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Festplatte (Hard Disk Drive, HDD)

Mitarbeiter: Sarah Wilson, James Alan Miller

Ein Festplattenlaufwerk, oder Festplatte, (HDD) ist ein nicht-flüchtiges Speicher-Hardwaregerät, das die Positionierung, das Lesen und das Schreiben der Festplatte steuert, die die Datenspeicherung bereitstellt. Festplattenlaufwerke werden häufig als Hauptspeichergerät in einem Computer verwendet. HDDs speichern häufig das Betriebssystem, Softwareprogramme und andere Dateien und sind in Desktop-Computern, mobilen Geräten, Unterhaltungselektronik und Unternehmensspeicher-Arrays in Datenzentren zu finden. Heutige Computer sind in der Regel mit einer Festplatte ausgestattet, die Gigabytes oder Terabytes an Speicherplatz enthalten kann.

Fortsetzung des Inhalts unten

Ein Festplattenlaufwerk - oft abgekürzt als Festplatte - und eine Festplatte sind eigentlich nicht dasselbe, aber sie werden als eine Einheit verpackt, und beide Begriffe können sich auf die gesamte Einheit beziehen. Im Deutschen wird die Unterscheidung zwischen Festplattenlaufwerk (HDD) und Festplatte (HD) nicht gemacht. Beide Begriffe stehen für das Speichermedium mit rotierenden Platten.

In einem Computer befindet sich eine Festplatte üblicherweise im Laufwerksschacht und ist über ein ATA-, SATA- oder SCSI-Kabel mit der Hauptplatine verbunden. Die HDD ist auch an ein Netzteil angeschlossen und kann gespeicherte Daten im ausgeschalteten Zustand behalten.


Seagate Technology Ingenieur
Joanne Larson zeigt, wie
eine Festplatte funktioniert.

Komponenten von Festplattenlaufwerken und ihre Funktionsweise

Die meisten Basisfestplatten bestehen aus einer Anzahl von Platten, die um eine Spindel in einer abgedichteten Kammer angeordnet sind. Die Kammer enthält auch Lese- und Schreibköpfe und Motoren.

Der Motor wird verwendet, um die Platten, die die Daten enthalten, mit bis zu 15.000 Umdrehungen pro Minute zu drehen (eine höhere Umdrehungszahl führt zu einer schnelleren Leistung). Während sich die Platten drehen, steuert ein zweiter Motor die Position der Schreib- und Leseköpfe, die magnetisch Informationen auf die konzentrischen Spuren auf jeder Platte aufzeichnen und von diesen lesen. Jeder Lese- oder Schreibvorgang erfordert die Lokalisierung der Daten, eine Operation, die als Suchvorgang bezeichnet wird. Daten, die sich bereits in einem Plattencache befinden, werden jedoch schneller gefunden.

Die meisten Laptop- und Desktop-PCs verwenden Festplatten, die zwischen 5.400 U/min und 7.200 U/min liegen, während Festplatten mit höheren Drehzahlen in High-End-Workstations und Unternehmensservern zu finden sind. Die Plattenzugriffszeit wird in Millisekunden gemessen. Obwohl der physische Speicherort von Daten mit Zylinder-, Spur- und Sektorpositionen identifiziert werden kann, werden diese tatsächlich einer logischen Blockadresse (LBA) zugeordnet, die mit dem größeren Adressbereich von Festplatten arbeitet.

Festplatten sind trotz der wachsenden Beliebtheit und der rasch sinkenden Kosten von nichtflüchtigen Flash-Speichern in Form von Solid-State-Laufwerken (SSDs) nach wie vor eine beliebte Datenspeicheroption für Verbraucher und Unternehmen. SSDs passen in die gleichen externen und internen Laufwerksschächte wie ihre HDD-Pendants. SSDs sind zwar viel schneller, haltbarer und verbrauchen weniger Strom als Festplatten, aber sie sind auch teurer. SSDs gelten als besser geeignet für Anwendungen, die eine hohe Leistung erfordern, während HDDs häufiger für Anwendungsfälle mit hoher Kapazität eingesetzt werden.

