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Festplatte
Die Festplatte (englisch hard disk drive HDD) ist ein ferromagnetisches Daten-Speichermedium, das binäre Daten auf die Oberfläche einer rotierenden Scheibe schreibt. Dazu wird die magnetische Beschichtung der rotierenden Plattenoberfläche entsprechend der aufzuzeichnenden Information magnetisiert. Das Auslesen der Information erfolgt durch das Abtasten der Magnetisierung mittels Lesekopf.
Auf einer Festplatte können beliebige Dateien, z. B. die des Betriebssystems, der Anwendungsprogramme oder persönlicher Daten (Dokumente, Videos, Musik, Bilder) dauerhaft gespeichert werden. Seit Anfang der 90 Jahre gab es dramatische Fortschritte in der Kapazität der Festplatten: Waren damals 40 Megabyte Festplatten schon üppig, so werden heute bei Laptops mindestens 40 Gigabyte (also das Tausendfache!), eher sogar 60-150 (GB) Festplatten verbaut.
Die Baugrößen von Festplatten werden traditionell, wie die Bildschirmdiagonalen, in Zoll angegeben und reichen von 5,25" bis 0,85", wobei der Trend zu kleineren Festplatten geht. Im Desktop-Bereich und bei externen Festplatten sind überwiegend 3,5" Platten, in Laptops meist 2,5" und in noch kleineren portablen Geräten (z. B. MP3-Player) häufig 1,8" Festplatten eingebaut. Zum Vergleich: Eine der ersten Festplatten (1956) hatte 24 Zoll Durchmesser, 5 MB Speicher, wog eine Tonne und brauchte 10 Kilowatt Strom.
FireWire und USB als Schnittstellen für externe Laufwerke
Für den Anschluss von externen Festplatten werden universelle Schnittstellen wie FireWire oder USB verwendet. Hierbei sind jedoch die eingebauten Festplatten selbst mit herkömmlichen (meist ATA oder S-ATA) Schnittstellen ausgestattet. Die Signale werden mittels eines speziellen Chipsatzes, der auf einer Wandlerplatine in dem USB-Gehäuse sitzt, von ATA in USB-Signale transferiert und über die USB-Schnittstelle nach außen geführt.
Datensicherheit
Ausfallrisiken
Lebenszeit
Die durchschnittliche Anzahl 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 Failure) angegeben. Alle Angaben zur Haltbarkeit sind stets und ausschließlich statistische Werte. Die Lebensdauer einer Festplatte kann daher nicht im Einzelfall vorhergesagt werden, denn diese hängt von vielen Faktoren ab:
Notebook-Festplatten werden durch die häufigen Transporte besonders beansprucht und sind dementsprechend trotz robusterer Bauart mit einer kleineren MTTF als Desktop-Festplatten spezifiziert.
Vorbeugende Maßnahmen
Als vorbeugende Maßnahmen gegen Datenverlust rät die Laptopseite:
Datenschutz
Soll eine Datei gelöscht werden, wird üblicherweise 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 überschrieben wird. Mit Datenrettungsprogrammen können gelöschte Daten daher oft zumindest zum Teil wiederhergestellt werden. Das wird auch häufig in der Beweissicherung zum Beispiel bei den Ermittlungsbehörden (Polizei etc.) eingesetzt.
Auch beim Partitionieren oder gewöhnlichen Formatieren wird der Datenbereich nicht überschrieben, sondern lediglich die Partitionstabelle oder die Beschreibungsstruktur des Dateisystems. Bei einer Low-Level-Formatierung dagegen wird der gesamte adressierbare Bereich einer Festplatte überschrieben.
