Festplatte

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Festplatte
Speichermedium
geöffnete Festplatte: drei Magnetscheiben, Lesekopf, Mechanik
Allgemeines
Name Hard Disk Drive
Abk√ľrzung HDD
Typ magnetisch
Ursprung
Erfindungsjahr 1956
Erfinder IBM

Eine Festplatte (englisch hard disk drive = HDD) ist ein magnetisches Speichermedium der Computertechnik, welches binäre Daten auf die Oberfläche einer rotierenden, ferromagnetischen Scheibe schreibt. Dazu wird die hartmagnetische Beschichtung der rotierenden Plattenoberfläche entsprechend der aufzuzeichnenden Information magnetisiert. Durch die Remanenz erfolgt die Speicherung der Information. Das Auslesen der Information erfolgt durch Abtastung der Magnetisierung der Plattenoberfläche mittels des Lesekopfes.

Neuerdings werden mit vergleichbaren Speicherkapazit√§ten auch Flash-Speicher und Hybridspeicher funktionsgleich als ‚ÄěFestplatten‚Äú angeboten.

Im Gegensatz zu den d√ľnnen, flexiblen (engl. floppy) Scheiben in Disketten bestehen die Scheiben von Festplatten aus starrem Material und werden deshalb als ‚Äěhard disk‚Äú (fest, nicht entnehmbar) bezeichnet.

Auf einer Festplatte können beliebige Daten gespeichert werden: Sowohl Dateien des Betriebssystems des Computers oder auch andere, etwa durch Anwendungsprogramme erzeugte persönliche Daten, welche dauerhaft gespeichert werden.

In Abgrenzung zu sequentiell adressierbaren Speichermedien wie Magnetband oder Lochstreifen werden Festplatten den direktadressierbaren Speichermedien (engl. direct access storage devices, DASD) zugerechnet, da auf die Daten direkt zugegriffen werden kann (Vergleich: Tonband ‚ÜĒ Schallplatte).

Inhaltsverzeichnis

Allgemeine technische Daten

Speicherkapazität

Zeitliche Entwicklung der Speicherkapazität, logarithmische Skalierung

Die Speicherkapazität einer Festplatte ist die Gesamtzahl an Bits (0 oder 1), die durch die ansteuernde Software, also meist das Betriebssystem oder vielmehr dessen Gerätetreiber, adressiert werden können. Die Kapazität wird normalerweise in Byte gemessen, 8 Bit bilden 1 Byte. Bei der Aufzeichnung erfolgt durch den gewöhnlich im Festplattengehäuse eingebauten Controller eine weitere Kodierung der Daten, weshalb kein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den gespeicherten Daten und der daraus folgenden Magnetisierung der Plattenoberfläche besteht.

Der √úbersichtlichkeit halber wird die Anzahl Bits in Kilo-, Mega-, Giga- und Terabit bzw. -byte angegeben. Vor allem Festplattenhersteller definieren bei der Angabe der Kapazit√§t ein Gigabyte mathematisch nach Potenzen zur Basis 10, also als 109¬†Byte = 10003¬†Byte = 1.000.000.000¬†Byte. Dem gegen√ľber steht die Umrechnung von Computerprogrammen, die auf dem traditionellen System, den Potenzen zur Basis 2, basierte: ein Gigabyte wird hier meist als 230¬†Byte = 10243¬†Byte = 1.073.741.824¬†Byte behandelt. Zur Unterscheidung hat die IEC daf√ľr die Bezeichnung Gibibyte eingef√ľhrt, welche sich jedoch nicht durchgesetzt hat. Die daraus resultierenden unterschiedlichen Gr√∂√üenangaben f√ľr die Speicherkapazit√§t lassen sich anhand von Bin√§rpr√§fixen unterscheiden.

Die derzeit (Stand: Anfang 2009) größte Festplatte mit einer Kapazität von 2 Terabyte (2000 GB) ist ein 3,5-Zoll-Modell von Western Digital. Die zeitliche Entwicklung der maximalen Festplattenkapazität zeigt einen annähernd exponentiellen Verlauf, vergleichbar mit der Entwicklung der Rechenleistung nach dem Mooreschen Gesetz. Die Kapazität hat sich etwa alle 5 Jahre verzehnfacht.

Baugrößen

handels√ľbliche 3,5"-Festplatte (250 GB)
Formfaktor 2,5" (links) und 5,25" (volle Bauhöhe, rechts)
1 GB IBM MicroDrive (1") kompatibel zu CompactFlash-Typ-II

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 Magnetscheiben in der Festplatte beträgt maximal den als Formfaktor angegebenen Wert; bei Serverfestplatten mit sehr hohen Rotationsgeschwindigkeiten auch weniger.

Im Zuge der technischen Weiterentwicklung sind immer wieder Baugr√∂√üen zu Gunsten kleinerer eingestellt worden, da diese weniger anf√§llig gegen Ersch√ľtterungen sind und weniger Strom verbrauchen. Die Datendichte entwickelt sich hingegen mit so hoher Geschwindigkeit, dass die verringerte Fl√§che nur eine kurzzeitige Bremse darstellt.

Die erste Festplatte IBM 350 von 1956 hatte eine Baugröße von 24". Mitte der 1970er kamen Modelle mit einer Größe von 8" auf, die ebenfalls recht schnell durch die wesentlich handlicheren und vor allem leichteren 5,25"-Festplatten abgelöst wurden. Dazwischen gab es noch Größen von 14" und 9".

5,25‚Ä≥-Festplatten wurden 1980 von Seagate eingef√ľhrt, jedoch ist diese Gattung seit 1997 ausgestorben. Einige SCSI-Server-Platten sowie die LowCost-ATA-Platte BigFoot von Quantum waren die letzten Vertreter dieser Spezies. Man unterscheidet Ger√§te mit voller Bauh√∂he (3,5‚Ä≥ bzw. ca. 88 mm), die zwei Steckpl√§tze belegen, und halber Bauh√∂he (1,75‚Ä≥ bzw. ca. 44 mm). Es gibt aber auch Modelle mit noch geringerer Bauh√∂he, so hat die bereits erw√§hnte BigFoot beispielsweise in der 4-GB-Version eine Bauh√∂he von nur 0,75" (etwa 19¬†mm). Die Breite betr√§gt 146 mm, die Tiefe ist variabel und sollte nicht wesentlich oberhalb von 200 mm liegen.

3,5"-Festplatten wurden ca. 1990 eingef√ľhrt und sind derzeit (2009) Standard in Desktop-Computern. Im Server-Bereich wurden sie inzwischen durch 2,5"-Modelle abgel√∂st, die effektiv mehr Daten pro Platz unterbringen k√∂nnen und selbst bei h√∂heren Drehzahlen deutlich weniger Strom verbrauchen. Die meisten Platten haben 1" bzw. ca. 25 mm Bauh√∂he. Im Serverbereich gibt es auch Platten bis 1,8" H√∂he (1,8" bzw. ca. 44 mm). Die Breite betr√§gt 100 mm, die Tiefe ist variabel und sollte nicht wesentlich oberhalb von 150 mm liegen. Inzwischen ist auch die Zukunft derartiger Festplatten f√ľr den Desktop-Markt fraglich.[1]

2,5"-Baugr√∂√üen finden schon seit ihrer Einf√ľhrung Verwendung in Notebooks oder Spezialrechnern. Die traditionelle Bauh√∂he war 0,5" (12,7 mm), mittlerweile gibt es mit 0,375" (9,5 mm) und 0,25" (6,35 mm) flachere Festplatten ‚Äď und auch Notebooks, die diese flachen Varianten ben√∂tigen. Die Breite betr√§gt 68 mm, die Tiefe 100 mm. Der Anschluss ist gegen√ľber den gr√∂√üeren Bauformen modifiziert, bei ATA wird z.¬†B. ein 44-poliger Anschluss verwendet, der gleichzeitig die Betriebsspannung von +5 Volt zuf√ľhrt (Pin 1 ist meist auf der Seite der Jumper). Im Gegensatz zu den gr√∂√üeren Platten kommen diese Platten ohne 12-Volt-Betriebsspannung (zus√§tzlich zu der 5-Volt-Spannung) aus.