Eine Festplatte besteht aus mehreren Hauptkomponenten innerhalb ihres Gehäuses. Dazu gehören die Platte zum Speichern von Daten, eine Spindel zum Drehen der Platten, ein Lese-/Schreibarm zum Lesen und Schreiben von Daten, ein Aktuator zur Steuerung der Aktion und Bewegung des Lese-/Schreibarms und eine Logikplatine.

Zu den Festplatten gehören eine oder mehrere Aluminium-, Glas- oder Keramikplatten aus Substratmaterial mit einer dünnen magnetischen Oberfläche oder Medienschicht zur Speicherung von Daten. Platten speichern und organisieren Daten in spezifischen Strukturen - Spuren, Sektoren und Cluster - auf dieser Medienschicht, die nur wenige Millionstel Zoll dick ist. Eine superdünne schützende und schmierende Schutzschicht über den magnetischen Medien schützt vor versehentlicher Beschädigung und Verunreinigung durch Fremdmaterial, wie Staub.

Abbildung 1 zeigt den Aufbau einer Festplatte.
Abbildung 1 zeigt den Aufbau einer Festplatte.

Die Spindel dreht die Platten nach Bedarf und hält sie in Position. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Spindel bestimmt, wie schnell Daten geschrieben und gelesen werden. Bei Festplatten mit mehreren Platten hält die Spindel die Platten in einem festen, getrennten Abstand, um den Lese-/Schreibarmen Platz zum Arbeiten zu geben.

Der Lese-/Schreibarm positioniert den Lese-/Schreibkopf über die richtigen Stellen auf der Platte, um auf Daten zuzugreifen oder sie zu schreiben. Es sind die Lese-/Schreibköpfe, die Daten auf den Platten lesen und schreiben, indem sie deren magnetische Oberfläche mit elektrischen Strömen transformieren. Typischerweise befindet sich ein Schreib-/Lesekopf 3 bis 20 Millionstel Zoll über der oberen und unteren Hälfte der Oberfläche jeder Plattenseite. Alle Lese-/Schreibarme einer Festplatte sind im Aktuatormotor miteinander verbunden.


Das Video von HddSurgery
zeigt das Innere einer HGST Helium-Festplatte.

Der Aktuatormotor empfängt Anweisungen von der HDD-Leiterplatte und steuert die Bewegung des Lese-/Schreibarms. Er überwacht die Plattendatentransfers und stellt sicher, dass sich die Lese-/Schreibköpfe immer an der richtigen Stelle befinden.

Eine intelligente Schaltung oder Logikplatine teilt dem Aktuatormotor mit, was er zu tun hat. Sie befindet sich an der unteren Basis der Einheit, dem sogenannten Gehäuse, und ein flexibles Flachbandkabel verbindet die Leiterplatte mit dem Aktuatormotor, der die Lese-/Schreibarme steuert.

Im Gegensatz zu Festplatten enthalten SSDs keine beweglichen Teile. SSDs haben auch eine geringere Latenzzeit als HDDs und werden daher oft bevorzugt, um kritische Daten zu speichern, auf die schnell zugegriffen werden muss, und für Anwendungen mit einem hohen I/O-Bedarf. SSDs sind so konfiguriert, dass sie bei sequentiellen und zufälligen Datenanforderungen eine hohe Lese- und Schreibleistung bieten. Außerdem speichern SSDs Daten nicht magnetisch, so dass die Leseleistung unabhängig vom Speicherort der Daten auf dem Laufwerk konstant bleibt.

Allerdings sind SSDs aus der Sicht des Preises pro Gigabyte teurer als HDDs. Viele Unternehmensspeicher-Arrays werden mit einer Mischung aus HDDs und SSDs geliefert, um die Kosten zu senken und gleichzeitig eine bessere Leistung zu erzielen. SSDs haben auch – ja nach Typ (SLC, MLC, TLC, QLC) – eine festgelegte, meist geringere Lebenserwartung, da sie eine endliche Anzahl von Schreibzyklen haben, bevor die Leistung nachlässt. Dieser Nachteil tritt schneller ein als die Zeit, die eine HDD benötigt, um mit der Zeit auszufallen.