Drehzahlen (U/min)
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 10.000 Umdrehungen pro Minute. Vor der Zeit der ATA-Festplatten und im Bereich der Hochleistungsrechner und Server wurden bisher überwiegend Festplatten mit den technisch überlegenen SCSI, FC oder SAS-Schnittstellen verwendet, die inzwischen in der Regel 10.000 oder 15.000 Umdrehungen pro Minute erreichen. ATA wird zukünftig wahrscheinlich vom SATA-Bussystem abgelöst. Bei den 2,5-Zoll-Festplatten, die hauptsächlich in Laptops zum Einsatz kommen, liegen die Geschwindigkeiten im Bereich von 4.200 bis 7.200 Umdrehungen pro Minute. Die Achsen der Scheiben früherer Festplatten (bis 2000) waren kugelgelagert; heute werden überwiegend Flüssigkeitslager (engl. „fluid dynamic bearing“ – FDB) verwendet. Diese zeichnen sich durch eine höhere Lebensdauer und geringere Geräuschentwicklung aus.
Eine Festplatte besteht aus folgenden Bauelementen:
Die Scheiben bestehen meistens aus oberflächenbehandelten Aluminium-Legierungen, vereinzelt auch aus Glas. Sie müssen formstabil sein und eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um die Größe der Wirbelströme gering zu halten. Da die magnetisierbare Schicht besonders dünn sein soll, darf das Material der Scheiben selbst jedoch keine magnetischen Eigenschaften besitzen und dient nur als Träger der Magnetschicht. Auf die Scheiben wird eine Eisenoxid- oder Kobaltschicht von ungefähr einem Mikrometer Stärke aufgetragen. Diese wird zusätzlich von einer Schutzhülle aus Graphit ummantelt, um mechanische Beschädigungen zu vermeiden. Zusätzlich wurde eine Steigerung der Datendichte durch besseres Trägermaterial sowie durch die Optimierung der Schreibverfahren erreicht.
In älteren Desktopfestplatten von IBM aus den Jahren 2000 bis 2002 kam Glas als Material für die Scheiben zum Einsatz. Neuere Modelle der Festplattensparte von IBM (2003 übernommen durch Hitachi) verwenden jedoch wieder Aluminium, mit Ausnahme der Festplatten für den Serverbereich. In dem Festplattengehäuse befindet sich eine oder mehrere übereinander liegende rotierende Scheiben. Verbaut worden sind bisher ein bis zwölf Scheiben, üblich sind ein bis vier. 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 bzw. verkleinern. Eine neuere Entwicklung (seit 2004) ist das Perpendicular Recording, das zur Zeit u. a. von Toshiba und Hitachi entwickelt wird, um die Datendichte weiter zu steigern.
Die Schreib-Lesekopfeinheit
Der Schreib-/Lesekopf (Magnetkopf) des Schreibfingers, im Prinzip ein winziger Elektromagnet, magnetisiert winzige Bereiche der Scheibenoberfläche unterschiedlich und schreibt somit die Daten auf die Festplatte. Die Schreib-/Leseköpfe schweben durch ein – durch Reibung der Luft an der rotierenden Scheibenoberfläche erzeugtes – Luftpolster über der Plattenoberfläche. Die Schwebehöhe liegt jedoch heutzutage nur im Bereich von etwa 20 Nanometern, sodass die Luft innerhalb des Festplattengehäuses keinerlei Verunreinigungen beinhalten darf. Zum Vergleich: Ein Haar ist etwa 0,05 mm = 50 µm = 50.000 nm dick. Die Herstellung von Festplatten erfolgt deshalb wie die von Halbleitern in Reinräumen. Das Auslesen der Daten wurde bis ca. 1994 durch Induktion des Magnetfelds der magnetisierten Fläche in der Spule des Schreib-/Lesekopfes erreicht. Über die Jahre wurden jedoch die Flächen, auf denen einzelne Bits gespeichert werden, immer kleiner – die Datendichte wurde erhöht. Um diese Daten auszulesen, werden kleinere und empfindlichere Leseköpfe benötigt. Diese wurden nach 1994 entwickelt: MR-Leseköpfe sowie einige Jahre später GMR-Leseköpfe (Riesenmagnetowiderstand). Der GMR-Lesekopf ist eine Anwendung der Spintronik.