Seit 2006 bietet Seagate und im Weiteren auch andere Hersteller zudem auch 2,5"-Festplatten f√ľr den Einsatz in Servern an, die weniger Strom verbrauchen, Platz sparen und die Ausfallsicherheit erh√∂hen sollen. Weitere Hersteller sind Toshiba, Hitachi und Fujitsu. Seit April 2008 wird von Western Digital mit der Velociraptor auch eine 2,5"-Festplatte (allerdings mit 15 mm Bauh√∂he) mit 3,5"-Einbaurahmen als Desktop-Festplatte vermarktet.[2]

1,8"-Baugr√∂√üen werden seit 2003 bei Sub-Notebooks sowie diversen Industrieanwendungen verwendet. Ebenso in gro√üen MP3-Playern. Hitachi k√ľndigte Ende 2007 an, keine 1,8‚Ä≥-Festplatten mehr herzustellen, da Flash-Speicher diese Baugr√∂√üe verdr√§nge.[3]

Noch kleinere Baugr√∂√üen spielen kaum eine Rolle. Eine der wenigen Ausnahmen sind die sogenannten Microdrives; Festplatten mit einer Baugr√∂√üe von 1", die vergleichsweise gro√üe und g√ľnstige CompactFlash-Typ-II-Speichereinheiten f√ľr beispielsweise Digitalkameras erm√∂glichten. Inzwischen wurden diese nahezu vollst√§ndig durch g√ľnstigeren Flash-Speicher verdr√§ngt, der dar√ľber hinaus auch wesentlich robuster, schneller, leichter, leiser und energiesparender ist. Dar√ľber hinaus gab es 2005 kurzzeitig von der Firma Toshiba Festplatten mit einer Baugr√∂√üe von nur 0,85" und einer Kapazit√§t von 4 GB (3,73 GiB). Diese Modelle waren nur f√ľr Spezialanwendungen gedacht und nur in begrenzten Mengen erh√§ltlich.

√úberblick √ľber die Speicherkapazit√§ten der verschiedenen Baugr√∂√üen

Jahr 5,25″ 3,5″ 2,5″ 1,8″ 1,0″ 0,85″ typ. Modell(e) mit hoher Kapazität Quelle
1981 10 MB - - - - - Seagate ST-412 (Aus dem IBM PC XT)
1988 360 MB 20 MB - - - - Maxtor XT-4380E (5,25″) bzw. Fuji FK309-26
1990 676 MB 106 MB - - - - Maxtor XT-8760E (5,25″) bzw. Conner CP3104
1992 2 GB 426 MB 120 MB - - - Digital (DEC) DSP-5200S ('RZ73', 5,25″), Seagate ST1480A (3,5″) bzw. Conner CP2124 (2,5″)
1993 1,06 GB - - - Digital RZ26 (3,5″)
1994 2,1 GB - - - Digital RZ28 (3,5″)
1995 9,1 GB 1,6 GB 422 MB - - - Seagate ST410800N (5,25″ FH), Conner CFS1621A (3,5″) bzw. Conner CFL420A (2,5″)
1997 12 GB 16,8 GB 4,8 GB - - - Quantum Bigfoot (12 GB, 5,25″), Nov. 1997, IBM Deskstar 16GP (3,5″) bzw. Fujitsu MHH2048AT (2,5″) [4]
1998 47 GB - - - Seagate ST446452W (47 GB, 5,25″), 1.Quartal 1998 [5]
2001 # 73 GB 40 GB - 340 MB - Seagate mit 73 GB
2002 # 320 GB - Maxtor MaXLine-Plus-II (320 GB, 3,5″), Ende 2002 [6]
2005 # 500 GB 120 GB 60 GB 8 GB 6 GB Hitachi Deskstar 7K500 (500 GB, 3,5″), Juli 2005 [7]
2006 # 750 GB * 200 GB 80 GB 8 GB # Western Digital WD5000KS, Seagate Barracuda 7200.10 750 GB, u. a. [8]
2007 # 1 TB * 320 GB * 160 GB 8 GB # Hitachi Deskstar 7K1000 (1.000 GB, 3,5″), Januar 2007 [9]
2008 # 1,5 TB * 500 GB * 250 GB 40 GB * # Seagate ST31500341AS (1.500 GB, 3,5″), Juli 2008
Samsung Spinpoint M6 HM500LI (500 GB, 2,5″), Juni 2008
Toshiba MK2529GSG (250 GB, 1,8″), September 2008
LaCie LF (40 GB, 1,0"), Dezember 2008
[10]
[11]
[12]
[13]
2009 # 2 TB * 500 GB * 250 GB 40 GB * # Western Digital Caviar Green WD20EADS (2.000 GB, 3,5″), Januar 2009 [14]

Anmerkungen:

  • Die beispielhaften Angaben beziehen sich immer auf die im jeweiligen Jahr gr√∂√üte k√§uflich erh√§ltliche Festplatte, unabh√§ngig von ihrer Drehzahl oder Schnittstelle.
  • Die Festplattenhersteller bedienen sich der SI-Pr√§fixe, d.¬†h. ein Gigabyte ist definiert als 10003 Byte = 109 Byte = 1.000.000.000 Byte, ein Megabyte als 10002 Byte = 106 Byte. Dies hat f√ľr die Hersteller unter anderem den Vorteil, dass die Zahlenangaben gr√∂√üer erscheinen.
  • * unter Verwendung von Perpendicular Recording
  • # Baugr√∂√üe veraltet; nicht mehr in Gebrauch

Aufbau und Funktion

Physischer Aufbau der Einheit

Skizze einer Festplatte

Eine Festplatte besteht aus folgenden Bauelementen:

  • einer oder mehreren drehbar gelagerten Scheiben (auch Platter genannt (eng.: Platters))
  • einer Welle, auch Spindel genannt, auf der die Scheiben √ľbereinander montiert sind
  • einem Elektromotor als Antrieb f√ľr die Scheibe(n)
  • bewegliche Schreib-/Lesek√∂pfe (Heads)
  • jeweils ein Lager f√ľr Platter (meistens hydrodynamische Gleitlager) sowie f√ľr die Schreib-/Lesek√∂pfe (auch Magnetlager)
  • einem Antrieb f√ľr die Schreib-/Lesek√∂pfe
  • der Steuerelektronik f√ľr Motor- und Kopfsteuerung
  • Hochleistungs-DSP f√ľr die Schreib/Lesek√∂pfe
  • der Schnittstelle zur Verbindung mit dem Festplattencontroller (auf der Hauptplatine)
  • einem Festplattencache von derzeit 2 bis 64 MB Gr√∂√üe.

Technischer Aufbau und Material der Scheiben

Geöffnete Festplatte aus den 1980er-Jahren
Einzelteile einer Festplatte

Die Scheiben bestehen meistens aus oberfl√§chenbehandelten Aluminium-Legierungen, vereinzelt auch aus Glas. Sie m√ľssen formstabil sein und eine geringe elektrische Leitf√§higkeit aufweisen, um die Gr√∂√üe der Wirbelstr√∂me gering zu halten. Da die magnetisierbare Schicht besonders d√ľnn sein soll, darf das Material der Scheiben selbst jedoch keine magnetischen Eigenschaften besitzen und dient nur als Tr√§ger der Magnetschicht. Auf die Scheiben wird eine Eisenoxid- oder Kobaltschicht von ungef√§hr einem Mikrometer St√§rke aufgetragen. Heutige Festplatten werden durch Sputtern von sogenannten "high storage density media" (dt. Material f√ľr hohe Speicherdichte) wie CoCrPt hergestellt. Die magnetische Schicht wird zus√§tzlich mit einer Deckschicht aus diamant√§hnlichem Kohlenstoff versehen (engl. "carbon overcoat"), um mechanische Besch√§digungen zu vermeiden. Die zuk√ľnftige Verkleinerung der magnetischen Bits erfordert sowohl die Erforschung von "ultra high storage density media" als auch von alternativen Konzepten, da man sich langsam dem superparamagnetischen Limit n√§hert. Zus√§tzlich wurde eine Steigerung der Datendichte durch besseres Tr√§germaterial sowie durch die Optimierung der Schreibverfahren erreicht.