Erfahren Sie in diesem Video von StaplesTechTV
alles über die Unterschiede zwischen HDDs und SDDs.

Geschichte/Entwicklung

Die Festplatte wurde 1953 von Ingenieuren bei IBM entwickelt, die einen Weg finden wollten, wahlfreien Zugriff auf hohe Datenkapazitäten zu geringen Kosten zu ermöglichen. Die entwickelten Platten IBM 350 Disk Storage waren etwa zwei Fuß im Durchmesser, konnten 3,75 Megabyte an Daten speichern und wurden ab 1956 im ersten festplattenbasierten Rechner (5 MB IBM 305 RAMAC) ausgeliefert. Die Speicherkosten beliefen sich auf etwa 10.000 Dollar pro Megabyte.

Es war dennoch ein gewaltiger Sprung vorwärts in der Computerspeichertechnologie, die bisher hauptsächlich auf Magnetband angewiesen war. Die beweglichen Lese- und Schreibköpfe von RAMAC ermöglichten zum ersten Mal einen halbzufälligen Zugriff auf Daten.

IBM war in den nächsten Jahrzehnten weiterhin führend in der Entwicklung der Festplattentechnologie. 1961 schwebten die Laufwerksköpfe der Plattenspeichereinheit IBM 1301 auf einer dünnen Luftschicht, wodurch die Köpfe und Platten näher beieinander blieben, was zu einer Erhöhung der Speicherdichte führte. Einige Jahre später stellte IBM das erste Wechselfestplattenlaufwerk, das 1311, vor. Ihr erstes Plattenpaket, die IBM 1316, bestand aus sechs 14-Zoll-Platten und 2,6 MB Speicher. Es folgten die Festplatten IBM 2311 (5 MB) und IBM 2314 (29 MB), wobei letztere die erste standardisierte Festplatte war, da sie über mehrere Editionen des IBM System/360-Großrechnersystems funktionierte.

Memorex, Seagate und Western Digital waren weitere frühe Anbieter von Festplattenlaufwerken. Memorex führte 1968 die erste IBM-kompatible Festplatte ein. Im Jahr 1970 erschienen die ersten Festplatten mit Fehlerkorrektur, und Western Digital (damals unter dem Namen General Digital Corporation) wurde gegründet. 1973 brachte IBM mit der 3340 - bekannt als "Winchester" - die erste abgedichtete Festplatte mit massearmen Köpfen und geschmierten Spindeln auf den Markt. Das erste Patent für die RAID-Technologie (Redundant Array of Independent Disks) wurde 1978 angemeldet, und 1979 gründete eine Gruppe unter der Leitung von Al Shugart, der Jahrzehnte zuvor an der Entwicklung von RAMAC beteiligt war, die Seagate Technology Corp. In diesem Jahr brachte IBM auch sein Piccolo-Laufwerk auf den Markt, das acht Platten zur Speicherung von 64 MB verwendete, sowie die IBM 3370, die erste Festplatte mit Dünnschichtkopf.

Im Jahr 1980 brachte IBM die erste Gigabyte-Festplatte, die 550 Pfund wog und die Größe eines Kühlschranks hatte, für 40.000 Dollar auf den Markt. Im selben Jahr brachte Seagate die erste 5,25-Zoll-Festplatte auf den Markt. Das schottische Unternehmen Rodime produzierte 1983 eine 3,5-Zoll-Festplatte. Drei Jahre später kam der SCSI-Standard (Small Computer System Interface) auf den Markt. 1988 schrumpfte PrairieTek die Festplatte auf 2,5 Zoll - 20 MB auf zwei Plattentellern - für den Einsatz in Laptops.

