Festplatten Rettung

Definition Festplatte:

Eine Festplatte (engl. hard disk (HD) oder hard disk drive (HDD)) ist ein magnetisches Speichermedium der Computertechnik. Auf ihr können beliebige Dateien, zum Beispiel des Betriebssystems, von Anwendungsprogramme, oder persönliche Daten (Dokumente, Videos, Musik, Bilder) dauerhaft gespeichert werden.

Speicherkapazität

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

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

Anfang 2005 waren Festplatten bis 400 GB (372,53 GiB) Kapazität erhältlich. Im Juni 2005 gab es von IBM/Hitachi bereits eine 500 GB Festplatte für den normalen Verbraucher zu kaufen.

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 verbreiteste, in Laptops findet man meist 2,5"-Festplatten, in noch kleineren portablen Geräten (z.B. MP3-Playern) häufig 1,8"-Festplatten.

  • 5,25"-Baugrößen sind die ursprüngliche Baugröße der Festplatten. Diese Gattung ist 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. Im Gegensatz zu den größeren Platten kommen diese Platten auch mit nur einer Betriebsspannung aus.
  • 1,8"-Baugrößen sind seit 2003 im Einsatz bei Subnotebooks und diversen Industrieanwendungen.
  • 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 zum erstenmal vorgestellt hat. Ob diese kleinen Bauformen jemals Bestand haben werden, ist fraglich. Flash-Speicher sind in diesem Bereich schon verfügbar und auf Wachstumskurs. Derzeitig noch teurer, aber wesentlich robuster und sparsamer.

maximale Speichergrößen um das Jahr 1989:

  • 5,25": 80 MByte

maximale Speichergrößen um das Jahr 1997:

  • 5,25": -
  • 3,5": 9 GByte
  • 2,5": 2 GByte

maximale Speichergrößen um das Jahr 2005:

  • 5,25": -
  • 3,5": 500 GByte
  • 2,5": 100 GByte
  • 1,8": 40 GByte
  • 1,0": 8 GByte
  • 0,85": 4 GByte

Physikalischer Aufbau

Eine Festplatte besteht aus folgenden Bauelementen:

  • einer oder mehreren drehbar gelagerten Scheiben (engl. Platter)
  • einem Antrieb für die Scheibe(n)
  • bewegliche Schreib-/Leseköpfe (Heads)
  • einem Antrieb für die Schreib-/Leseköpfe
  • der Steuerelektronik für Motor- und Kopfsteuerung
  • Hochleistungs-DSP für die Schreib/Leseköpfe.
  • der Schnittstelle zur Verbindung mit dem Computer

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 7.200 Umdrehungen pro Minute. Im Bereich der Hochleistungsrechner und Server werden meistens Festplatten mit SCSI-Schnittstelle verwendet, die 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.

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.

Die Scheiben bestehen meistens aus Aluminium oder Legierungen. Sie müssen formstabil sein, eine geringe elektrische Leitfähigkeit verringert Wirbelströme.

In älteren Desktopfestplatten von IBM (Deskstar 75GXP/40GV DTLA-30xxxx, Deskstar 60GXP/120GXP IC35Lxxxx) aus den Jahren 2000 bis 2002 kam Glas zum Einsatz. Neuere Modelle der Festplattensparte von IBM (2003 übernommen durch Hitachi) verwenden jedoch wieder Aluminium, mit Ausnahme der Festplatten für den Serverbereich.

Da diese Materialien selbst jedoch keine magnetischen Eigenschaften besitzen, wird zusätzlich eine Eisenoxyd- oder Kobaltschicht von ungefähr einem Mikrometer Stärke aufgetragen. Diese wird zusätzlich von einer Schutzhülle aus Graphit ummantelt, um mechanische Beschädigungen zu vermeiden.

Die Schreib-/Leseköpfe schweben durch ein durch die Rotation der Platten erzeugtes Luftpolster über der Plattenoberfläche. Die Flughöhe liegt jedoch heutzutage (2005) nur im Bereich von Nanometern, sodass die Luft innerhalb des Festplattengehäuses keinerlei Verunreinigungen beinhalten darf. Die Herstellung von Festplatten erfolgt deshalb wie die von Halbleitern in Reinräumen. 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.