In √§lteren Desktopfestplatten von IBM (Deskstar 75GXP/40GV DTLA-30xxxx, Deskstar 60GXP/120GXP IC35Lxxxx) aus den Jahren 2000 bis 2002 kam Glas als Material f√ľr die Scheiben zum Einsatz. Neuere Modelle der Festplattensparte von IBM (2003 √ľbernommen durch Hitachi) verwenden jedoch wieder Aluminium, mit Ausnahme der Festplatten f√ľr den Serverbereich. In dem Festplattengeh√§use befindet sich eine oder mehrere √ľbereinander liegende rotierende Scheiben. Verbaut wurden bisher ein bis zw√∂lf Scheiben, √ľblich sind ein bis f√ľnf. Eine h√∂here Scheibenanzahl geht in der Regel mit h√∂herem Energieverbrauch und gr√∂√üerer Ger√§uschentwicklung einher. Manchmal werden aus Platzgr√ľnden oder um ein Modell mit einer geringeren Kapazit√§t anzubieten, ohne extra andere Platten herzustellen, nicht alle Scheibenoberfl√§chen genutzt, so dass Festplatten mit ungerader Schreib-/Lesekopfanzahl entstehen. Um die Nachfrage nach Festplattenmodellen mit kleinerer Kapazit√§t zu befriedigen, k√∂nnen die Hersteller ebenfalls auf diese Weise die Kapazit√§t k√ľnstlich beschr√§nken bzw. verkleinern. Eine neuere Entwicklung (seit 2004) ist das Perpendicular Recording, um die Datendichte weiter zu steigern. Seit Erscheinen der ersten 3,5" HD mit dieser Technik im Jahre 2006, der Cheetah 15K.5 von Seagate, wurde die Technik schnell von weiteren gro√üen Herstellern √ľbernommen und ist h√§ufig in den 2008 k√§uflichen Festplatten implementiert.

Achsen-Lagerung und Drehzahlen (U/min)

In Arbeitsplatzrechnern oder Privat-PCs verwendete Festplatten ‚Ästmomentan zum gr√∂√üten Teil Platten mit ATA-, SATA-, SCSI oder SAS-Schnittstelle¬†‚Äď 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 bisher √ľberwiegend Festplatten mit den technisch √ľberlegenen SCSI-, FC- oder SAS-Schnittstellen verwendet, die inzwischen in der Regel 10.000 oder 15.000 Umdrehungen pro Minute erreichen. Bei den 2,5-Zoll-Festplatten, die haupts√§chlich in Notebooks zum Einsatz kommen, liegen die Spindelgeschwindigkeiten im Bereich von 4.200 bis 7.200 Umdrehungen pro Minute. Die Achsen der Scheiben fr√ľherer Festplatten (bis 2000) waren kugelgelagert; heute (2006) werden √ľberwiegend hydrodynamische Gleitlager (engl. ‚Äěfluid dynamic bearing‚Äú ‚Äď FDB) verwendet. Diese zeichnen sich durch eine h√∂here Lebensdauer, geringere Ger√§uschentwicklung und geringere Herstellungskosten aus.

Die Schreib-Lesekopfeinheit

Schreib-/Lesekopf einer Festplatte

Der Schreib-/Lesekopf (Magnetkopf) des Schreibfingers, im Prinzip ein winziger Elektromagnet, magnetisiert winzige Bereiche der Scheibenoberfl√§che unterschiedlich und schreibt somit die Daten auf die Festplatte. Aufgrund eines Luftpolsters, das durch die Reibung der Luft an der rotierenden Scheibenoberfl√§che erzeugt wird, schweben die Schreib-/Lesek√∂pfe (vgl. Bodeneffekt). Die Schwebeh√∂he liegt heutzutage (2006) im Bereich von etwa 20 Nanometern, weswegen die Luft innerhalb des Festplattengeh√§uses keinerlei Verunreinigungen enthalten darf. Bei neuesten Festplatten mit Perpendicular-Recording-Technik schrumpft dieser Abstand auf 10 Nanometer. Der Bodeneffekt ist in diesem Zusammenhang sehr n√ľtzlich zur Einhaltung der richtigen Flugh√∂he des Schreib-/Lesekopfes √ľber der rotierenden Scheibe. Zum Vergleich: Ein Haar ist etwa 0,05¬†mm = 50¬†¬Ķm = 50.000¬†nm dick. Die Herstellung von Festplatten erfolgt deshalb wie die von Halbleitern in Reinr√§umen. Die Daten wurden bis ca. 1994 durch Induktion des Magnetfelds der magnetisierten Fl√§che in der Spule des Schreib-/Lesekopfes ausgelesen. √úber die Jahre wurden jedoch aufgrund der steigenden Datendichte die Fl√§chen, auf denen einzelne Bits gespeichert werden, immer kleiner. Um diese Daten auszulesen, werden kleinere und empfindlichere Lesek√∂pfe ben√∂tigt. Diese wurden nach 1994 entwickelt: MR-Lesek√∂pfe sowie einige Jahre sp√§ter GMR-Lesek√∂pfe (Riesenmagnetowiderstand). Der GMR-Lesekopf ist eine Anwendung der Spintronik.

In der Anfangszeit der Festplatten wurden die Schreib-/Lesek√∂pfe mit Schrittmotoren angesteuert, da die Spurabst√§nde noch gro√ü waren. Bei den zur Zeit √ľblichen Schreibdichten sorgen Tauchspulsysteme mit Lageregelung f√ľr die Positionierung. Bei der Hitachi Deskstar 7K500 betr√§gt die Anzahl der Spuren pro Zoll (tpi) z.¬†B. 135.000, w√§hrend die Bitdichte in der Spur (bpi) 872.000 betr√§gt.

Zum Schutz der Scheiben-Oberfl√§chen vor dem Aufsetzen der Schreib-/Lesek√∂pfe fahren diese, noch bevor sich beim Ausschalten der Festplatte die Umdrehungsgeschwindigkeit merklich verringert hat, in die so genannte ‚ÄěLandezone‚Äú (‚Äělanding zone‚Äú), in der sie fixiert werden. Diese Parkposition kann sich au√üerhalb der Scheiben befinden oder im Innenbereich der Platten. Dabei setzt der Schreib-/Lesekopf auf einem vordefinierten Bereich der Festplatte auf, der keine Daten enth√§lt. Die Oberfl√§che dieses Bereichs ist besonders vorbehandelt, um ein Festkleben des Kopfes zu vermeiden und so einen sp√§teren Wiederanlauf der Festplatte zu erm√∂glichen. Die Fixierung geschieht z.¬†B. √ľber einen kleinen Magneten, der den Lesekopf festh√§lt.

Parkposition des Lesekopfs außerhalb des Plattenstapels

Bei √§lteren Festplatten wurden die Schreib-/Lesek√∂pfe bei fast allen Modellen aus den Plattenstapel herausgefahren. Sp√§ter (1990er, 2000er) wurde zunehmend die Parkposition im Innenbereich bevorzugt. Heutzutage (2008) kommen beide Verfahren vor, sowohl bei Notebook-Platten als auch bei Desktop-Platten. Bei Notebook-Platten bietet die Parkposition au√üerhalb des Plattenstapels zus√§tzlichen Schutz vor Besch√§digung der Oberfl√§che der Scheiben bei Transport (Ersch√ľtterung) der Festplatte.

Bei √§lteren Festplatten mussten die K√∂pfe explizit vor dem Ausschalten per Befehl vom Betriebssystem geparkt werden. Das Parken erh√∂ht auch die Sto√üfestigkeit der Festplatten f√ľr einen Transport oder Umbau. Doch auch moderne Festplatten m√ľssen mitunter explizit geparkt werden, da der beschriebene automatische Parkmechanismus nach Wegfall der Versorgungsspannung zu einem erh√∂hten Verschlei√ü f√ľhren kann.[15] Heutzutage wird dieser Befehl automatisch beim Herunterfahren des Systems vom Ger√§tetreiber abgesetzt.

Bei modernen Laptops sorgt ein Beschleunigungssensor f√ľr das Parken des Festplattenfingers noch w√§hrend eines eventuellen freien Falls, um so den Schaden beim Sturz eines Rechners zu begrenzen.

Festplatten-Gehäuse

L√ľftungsloch

Das Gehäuse einer Festplatte ist sehr massiv, es ist meist ein aus einer Aluminiumlegierung bestehendes Gussteil und mit einem Edelstahl-Blechdeckel versehen.

