nicht wesentlich oberhalb von 150 mm liegen.
2,5″-Baugrößen finden Verwendung in Notebooks oder Spezialrechnern. Die traditionelle Bauhöhe war 0,5″ (12,7 mm), mittlerweile gibt es mit 0,375″ (9,5 mm) und 0,25″ (6,35 mm) flachere Festplatten und auch Notebooks, die diese flachen Varianten benötigen. Die Breite beträgt 68 mm, die Tiefe beträgt 100 mm. Der Anschluss ist gegenüber den größeren Bauformen modifiziert, bei IDE wird z. B. ein 44-poliger Anschluss verwendet, der gleichzeitig die Betriebsspannung von +5 Volt zuführt (Pin 1 ist meist auf der Seite der Jumper). Im Gegensatz zu den größeren Platten kommen diese Platten auch mit nur einer Betriebsspannung aus.
1,8″-Baugrößen werden seit 2003 bei Sub-Notebooks sowie diversen Industrieanwendungen verwendet
1″-Baugrößen sind seit 2002 unter dem Name MicroDrives im Einsatz. Die meisten MicroDrives wurden bis Mitte 2004 als „verkleidete“ CompactFlash-Typ-II-Speichereinheiten für digitale Kameras eingesetzt. Hauptnachteil ist die mechanische Empfindlichkeit außerhalb von Geräten und der hohe Stromverbrauch.
0,85″-Baugrößen sind derzeit (Januar 2005) nur in begrenzten Mengen über die Firma Toshiba verfügbar, welche diese Baugröße im März 2004 mit einer Kapazität von 4 GigaByte (3,73 GiB) zum ersten Mal vorgestellt hat. Ob diese kleinen Bauformen jemals Bestand haben werden, ist fraglich. Flash-Speicher ist in diesem Bereich schon verfügbar und auf Wachstumskurs. Derzeitig ist Flash-Speicher noch teurer, aber wesentlich robuster und sparsamer im Energieverbrauch.

Überblick über die Speicherkapazitäten der verschiedenen Baugrößen

- bgcolor="#FFDEAD"	Jahr	5,25″	3,5″	2,5″	1,8″	1,0″	0,85″	typ. Modell(e) mit hoher Kapazität	Quelle
1983	20 MByte	-	-	-	-	-	20-MB-Festplatte im IBM PC XT
1989	80 MByte	40 MB	-	-	-	-	Seagate ST4096, NEC D3142
1995	4096 MByte	850 MByte	-	-	-	-	Western Digital mit 850 MB
1997	12 GByte	9 GByte	2 GByte	-	-	-	Quantum Bigfoot (12 GB, 5,25″), Nov. 1997	^*
2000	#	>75 GByte ?	? GByte	-	-	-	?
2005	#	500 GByte	120 GByte	60 GByte	8 GByte	6 GByte	Hitachi Deskstar 7K500 (500 GB, 3,5″), Juli 2005	^*
2006	#	750 GByte *	200 GByte *	60 GByte	8 GByte	6 GByte	Western Digital WD5000KS, Seagate Barracuda 7200.10 750GB, u. a.	^*

Anmerkungen:

Angaben beziehen sich immer auf die zum jeweiligen Jahr größte käuflich erhältliche Festplatte, unabhängig von ihrer Drehzahl oder Schnittstelle.
Kapazitäten sind Herstellerangaben, d. h. ein Gigabyte ist definiert als $1000^3 Byte = 10^9 Byte = 1.000.000.000 Byte$ , ein Megabyte als $1000^2 Byte = 10^6 Byte$
Mit Fragezeichen markierte Einträge bitte verifizieren/ergänzen
- noch nicht verfügbar
* unter Verwendung von senkrechter Aufzeichnung
# Baugröße veraltet; nicht mehr in Gebrauch

Aufbau und Funktion

Festplattenskizze.jpg | Festplatte.JPG

Physikalischer Aufbau der Einheit

Eine Festplatte besteht aus folgenden Bauelementen:

einer oder mehreren drehbar gelagerten Scheiben (auch Platter genannt (eng.: Platters))
einem Elektromotor als Antrieb für die Scheibe(n)
bewegliche Schreib-/Leseköpfe (Heads)
jeweils ein Lager für Platter (i. d. R. Füssigkeitslager) sowie für die Schreib-/Leseköpfe (auch Magnetlager)
einem Antrieb für die Schreib-/Leseköpfe
der Steuerelektronik für Motor- und Kopfsteuerung
Hochleistungs-DSP für die Schreib/Leseköpfe.
der Schnittstelle zur Verbindung mit dem Festplattenkontroller (auf der Hauptplatine)
einem Festplattencache von 2 bis 16MB Größe