Mit dem Beginn der 1990er Jahre kam IBMs 0663 Corsair-Laufwerk auf den Markt. Die 0663 speicherte bis zu 1 GB Daten auf 8,95 mm-Platten und war die erste Festplatte, die magnetoresistive Köpfe verwendete. Die Laufwerke schrumpften weiter, wobei die erste 1,8-Zoll-Platte 1991 von Integra Peripherals kam, gefolgt von der 1,3-Zoll-Platte von Hewlett Packard Kittyhawk im Jahr 1992. Western Digital entwickelte 1994 die Enhanced IDE-Festplattenschnittstelle und durchbrach damit die Grenze von 528 MB Durchsatz. 1996 speicherte IBM bereits 1 Milliarde Bits pro Quadratzoll auf einem Plattenteller, und die Cheetah-Familie von Seagate war die erste HDD mit 10.000 U/min. 1997 brachte IBM die 3,5-Zoll-Festplatte Titan mit 16,8 GB auf den Markt, die erste Festplatte, bei der riesige magnetoresistive Köpfe zum Einsatz kamen. Das Mikrolaufwerk des Unternehmens, das im folgenden Jahr auf den Markt kam, speicherte 340 MB auf einer einzigen 1-Zoll-Plattenplatte.

Im Jahr 2000 kaufte Maxtor das Festplattengeschäft des Konkurrenten Quantum, und Seagate erreichte mit der Festplatte Cheetah X15 15.000 Umdrehungen pro Minute. Im selben Jahr erreichte Seagate einen weiteren Meilenstein, indem es eine vertikale magnetische Aufzeichnungsflächendichte von 100 Gb pro Quadratzoll nachweisen konnte. Hitachi kaufte 2003 das Datenspeichergeschäft von IBM, Seagate produzierte die erste Serial Advanced Technology Attachment Computerbus-Schnittstelle und Western Digital die erste SATA-Festplatte mit 10.000 U/min, die 37 GB Raptor. Im Jahr 2004 brachte Toshiba die erste 0,85-Zoll-Festplatte auf den Markt, ein 2-GB-Modell auf einer einzigen Platte, während Hitachi 2005 die erste 500-GB-Festplatte auslieferte. Im Jahr 2006 erwarb Seagate Maxtor, wodurch der Festplattenmarkt weiter konsolidiert wurde. Von dort aus stiegen die Festplattenkapazitäten weiter in die Höhe, bei gleichzeitig sinkenden Preisen pro GByte.

Die Formfaktorgröße von Festplattenlaufwerken hat mit der Weiterentwicklung der Technologie immer weiter abgenommen. Mitte der 1980er Jahre wurden die Formfaktoren 3,5 Zoll und 2,5 Zoll eingeführt, und zu dieser Zeit wurden sie zum ersten Mal zu einem Standard bei Personal Computern (PCs).

Die Dichte der Festplattenlaufwerke hat seit der Entwicklung der Technologie zugenommen. Die ersten Festplattenlaufwerke waren in der Lage, Megabyte an Daten zu speichern, während sie heute im Terabyte-Bereich (TB) liegen. Hitachi brachte 2007 die ersten 1-TB-Festplattenlaufwerke auf den Markt. Im Jahr 2015 kündigte HGST die erste 10-TB-Festplatte an.

Kapazität

Ende der 2000er Jahre hatten Seagate und Western Digital die ersten 3-TB-Festplattenlaufwerke auf den Markt gebracht, wobei diese Unternehmen und Toshiba Anfang des nächsten Jahrzehnts die ersten 4-TB-Laufwerke produzierten. Im Jahr 2013 verfügte Seagate über eine 5-TB-Festplatte, während HGST (eine Tochtergesellschaft von Western Digital) eine mit Helium gefüllte 6-TB-Festplatte lieferte.

Helium bietet weniger Luftwiderstand und Turbulenzen als Luft, da es weniger dicht und leichter als Luft ist. Das bedeutet, dass mit Helium gefüllte Festplatten kühler und schneller laufen und höhere Speicherdichten aufweisen können sowie weniger Strom verbrauchen. Darüber hinaus können Hersteller mit einer heliumgefüllten Festplatte sieben Platten auf dem gleichen Platz unterbringen, der für fünf Platten in herkömmlichen Festplattenlaufwerken benötigt wird.