Es ist staub-, aber nicht luftdicht abgeschlossen: Durch eine mit einem Filter versehene kleine √Ėffnung kann bei Temperatur√§nderungen oder anders verursachten Luftdruckschwankungen Luft ein- oder austreten, um so die Druckunterschiede auszugleichen. (Diese √Ėffnung ‚Äď siehe nebenstehende Abbildung ‚Äď darf nicht verschlossen werden, vor allem wegen der W√§rmeausdehnung der im Plattengeh√§use vorhandenen Luft.) Da der Luftdruck im Geh√§use mit zunehmender H√∂he √ľber dem Meeresspiegel abnimmt, zum Betrieb aber ein Mindestdruck erforderlich ist, durften diese Festplatten nur bis zu einer bestimmten, maximalen H√∂he betrieben werden. Diese ist in der Regel im zugeh√∂rigen Datenblatt vermerkt. Die Luft ist erforderlich, um die direkte Ber√ľhrung von Lesekopf und Festplatte zu verhindern, siehe oben bei Die Schreib-Lesekopfeinheit.

Bei neueren Laufwerken wurde der Filter durch eine elastische Membran ersetzt, die das System durch Aufwölben in die eine oder andere Richtung an wechselnde Druckverhältnisse anpassen kann.

Wird eine Festplatte in normaler, verunreinigter Luft ge√∂ffnet, sorgen bereits kleinste Staub-/Rauchpartikel, Fingerabdr√ľcke etc. f√ľr wahrscheinlich irreparable Besch√§digungen der Plattenoberfl√§che und der Schreib-/Lesek√∂pfe.

Speichern (Schreiben) und Lesen der Daten

Das Speichern der Daten auf einer Festplatte erfolgt durch die gezielte Magnetisierung kleinster ‚Äď vom Schreibfinger angesteuerter ‚Äď Fl√§chen der permeablen Schicht ferromagnetischen Materials, die entsprechend ihrer Polarit√§t (Nord/S√ľd) den elektronisch-bin√§r interpretierten Wert 0 oder 1 annehmen. Beim Lesen der jeweiligen Sequenzen von 0- und 1-Werten werden die Informationen dekodiert und an das Betriebssystem √ľbergeben. Sie werden vom Prozessor des Computers ausgewertet und weiterverarbeitet. Entsprechend umgekehrt geht das Schreiben der vorher vom Prozessor erstellten Daten vonstatten.

Vor dem Schreiben werden die Daten mittels spezieller Verfahren, wie den fr√ľher √ľblichen GCR, MFM, RLL und heute √ľblichen PRML oder EPRML, kodiert. Ein Bit der Anwenderdaten entspricht daher physikalisch nicht unmittelbar einem magnetischen Flusswechsel auf der Plattenoberfl√§che. Die Kodierung muss der Festplattencontroller vornehmen, zusammen mit dem Verwalten der Daten (Organisation der Daten in Bl√∂cke) und dem F√ľhren des Schreib-/Lesekopfes √ľber die Spuren.

Sowohl beim Schreiben als auch beim Lesen muss vor dem Zugriff auf einen bestimmten Block der Schreib-/Lesekopf der Platte bewegt und anschlie√üend abgewartet werden, bis durch die Rotation der Platte dieser Block unter dem Kopf vorbeigef√ľhrt wird. Diese mechanisch bedingten Verz√∂gerungen liegen heutzutage bei ca. 5‚Äď10 ms, was nach Ma√üst√§ben anderer Computerhardware eine kleine Ewigkeit ist. Daraus ergibt sich die extrem hohe Latenzzeit von Festplatten im Vergleich zu RAM, die noch auf der Ebene der Softwareentwicklung und der Algorithmik ber√ľcksichtigt werden muss.

Lesekopf einer Festplatte in der Nahaufnahme

Um eine hohe Leistung zu erreichen, muss eine Festplatte, soweit möglich, immer große Mengen von Daten in aufeinander folgenden Blöcken lesen oder schreiben, weil dabei der Schreib-/Lesekopf nicht neu positioniert werden muss.

Dies wird unter anderem dadurch erreicht, dass m√∂glichst viele Operationen im RAM durchgef√ľhrt und auf der Platte die Positionierung der Daten auf die Zugriffsmuster abgestimmt werden. Dazu dient vor allem ein gro√üer Cache als Teil der Festplattenelektronik, auf dessen Inhalt mit RAM-Geschwindigkeit zugegriffen werden kann. Die Firmware der Festplatte sorgt f√ľr die korrekte Verwaltung und Aktualisierung des Cache-Inhalts. Zus√§tzlich zum Hardware-Cache gibt es in allen modernen Betriebssystemen noch einen Disk Cache oder VCache genannten Cache im Arbeitsspeicher.

Neben der Verwendung eines Caches gibt es weitere Software-Strategien zur Performance-Steigerung. Sie werden vor allem in Multitasking-Systemen wirksam, wo das Festplattensystem mit mehreren bzw. vielen Lese- und Schreibanforderungen gleichzeitig konfrontiert wird. Es ist dann meist effizienter, diese Anforderungen in eine sinnvolle neue Reihenfolge zu bringen. Die Steuerung erfolgt durch einen Festplatten-Scheduler. Das einfachste Prinzip hierbei verfolgt dabei dieselbe Strategie wie eine Fahrstuhlsteuerung: Die Spuren werden zunächst in einer Richtung angefahren und die Anforderungen beispielsweise nach monoton steigenden Spurnummern abgearbeitet. Erst wenn diese alle abgearbeitet sind, kehrt die Bewegung um und arbeitet dann in Richtung monoton fallender Spurnummern usw.

Auf einer tieferen Ebene optimierte man fr√ľher den Datenzugriff durch Interleaving, was bei modernen Festplatten aber nicht mehr notwendig ist.

Logischer Aufbau der Scheiben

Die Magnetisierung der Beschichtung der Scheiben ist der eigentliche Informationstr√§ger. Sie wird vom Schreib/Lesekopf auf kreisf√∂rmigen, konzentrischen Spuren aufgebracht, w√§hrend die Scheibe rotiert. Eine Scheibe enth√§lt typischerweise einige tausend solcher Spuren, meist auch auf beiden Seiten. Die Gesamtheit aller gleichen, d.¬†h. √ľbereinander befindlichen, Spuren der einzelnen Platten(oberfl√§chen) nennt man Zylinder. Jede Spur ist in kleine logische Einheiten unterteilt, die man Bl√∂cke nennt. Ein typischer Block enth√§lt 512 Byte an Nutzdaten (Anwenderdaten). Jeder Block verf√ľgt dabei √ľber Kontrollinformationen (Pr√ľfsummen), √ľber die sichergestellt wird, dass die Information auch korrekt geschrieben oder gelesen wurde. Die Gesamtheit aller Bl√∂cke, die die gleichen Winkelkoordinaten auf den Platten haben, nennt man Sektor. Der Aufbau eines speziellen Festplattentyps, das hei√üt, die Anzahl der Spuren, Oberfl√§chen und Sektoren, wird auch als Festplattengeometrie bezeichnet. Verwirrenderweise wird der Begriff Sektor h√§ufig f√§lschlicherweise auch synonym f√ľr Block verwendet.

Da manche Betriebssysteme zu fr√ľh an Grenzen stie√üen, als die Nummerierung der Bl√∂cke bei steigenden Festplattenkapazit√§ten die Wortgrenze (16 Bit) √ľberstieg, f√ľhrte man Cluster ein. Das sind Gruppen von jeweils einer festen Anzahl an Bl√∂cken (z. B. 32), die sinnvollerweise physisch benachbart sind. Das Betriebssystem spricht dann nicht mehr einzelne Bl√∂cke an, sondern verwendet auf seiner (h√∂heren) Ebene diese Cluster als kleinste Zuordnungseinheit. Erst auf Hardwaretreiber-Ebene wird dieser Zusammenhang aufgel√∂st.

Bei modernen Festplatten ist normalerweise die wahre Geometrie, also die Anzahl an Sektoren, K√∂pfen und Zylindern, die vom Festplatten-Controller verwaltet werden, nach au√üen (d.¬†h. f√ľr den Computer bzw. den Festplattentreiber) nicht sichtbar. Der Computer, der die Festplatte benutzt, arbeitet dann mit einer virtuellen Festplatte, die v√∂llig andere Geometriedaten aufweist. Dies erkl√§rt, warum zum Beispiel eine Festplatte, die real nur vier K√∂pfe aufweist, vom Computer mit 255 K√∂pfen gesehen wird. Ein Grund f√ľr dieses virtuelle Konzept ist, dass man Begrenzungen von PC-kompatibler Hardware √ľberwinden wollte. Weiterhin kann der Festplatten-Controller dadurch defekte Bl√∂cke ausblenden, um dann einen Block aus einem Reserve-Bereich einzublenden. F√ľr den Computer sieht es immer so aus, als w√§ren alle Bl√∂cke defektfrei und nutzbar. Es wird vermutet, dass besagter Reserve-Bereich bzw. Reserve-Spuren ca. 10‚Äď20¬†% des auf der Festplatte angegebenen Speicherplatzes ausmachen. Dieser Speicherplatz l√§sst sich durch spezielle Firmware-Varianten nutzen, was dann aber logischerweise die Lebensdauer der Festplatte (bzw. die Datensicherheit) reduziert. Heute √ľbliche Festplatten teilen weiterhin die Platten in Zonen auf, wobei eine Zone mehrere Spuren mit jeweils der gleichen Anzahl an Bl√∂cken enth√§lt.