Technischer Aufbau und Material der Scheiben

Die Scheiben bestehen meistens aus oberflächenbehandelten Aluminium-Legierungen, vereinzelt auch aus Glas. Sie müssen formstabil sein und eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen um die Größe der Wirbelströme gering zu halten. Da das Material der Scheiben selbst jedoch keine magnetischen Eigenschaften besitzen darf, wird eine Eisenoxid- oder Kobaltschicht von ungefähr einem Mikrometer Stärke aufgetragen. Diese wird zusätzlich von einer Schutzhülle aus Graphit ummantelt, um mechanische Beschädigungen zu vermeiden. Zusätzlich wurde die Steigerung der Datendichte durch besseres Trägermaterial sowie durch die Optimierung der Schreibverfahren erreicht.

In älteren Desktopfestplatten von IBM (Deskstar 75GXP/40GV DTLA-30xxxx, Deskstar 60GXP/120GXP IC35Lxxxx) aus den Jahren 2000 bis 2002 kam Glas als Material für die Scheiben zum Einsatz. Neuere Modelle der Festplattensparte von IBM (2003 übernommen durch Hitachi) verwenden jedoch wieder Aluminium, mit Ausnahme der Festplatten für den Serverbereich. In dem Festplattengehäuse befinden sich ein oder mehrere übereinander liegende rotierende Scheiben. Verbaut worden sind bisher 1 bis 12 Scheiben, üblich sind 1 bis 4. Allerdings geht eine höhere Scheibenanzahl in der Regel mit einem höheren Energieverbrauch und einer größeren Geräuschentwicklung einher. Manchmal werden aus Platzgründen nicht alle Scheibenoberflächen genutzt, sodass Festplatten mit ungerader Schreib-/Lesekopfanzahl entstehen. Um die Nachfrage nach Festplattenmodellen mit kleinerer Kapazität zu befriedigen, können die Hersteller ebenfalls auf diese Weise die Kapazität künstlich beschränken bzw. verkleinern. Eine neuere Entwicklung (seit 2004) ist das Perpendicular Recording, das zur Zeit u. a. von Toshiba und Hitachi entwickelt wird, um die Datendichte weiter zu steigern.

Achsen-Lagerung und Drehzahlen (U/min)

Festplatten, welche in Arbeitsplatzrechnern oder in PCs für den privaten Gebrauch verwendet werden – momentan zum größten Teil Platten mit ATA- oder SATA-Schnittstelle – rotieren mit Geschwindigkeiten von 5.400 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute. Vor der Zeit der ATA-Festplatten und im Bereich der Hochleistungsrechner und Server wurden bzw. werden meistens Festplatten mit der technisch überlegenen SCSI-Schnittstelle verwendet, die inzwischen in der Regel 10.000 oder 15.000 Umdrehungen pro Minute erreichen. Bei den 2,5-Zoll-Festplatten, die hauptsächlich in Notebooks zum Einsatz kommen, liegen die Geschwindigkeiten im Bereich von 4.200 bis 7.200 Umdrehungen pro Minute. Die Achsen der Scheiben früherer Festplatten (bis 2000) waren kugelgelagert; heute (2006) werden überwiegend Flüssigkeitslager (engl. „fluid dynamic bearing“ – FDB) verwendet. Diese zeichnen sich durch eine höhere Lebensdauer und geringere Geräuschentwicklung aus.

Die Schreib-Lesekopfeinheit

Der Schreib-/Lesekopf (Magnetkopf) des Schreibfingers, im Prinzip ein winziger Elektromagnet, polarisiert die einzelnen Sektoren unterschiedlich und schreibt somit die Daten - als permanent vorhanden - auf die Festplatte. Die Schreib-/Leseköpfe schweben durch ein - durch die Rotation der Platten - erzeugtes Luftpolster, über der Plattenoberfläche. Die Schwebehöhe liegt jedoch heutzutage (2006) nur im Bereich von etwa 20 Nanometern, sodass die Luft innerhalb des Festplattengehäuses keinerlei Verunreinigungen beinhalten darf. Zum Vergleich: Ein Haar ist etwa 0,05 mm = 50 Mikrometer = 50 000 nm dick. Die Herstellung von Festplatten erfolgt deshalb wie die von Halbleitern in Reinräumen. Das Auslesen der Daten wurde bis ca. 1994 durch Induktion des Magnetfelds der magnetisierten Fläche in der Spule des Schreib-/Lesekopfes erreicht. Über die Jahre wurden jedoch die Flächen, auf denen einzelne Bits gespeichert werden, immer kleiner – die Datendichte wurde erhöht. Um diese Daten auszulesen, werden kleinere und empfindlichere Leseköpfe benötigt. Diese wurden nach 1994 entwickelt: MR-Leseköpfe sowie einige Jahre später GMR-Leseköpfe (Riesenmagnetowiderstand). Der GMR-Lesekopf ist eine Anwendung der Spintronik.

