Festplattentechnik

Allgemeines

Eine Festplatte (engl. hard disk drive = HDD) ist ein ferro-magnetisches Speichermedium aus der Welt der Computertechnik. Die binären Daten werden auf der Oberfläche von rotierenden Scheiben durch Magnetisierung gespeichert. Dies geschieht mit Hilfe eines beweglichen Schreib-/Lesekopfes. Beim Lesen werden die Magnetisierungen von diesem wieder ausgelesen. Die Scheiben der HDDs bestehen im Gegensatz zu Disketten aus starrem Metall. Auf einer Festplatte kann jede beliebige Art von Daten gespeichert werden. Da es sich um ein direktadressierbares Medium handelt, werden HDDs auch als DASD (engl. direct access storage devices) bezeichnet. Momentan sind 1 TeraByte innerhalb einer Festplatte möglich Eine HDD besitzt außerdem einen sogenannten "Pufferspeicher", der oft verwendete Daten zwischenspeichert. Bei einer Festplatte ist vor allem auf die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit zu achten.

Allgemeine Daten:

  • Größen: 3.5" (meist zu finden in Desktop-PCs), 2.5" (in Notebooks), 1.8", 1.0" (vor allem als tragebare externe Festplatten)
  • Gewicht: ca. 0.6kg (3.5" Festplatte)
  • Drehzahlen: 5400 rpm (2.5"), 7200 rpm (Standard bei 3.5" HDDs), 10000 rpm ( 3.5", zB die Raptor Reihe von Western Digital), es gibt auch HDDs mit 15000 rpm, die aber im Privatbereich kaum verwendet werden.
  • Speicherkapazität: momentan bis zu 1 TeraByte (1000 GigaByte)
  • Puffergröße: momentan bis zu 32 MByte

Schnittstellen:

  • ATA (IDE):
    Bei einer ATA-Festplatte bestimmt ein sogenannter "Jumper", ob das Laufwerk die Adresse 0 oder 1 erhält. (Device 0 bzw. 1., früher als "Master" bzw. "Slave" bekannt) Durch die Festlegung dieser Adresse können also 2 Geräte pro ATA-Kanal betrieben werden. Die beiden Laufwerke müssen dann so "gejumpert" werden das beide eine eindeutige Adresse besitzen. Diese Schnittstelle wird allerdings nicht nur für Festplatten, sondern auch für CD/DVD - Laufwerke verwendet. ATA befindet sich allerdings auf dem absterbenden Ast und wird - zumindest im Home PC - durch SATA (Serial ATA) ersetzt.
  • SATA:
    Seit 2002 gewinnt SATA (Serial ATA) an Bedeutung. Die Vorteile gegenüber dem älteren ATA sind die höhere mögliche Datenübertragung, die einfachere Kabelführung und die Möglichkeit Datenträger im laufenden Betrieb zu wechseln (Hot-Plugging). Bei SATA wird jedes Laufwerk mit einem separaten Kabel angeschlossen.
  • SCSI:
    SCSI-Festplatten kommen nicht nur mit zwei, sondern mit acht bzw. sechzehn Adressen zurück. Daher befinden sich auf diesen auch drei oder vier Jumper zur Festlegung der Adressen (hier ID-Nummern genannt), sodass insgesamt sieben bzw. fünfzehn Geräte adressiert werden können (Der Controller belegt eine eigene Adresse). Es ist außerdem möglich per Jumper einen Schreibschutz einzuschalten, bzw. das Startverhalten zu verändern.
  • Firewire/ USB für externe Festplatten:
    Für den Anschluss von externen Festplatten werden vor allem die universellen Schnittstellen USB oder Firewire verwendet. Die verbauten Festplatten selbst sind jedoch mit herkömmlichen ATA bzw. SATA Schnittstellen ausgestattet. Die Signale werden jedoch mit Hilfe eines speziellen Chipsatzes, der auf einem Wandler im externen Gehäuse sitzt auf USB-Signale (bzw. Firewire-Signale) umgewandelt und dann über das Kabel zum PC geschickt. Externe Festplatten mit reiner USB/Firewire-Schnittstelle werden nicht hergestellt. Mit dem selben Verfahren werden auch externe CD - und DVD-Laufwerke hergestellt, die auch eigene interne Wandlerplatinen enthalten.

Geschichte der Festplatte:

Vorläufer der Festplatte war die Magnettrommel ab 1932. Zuerst bloß in Universitäten und Forschungseinrichtungen im Einsatz - wurde sie ab 1958 also Speicher im Zuse Z22 verwendet. Von da an stieg ihre Bedeutung extrem schnell an, wie in der folgenden chronologischen Übersicht deutlich wird.

Chronologische Übersicht:

  • 4.September 1956: IBM stellt das erste magnetische Festplattenlaufwerk vor ("IBM 350"). Es wurden auf 50 Speicherplatte mit je 24 Zoll (61cm) ca. 5 Megabyte untergebracht. Die Dimension des schrankgroßen Geräts war dementsprechend groß, weil auch noch ein Druckluft-Kompressor untergebracht werden musste, der den elektronisch-pneumatischen Schreib-/Lesekopf steuerte. Ebenfalls gigantisch waren das Gewicht (500kg) und der Energieverbrauch (10kW). Das Laufwerk konnte nur gemietet werden (10.000 DM pro Monat).
  • 1973: IBM startete das Winchester-Projekt. Mittlerweile wurden 30 Megabyte pro Medium möglich. Durch das Aufliegen des Schreib-/Lesekopfes auf dem Medium beim Ausschalten wurde ein Lademechanismus überflüssig. Bis in die 1990er Jahre war der die allgemeine Bezeichnung "Winchester-Laufwerk" üblich.
  • 1979: Die ersten 8"-Winchester-Laufwerke wurden vorgestellt. Trotz den gigantischen Preisen stiegen die Absatzzahlen ständig.
  • 1986: Einführung von SCSI, als Festplattenschnittstelle.
  • 1989: Einführung von IDE, als Festplattenschnittstelle.
  • 1995: Erste flashbasierte SSDs von MSystems, die aufgrund der noch extremen Kosten nur für kleine Zielgruppen eine Rolle spielten.
  • 1997: Erster Einsatz des sogenannten "Riesen-Magnetwiederstands", wodurch die Speicherkapazität stark gesteigert wurde, zum Beispiel stellte IBM im November eine HDD mit 16.8 GByte vor.
  • 2004: Hitachi stellt eine 400 GByte-Platte vor. Als erste ATA-Festplatte unterstützt sie das "Native Command Queuing", eine intelligente Bewegungsarte des Schreib-/Lesekopfs um unnötige Bewegungen zu vermeiden (Lebensdauer und Zugriffszeit steigen dadurch).
  • 2005: 500 GByte HDD von Hitachi. Außerdem Vorstellung des Prototyps einer 2.5-Zoll-Hybrid-Festplatte, die aus einem gewöhnlichen magnetisch-mechanischem Teil und einem NAND-Flash-Speicher besteht. Dieser dient als schneller Puffer und soll die mechanischen Teile entlasten.
  • 2006: Erste 2.5" Notebook Festplatte (160 GByte) mit senkrechter Aufzeichnungstechnik (Perpendicular Recording). Mit dem selben Verwahren erreichen 3.5" HDDs im April die 750 GByte Marke.
  • März 2006: SSDs von Samsung, die mit nur einem Achtel des Preises Privatanwender ansprechen und in Notebooks, aber auch Desktop-PCs Verwendung finden sollen.
  • 2007: Hitachi stellt die erste Terabyte-Festplatte vor. Nach und nach ziehen auch andere Hersteller mit gleichen Kapazitäten nach.
    Weitere Hersteller bringen SSDs mit der selben Zielgruppe wie Samsung auf den Markt. Die Preise fallen immer weiter.
  • Januar 2008: Hitachi stellt eine 500 GByte-Platte im 2.5" Format vor, die auf dem Übereinanderstappeln mehrerer Speicherplatten beruht.
  • August 2008: Hitachi testet erste 2.25 Terabyte-Festpatten

Solid State Drive/ Solid State Disk

Allgemeines zu SSDs:

Neben herkömmlichen Magnetscheiben-Festplatten geht der Trend momentan in Richtung „Solid State Drives“ (SSD, oft auch „Solid State Disk“ genannt). „Solid State“ bedeutet in diesem Fall, dass in einem solchen Laufwerk keine mechanischen, beweglichen Teile verwendet werden.

Vorteile von SSDs:

Durch die fehlenden beweglichen Teile ergeben sich höhere Zugriffszeiten, sowie gesenkter Energieverbrauch und erhöhte Robustheit. Außerdem arbeiten SDDs komplett lautlos und können auch bei extremeren Temperaturen eingesetzt werden (ca. 0° bis 70° Celsius).

Nachteile von SSDs:

Nachteilig sind dabei die noch begrenzten Kapazitäten und der höhere Preis gegenüber „normalen“ Festplatten. Des Weiteren ist die Anzahl der Schreibzyklen in einer Flashzelle begrenzt, was eine niedrigere Lebensdauer zur Folge hat. So sind im Durchschnitt, je nach Art und Qualität der Zelle nur etwas 100.000 bis 5 Millionen Schreibvorgänge möglich.

Man versucht dies durch das so genannte „Wear-Levelling“-Verfahren zu kompensieren, das die zu schreibenden Daten so auf die Zellen verteilt, dass diese möglichst gleichmäßig genutzt werden. Je nach Qualität des Verfahrens erreicht eine SSD die Haltbarkeit einer herkömmlichen Festplatte oder übertrifft diese.

Aufbau von SSDs:

Eine SSD besteht aus einem Flash- und einem Controllerchip, die auf einer kleinen Platte angeordnet sind. Umso größer diese Platte ist, umso mehr Flash-Einheiten lassen sich darauf verbauen, was in einer höheren Kapazität resultiert. Diese Bauteile sind außerdem noch in einer Hülle eingebaut, wie auch bei herkömmlichen HDDs oder USB-Sticks.

Als Flashchips werden momentan die so genannten NAND-Chips verwendet, die es in der schnelleren SLC- und der langsameren MLC-Variante gibt. Bei Lesevorgängen erzielen SSDs gute Geschwindigkeiten, bei Schreibvorgängen unterliegen sie normalen Festplatten (zumindest bei zufälligen Zugriffen). Dies lässt sich dadurch erklären das Flash-Speicher in einzelne Blöcke unterteilt ist. Wird nun ein Byte verändert, muss der ganze Block neu geschrieben werden. Um dieses Problem zu umgehen werden derzeit verschiedene Systeme erprobt, die aber entweder für Privatanwender noch zu teuer oder einfach noch nicht erschienen sind.

Verbreitung von SSDs:

Ein steigendes Wachstum erlebten die SSDs ab Ende 2007 in den so genannten "Netbooks" (sehr kleine Subnotebooks mit kleinen Displays und sehr kompakten Ausmaßen). Durch den geringen Preis von SSDs mit geringen Kapazitäten ist es möglich diese Geräte billig anzubieten. In herkömmlichen Notebooks findet diese Technik noch wenig Verbreitung ist jedoch bei einigen Herstellern gegen hohen Aufpreis erhältlich.

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