Partitionen als Laufwerke

Aus Sicht des Betriebssystems k√∂nnen Festplatten durch Partitionierung in mehrere Bereiche unterteilt werden. Das sind keine echten Laufwerke, sondern werden vom Betriebssystem als solche dargestellt. Man kann sie sich als virtuelle Festplatten vorstellen, die durch den Festplattentreiber dem Betriebssystem gegen√ľber als getrennte Ger√§te dargestellt werden. Abgesehen von zeitlichen Effekten sowie dem Verhalten im Falle des Festplattenausfalls ist nicht erkennbar, ob es sich um eine physikalisch getrennte Festplatte oder lediglich um ein logisches Laufwerk handelt.

Jede Partition wird vom Betriebssystem gew√∂hnlich mit einem Dateisystem formatiert. Unter Umst√§nden werden, je nach benutztem Dateisystem, mehrere Bl√∂cke zu Clustern zusammengefasst, die dann die kleinste logische Einheit f√ľr Daten sind, die auf die Platte geschrieben werden. Das Dateisystem sorgt daf√ľr, dass Daten in Form von Dateien auf die Platte abgelegt werden k√∂nnen. Ein Inhaltsverzeichnis im Dateisystem sorgt daf√ľr, dass Dateien wiedergefunden werden und hierarchisch organisiert abgelegt werden k√∂nnen. Der Dateisystem-Treiber verwaltet die belegten, verf√ľgbaren und defekten Cluster. Ein Beispiel f√ľr ein Dateisystem ist das (von MS-DOS und Windows 9x ausschlie√ülich unterst√ľtzte) FAT-Dateisystem.

Lärmvermeidung

Um die Lautst√§rke der Laufwerke beim Zugriff auf Daten zu verringern, unterst√ľtzen die meisten f√ľr den Desktop-Einsatz gedachten ATA- und SATA-Festplatten ‚ÄěAutomatic Acoustic Management‚Äú (AAM). Wird die Festplatte in einem leisen Modus betrieben, werden die Schreib/Lesek√∂pfe weniger stark beschleunigt, so dass die Zugriffe leiser sind. Das Laufger√§usch des Plattenstapels sowie die Daten-Transferrate wird davon nicht ver√§ndert, jedoch verl√§ngert sich die Zugriffszeit.

Schnittstellen, Bussystem und Jumperung

Als Schnittstelle der Festplatte zum Computer wird heute im Desktop-Bereich haupts√§chlich die serielle SATA (oder S-ATA)-Schnittstelle eingesetzt. Bis vor kurzem war hier noch die parallele ATA (oder IDE, EIDE)-Schnittstelle √ľblich. Bei professionellen Servern und Workstations sind SCSI (parallel), Fibre-Channel und SAS (beide seriell) √ľblich.

√Ąltere, heute nicht mehr erh√§ltliche, Schnittstellen sind ST506 (mit den Modulationsstandards MFM, RLL und ARLL) und ESDI.

Die Mainboards waren lange Zeit mit meist zwei ATA-Schnittstellen versehen, inzwischen - teilweise zusätzlich, teilweise stattdessen - mit bis zu 10 SATA-Schnittstellen.

Ein vergleichbarer Wandel ist im Bereich der Server bzw. Speicher-Subsysteme zu erkennen. Neben den noch oft verwendeten SCSI-Festplatten werden mehr und mehr serielle Typen wie Fibre-Channel- oder SAS-Festplatten eingesetzt.

Ein prinzipielles Problem bei parallelen Übertragungen ist, dass es mit zunehmender Geschwindigkeit immer schwieriger wird, unterschiedliche Laufzeiten der einzelnen Bits durch das Kabel zu korrigieren. Daher stoßen die parallelen Schnittstellen mittlerweile an ihre Grenzen; diese Einschränkung fällt bei seriellen Übertragungstechniken weg, womit höhere Übertragungsraten möglich werden.

ATA (IDE)

Festplatten-Konfigurations-Jumper

Bei einer ATA-Festplatte wird durch Jumper festgelegt, ob sie das Laufwerk mit Adresse 0 oder 1 der ATA-Schnittstelle ist (Device 0 bzw. 1, oft auch mit Master bzw. Slave bezeichnet). Manche Modelle erlauben auch eine Beschränkung der an das Betriebssystem bzw. BIOS gemeldeten Kapazität des Laufwerks, wodurch die Festplatte im Falle von Inkompatibilitäten dennoch (unter Verschenkung des nicht gemeldeten Plattenplatzes) in Betrieb genommen werden kann.

Durch die Festlegung der ATA-Bus-Adresse k√∂nnen zwei Festplatten an einer ATA-Schnittstelle des Mainboards angeschlossen werden. Die meisten Mainboards haben zwei ATA-Schnittstellen, genannt primary ATA und secondary ATA, also ‚Äěerste‚Äú und ‚Äězweite ATA-Schnittstelle‚Äú. Daher k√∂nnen insgesamt bis zu vier Festplatten an beide ATA-Schnittstellen der Hauptplatine angeschlossen werden. √Ąltere BIOS von Hauptplatinen erlauben es nur, den Computer von der ersten ATA-Schnittstelle zu starten, und auch nur, wenn die Festplatte als Master gejumpert ist.

Die ATA-Schnittstellen werden jedoch nicht nur von Festplatten, sondern auch von CD-ROM- und DVD-Laufwerken genutzt. Somit ist (ohne Zusatzkarte) die Gesamtzahl von Festplatten plus ladbaren Laufwerken (CD-ROM, DVD) auf vier begrenzt (Diskettenlaufwerke haben eine andere Schnittstelle). Es gibt sogar Adapter, mit denen Compact-Flash-Karten angeschlossen und wie eine Festplatte verwendet werden können.

Bei Erweiterungen sind einige Dinge zu beachten:

  • Das erste Laufwerk ist als ‚ÄěMaster‚Äú zu jumpern ‚Äď in der Regel die Voreinstellung von Laufwerken; erst ein eventuell zweites Laufwerk an einem Kabel wird auf ‚ÄěSlave‚Äú gejumpert. Einige Laufwerke haben noch die dritte Option ‚ÄěSingle Drive‚Äú. Diese wird dann benutzt, wenn das Laufwerk alleine am Kabel h√§ngt; kommt ein ‚ÄěSlave‚Äú-Laufwerk dazu, muss man das erste als ‚ÄěMaster‚Äú jumpern. Diese Option hei√üt dann zur Erl√§uterung oftmals ‚ÄěMaster with Slave present‚Äú.
  • Wo Master oder Slave sitzen (am Ende des Kabels oder ‚Äěmittendrin‚Äú), spielt keine Rolle (au√üer, beide Laufwerke sind auf Cable Select gejumpert). ‚ÄěSlave allein‚Äú funktioniert zwar meistens, gilt aber nicht als sauber konfiguriert und ist oft st√∂ranf√§llig. Ausnahme: Bei den neueren 80-poligen Kabeln sollte der Slave in der Mitte angeschlossen werden; die Stecker sind dementsprechend beschriftet.

Die ideale Verteilung der Laufwerke auf die einzelnen Anschl√ľsse ist disputabel. Zu beachten ist, dass sich traditionell zwei Ger√§te am selben Kabel die Geschwindigkeit teilen und dass stets das langsamste unterst√ľtzte Busprotokoll verwendet wird. Das gilt jedoch nicht mehr f√ľr moderne Controller/Mainboards. Au√üerdem dauert das Kopieren von Daten zwischen den Platten sehr viel l√§nger, wenn beide Festplatten am selben Kabel h√§ngen. Neben den Jumpern existiert ein automatischer Modus f√ľr die Bestimmung der Adressen (‚ÄěCable-Select‚Äú), der aber in der Praxis kaum Verwendung findet.