Ebenfalls im Jahr 2013 führte Seagate Festplatten mit der SMR-Technologie (Shingleled Magnetic Recording) ein, um die physikalischen Grenzen herkömmlicher Laufwerke weiter zu überwinden. SMR schichtet Magnetspuren auf jeder Platte, anstatt sie parallel zueinander anzuordnen, wie bei herkömmlichen Festplatten, und erhöht damit die Speicherdichte. Die Spuren überlappen sich wie Schindeln auf einem Dach, daher der Name der Technologie.

Heute sind die Festplattenkapazitäten unter anderem dank der Entwicklung von HDDs auf Heliumbasis und der SMR-Technologie auf 10 TB, 12 TB, 14 TB und 16 TB angewachsen.

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Abbildung 2 erklärt die unterschiedlichen Einheiten an Speicherkapazitäten.

Formfaktor

Die datenfassenden Platten sind in einem Gehäuse montiert, um die interne Umgebung der Festplatte vor Verunreinigungen und Luft von außen zu schützen. Die Einbauten des Laufwerks, die auch als Head Assembly bezeichnet werden, sind fest am Gehäuse montiert und dann normalerweise mit Aluminium abgedeckt. Der Formfaktor einer Festplatte ist die Größe und Form dieses Gehäuses.

Der Formfaktor einer HDD bestimmt ihre Kompatibilität mit den Laufwerksschächten von Desktop- und tragbaren Computern, Servern, Speichergehäusen, Speicher-Arrays oder jedem Verbraucherprodukt, das eine Festplatte verwendet, wie zum Beispiel ein digitaler Videorekorder. Industriestandards diktieren die Geometrie der HDD-Formfaktoren, zu denen neben der Ausrichtung und Position des Host-Schnittstellenanschlusses auch die Länge, Breite und Höhe der HDD gehören.

Gängige HDD-Formfaktoren der Enterprise-Klasse sind der kleine Formfaktor (2,5 Zoll) und der große Formfaktor (3,5 Zoll), wobei die Messungen den ungefähren Durchmesser der Platte(n) innerhalb des Laufwerksgehäuses darstellen. Während HDD-Gehäuse der Enterprise-Klasse in der Regel Standardlängen und -breiten haben, kann die Höhe variieren - bis zu 15 mm bzw. 26,1 mm für Gehäuse mit kleinem und großem Formfaktor. Die Höhe des 3,5-Zoll-Desktop-Formfaktors reicht von 19,9 mm bis 26,1 mm, während die Höhe der mobilen 2,5-Zoll-Festplatte von 5 mm bis 15 mm reicht.

Externe Festplatten

Die meisten HDDs befinden sich intern in einem Computer und funktionieren wie oben beschrieben. Einzelpersonen können jedoch auch externe Festplatten kaufen. Externe Festplatten können zur Erweiterung der Speicherkapazität verwendet werden oder als tragbarer Ort zur Datensicherung dienen. Eine externe Festplatte kann über eine USB 2.0-Schnittstelle oder mit eSATA an einen Computer oder ein Gerät angeschlossen werden. Externe Festplatten können im Vergleich zu internen HDDs auch langsamere Datenübertragungsraten aufweisen.

Services zur Zerstörung von Festplatten

Nur weil Daten gelöscht werden und für die Anwendung oder das Betriebssystem, das sie erstellt hat, nicht mehr zugänglich sind, bedeutet das nicht, dass die Informationen nicht auf einer Festplatte verfügbar sind. Das Formatieren eines Laufwerks zerstört nicht immer alle Datenbits, ebenso wenig wie das wiederholte Überschreiben von Daten mit anderen Daten.

Spezialisierte Programme, Festplatten-Shredder genannt, überschreiben Daten und sollen diese Daten unwiederbringlich machen. Es gibt Experten, die sagen, dass Originaldaten auch nach der Verwendung eines Festplatten-Shredders noch wiederherstellbar sein können, selbst wenn der von diesen Programmen verwendete Überschreibungsprozess hunderte Male wiederholt wird. Auch das Bohren von Löchern durch die Festplatte wird nicht unbedingt ausreichen, da einige Spuren davon unberührt bleiben.


Das Zerstören der Festplattenbaugruppe
stellt sicher, dass alle Daten vernichtet sind.

