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Mechanische Festplatten - Eine Ära geht zu Ende

09.06.2014 | 09:16 Uhr |

Die klassiche Magnetscheiben-Festplatte war bislang eine der wichtigsten Komponenten des PCs. Im Zuge der kommenden SSD-Revolution werfen wir noch einmal einen Blick zurück.

Die magnetische Festplatte ist das wichtigste Speichermedium für den PC. Sie bietet das günstigste Verhältnis von Gigabyte pro Euro, ist mit großen Kapazitäten von bis zu vier Terabyte verfügbar und relativ ausfallsicher. Die Nachteile: Festplatten stören oft durch Laufgeräusche, sind empfindlich gegenüber Sturz und Stoß und aufgrund der Mechanik nicht so schnell, wie viele Nutzer es sich wünschen. Deshalb werden sie wohl früher oder später durch SSDs abgelöst. Für große Kapazitäten wird uns die klassische Festplatte aber sicher noch Jahre erhalten bleiben. Denn auch hier geht die Entwicklung weiter, hin zu noch mehr Speicherplatz.

Eine kurze Geschichte der Festplatte

Als Geburtstag der modernen Festplatte wird der 13.9.1956 gehandelt. An diesem Tag brachte IBM die erste Festplatte mit fünf MB auf den Markt – damals eine gigantische Kapazität. Die meisten Programme „wogen“ kaum mehr als einige Kilobytes. Die IBM-Festplatte hatte 50 Magnetscheiben zur Speicherung der Daten – jede mit einem Durch- Mechanische Festplatten messer von 60 Zentimetern. In der weiteren Entwicklung spielten Firmen wie Seagate, Quantum oder Maxtor eine tragende Rolle. 1979 erschien eine erste Seagate-Platte im 5,25-Zoll-Format, 1996 brachte die gleiche Firma die erste Platte mit 10.000 Umdrehungen heraus.

In den Anfängen der PC-Technik wurden Festplatten im 8- und 5,25-Zoll-Format gefertigt. Heute gibt es im PC fast nur noch 3,5-Zoll-Platten, in Notebooks in der Regel 2,5-Zoll-Festplatten.

Die größten Marktanteile haben derzeit Western Digital zusammen mit der Tochter HGST (ehemals Hitachi/IBM) mit etwa 45 Prozent und Seagate mit etwa 40 Prozent. Seagate übernahm im Jahr 2006 Maxtor und 2011 dann die Festplatten-Sparte von Samsung. Die restlichen 15 Prozent entfallen auf Toshiba, das auch die 3,5-Zoll-Laufwerke für HGST fertigt.

SSD und klassische Festplatte im Vergleich

Wie eine Festplatte funktioniert

Technisch unterscheidet sich eine PC-Festplatte kaum von einem Tonbandgerät. Ein magnetisierbares Speichermedium rotiert unter einem Schreib-Lese-Kopf. Der Schreibkopf enthält einen winzigen Elektromagneten (Spule), der den darunterliegenden Bereich der Scheibe einem magnetischen Feld aussetzt. Die Remanenz (Restmagnetismus) sorgt dann dafür, dass das Magnetfeld erhalten bleibt. Das Magnetfeld jedes Teilchens, von Nord nach Süd ausgerichtet oder umgekehrt, repräsentiert die Daten in einer Serie von Bits, also „0“ oder „1“. Anders als beim Tonbandgerät bewegt sich aber nicht nur das Speichermedium, sondern auch der Schreib- Lese-Kopf. Dadurch können bestimmte Bereiche direkt angesteuert werden.

Zur Erhöhung der Kapazität besitzen Festplatten meist mehrere Scheiben und Schreib- Lese-Köpfe. Das gesamte System besitzt durch die Wege, die die Köpfe zurücklegen müssen, und durch die Rotation der Scheiben eine gewisse Trägheit. Daraus ergibt sich eine Latenzzeit zwischen der Anforderung der Daten und der Auslieferung an den PC (Zugriffszeit). Die Festplatte stellt damit einen Flaschenhals im PC dar, der die Gesamtleistung reduziert.

Der Schreib-Lese-Kopf darf niemals in direktem Kontakt mit der Scheibe kommen. Er schwebt auf einem Luftpolster wie der Flügel eines Flugzeugs. Der Abstand beträgt nur wenige Nanometer. Durch eingedrungenen Staub würde das Luftpolster abreißen, auch ein kräftiger Stoß kann den Kopf auf die Scheibe drücken. In diesem Fall kommt es zum Head-Crash, bei dem Kopf und Scheibe irreparabel beschädigt werden. Luft muss zum Druckausgleich aber trotzdem hinein. Dazu gibt es ein Luftloch mit Staubfilter, das nicht verschlossen werden darf. Bei neueren Festplatten dient eine flexible Membran dem gleichen Zweck.

Damit eine Festplatte beim Transport keinen Schaden nimmt, fährt der Kopf nach dem Ausschalten des PCs oder bei plötzlichem Spannungsverlust in eine Parkposition, unter der sich keine Daten befinden. Einige Notebook-Platten enthalten sogar einen Beschleunigungssensor, der beim freien Fall dafür sorgt, dass der Kopf die Parkposition einnimmt. Bei massiven mechanischen Einwirkungen bieten diese Maßnahmen aber nur begrenzten Schutz.