SCSI

SCSI-Festplatten kennen nicht nur zwei, sondern, je nach verwendetem Controller, acht oder sechzehn Adressen. Daher finden sich an √§lteren SCSI-Laufwerken drei oder vier Jumper zur Bestimmung der Adressen ‚ÄstID-Nummern genannt¬†‚Äď, die es erlauben, bis zu sieben bzw. 15 Ger√§te zu adressieren (der Controller belegt eine eigene Adresse). Alternativ erfolgt die Adresseinstellung auch durch einen kleinen Drehschalter. Bei modernen Systemen werden die IDs automatisch vergeben (nach der Reihenfolge am Kabel), und die Jumper sind nur noch relevant, wenn diese Vergabe beeinflusst werden soll.

Dazu kommen noch andere Jumper wie der (optionale) Schreibschutzjumper, der es erlaubt, eine Festplatte gegen Beschreiben zu sperren. Weiterhin können je nach Modell Einschaltverzögerungen oder das Startverhalten beeinflusst werden.

SATA

SATA-Stromstecker

‚Üí Hauptartikel: Serial ATA

Seit 2002 werden Festplatten zus√§tzlich mit einer Serial ATA (S-ATA oder SATA)-Schnittstelle angeboten. Die Vorteile gegen√ľber ATA sind der h√∂here m√∂gliche Datendurchsatz und die vereinfachte Kabelf√ľhrung. Erweiterte Versionen von SATA verf√ľgen √ľber weitere, vor allem f√ľr professionelle Anwendungen relevante, Funktionen, wie etwa die F√§higkeit zum Austausch von Datentr√§gern im laufenden Betrieb (Hot-Plug). Inzwischen hat sich SATA praktisch durchgesetzt, die neuesten Festplatten werden nicht mehr als IDE-Versionen angeboten, seit die bei IDE theoretisch m√∂glichen Transferraten nahezu erreicht sind.

Im Jahr 2005 wurden erste Festplatten mit Serial Attached SCSI (SAS) als potentieller Nachfolger von SCSI f√ľr den Server- und Storagebereich vorgestellt. Dieser Standard ist teilweise zu SATA abw√§rtskompatibel.

Serial Attached SCSI

Die SAS-Technik basiert auf der etablierten SCSI-Technik, sendet die Daten jedoch seriell. Neben der h√∂heren Geschwindigkeit im Vergleich zu herk√∂mmlicher SCSI-Technik k√∂nnen theoretisch √ľber 16.000 Ger√§te in einem Verbund angesprochen werden. Ein weiterer Vorteil ist die maximale Kabell√§nge von 10 Metern. Die Steckverbindungen von SATA sind zu SAS kompatibel, ebenso SATA-Festplatten; SAS-Festplatten ben√∂tigen jedoch einen SAS-Controller.

Fibre-Channel-Interface

Die Kommunikation via Fibre-Channel-Interface ist noch leistungsf√§higer und urspr√ľnglich vor allem f√ľr die Verwendung in Speichersubsystemen entwickelt. Die Festplatten werden, wie bei USB, nicht direkt angesprochen, sondern √ľber einen FC-Controller, FC-HUBs oder FC-Switches.

Queuing im SCSI-, SATA oder SAS-Datentransfer

Vor allem bei SCSI-Platten und auch bei neueren SATA-Festplatten werden sogenannte Queues (Warteschlangen) eingesetzt. Dies sind Software-Verfahren als Teil der Firmware, die die Daten zwischen dem Anfordern von Computerseite und physikalischem Zugriff auf die Speicherscheibe verwalten und ggf. zwischenspeichern. Beim Queuing reihen sie die Anfragen an den Datenträger in eine Liste und sortieren sie entsprechend der physikalischen Position auf der Scheibe und der aktuellen Position der Schreibköpfe, um so möglichst viele Daten mit möglichst wenigen Umdrehungen und Kopfpositionierungen 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).

Vorläufer der seriellen High-Speed-Schnittstellen

Die ersten verbreiteten seriellen Schnittstellen f√ľr 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 f√ľr den Einsatz in gro√üen Speichersystemen gebaut. Fibre Channel bezeichnet dabei das verwendete Protokoll, nicht das √úbertragungsmedium. Deshalb haben diese Festplatten trotz ihres Namens keine optische, sondern eine elektrische Schnittstelle.

Externe Festplatten

USB-Stecker

Es werden universelle Schnittstellen wie FireWire oder USB, seltener auch eSATA, f√ľr den Anschluss von externen Festplatten verwendet. Hierbei sind jedoch die eingebauten Festplatten selbst mit herk√∂mmlichen (meist ATA- oder SATA-)Schnittstellen ausgestattet. Die Signale werden mittels eines speziellen Wandlers im externen Geh√§use in FireWire- bzw. USB-Signale √ľbersetzt und √ľber die FireWire- bzw. USB-Schnittstelle nach au√üen gef√ľhrt. Eine reine USB-Festplatte, das hei√üt mit eigener USB-Schnittstelle, wird von keinem Hersteller angeboten.

Bei derartigen ‚Äěexternen Festplatten‚Äú sind teilweise zwei Festplatten in einem Geh√§use verbaut, die nach au√üen jedoch nur als ein Laufwerk auftreten (RAID-System). Sehr √§hnlich arbeiten NAS-Systeme, bei denen dann ein Netzwerkanschluss vorhanden ist. Hierbei ist die Kapazit√§t praktisch unbegrenzt erweiterbar.

Datensicherheit

Ausfallrisiken und Lebensdauer

Zu den typischen Ausfallrisiken gehören:

L√ľfter f√ľr 3,5‚Ä≥-Festplatten
  • Die Anf√§lligkeit von Festplatten ist besonders bei den neuen, sehr schnell drehenden Systemen vorwiegend auf thermische Probleme zur√ľckzuf√ľhren.
  • Beim mechanischen Aufsetzen des Schreib-Lesekopfes kann die Festplatte besch√§digt werden (Head-Crash). Der Kopf schwebt im Betrieb √ľber der Platte und wird nur durch ein Luftpolster am Aufsetzen gehindert, das durch die von der drehenden Scheibe mitgerissene Luft entsteht. Im laufenden Betrieb sollte die Festplatte daher m√∂glichst nicht bewegt werden und keinen Ersch√ľtterungen ausgesetzt sein.
  • √Ąu√üere Magnetfelder k√∂nnen die Sektorierung der Festplatte irreversibel zerst√∂ren. Eine L√∂schung mit einem Magnetfeld macht neuere Festplatten unbrauchbar.
  • Fehler in der Steuerelektronik oder Verschlei√ü der Mechanik f√ľhren zu Ausf√§llen.
  • Umgekehrt kann auch l√§ngerer Stillstand dazu f√ľhren, dass die Mechanik in Schmierstoffen stecken bleibt und die Platte gar nicht erst anl√§uft (‚Äěsticky disk‚Äú). Dieses Problem trat akut in den 1990er Jahren auf, scheint seitdem aber durch bessere Schmierstoffe einigerma√üen im Griff zu sein.

Die durchschnittliche Zahl 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 Failures) angegeben. Alle Angaben zur Haltbarkeit sind ausschließlich statistische Werte. Die Lebensdauer einer Festplatte kann daher nicht im Einzelfall vorhergesagt werden, denn diese hängt von vielen Faktoren ab:

  • Vibrationen und St√∂√üe: Starke Ersch√ľtterungen k√∂nnen zu einem vorzeitigen (Lager-)Verschlei√ü f√ľhren und sollten daher vermieden werden.
  • Unterschiede zwischen verschiedenen Modellreihen eines Herstellers: Abh√§ngig vom jeweiligen Modell lassen sich bestimmte Baureihen ausmachen, die als besonders zuverl√§ssig oder fehleranf√§llig gelten. Um statistisch genau Angaben zu der Zuverl√§ssigkeit machen zu k√∂nnen, sind allerdings eine gro√üe Anzahl von baugleichen Platten notwendig, die unter √§hnlichen Bedingungen betrieben werden. Systemadministratoren, die viele Systeme betreuen, k√∂nnen so im Laufe der Jahre durchaus einige Erfahrungen sammeln, welche Festplatten eher zu auff√§lligem Verhalten und damit vorzeitigem Ausfall neigen.
  • Anzahl der Zugriffe (Lesekopfbewegungen): Durch h√§ufige Zugriffe verschlei√üt die Mechanik schneller, als wenn die Platte nicht genutzt wird und sich nur der Plattenstapel dreht.
  • Wenn die Festplatte √ľber der von Hersteller genannten Betriebstemperatur, meist 40‚Äď55 ¬įC, betrieben wird, leidet die Lebensdauer. Nach einer Studie von Google (die ihre internen Festplattenausf√§lle analysiert haben) gibt es auch am oberen Ende des zul√§ssigen Bereiches keine vermehrten Ausf√§lle.