Zum Schutz der für Daten benutzten Oberflächen vor dem Aufsetzen der Schreib-/Leseköpfe fahren diese, noch bevor sich beim Ausschalten der Festplatten die Umdrehungsgeschwindigkeit merklich verringert hat, in die sogenannte „Landezone“ („landing zone“), in der sie fixiert werden. Diese Parkposition kann sich außerhalb der Scheiben befinden oder im Innenbereich der Platten. Die Fixierung geschieht z.B. über einen kleinen Magneten, der den Lesekopf festhält. Bei älteren Festplatten mussten die Köpfe explizit vor dem Ausschalten per Befehl vom Betriebssystem geparkt werden. Das Parken erhöht auch die Stoßfestigkeit der Festplatten für einen Transport oder Umbau. Bei modernen Laptops sorgt ein Beschleunigungssensor für das Parken des Festplattenfingers noch während eines eventuellen freien Falls, um so den Schaden beim Sturz eines Rechners zu begrenzen.

Festplatten-Gehäuse

Hard disk hole.jpg Das Gehäuse der Festplatte ist sehr massiv, es besteht meist aus einer Aluminiumlegierung mit einem Edelstahlblechdeckel versehen. Es ist staubdicht, aber nicht luftdicht abgeschlossen: Durch eine kleine Öffnung mit einem Filter versehen, kann bei Temperaturänderungen die Luft eindringen oder austreten. Diese Öffnung darf, wie auf neben stehendem Bild zu sehen ist, in der Regel nicht verschlossen werden, nicht zuletzt wegen der Wärmeausdehnung der Luft, die in den Platten vorhanden ist. Da der Luftdruck im Gehäuse mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel abnimmt, zum Betrieb ein Mindestluftgehalt aber erforderlich ist, dürfen Festplatten nur bis zu einer bestimmten, maximalen Höhe betrieben werden. Diese ist in der Regel im zugehörigen Datenblatt vermerkt. Wird eine Festplatte in normaler, verunreinigter Luft geöffnet, so sorgen bereits kleinste Staub-/Rauchpartikel, Fingerabdrücke, etc für wahrscheinlich irreparable Beschädigungen der Plattenoberfläche und der Schreib-/Leseköpfe.

Speichern (Schreiben) und Lesen der Daten

Das Speichern der Daten auf einer Festplatte erfolgt durch die gezielte Magnetisierung kleinster - vom Schreibfinger angesteuerter - Flächen der permeablen Schicht ferromagnetischen Materials, die entsprechend ihrer Polarität (NORD / SÜD) den elektronisch-binär interpretierten Wert 0 oder 1 annehmen. Beim Lesen der jeweiligen Sequenzen von 0 und 1 Werten, werden die Informationen an das Betriebs-System übergeben und vom Prozessor des Computers ausgewertet und weiterverarbeitet. Entsprechend umgekehrt geht das Schreiben der vorher vom Prozessor erstellten Daten vonstatten.

Vor dem Schreiben der Daten werden diese in speziellen Verfahren wie den früher üblichen Verfahren GCR, MFM, RLL und heute üblicherweise mit PRML oder EPRML kodiert. Ein logisches Bit steht daher nicht mehr physikalisch als magnetisierte (Nordpol) oder nicht magnetisierte (Südpol) Einheit auf der Plattenoberfläche. Durch die Schreibverfahren wird auch eine Kompression erreicht, so dass die Datendichte steigt.

Sowohl beim Schreiben als auch beim Lesen muss vor dem Zugriff auf einen bestimmten Block der Schreib/Lesekopf der Platte bewegt und anschließend abgewartet werden, bis durch die Rotation der Platte der Block unter dem Kopf vorbeigeführt wird. Diese mechanisch bedingten Verzögerungen liegen heutzutage bei ca. 5–10 ms, was nach Maßstäben anderer Computerhardware eine kleine Ewigkeit ist. Daraus ergibt sich die extrem hohe Latenzzeit von Festplatten im Vergleich mit RAM, die noch auf der Ebene der Softwareentwicklung und der Algorithmik berücksichtigt werden muss. Um eine hohe Performance zu erreichen, muss eine Festplatte soweit wie möglich immer große Mengen von Daten in aufeinander folgenden Blöcken lesen oder schreiben, weil dabei der Schreib/Lesekopf nicht neu positioniert werden muss. Dies erreicht man, indem man möglichst viele Operationen im RAM durchführt und auf der Platte die Positionierung der Daten auf die Zugriffsmuster abstimmt. Dazu dient vor allem ein großer Cache als Teil der Festplattenelektronik, auf dessen Inhalt mit RAM-Geschwindigkeit zugegriffen werden kann. Die Firmware der Festplatte sorgt für die korrekte Verwaltung und Aktualisierung des Cache-Inhalts.