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. Das Parken erhöht auch die Stoßfestigkeit der Festplatten für einen Transport oder Umbau.

Das Gehäuse der Festplatte ist staubdicht, aber nicht luftdicht abgeschlossen: durch eine kleine Öffnung mit einem Filter kann Luft eindringen oder austreten. Diese Öffnung darf in der Regel nicht verschlossen werden. Da der Luftdruck im Gehäuse mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel abnimmt, zum Betrieb aber ein Mindestdruck erforderlich ist, dürfen Festplatten nur bis zu einer bestimmten, maximalen Höhe betrieben werden. Diese ist in der Regel im zugehörigen Datenblatt vermerkt.

Speichern und Lesen von Daten

Das Speichern der Daten auf einer Festplatte erfolgt durch die gezielte Magnetisierung kleinster Flächen einer Schicht ferromagnetischen Materials, die entsprechend ihrer Polarität den Wert 0 oder 1 annehmen. Der Schreib-/Lesekopf, im Prinzip ein winziger Elektromagnet, polarisiert die einzelnen Sektoren unterschiedlich und speichert so die Daten permanent.

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

Das Auslesen der Daten wurde (bis ca. 1994) durch Induktion des Magnetfelds der polarisierten Fläche in der Spule des Schreib-/Lesekopfes erreicht.

Sowohl beim Schreiben als auch beim Lesen muss vor dem Zugriff auf einen bestimmten Sektor der Schreib/Lesekopf der Platte bewegt und anschließend abgewartet werden, bis durch die Rotation der Platte der Sektor 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 Performanz zu erreichen, muß eine Festplatte soweit wie möglich immer große Mengen von Daten in aufeinanderfolgenden Sektoren 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.

Über die Jahre wurden die Flächen, die einzelne Bits speichern, immer kleiner - bei gleich großer Fläche wurde die Datendichte erhöht. Das wurde durch kleinere Leseköpfe ("Giant-magneto-resistance"-Köpfe) und besseres Trägermaterial sowie durch die Optimierung der Schreibverfahren erreicht.

Eine neuere Entwicklung ist das Perpendicular Recording, das zur Zeit z.B. von Hitachi entwickelt wird, um die Datendichte weiter zu steigern.

Logischer Aufbau

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 Sektoren nennt. Ein typischer Sektor enthält 512 Byte an Information. Jeder Sektor verfügt dabei über Kontrollinformationen (Prüfsummen), über die sichergestellt wird, dass die Information auch korrekt geschrieben oder gelesen wurde.

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 Sektoren ausblenden, um dann einen Sektor aus einer Reserve-Spur einzublenden. Für den Computer sieht es immer so aus, als wären alle Sektoren 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 reduzieren kann.

Festplatten können durch Partitionen in mehrere Bereiche unterteilt werden. 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 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 Sektoren zu Blöcken 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 wiedergefunden werden und hierarchisch organisiert abgelegt werden können. Bei MS-DOS und Windows 9x war die File Allocation Table das übliche Dateisystem.

Geschichte

  • 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. Beim Starten und Stoppen des Mediums sollten die Köpfe auf dem Medium aufliegen, was einen Lademechanismus überflüssig machte.
  • 1979: Vorstellung der ersten 8" Winchester-Laufwerke. Diese waren jedoch sehr schwer und teuer (5 MB kosteten mehr als 5.000 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 andere Firmen als neuen Standard im PC-Bereich übernommen haben. Zur gleichen Zeit kam neben dem bereits bestehenden Apple-Microcomputern der erste PC von IBM auf den Markt, dadurch stieg die Nachfrage nach diesen 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.
  • 2004: 18. November 400 GB-Festplatte von Seagate. Erste Festplatten mit Native Command Queuing.
  • 2005: 500 GB-Festplatte von Hitachi.

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