Allgemein sind schnelldrehende Server-Festplatten f√ľr eine h√∂here MTTF ausgelegt als typische Desktop-Festplatten, so dass sie theoretisch eine h√∂here Lebensdauer erwarten lassen. Dauerbetrieb und h√§ufige Zugriffe k√∂nnen jedoch dazu f√ľhren, dass sich dies relativiert und die Festplatten nach wenigen Jahren ausgetauscht werden m√ľssen.

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

Eine genaue Haltbarkeit der gespeicherten Daten wird von den Herstellern nicht angegeben. Sie d√ľrfte sich aber wie auch bei Magnetb√§ndern im Bereich von etwa 10 bis 30 Jahren bewegen, da magnetische Umwelteinfl√ľsse (schon ein leicht oszillierendes Magnetfeld der Erde) zu einer Entmagnetisierung f√ľhren. Lediglich magneto-optische Verfahren erreichen 50 Jahre und mehr.

Vorbeugende Maßnahmen

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

  • Von wichtigen Daten sollte immer eine Sicherungskopie (Backup) auf einem anderen Datentr√§ger (beachte den Hinweis zum Ausfall oben unter Partionierung) existieren.
  • Systeme, die zwingend hochverf√ľgbar sein m√ľssen und bei denen ein Festplattenfehler keine Betriebsunterbrechung und Datenverlust verursachen darf, verf√ľgen meistens √ľber RAID. Eine Konfiguration ist zum Beispiel das Mirrorset (RAID 1), bei dem die Daten auf zwei Festplatten gespiegelt werden und sich somit die Ausfallsicherheit erh√∂ht. Effizientere Konfigurationen sind RAID 5 und h√∂her. Ein Stripeset (RAID 0) aus zwei Festplatten erh√∂ht zwar die Geschwindigkeit, jedoch steigt auch das Ausfallrisiko. RAID 0 ist deshalb keine Ma√ünahme, um Datenverlust zu verhindern oder die Verf√ľgbarkeit des Systems zu erh√∂hen.
  • ATA-Festplatten verf√ľgen seit ca. Ende der 1990er Jahre √ľber S.M.A.R.T., eine interne √úberwachung der Festplatte auf Zuverl√§ssigkeit. Der Status kann von au√üen 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. Au√üerdem 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 Bl√∂cke bemerkbar gemacht haben.
  • Um durch √úberhitzung der Festplatte bedingte Ausf√§lle zu verhindern, muss diese entsprechend ihrer maximal erlaubten Betriebstemperatur (in der Regel 40‚Äď55 ¬įC) gek√ľhlt werden. In Servern kommen dazu mit L√ľftern versehene Wechselrahmen und Backplanes zum Einsatz. Bei Desktop-Festplatten ist hingehen eine eigene K√ľhlung meist unn√∂tig.

Datenschutz

Unabh√§ngig vom verwendeten Speichermedium (in diesem Fall eine Festplatte) wird beim L√∂schen einer Datei 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 √ľberschrieben wird. Mit Datenrettungsprogrammen k√∂nnen gel√∂schte Daten daher oft zumindest zum Teil wiederhergestellt werden. Das wird auch h√§ufig in der Beweissicherung zum Beispiel bei den Ermittlungsbeh√∂rden (Polizei etc.) eingesetzt.

Beim Partitionieren oder gew√∂hnlichen Formatieren wird der Datenbereich nicht √ľberschrieben, sondern lediglich die Partitionstabelle oder die Beschreibungsstruktur des Dateisystems. Bei einer Low-Level-Formatierung dagegen wird der gesamte adressierbare Bereich einer Festplatte √ľberschrieben.

Um ein sicheres L√∂schen von sensiblen Daten zu garantieren, bieten verschiedene Hersteller Software an, sogenannte Eraser, die beim L√∂schen den Datenbereich √ľberschreibt. Meistens kann aber auf eine (fast) beliebige und kostenlose Unix-Distribution zur√ľckgegriffen werden, wie zum Beispiel Knoppix oder FreeSBIE, die praktischerweise direkt von CD gestartet werden kann. Au√üerdem gibt es f√ľr diesen Zweck neben universellen Programmen wie dd und badblocks speziell f√ľr das L√∂schen verschiedene Opensource-Programme, beispielsweise Darik's Boot and Nuke (DBAN). In Apples MacOS X sind entsprechende Funktionen (‚ÄěPapierkorb sicher l√∂schen‚Äú und ‚ÄěVolume mit Nullen √ľberschreiben‚Äú) bereits enthalten. Wurde die Datei bereits gel√∂scht, ohne die Daten zu √ľberschreiben, kann auch der komplette freie Speicher der Festplatte √ľberschrieben werden. Siehe dazu auch Gutmann-Methode (dabei wird der Speicher mehrmals √ľberschrieben, um zu verhindern, dass sich die Daten mit Spezialhardware z.¬†B. von Datenrettungsunternehmen oder Beh√∂rden wiederherstellen lassen).

Alternativ bietet sich bei der Verschrottung des Computers die mechanische Vernichtung der veralteten Festplatte (bzw. der Scheiben) an. Deshalb werden in manchen Unternehmen beim Umstieg auf eine neue Computergeneration alle Festplatten in einem Schredder in kleine Teile zermahlen und die Daten so vernichtet.

Verschiedene Festplatten bieten die M√∂glichkeit an, den kompletten Festplatteninhalt per Passwort direkt auf Hardwareebene zu sch√ľtzen. Da diese im Grunde n√ľtzliche Eigenschaft jedoch kaum bekannt ist und die meisten BIOS die Funktion zum Setzen des Passworts nicht selbstt√§tig ausschalten, besteht rein theoretisch f√ľr Schadprogramme wie Viren die Chance, dem Benutzer durch Setzen dieses Passworts auf einen unbekannten Wert massiv zu schaden. Danach best√ľnde keine M√∂glichkeit mehr, noch auf Inhalte der Festplatte zuzugreifen. F√ľr weitere Informationen bzgl. ATA-Festplatten siehe Passwortschutz unter ATA.

Langzeitarchivierung

Die Archivierung digitaler Informationen √ľber l√§ngere Zeitr√§ume (10 bis mehrere hundert Jahre) wirft Probleme auf, da nicht nur die Informationen evtl. verloren gegangen sind, sondern weil auch die Computer, Betriebssysteme und Programme zum Bereitstellen dieser Informationen nicht mehr verf√ľgbar sind. Ansonsten sind die Daten in sich st√§ndig wiederholenden Zyklen neu zu archivieren.

Nur analoge Verfahren, wie Mikrofilm oder Druck auf spezielles Papier, bieten zur Zeit die M√∂glichkeit, auch √ľber sehr lange Zeitr√§ume auf Informationen zugreifen zu k√∂nnen.

Siehe dazu auch: Bestandserhaltung.

Geschichte

Ein IBM 305 RAMAC, im Vordergrund Mitte/links zwei IBM-350-Festplatten
Alte Festplatte mit 1 m Durchmesser aus einem Großrechner
5,25″-Festplatte mit 5 MB Speicher
Alte IBM-62PC-Festplatte, ca. 1979, 6 × 8″ Scheiben mit insgesamt ca. 65 MB Speicher
Festplattenbaugrößen

Vorl√§ufer der Festplatte war die Magnettrommel ab 1932. Au√üerhalb von Universit√§ten und Forschungseinrichtungen kam dieser Speicher ab 1958 als ‚ÄěHauptspeicher‚Äú mit 8192 Worten √† 32 Bit in der Zuse Z22 zum Einsatz. Die erste kommerziell erh√§ltliche Festplatte, die IBM 350, wurde von IBM 1956 als Teil des IBM 305 RAMAC-Rechners (‚ÄěRandom Access Method of Accounting and Control‚Äú) angek√ľndigt.