Hard disk head.jpg

Logischer Aufbau der Scheiben

Die magnetische Schicht der Scheiben ist der eigentliche Träger der Informationen. Sie wird auf zylindrischen Spuren magnetisch aufgeprägt, während die Scheibe rotiert. Eine Scheibe enthält typischerweise einige tausend solcher Spuren, meist auch auf beiden Seiten. Die Gesamtheit aller identischen Spuren der einzelnen Platten(oberflächen) nennt man Zylinder. Jede Spur ist in kleine logische Einheiten unterteilt, die man Blöcke nennt. Ein typischer Block enthält 512 Byte an Information. Jeder Block verfügt dabei über Kontrollinformationen (Prüfsummen), über die sichergestellt wird, dass die Information auch korrekt geschrieben oder gelesen wurde. Die Gesamtheit aller Blöcke, die die gleichen Winkelkoordinaten auf den Platten haben, nennt man Sektor. Leider wird der Begriff Sektor häufig fälschlicherweise auch synonym für Block verwendet.

Da manche Betriebssysteme zu früh an Grenzen stießen, als die Nummerierung der Sektoren bei steigenden Festplattenkapazitäten die Langwortgrenze (32 Bit) überstieg, führte man Cluster ein. Das sind Gruppen von jeweils einer festen Anzahl von Blöcken (s. o., Anzahl beispielsweise 32), die sinnvollerweise physisch benachbart sind bzw. zusammenhängend aufeinander folgen. Das Betriebssystem spricht dann nicht mehr einzelne Blöcke an, sondern verwendet auf seiner (höheren) Ebene diese Cluster als kleinste Zuordnungseinheit. Erst auf Hardwaretreiber-Ebene wird dieser Zusammenhang aufgelöst.

Bei modernen Festplatten ist es normalerweise so, dass die wahre Geometrie, also die Anzahl von Sektoren, Köpfen und Zylindern, die vom im Festplattengehäuse integrierten Controller (im Folgenden „Festplatten-Intelligenz“ genannt) verwaltet werden, nach außen nicht mehr sichtbar ist. Der Computer, der die Festplatte benutzt, arbeitet dann mit einer virtuellen Festplatte, die völlig andere Geometriedaten aufweist. Dies erklärt, warum z. B. eine Festplatte, die real nur vier Köpfe aufweist, vom Computer mit 255 Köpfen gesehen wird. Ein Grund für solch ein virtuelles Konzept ist, dass man Begrenzungen von PC-kompatibler Hardware überwinden wollte. Weiterhin kann die Festplatten-Intelligenz durch dieses virtuelle Konzept defekte Blöcke ausblenden, um dann einen Block aus einer Reserve-Spur einzublenden. Für den Computer sieht es immer so aus, als wären alle Blöcke defektfrei und nutzbar. Es wird vermutet, dass besagte Reserve-Spuren ca. 10–20 % des auf der Festplatte angegebenen Speicherplatzes ausmachen. Dieser Speicherplatz lässt sich durch spezielle Firmware-Versionen nutzen, was dann aber logischerweise die Lebensdauer der Festplatte (bzw. die Datensicherheit) reduzieren kann. Heute übliche Festplatten teilen weiterhin die Platten in Zonen auf, wobei eine Zone mehrere Spuren mit jeweils gleicher Anzahl an Blöcken enthält. Weitere Zonen können eine andere Anzahl von Blöcken pro Spur besitzen.

Partitionen als Laufwerke

Aus Sicht des Betriebssystems können Festplatten durch Partitionen in mehrere Bereiche unterteilt werden. Das sind keine echten Laufwerke, sondern die stellt das Betriebssystem als solche dar, sie sind Teilmengen des gesamten Laufwerkes. Man kann sich diese als logische Festplatten vorstellen, die durch den Festplattentreiber dem Betriebssystem (und damit evtl. dem Benutzer) gegenüber als getrennte Geräte dargestellt werden. Es ist dabei im Verhalten (von zeitlichen Effekten abgesehen) nicht erkennbar, ob es sich tatsächlich jeweils um eine physikalisch getrennte Festplatte handelt oder lediglich um ein logisches Laufwerk auf einer gemeinsamen Festplatte.