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 so genannte „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. Bei älteren Festplatten mussten die Köpfe explizit vor dem Ausschalten per Befehl vom Betriebssystem geparkt werden. Das Parken erhöht auch die Stoßfestigkeit der Festplatten für einen Transport oder Umbau. Doch auch moderne Festplatten müssen mitunter explizit geparkt werden, da der beschriebene automatische Parkmechanismus nach Wegfall der Versorgungsspannung zu einem erhöhten Verschleiß führen kann. Heutzutage wird dieser Befehl automatisch beim Herunterfahren des Systems vom Gerätetreiber abgesetzt.
Bei modernen Laptops sorgt ein Beschleunigungssensor für das Parken des Festplattenfingers noch während eines eventuellen freien Falls, um so den Schaden beim Sturz eines Rechners zu begrenzen.
Festplatten-Gehäuse
Das Gehäuse der Festplatte ist sehr massiv, es besteht meist aus einer Aluminiumlegierung mit einem Edelstahlblechdeckel versehen. Es ist staubdicht, aber nicht luftdicht abgeschlossen: Durch eine mit einem Filter versehene kleine Öffnung kann bei Temperaturänderungen die Luft eindringen oder austreten. Diese Öffnung darf, wie auf neben stehendem Bild zu sehen ist, in der Regel nicht verschlossen werden, nicht zuletzt wegen der Wärmeausdehnung der Luft, die im Plattengehäuse vorhanden ist. Da der Luftdruck im Gehäuse mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel abnimmt, zum Betrieb ein Mindestluftgehalt aber erforderlich ist, dürfen Festplatten nur bis zu einer bestimmten, maximalen Höhe betrieben werden. Diese ist in der Regel im zugehörigen Datenblatt vermerkt. 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.
Speichern und Lesen der Daten
Das Speichern der Daten auf einer Festplatte erfolgt durch die gezielte Magnetisierung kleinster – vom Schreibfinger angesteuerter – Flächen der permeablen Schicht ferromagnetischen Materials, die entsprechend ihrer Polarität (Nord/Süd) den elektronisch-binär interpretierten Wert 0 oder 1 annehmen. Beim Lesen der jeweiligen Sequenzen von 0- und 1-Werten werden die Informationen dekodiert und an das Betriebssystem übergeben. Sie werden vom Prozessor des Computers ausgewertet und weiterverarbeitet. Entsprechend umgekehrt geht das Schreiben der vorher vom Prozessor erstellten Daten vonstatten.
Vor dem Schreiben der Daten werden diese mittels spezieller Verfahren wie den früher üblichen GCR, MFM, RLL und heute üblichen PRML oder EPRML kodiert. Ein Bit der Anwenderdaten entspricht daher physikalisch nicht unmittelbar einem magnetischen Flusswechsel auf der Plattenoberfläche. Die Kodierung ermöglicht dem Festplattencontroller das Verwalten der Daten (Organisation der Daten in Blöcke) und das Führen des Schreib-/Lesekopfes über der Spur.
Sowohl beim Schreiben als auch beim Lesen muss vor dem Zugriff auf einen bestimmten Block der Schreib-/Lesekopf der Platte bewegt und anschließend abgewartet werden, bis durch die Rotation der Platte der Block 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 zu RAM, die noch auf der Ebene der Softwareentwicklung und der Algorithmik berücksichtigt werden muss. Um eine hohe Performance zu erreichen, muss eine Festplatte soweit wie möglich immer große Mengen von Daten in aufeinander folgenden Blöcken 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. Dazu dient vor allem ein großer Cache als Teil der Festplattenelektronik, auf dessen Inhalt mit RAM-Geschwindigkeit zugegriffen werden kann. Die Firmware der Festplatte sorgt für die korrekte Verwaltung und Aktualisierung des Cache-Inhalts. Auf einer tieferen Ebene optimiert man den Datenzugriff durch Interleaving, was bei modernen Festplatten aber nicht mehr notwendig ist.