Chronologische √úbersicht

  • September 1956[16]: IBM stellt das erste magnetische Festplattenlaufwerk mit der Bezeichnung ‚ÄěIBM 350‚Äú vor (5 MB, 24 Zoll, 600 ms Zugriffszeit, 1200 rpm, 500 kg, 10 kW). Die Schreib-/Lesek√∂pfe wurden elektronisch-pneumatisch gesteuert, weshalb die schrankgro√üe Einheit auch einen Druckluft-Kompressor enthielt.[17] Das Laufwerk wurde nicht verkauft, sondern f√ľr ca. 10.000 DM pro Monat an Unternehmen vermietet. Ein Exemplar der IBM350 befindet sich im Museum des IBM-Clubs in Sindelfingen.
  • 1973: IBM startet das ‚ÄěWinchester‚Äú-Projekt, das sich damit befasste, einen rotierenden Speicher mit einem fest montierten Medium zu entwickeln (IBM 3340, 30¬†MB Speicherkapazit√§t, 30¬†ms Zugriffszeit). Beim Starten und Stoppen des Mediums sollten die K√∂pfe auf dem Medium aufliegen, was einen Lademechanismus √ľberfl√ľssig machte. Namensgeber war die Stadt Winchester in S√ľdengland, in deren IBM-Werk das Laufwerk entwickelt wurde. Diese Technik setzte sich in den folgenden Jahren durch. Bis in die 1990er Jahre war deshalb f√ľr Festplatten die Bezeichnung Winchester-Laufwerk gebr√§uchlich.
  • 1979: Vorstellung der ersten 8‚Ä≥-Winchester-Laufwerke. Diese waren jedoch sehr schwer und teuer (ca. 1000 Euro/MB); trotzdem stieg der Absatz kontinuierlich.
  • 1980: Verkauf der ersten 5,25‚Ä≥-Winchester-Laufwerke durch die Firma Seagate Technology (‚ÄěST506‚Äú, 6 MB, 3600 rpm, Verkaufspreis ca. 1000 $). Diese Modellbezeichnung (ST506) wurde auch √ľber viele Jahre hinaus der Name f√ľr diese neue angewendete Schnittstelle, welche alle anderen Firmen als neuen Standard im PC-Bereich √ľbernommen 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 ‚Äď im Vergleich zu den Winchester-Laufwerken kompakten ‚Äď Festplatten rasant an.
  • 1986: Spezifikation von SCSI, eines der ersten standardisierten Protokolle f√ľr eine Festplattenschnittstelle.
  • 1989: Standardisierung von IDE, auch bekannt als AT-Bus.
  • 1991: erste 2,5-Zoll Festplatte mit 100 MB Speicherkapazit√§t [18]
  • 1997: Erster Einsatz des Riesen-Magnetowiderstands (englisch Giant Magnetoresistive Effect (GMR)) bei Festplatten, dadurch konnte die Speicherkapazit√§t stark gesteigert werden. Eine der ersten Festplatten mit GMR-Lesek√∂pfen brachte IBM im November 1997 heraus (IBM Deskstar 16GP DTTA-351680, 3,5‚Ä≥, 16,8 GB, 0,93 kg, 9,5 ms, 5400 rpm).
  • 2005: Prototyp einer 2,5-Zoll-Hybrid-Festplatte (Kurzbezeichnung H-HDD), die aus einem magnetisch-mechanischen Teil und einem zus√§tzlichen NAND-Flash-Speicher aufgebaut ist, der als Puffer f√ľr 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 (‚ÄěMomentus 5400.3‚Äú, 2,5‚Ä≥, 160 GB, 0,1 kg, 5,6 ms, 5400 rpm, 2 Watt) von Seagate mit senkrechter Aufzeichnungstechnik (Perpendicular Recording). 3,5-Zoll-Festplatten erreichen mit derselben Aufzeichnungstechnik im April eine Kapazit√§t von 750 GB.
  • 2007: Die erste Terabyte-Festplatte von Hitachi.[19] (3,5‚Ä≥, 1 TB, 0,7 kg, 8,5 ms, 7200 rpm, 11 Watt)

Hersteller

Name Marktanteile Q2-2007
Seagate 34,0 %
Western Digital 21,6 %
Hitachi GST 17.0 %
Samsung 11,9 %
Toshiba 7,0 %
Fujitsu 6,4 %
ExcelStor 1,6 %

Top-7 Anbieter weltweit, Marktanteil nach St√ľckzahlen [20]

Siehe auch

Quellen

  1. ‚ÜĎ http://www.computerbase.de/news/hardware/laufwerke/massenspeicher/2008/juni/nur_25-zoll-hdds_seagate/
  2. ‚ÜĎ [1]
  3. ‚ÜĎ heise online ‚Äď Hitachi will keine Mini-Festplatten mehr produzieren
  4. ‚ÜĎ heise online ‚Äď Billige IDE-Platten bis 12 GByte
  5. ‚ÜĎ [2]
  6. ‚ÜĎ [3]
  7. ‚ÜĎ heise online ‚Äď Festplatten speichern ein halbes Terabyte Daten
  8. ‚ÜĎ heise online ‚Äď Notebook-Festplatte mit 160 GByte und Perpendicular Recording
  9. ‚ÜĎ Hitachi k√ľndigt Festplatte mit 1 TByte Kapazit√§t an ‚Äď PCtipp.ch ‚Äď News
  10. ‚ÜĎ http://www.golem.de/showhigh2.php?file=/0807/60995.html
  11. ‚ÜĎ http://www.channelpartner.de/tests/hardware-tests/festplatten/262072/
  12. ‚ÜĎ Toshiba: Schnelle Festplatte im 1,8-Zoll-Format
  13. ‚ÜĎ [4]
  14. ‚ÜĎ http://www.computerbase.de/news/hardware/laufwerke/massenspeicher/2009/januar/2-tb-hdd_western_digital/
  15. ‚ÜĎ Kap. 11.4.2 ‚ÄěEmergency unload‚Äú, Hard Disk Drive Specification Hitachi Travelstar 80GN
  16. ‚ÜĎ Je nach Quelle 04.09.1956, 13.09.1956 oder 14.09.1956
  17. ‚ÜĎ IBM Archives: IBM 350 disk storage unit
  18. ‚ÜĎ Facts and History
  19. ‚ÜĎ [http://www.hitachigst.com/portal/site/en/template.MAXIMIZE/menuitem.368c8bfe833dee8056fb11f0aac4f0a0/ ? javax.portlet.tpst=74ef8e8d695bcd876ccf7be1cf4362b4_ws_MX&javax.portlet.prp_74ef8e8d695bcd876ccf7be1cf4362b4_viewID=content&javax.portlet.prp_74ef8e8d695bcd876ccf7be1cf4362b4_docName=20070105_first_terabyte_hd.html&javax.portlet.prp_74ef8e8d695bcd876ccf7be1cf4362b4_folderPath=%2Fhgst%2Faboutus%2Fpress%2Finternal_news%2F&beanID=804390503&viewID=content&javax.portlet.begCacheTok=token&javax.portlet.endCacheTok=token] Pressemitteilung von Hitachi
  20. ‚ÜĎ http://www.heise.de/resale/Festplattenhersteller-duerfen-auf-versoehnliches-Jahresendgeschaeft-hoffen--/news/meldung/98749

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Synonyme:

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  • Festplatte ‚ÄĒ FeŐ£st¬∑plat¬∑te die; EDV; eine Platte in einem Computer, die fest eingebaut ist und auf der man Daten speichert || NB: ‚ÜĎDiskette ‚Ķ   Langenscheidt Gro√üw√∂rterbuch Deutsch als Fremdsprache

  • Festplatte ‚ÄĒ Speichermedium Magnetplatte, die fest im Laufwerk eingebaut ist. Im Gegensatz zu¬†‚á° Wechselplatten¬†sind F. besser gegen √§u√üere Einwirkungen gesch√ľtzt ‚Ķ   Lexikon der Economics

  • Festplatte ‚ÄĒ FeŐ£st|plat|te (EDV) ‚Ķ   Die deutsche Rechtschreibung

  • 2,5-Zoll-Festplatte ‚ÄĒ Speichermedium Allgemeines Name Hard Disk Drive Abk√ľrzung HDD Typ magnetisch Ursprung ‚Ķ   Deutsch Wikipedia


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