Jede Partition wird vom Betriebssystem gewöhnlich mit einem Dateisystem formatiert. Unter Umständen werden, je nach benutztem Dateisystem, mehrere Blöcke zu Clustern zusammengefasst, die dann die kleinste logische Einheit für Daten sind, die auf die Platte geschrieben werden. Das Dateisystem sorgt dafür, dass Daten in Form von Dateien auf die Platte abgelegt werden können. Ein Inhaltsverzeichnis im Dateisystem sorgt dafür, dass Dateien wieder gefunden werden und hierarchisch organisiert abgelegt werden können. In einer File Allocation Table werden die belegten, verfügbaren und defekten Cluster registriert. MS-DOS und Windows 9x konnten nur FAT-Dateisysteme verwenden.

Technische Neuerungen

Um die Lautstärke der Laufwerke beim Zugriff auf Daten zu verringern, unterstützen die meisten IDE- und SATA-Festplatten, die für den Desktop-Einsatz gedacht sind, „Automatic Acoustics Management“ (AAM). Wird die Festplatte in einem leisen Modus betrieben, werden die Schreib- und Leseköpfe weniger stark beschleunigt, sodass die Zugriffe leiser sind. Das Laufgeräusch des Plattenstapels wird davon nicht verändert, ebenso bleibt die Dauertransferrate von AAM unberührt; jedoch verlängert sich die Zugriffszeit.

Schnittstellen, Bussystem und Jumperung

Als Schnittstelle der Festplatte zu Laufwerks Computer-Komponenten werden heute hauptsächlich die parallelen Schnittstellen ATA (IDE, EIDE) (überwiegend bei Personal Computern) oder SCSI (bei Servern, Workstations und höherwertigen Personal Computern) verwendet. Ältere Schnittstellen wie ST506 (s. u. bei Geschichte/Chronologische Übersicht) sind nur noch von historischem Interesse. Die Mainboards, an denen die Festplatten angeschlossen werden können, waren bisher mit zwei IDE-Schnittstellen versehen, werden aber zunehmend - in der Übergangszeit - mit SATA (S-ATA) Schnittstellen zusätzlich versehen und zukünftig von diesem SATA-Bussystem abgelöst werden.

Jumper an der Festplatte

Jumper an der Festplatte dienen bei ATA Festplatten der Bestimmung, ob es das erste Laufwerk (Master), von dem gebootet wird, ist oder das Slave-Laufwerk ist. Jumper sind kleine elektrische Kurzschlussstecker, mit denen man den Pegel an einem Pin verändern kann, um so dem Bios elektronisch mitzuteilen, um welches beider Laufwerke es sich handelt.

Bei SCSI-Festplatten finden sich noch eine ganze Reihe Jumper zur Bestimmung der ID-Nummern, die es erlauben, bis zu 14 Festplatten an einen Kontroller anzuschließen.

Dazu kommen noch andere Jumper wie der (optionale) Schreibschutzjumper, der es erlaubt, eine Festplatte gegen Beschreiben zu sperren, die aber nur bei diversen SCSI-Festplatten zu finden sind.

Master (definierte) Festplatte des ersten IDE-Buses

Die als Master gejumperte Festplatte und die zweite Slave-Festplatte können am gleichen Primary-Bus (1. IDE-Bus) des Mainboardes angeschlossen werden. An jedem dieser IDE-Stränge (primary + secondary = 1. und 2. IDE-Bus) können maximal je 2 Festplatten angeschlossen werden. Dazu werden sie mit einem Jumper an der Festplatte (oder anderes Laufwerk) elektronisch als Master oder Slave bestimmt (gejumpert). Daher können insgesamt bis zu 4 Festplatten am 1. und 2. IDE-Bus des Mainboards angeschlossen werden. Ältere BIOSse von Mainboards erlauben es nur, den PC vom 1. IDE-Bus zu starten, wenn die Festplatte als Master gejumpert ist, da es sonst zu Konflikten kommt.

Formal: 4 Festplatten = 1. IDE-Bus => 1x Master- + 1x Slave-Festplatte und 2. IDE-Bus => 1x Master- + 1x Slave-Festplatte

S-ATA (SATA) löst den IDE-Bus ab

SATA power cable.jpg Seit 2002 gewinnt das neue Verfahren Serial ATA(S-ATA oder SATA) an Bedeutung. Die Vorteile gegenüber ATA sind der höhere mögliche Datendurchsatz und die einfachere Verkabelung. Im Jahr 2005 wurden erste Festplatten mit Serial Attached SCSI (SAS) als potentieller Nachfolger von SCSI für den Server- und Storagebereich vorgestellt, über zwei Anschlüsse kann der Datenaustausch hier theoretisch mit bis zu 600 MByte/s erfolgen.

