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Festplatten: Fachbegriffe verständlich erklärt

24.09.2019 | 14:00 Uhr | Arne Chananewitz

Wer den eigenen PC mit einer neuen Festplatte auf- oder umrüsten will, wird mit vielen Fachbegriffen konfrontiert: Von HDD über SSD und SATA bis hin zu PCIe. Während die meisten Bezeichnungen durchaus geläufig sind, werfen andere Eigenschaften Fragen auf. Welche SSD-Formate gibt es und was hat es mit einem RAID auf sich? Was macht eigentlich der Cache und warum sind auf einer 1-TB-Festplatte nur 931 GB nutzbar? Hier finden Sie die Antworten.

Beim Kauf einer Festplatte spielt zunächst der Typ eine entscheidende Rolle, bevor es um die Spezifikationen geht. Hier haben sich zwei Varianten durchgesetzt: HDD und SSD.

Die HDD (Hard Disk Drive) ist ein magnetisches Speichermedium mit einem Schreib- und Lesekopf. Die Daten werden auf der Oberfläche der sogenannten Platter gespeichert. Auf diesen rotierenden Magnetscheiben erfolgt die Aufzeichnung der Daten über die Remanenz (verbleibende Magnetisierung). Das geschieht wie auch das Lesen der Informationen völlig berührungslos.
 
Vorteile der HDD:

  • günstiger Preis

  • geringe Wärmeentwicklung

  • hohe Speicherkapazitäten bis 14 TB

  • sehr schnelle Schreib- und Lesegeschwindigkeit

  • Datenverschlüsselung und -rettung möglich

Nachteile der HDD:

  • durch die beweglichen Teile anfällig für Defekte

  • externe Magneten können Daten löschen

  • startet und arbeitet langsamer als die SSD

  • höherer Stromverbrauch als die SSD

  • Geräuschentwicklung möglich

Bei der SSD (Solid State Drive) handelt es sich um einen Flash-Speicher und streng genommen gar nicht um eine Festplatte. Die Daten liegen auf Halbleitern und werden wie bei USB-Sticks oder SD-Karten auch ohne anliegende Versorgungsspannung gespeichert. Die SSD hat sich seit ihrer Markteinführung 2007 rasant in PCs verbreitet.
 
Vorteile der SSD:

  • startet und arbeitet sehr schnell

  • geräuschloser Betrieb

  • keine beweglichen Teile und dadurch sehr robust

  • stromsparend

 
Nachteile der SSD:

  • teurer als die HDD

  • geringere Speicherkapazität als HDD

  • Lebensdauer beschränkt durch maximale Anzahl der Schreib- und Leseprozesse

  • Datenrettung kaum möglich

Festplattentypen und Schnittstellen kompakt

Während die HDD (Hard Disk Drive) als magnetisches Speichermedium mit einem Schreib- und Lesekopf arbeitet, handelt es sich bei der SSD (Solid State Drive) um einen Flash-Speicher. Obwohl die HDD durch einen günstigen Preis und sehr hohe Speicherkapazitäten bis derzeit 14 TB überzeugt, ist in modernen PCs mindestens eine (zusätzliche) SSD verbaut. Das hat den Vorteil, dass das Betriebssystem und die Software sehr schnell starten und arbeiten.

SATA (Serial ATA) ist auch fast 20 Jahre nach der Entwicklung noch immer ein gängiger Standard unter den Schnittstellen, die die Festplatte mit dem Mainboard verbinden. Die Übertragungsrate bei der dritten Generation SATA III liegt bei 600 MB/s. Damit ist der Standard zwar sehr schnell und für die meisten Nutzer völlig ausreichend. Er begrenzt jedoch die möglichen Lese- und Schreibgeschwindigkeiten.

Für SSDs kommt deshalb häufig PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) zum Einsatz. Durch serielle Verbindungen sind damit in der Theorie Übertragungsraten von bis zu 16 GB/s möglich. In der Praxis spiegelt sich die Anbindung über PCIe 2.0 oder PCIe 3.0 im Vergleich zu SATA bei vielen parallelen Prozessen in der besseren Performance wider. Mit PCIe 4.0 und 5.0 werden in den nächsten Jahren weitere Leistungssprünge erwartet.

SSD-Anschlüsse und Speicherprotokolle PCIe, M.2 und NVMe

Durch SSDs haben sich auf dem Markt der Speichertechnologie nicht nur neue Schnittstellen, sondern auch neue Speicherprotokolle etabliert. PCIe dient dabei nicht nur als Anschluss für einen Steckplatz, sondern auch als Protokoll anderer Schnittstellen wie M.2 . Der Steckertyp war zunächst als Next Generation Form Factor (NGFF) bekannt und löste mSATA (mini-SATA) ab.

Die M.2-Ports sind kleiner und flexibler, was sie für den Einsatz in kompakten Ultrabooks und Tablets qualifiziert. Vier PCIe-Lanes, ein SATA Revision 3.x und ein USB 3.0 Port sind an einem Anschluss möglich. Mit M.2 können PCIe und SATA parallel genutzt werden. Der Nachfolger von M.2 heißt U.2 und ermöglicht zusätzlich die Hot-Swap-Funktion.