Das ältere Longitudinal Recording magnetisiert die Scheibe parallel zur Rotationsrichtung, Perpendicular Recording hingegen senkrecht. Das führt zu höherer Datendichte und mehr Kapazität.
Vergrößern Das ältere Longitudinal Recording magnetisiert die Scheibe parallel zur Rotationsrichtung, Perpendicular Recording hingegen senkrecht. Das führt zu höherer Datendichte und mehr Kapazität.

Organisation der Daten auf der Festplatte

Die Kapazität heutiger Festplatten wird durch sehr kleine Kopfgrößen und eine hohe Dichte der Magnetschicht erreicht. Das erst ermöglichte auch einen Wechsel der Aufzeichnungstechnik: Bis etwa 2005 kam Longitudinal Recording zum Einsatz, bei dem die Schicht parallel zur Bewegungsrichtung magnetisiert wird. Beim aktuellen Perpendicular Recording erfolgt die Magnetisierung dagegen in die Tiefe, also senkrecht in die magnetische Schicht hinein.

Damit lassen sich bis zu 155 Gigabit auf einem Quadratzentimeter unterbringen, bei Longitudinal Recording waren es nur 15 bis 30 Gigabit. Durch die größere Datendichte erhöht sich auch die Lese- und Schreibgeschwindigkeit. Die ist bei einer Festplatte übrigens nicht überall gleich, denn die Bits rauschen im äußeren Bereich der Scheibe schneller am Lesekopf vorbei als innen.

Defragmentierungs-Software wie das kostenlose Auslogics Disk Defrag verschiebt daher häufig genutzte Programme in den äußeren Bereich.

WD Black² - SSD und HDD in einem
Es gibt physikalische Grenzen: Die Bits auf der Scheibe können nicht beliebig dicht gepackt werden, weil sie sich sonst gegenseitig magnetisch beeinflussen. Auch der Schreibkopf lässt sich nicht viel weiter verkleinern, da das erzeugte Magnetfeld sonst nicht mehr ausreicht. Dennoch ist es gelungen, die Kapazität auf inzwischen vier Terabyte anzuheben.

Das Problem bisher: Festplatten, die vor 2010 hergestellt wurden, arbeiten in der Regel mit einer physikalischen Sektorgröße von 512 Bytes. Der Inhalt jeder Datei, die Sie speichern, liegt daher in kleinen 512-Byte- Häppchen auf der Magnetscheibe. Diese Größenangabe ist nicht mit der Cluster-Größe zu verwechseln, die je nach Dateisystem NTFS in der Regel 4096 Bytes beträgt (siehe Seite 40). Eine Textdatei mit nur einem Buchstaben (ein Byte) belegt auf der Festplatte immer einen ganzen Cluster mit der Größe von 4 KB (512 * 8 = 4096 Bytes). Tatsächlich ist der Platzverbrauch sogar noch höher, weil zu jedem Block noch Fehlerkorrekturdaten (ECC), Toleranzbereich (Gab) und Steuerdaten (Sync/DAM) gehören.

Neuere Festplatten seit 2010 verwenden meist eine physikalische Sektorgröße von vier KB (Advanced Format). Auch hier benötigt jeder Sektor einen Bereich für ECC, Gap und Sync/DAM, aber eben nur einmal für vier KB statt wie bisher achtmal. Nach Angaben der Hersteller lassen sich so zwischen sieben und elf Prozent mehr Daten unterbringen. Der Verbraucher profitiert davon aber zunächst nicht direkt: Eine 1-TB-Platte mit der Sektorgröße von vier KB bietet auch weiterhin nur Platz für ein TB Daten. Die neue Sektorgröße ermöglicht jedoch Festplatten mit mehr Kapazität, einer effektiveren Fehlerkorrektur und durch die höhere Bit-Dichte höhere Geschwindigkeit.

Das Advanced Format hat auch einen Nachteil: Wer ein älteres System wie Windows XP auf einer Festplatte von Western Digital installiert, muss darauf achten, dass die Partition optimal an den Sektorgrenzen ausgerichtet ist. Im Download-Bereich des Herstellers finden Sie dafür bei der jeweiligen Festplatte das kostenlose Tool Advanced Format Software. Windows Vista, 7 oder 8 sorgen bei der Installation automatisch für die richtige Ausrichtung. Seagate-Festplatten benötigen kein Extra-Tool. Hier übernimmt die Firmware bei Bedarf die Korrektur.

Diagnose der Festplatten-Gesundheit

Prognosen über die Lebenserwartung von Festplatten sind schwierig. Die Hersteller weisen in den Datenblättern teilweise statistische Daten über die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls innerhalb eines bestimmten Zeitraums aus. Diese lassen jedoch kaum Rückschlüsse auf eine einzelne Festplatte zu, zumal die Belastung von Festplatten individuell extrem unterschiedlich ausfällt. Mit dem kostenlosen Programm Crystaldiskinfo können Sie den Zustand von Festplatten und SSDs ermitteln und sich rechtzeitig vor einem drohenden Ausfall schützen. Das Tool zeigt auch die geleisteten Betriebsstunden und die Einschalthäufigkeit an.

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