Queuing im SCSI- und S-ATA-Datentransfer

Vor allem bei SCSI-Platten und auch bei neueren S-ATA-Festplatten werden sogenannte Queues (Warteschlangen) eingesetzt. Diese reihen die Anfragen an den Datenträger in eine Liste und sortieren sie entsprechend der physikalischen Position auf der Scheibe, um so möglichst viele Daten mit möglichst wenigen Umdrehungen zu lesen. Der festplatteneigene Cache spielt hierbei eine große Rolle, da die Queues in diesem abgelegt werden (Siehe auch: Tagged Command Queuing, Native Command Queuing).

USB als Schnittstelle für externe Laufwerke

USB Male Plug Type A.jpg Es werden universelle Schnittstellen wie FireWire oder USB für den Anschluss von externen Festplatten verwendet, hierbei sind jedoch die eingebauten Festplatten selbst mit herkömmlichen (meist ATA oder S-SATA) Schnittstellen ausgestattet, die Signale werden mittels eines speziellen Chipsatzes, der auf einer Wandlerplatine in dem USB-Gehäuse sitzt von ATA in USB-Signale transferiert und über die USB Schnittstelle nach außen geführt. Eine reine USB Festplatte d. h. mit USB-Schnittstelle wird von keinem Hersteller verbaut, selbst CD-Laufwerke gibt es nicht mit USB-Schnittstelle, obwohl der USB-Anschluss dieses vortäuscht.

Glasfaser-Anschluss als Interface

Die Kommunikation via Fibre-Channel-Interface ist noch leistungsfähiger und in der Glasfaser-basierten Form vor allem für die Verwendung in Speichernetzwerken (Storage Area Network, SAN) konzipiert. Da die Festplatten hier ebenfalls nicht direkt angesprochen werden, sondern über einen Controller, können alle Arten von Festplattenschnittstellen verwendet werden, von FC-AL über SCSI bis hin zu Serial ATA. Einen konkurrierenden Ansatz verfolgt iSCSI, jedoch unter Verwendung von IP-Netzen.

Vorläufer der seriellen high speed-Schnittstellen

Die ersten verbreiteten seriellen Schnittstellen für Festplatten waren SSA (Serial Storage Architecture, von IBM entwickelt) und Fibre-Channel in der Variante FC-AL (Fibre Channel-Arbitrated Loop). SSA-Festplatten werden heute praktisch nicht mehr hergestellt, aber Fibre Channel-Festplatten werden weiterhin für den Einsatz in großen Speichersystemen gebaut. Trotz ihres Namens haben sie keine optische, sondern eine elektrische Schnittstelle.

Datensicherheit

Ausfallrisiken und Lebensdauer

Zu den typischen Ausfallrisiken gehören:

Die Anfälligkeit von Festplatten ist besonders bei den neuen, sehr schnell drehenden Systemen vorwiegend auf thermische Probleme zurückzuführen.
Beim mechanischen Aufsetzen des Schreib-Lesekopfes (Head-Crash) kann die Festplatte beschädigt werden. Der Kopf schwebt im Betrieb über der Platte und wird durch ein Luftpolster, das durch von der drehenden Scheibe mitgerissene Luft entsteht, am Aufsetzen gehindert. Bei laufendem Betrieb sollte der Computer daher möglichst nicht bewegt werden oder Erschütterungen ausgesetzt sein.
Äußere Magnetfelder können die Sektorierung der Festplatte irreversibel zerstören. Eine Löschung mit einem magnetischen Wechselfeld macht neuere Festplatten unbrauchbar. Diese Wirkung geht auch von statischen Magnetfeldern (z. B. von Permanentmagneten) aus, wenn sie auf die rotierende Festplatte wirken.
Fehler in der Steuerelektronik oder allgemeine Abnutzung führen zu Ausfällen.

Die durchschnittliche Anzahl an Betriebsstunden, bevor eine Festplatte ausfällt, wird bei irreparablen Platten als MTTF (Mean Time To Failure) bezeichnet. Bei Festplatten, die repariert werden können, wird ein MTBF-Wert (Mean Time Between Failure) angegeben.