M.2-Steckkarten erreichen an einer Schnittstelle über PCIe 3.0 eine Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 32 GBit/s. Damit lassen sich SSDs mit dem Protokoll NVMe (Non-Volatile Memory Express) betreiben. Das funktioniert mit jedem Betriebssystem, weil es extra für SSDs mit direkter PCIe-Anbindung und ohne SATA-Schnittstelle entwickelt wurde.

Das NVMe-Protokoll steigert die Übertragungsraten, senkt die Prozessorauslastung und damit den Stromverbrauch. Weil die physikalische Übertragung über PCIe stattfindet und NVMe für die anderen Protokollschichten verantwortlich ist, wird der Datentransfer spürbar optimiert. Eine SSD kann in diesem Zusammenhang auch als Massenspeicher fungieren.

Grundlagenwissen über SSD im RAID

RAID ist die Abkürzung für Redundant Array of Independent Disks . Dabei bilden mehrere physische Massenspeicher wie HDDs und SSDs ein logisches Laufwerk (Partition). Nicht nur eine einzelne Festplatte, sondern zwei oder mehr gleichartige Datenträger kommen im PC zum Einsatz.

Das Ziel beim Aufbau eines RAID-Systems ist zum einen, eine höhere Ausfallsicherheit zu erreichen. Dafür werden Redundanzen gezielt geschaffen, also identische Daten an mehreren Orten gleichzeitig gespeichert. Sollte ein Massenspeicher ausfallen, ist die Information nicht unwiederbringlich weg. Das System bleibt funktionstüchtig, da die gespeicherten Daten über einen Rebuilt wiederhergestellt werden können.

Zum anderen beschleunigt ein RAID das System, denn durch die Verteilung auf mehrere, gleichartige Festplatten verringert sich die Zugriffszeit auf die Daten. Schnelle Netzwerke sind deshalb oft als RAID angelegt. Allerdings sind nicht alle NAS (Network Attached Storages) gleichzeitig ein RAID, wenn alle PCs im Netzwerk darauf zugreifen können.

Es gibt verschiedene RAID-Level; zu den gebräuchlichsten mit SSD zählen RAID 0, RAID 1 und RAID 5. RAID 0 dient nur der Beschleunigung ohne Redundanz. RAID 1 speichert auf mindestens zwei SSDs identische Daten im Mirroring. Zu den beliebtesten RAID-Varianten zählt RAID 5, denn das System kombiniert einen höheren Datendurchsatz und Redundanzen durch implementiertes Striping mit Paritätsinformationen, die auf Block-Level verteilt sind.

RAID mit SSD: Tipps und Hinweise

Auf keinen Fall ist ein RAID mit einem Backup gleichzusetzen! Doch wo liegt der Unterschied?

Ein Backup ist eine Datensicherung, die regelmäßig angelegt werden sollte. Ein RAID kann diese wichtige Systemkopie nicht ersetzen, denn durch fehlerhaft geschriebene Daten, Softwarefehler oder einen Virus kann es trotzdem zum Datenverlust kommen. Zwar liegen die Dateien auf mehreren SSDs mehrfach vor. Doch die Duplikate können unbrauchbar werden, da mögliche Softwareprobleme und schadhafte Informationen einfach mitkopiert werden. Auch gelöschte Daten sind im RAID einfach weg. Nur ein komplettes Backup garantiert die Wiederherstellung.

Während HDDs schon länger und problemlos ein logisches Laufwerk im RAID bilden, bringen SSDs besondere Eigenschaften mit: Denn die Flash-Speicher arbeiten ohnehin schon sehr schnell. Der Geschwindigkeitsgewinn, der durch RAID 0 angestrebt wird, kann deshalb unter Umständen gar nicht voll ausgeschöpft werden.

Außerdem funktionieren die TRIM-Befehle im RAID meistens nicht. Dadurch erhält die SSD keine Information, welche gelöschten Datenblöcke wiederbeschrieben werden können. Auch das verschlechtert die Performance von SSDs im RAID und verlangsamt die sonst so schnellen Festplatten.

Weil SSDs mit großer Kapazität immer noch teurer sind als vergleichbare HDDs, fallen die Kosten für zwei Laufwerke im RAID 1 oder RAID 5 stärker ins Gewicht. Die Investition lohnt sich oft nur für Netzwerke, für die Datenausfälle einen größeren finanziellen Schaden mit sich bringen würden, und nicht für private PCs.

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Zur Bauform von HDDs und SSDs

Traditionell werden die Maße von Festplatten in Zoll angegeben. Die Größe entspricht dabei jedoch nicht den exakten Abmessungen, sondern ist vielmehr als Formfaktor zu verstehen. Das weltweit erste Festplattenlaufwerk IBM 350 war 1956 mit 24 Zoll noch so groß wie ein Schrank. Heute ist die Bauform wesentlich kleiner.