Die einzige Möglichkeit, sicherzustellen, dass alle Daten auf einer Festplatte zerstört werden, besteht darin, die gesamte Baugruppe zu pulverisieren. Gegen eine Gebühr nehmen Firmen wie ProShred und Securis eine Festplatte sicher auf, transportieren sie und zerkleinern sie, ähnlich wie ein Holzhacker Bürsten und Baumstämme entsorgt. Sie werden auch gewährleisten, dass die Daten auf eine Art und Weise vernichtet wurden, die der ordnungsgemäßen Einhaltung von Vorschriften und Umweltauflagen entspricht.

Häufige Festplattenfehler

Festplatten können aus allen möglichen Gründen ausfallen. Ausfälle fallen jedoch im Allgemeinen in sechs große Kategorien.

Ein elektrischer Fehler tritt auf, wenn beispielsweise ein Stromspannungsstoß die elektronische Schaltung einer Festplatte beschädigt und dadurch den Lese-/Schreibkopf oder die Leiterplatte ausfallen lässt. Wenn sich eine Festplatte einschaltet, aber keine Daten lesen und schreiben oder booten kann, ist es wahrscheinlich, dass eine oder mehrere ihrer Komponenten einen elektrischen Ausfall erlitten haben.

Mechanisches Versagen kann sowohl durch Abnutzung als auch durch einen harten Aufprall verursacht werden, wie beispielsweise durch das Fallenlassen einer externen Festplatte oder des Computers, der eine interne Festplatte beherbergt. Dies kann unter anderem dazu führen, dass der Schreib-/Lesekopf des Laufwerks auf einen rotierenden Teller aufschlägt und dadurch irreversible physische Schäden verursacht.

Ein logischer Fehler entsteht, wenn die Software der Festplatte beeinträchtigt wird oder nicht mehr ordnungsgemäß läuft. Alle Arten von Datenbeschädigungen - wie beschädigte Dateien, Malware und Viren, das unsachgemäße Schließen einer Anwendung oder Herunterfahren eines Computers, menschliches Versagen oder versehentliches Löschen von Dateien, die für die Funktionsfähigkeit der Festplatte entscheidend sind - können zu einem logischen Versagen führen. Die Auswirkungen eines logischen Fehlers reichen von wiederkehrenden Abstürzen bis hin zu ständigem Einfrieren und Plattenfehlern, dem Verschwinden von Daten, unzugänglichen Dateien und mehr.

Ein Bad Sector Failure kann auftreten, wenn eine Fehlausrichtung der magnetischen Medien auf dem rotierenden Plattenteller einer Festplatte vorliegt, was dazu führt, dass ein bestimmter Bereich beziehungsweise bestimmte Bereiche auf dem Plattenteller unzugänglich werden. Fehlerhafte Sektoren sind alltäglich und oft begrenzt, wenn sie auftreten. Im Laufe der Zeit kann die Anzahl der fehlerhaften Sektoren jedoch zunehmen, was schließlich zu einem Absturz, zu unzugänglichen Dateien oder zum Hängenbleiben oder Verzögern des Betriebs einer Festplatte führen kann.

Ein Firmware-Fehler tritt auf, wenn die Software, die die Wartungsaufgaben auf einem Laufwerk ausführt und der Festplatte die Kommunikation mit einem Computer ermöglicht, beschädigt wird oder nicht mehr richtig funktioniert. Diese Art von Fehler kann dazu führen, dass die Platte während des Hochfahrens einfriert oder der Computer, an den eine Festplatte angeschlossen ist, diese nicht erkennt oder falsch identifiziert.

Es können auch mehrere unbekannte Ausfälle auftreten, die sich im Laufe der Zeit ansammeln. Zum Beispiel kann ein elektrisches Problem zu einem mechanischen Fehler führen, wie ein Absturz des Lese-/Schreibkopfes. Es könnte auch zu einem logischen Fehler führen, der dazu führt, dass mehrere fehlerhafte Sektoren auf den Platten der Festplatte entstehen.

Diese Definition wurde zuletzt im Mai 2020 aktualisiert

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