Die Lebensdauer einer Festplatte kann nicht konkret vorhergesagt werden, denn diese hängt von vielen Faktoren ab:

eine gute Kühlung erhöht die statistische Lebensdauer, da Mechanik und Elektronik weniger schnell altern und beansprucht werden.
Anzahl der Zugriffe (Lesekopfbewegungen): Durch häufige Zugriffe verschleißt die Mechanik schneller, als wenn die Platte nicht genutzt wird und sich nur der Plattenstapel dreht.
Vibrationen und Stöße: Starke Erschütterungen können zu einem vorzeitigen (Lager-) Verschleiß führen und sollten daher vermieden werden.
Unterschiede zwischen verschiedenen Modellreihen eines Herstellers: Abhängig vom jeweiligen Modell lassen sich bestimmte Baureihen ausmachen, die als besonders zuverlässig oder fehleranfällig gelten. Um statistisch genau Angaben zu der Zuverlässigkeit machen zu können, sind allerdings eine große Anzahl von baugleichen Platten notwendig, die unter ähnlichen Bedingungen betrieben werden. Systemadministratoren, die viele Systeme betreuen, können so im Laufe der Jahre durchaus einige Erfahrungen sammeln, welche Festplatten eher zu auffälligem Verhalten und damit vorzeitigem Ausfall neigen.

Allgemein sind schnelldrehende Server-Festplatten für eine höhere MTTF als typische Desktop-Festplatten ausgelegt, sodass sie theoretisch eine höhere Lebensdauer erwarten lassen. Dauerbetrieb und häufige Zugriffe können jedoch dazu führen, dass sich dies relativiert und die Festplatten nach wenigen Jahren ausgetauscht werden müssen.

Notebook-Festplatten werden durch die häufigen Transporte besonders beansprucht und sind dementsprechend trotz robusterer Bauart mit einer kleineren MTTF als Desktop-Festplatten spezifiziert.

Vorbeugende Maßnahmen

Als vorbeugende Maßnahmen gegen Datenverlust werden daher häufig folgende Maßnahmen ergriffen:

Von wichtigen Daten sollte immer eine Sicherungskopie (Backup) auf einem anderen Datenträger existieren.
Systeme, die zwingend hochverfügbar sein müssen und bei denen ein Festplattenfehler keine Betriebsunterbrechung verursachen darf, verfügen meistens über ein RAID. Eine Konfiguration ist z. B. das Mirrorset ( Mirroring - Spiegelung), bei dem die Daten auf zwei Festplatten gespiegelt werden und sich somit die Ausfallsicherheit erhöht. Effizientere Konfigurationen sind Performance + Parität und höher. Ein Stripeset ( Striping - Beschleunigung ohne Redundanz) aus zwei Festplatten erhöht zwar die Geschwindigkeit, verdoppelt jedoch das Ausfallrisiko. Striping - Beschleunigung ohne Redundanz ist deshalb keine Maßnahme, um Datenverlust zu verhindern.
ATA-Festplatten verfügen seit Einführung von ATA-3 im Jahr 1996 über S.M.A.R.T., eine interne Überwachung der Festplatte auf Zuverlässigkeit. Der Status kann von außen abgefragt werden. Ein Nachteil ist, dass S.M.A.R.T. kein Standard ist. Jeder Hersteller definiert seine Fehlertoleranz selbst, d. h. S.M.A.R.T. ist nur als allgemeines Richtmittel anzusehen. Außerdem gibt es Festplatten, deren S.M.A.R.T.-Funktion selbst dann noch nicht vor Problemen warnt, wenn diese sich bereits im Betrieb durch nicht mehr lesbare Blöcke bemerkbar gemacht haben. Man sollte sich also nicht auf S.M.A.R.T. verlassen.
Um durch Überhitzung der Festplatte bedingte Ausfälle zu verhindern, muss diese entsprechend ihrer maximal erlaubten Betriebstemperatur gekühlt werden. In Servern kommen dazu mit Lüftern versehene Wechselrahmen und Backplanes zum Einsatz.

Datenschutz

Soll eine Datei gelöscht werden, wird üblicherweise lediglich im Dateisystem vermerkt, dass der entsprechende Datenbereich nun frei ist. Die Daten selbst verbleiben jedoch physisch auf der Festplatte, bis der entsprechende Bereich mit neuen Daten überschrieben wird. Mit Datenrettungsprogrammen können gelöschte Daten daher oft zumindest zum Teil wiederhergestellt werden. Das wird auch häufig in der Beweissicherung z. B. bei den Ermittlungsbehörden (Polizei etc.) eingesetzt.

Auch beim Partitionieren oder gewöhnlichen Formatieren wird der Datenbereich nicht überschrieben, sondern lediglich die Partitionstabelle oder die Beschreibungsstruktur des Dateisystems. Bei einer Low-Level-Formatierung dagegen wird der gesamte adressierbare Bereich einer Festplatte überschrieben.