Bereits seit 1987 sind 3,5-Zoll-Festplatten auf dem Markt. Mit ihrer Breite von 101,6 mm und Höhe von 25,4 mm wurden sie den 3,5-Zoll-Diskettenlaufwerken nachempfunden. Sie sind mit ihrer Tiefe von 146 mm vor allem in Desktop-PCs verbaut.

Die kleineren 2,5-Zoll-Festplatten wurden für Laptops entwickelt, sind heute aber auch in anderen Geräten im Einsatz. Sie sind 100 mm tief und 70 mm breit. Die Höhe variiert zwischen 5 und 15 mm.

Beide Festplattentypen sind in den Größen 3,5 Zoll oder 2,5 Zoll erhältlich. Wer seine alte 3,5-Zoll-HDD durch eine neue 2,5-Zoll-SSD ersetzen will, greift auf einen Adapter zurück.

Zur Bauform gehören auch die Schnittstellen , über die eine Festplatte mit dem Mainboard verbunden ist. Fast 20 Jahren nach der Entwicklung ist Serial ATA (SATA) noch immer ein gängiger Standard - siehe oben. Er begrenzt jedoch die möglichen Lese- und Schreibgeschwindigkeiten von SSDs. Für sie kommt deshalb häufig Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) zum Einsatz - mehr dazu siehe oben.

Wichtige Begriffe zur Speicherkapazität

Bei jeder Festplatte gehört die Speicherkapazität zu den wichtigsten Eigenschaften. Während HDDs aktuell bis zu 14 TB bieten, bewegen sich die preislich erschwinglichen SSDs bei maximal 2 TB. Darüber hinaus wird es richtig teuer und für den privaten Nutzer unverhältnismäßig.

Immer wieder entstehen Irritationen, wenn bei der Angabe von 1 TB Speicherplatz nur 931 GB zur Verfügung stehen. Die Differenz zwischen der vom Hersteller angegebenen und der tatsächlichen Kapazität beträgt etwa sieben Prozent.

Die Erklärung für dieses Rätsel ist einfach: Festplattenhersteller rechnen mit dem Dezimalsystem, obwohl sich die Größenangaben bei Computern vom Kilobyte (1.024 Byte) bis zum Gigabyte (1.037.741.824 Byte) auf das Binärsystem beziehen. Das sieht auf den Verpackungen besser aus und ergibt schöne gerade Zahlen. In Wirklichkeit muss die angegebene Speicherkapazität einer Festplatte mit 0,9313 multipliziert werden, um den tatsächlichen Wert zu erhalten. Deshalb entsprechenden die bei Festplatten angegebenen Größen den folgenden nutzbaren Kapazitäten :

Die bei Festplatten angegebenen Größen und die tatsächlich nutzbaren Kapazitäten
Vergrößern Die bei Festplatten angegebenen Größen und die tatsächlich nutzbaren Kapazitäten

Begriffe zur Performance einer Festplatte

Die Zugriffszeit ist die Zeit, die zwischen einem erteilten Befehl und seiner Ausführung vergeht. Beim PC handelt es sich hier um Millisekunden, wobei es große Unterschiede zwischen der HDD und der SSD gibt. Bauformbedingt muss die Laufwerkssteuerung der HDD den Sektor der gesuchten Daten ermitteln, den Schreib- und Leseknopf dort hinschicken und auf eine stabile Spurabtastung warten. Bis zu 10 Millisekunden gehen dabei ins Land. Bei der SSD ist es dagegen möglich, jede Speicherzelle direkt aufzurufen. Ihre Zugriffszeit ist deshalb wesentlich schneller.

Beim Cache handelt es sich um einen schnellen Zwischenspeicher , durch den die Zugriffszeit möglichst niedrig gehalten wird. Er enthält Daten, auf die der Nutzer kürzlich zugegriffen hat. Auch benachbarte Datenbereiche, für die der Zugriff als nächstes wahrscheinlich ist, können sich im Cache befinden. Dabei wird ein Lesecache und ein Schreibcache unterschieden. Üblich sind 64 oder 128 MB. Für viele parallel laufende Prozesse sind auch Festplattencaches mit 256 MB erhältlich.

Die Angaben zur Schreib- und Lesegeschwindigkeit werden bei der HDD in Umdrehungen pro Minute ( U/min ) ausgewiesen. Je schneller die Magnetscheiben rotieren, desto schneller liest und schreibt die Festplatte die Daten. Zu den gängigsten Größen zählen 5400 und 7200 U/min.

Hinsichtlich der Performance kommt es jedoch nicht nur auf die reine Geschwindigkeit an. Auch die Bit-Rate ist entscheidend. Deshalb kann eine Festplatte mit 5400 U/min mit einer höheren Bit-Dichte als eine Festplatte mit 7200 U/min durchaus schneller arbeiten. Dabei produziert sie weniger Wärme und weniger Strom.

Bei der SSD geben die Hersteller die Lese- und Schreibgeschwindigkeit konform zu anderen Flash-Speichern in Megabyte pro Sekunde ( MB/s ) an. Je höher der Wert ist, desto schneller liest oder schreibt die Festplatte.

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