Logischer Aufbau der Scheiben
Die Magnetisierung der Beschichtung der Scheiben ist die eigentliche Trägerin der Informationen. Sie wird auf kreisförmigen, konzentrischen Spuren magnetisch aufgeprägt, während die Scheibe rotiert. Eine Scheibe enthält typischerweise einige tausend solcher Spuren, meist auch auf beiden Seiten. Die Gesamtheit aller gleicher, d. h. übereinander befindlicher, Spuren der einzelnen Platten(oberflächen) nennt man Zylinder. Jede Spur ist in kleine logische Einheiten unterteilt, die man Blöcke nennt. Ein typischer Block enthält 512 Byte an Nutzdaten (Anwenderdaten). Jeder Block verfügt dabei über Kontrollinformationen (Prüfsummen), über die sichergestellt wird, dass die Information auch korrekt geschrieben oder gelesen wurde. Die Gesamtheit aller Blöcke, die die gleichen Winkelkoordinaten auf den Platten haben, nennt man Sektor. Der Aufbau eines speziellen Festplattentyps, das heißt, die Anzahl der Spuren, Oberflächen und Sektoren, wird auch als Festplattengeometrie bezeichnet. Verwirrenderweise wird der Begriff Sektor häufig fälschlicherweise auch synonym für Block verwendet.
Da manche Betriebssysteme zu früh an Grenzen stießen, als die Nummerierung der Sektoren bei steigenden Festplattenkapazitäten die Wortgrenze (16 Bit) überstieg, führte man Cluster ein. Das sind Gruppen von jeweils einer festen Anzahl von Blöcken (s. o., Anzahl beispielsweise 32), die sinnvollerweise physisch benachbart sind bzw. zusammenhängend aufeinander folgen. Das Betriebssystem spricht dann nicht mehr einzelne Blöcke an, sondern verwendet auf seiner (höheren) Ebene diese Cluster als kleinste Zuordnungseinheit. Erst auf Hardwaretreiber-Ebene wird dieser Zusammenhang aufgelöst.
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 zum Beispiel 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 Blöcke ausblenden, um dann einen Block aus einer Reserve-Spur einzublenden. Für den Computer sieht es immer so aus, als wären alle Blöcke 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 (bzw. die Datensicherheit) reduzieren kann. Heute übliche Festplatten teilen weiterhin die Platten in Zonen auf, wobei eine Zone mehrere Spuren mit jeweils gleicher Anzahl an Blöcken enthält. Weitere Zonen können eine andere Anzahl von Blöcken pro Spur besitzen.
Partitionen als Laufwerke
Aus Sicht des Betriebssystems können Festplatten durch Partitionen in mehrere Bereiche unterteilt werden. Das sind keine echten Laufwerke, sondern die stellt das Betriebssystem als solche dar, sie sind Teilmengen des gesamten Laufwerkes. Man kann sich diese als virtuelle Festplatten vorstellen, die durch den Festplattentreiber dem Betriebssystem (und damit evtl. dem Benutzer) gegenüber als getrennte Geräte dargestellt werden. Es ist dabei im Verhalten (von zeitlichen Effekten sowie dem Verhalten im Falle des Festplattenausfalls abgesehen) 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 Blöcke zu Clustern 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. Der Dateisystemhandler verwaltet die belegten, verfügbaren und defekten Cluster. Ein Beispiel für ein Dateisystem ist das (von MS-DOS und Windows 9x ausschließlich unterstützte) FAT-Dateisystem.
Technische Neuerungen
Um die Lautstärke der Laufwerke beim Zugriff auf Daten zu verringern, unterstützen die meisten ATA- und SATA-Festplatten, die für den Desktop-Einsatz gedacht sind, „Automatic Acoustics Management“ (AAM). Wird die Festplatte in einem leisen Modus betrieben, werden die Schreib- und Leseköpfe weniger stark beschleunigt, sodass die Zugriffe leiser sind. Das Laufgeräusch des Plattenstapels wird davon nicht verändert, ebenso bleibt die Dauertransferrate von AAM unberührt; jedoch verlängert sich die Zugriffszeit.
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