Um ein sicheres Löschen von sensiblen Daten zu garantieren, bieten verschiedene Hersteller Software an, die beim Löschen den Datenbereich überschreibt. Meistens kann aber auf eine (fast) beliebige und kostenlose Unix-Distribution zurückgegriffen werden, wie zum Beispiel Knoppix oder FreeSBIE, die praktischerweise direkt von CD gestartet werden kann. Des weiteren gibt es verschiedene Opensource-Programme, die dies ebenfalls erledigen (siehe Weblinks). Wurde die Datei bereits gelöscht, ohne die Daten zu überschreiben, kann auch der komplette freie Speicher der Festplatte überschrieben werden.

Verschiedene Festplatten bieten die Möglichkeit an, den kompletten Festplatteninhalt per Passwort direkt auf Hardwareebene zu schützen. Da diese im Grunde nützliche Eigenschaft jedoch kaum bekannt ist und die meisten BIOSe die Funktion zum Setzen des Passworts nicht selbsttätig ausschalten, besteht rein theoretisch für Schadprogramme wie Viren die Chance, dem Benutzer durch Setzen dieses Passworts auf einen unbekannten Wert massiv zu schaden, besteht danach doch keine Möglichkeit mehr, noch auf Inhalte der Festplatte zuzugreifen. Für weitere Infos bzgl. ATA-Festplatten siehe Passwortschutz unter ATA.

Geschichte

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Vorläufer der Festplatte war die Magnettrommel ab 1958 (Zuse Z22). Die erste kommerziell erhältliche Festplatte, die IBM 350, wurde von IBM 1956 als Teil des IBM 350 RAMAC-Rechners („Random Access Method of Accounting and Control“) angekündigt.

Chronologische Übersicht

1956: IBM stellt das erste magnetische Festplattenlaufwerk vor. Auf 50 Speicherplatten von 61 cm Durchmesser wurde eine Kapazität von 5 Megabyte (MB) erreicht.
1973: IBM startet das „Winchester“-Projekt, das sich damit befasste, einen rotierenden Speicher mit einem fest montierten Medium zu entwickeln (IBM 3340, 30 MB Speicherkapazität, 30 ms Zugriffszeit). Beim Starten und Stoppen des Mediums sollten die Köpfe auf dem Medium aufliegen, was einen Lademechanismus überflüssig machte. Namensgeber war das Winchester-Gewehr 3030. Diese Technik setzte sich in den folgenden Jahren durch und bis in die 1990er Jahre war deshalb für Festplatten die Bezeichnung Winchester-Laufwerk gebräuchlich.
1979: Vorstellung der ersten 8″-Winchester-Laufwerke. Diese waren jedoch sehr schwer und teuer (5 MB kosteten mehr als 10.000 DM (ca. 5000 Euro); trotzdem stieg der Absatz kontinuierlich.
1980: Verkauf der ersten 5-1/4″-Winchester-Laufwerke durch die Firma Seagate Technology mit der Modellbezeichnung ST506 (6 Megabyte Kapazität). Diese Modellbezeichnung (ST506) wurde auch über viele Jahre hinaus der Name für diese neue angewendete Schnittstelle, welche alle anderen Firmen als neuen Standard im PC-Bereich übernommen hatten. Zur gleichen Zeit kam neben den bereits bestehenden Apple-Microcomputern der erste PC von IBM auf den Markt, dadurch stieg die Nachfrage nach diesen – im Vergleich zu den Winchester-Laufwerken kompakten – Festplatten rasant an.
1986: Spezifikation von SCSI, eines der ersten standardisierten Protokolle für eine Festplattenschnittstelle.
1997: Erster Einsatz des Riesen-Magnetowiderstands (englisch Giant Magnetoresistive Effect (GMR)) bei Festplatten, dadurch konnte die Speicherkapazität stark gesteigert werden. Eine der ersten Festplatten mit GMR-Leseköpfen war die IBM Deskstar 16GP (3,5″, November 1997) mit einer Kapazität von 16,8 GB.
2004: 18. November 400 GB-Festplatte (3,5″) von Hitachi. Erste ATA-Festplatten mit Native Command Queuing von Seagate.
2005: 500 GB-Festplatte (3,5″) von Hitachi. Prototyp einer 2,5-Zoll-Hybrid-Festplatte, die aus einem magnetisch-mechanischen Teil und einem zusätzlichen NAND-Flash-Speicher aufgebaut ist, der als Puffer für die Daten dient. Erst wenn der Puffer voll ist werden die Daten aus dem Puffer auf das Magnetmedium der Festplatte geschrieben.
2006: Erste 2,5-Zoll Notebook-Festplatte (160 GB, „Momentus 5400.3“) von Seagate mit senkrechter Aufzeichnungstechnik (Perpendicular Recording). 3,5-Zoll-Festplatten erreichen mit derselben Aufzeichnungstechnik eine Kapazität von 750 GB.

Siehe auch

Weblinks

Speicherlaufwerk

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