Festplatten – die Massen-Speichermedien
Festplatten haben ihre umgangssprachliche Bezeichnung wegen des festen Verbaus in einem Gerät, im Gegensatz zu wechselbaren Speichermedien wie Disketten, CDs etc. Sie sind das wichtigste moderne Speichermedium für Computer- und Netzwerktechnik sowie Elektronikanwendungen.
Die Festplatte wurde 1956 von IBM entwickelt und zog zunächst in Großrechner sowie ab den 198er Jahren als Massenspeichermedium in den Personalcomputer ein. Sie ist bis heute ein leistungs- und kapazitätsstarkes Speichermedium in Rechnersystemen aller Art.
Sie wird in Computern, rechnerbasierten Messgeräten, Medizingeräten, Aufzeichnungs- und A/V-Speichergeräten bis hin zu Multimedia-Ausstattungen von Autos eingesetzt.
Die traditionelle Festplatte – Aufbau und Funktionsweise
Die traditionelle Festplatte besteht aus einer oder mehreren, sehr schnell rotierenden, magnetisierbaren Scheiben mit einer hartmagnetischen Beschichtung. Diese befinden sich komplett mit Motor und Steuerung in einem staubdichten Gehäuse, um keinerlei Verunreinigungen der Magnetplatte zuzulassen. Eine Ausgleichsöffnung mit einem Luftfilter bzw. eine Ausgleichsmembran ermöglicht den Druckausgleich zwischen Innerem und Umgebung der Festplatte.
Warum ist die Festplatte nicht hermetisch abgeschlossen und luftleer? Die Luft bzw. heute vielfach ein Edelgas (Helium) sorgt für das „Schweben” der Schreib-Leseköpfe über der Magnetplatte. Die Köpfe bewegen sich auf einem Luftpolster von wenigen Nanometern über die Scheibenoberfläche. Ohne dieses würden sie die Oberfläche berühren und diese mechanisch zerstören. Dies und vor allem die Verschmutzungsgefahr selbst durch kleinste Staubteilchen sind auch ein Grund, weshalb Festplattenreparaturen in Reinräumen ausgeführt werden müssen.
Das Beschreiben und Lesen erfolgt über quer und berührungslos über die Plattenoberfläche führbare Schreib-/Lesekopf-Einheiten in konzentrischen Spuren. Der Schreib-/Lesekopf magnetisiert beim Schreiben durch Übertragung eines durch Stromfluss im Takt der Daten erzeugten, eng begrenzten Magnetfeld bestimmte Bereiche der Platte. Diese Bereiche werden dadurch restmagnetisch gehalten und so wird die Information dauerhaft gespeichert.
Das Speichern der Daten erfolgt nach einer strengen Organisation in adressierten Blöcken/Sektoren der Magnetscheibe. Die Information darüber, wo welche Information verwahrt ist, wird in der Controllerelektronik der Festplatte abgelegt.
Beim Lesen wird der Schreib-/Lesekopf vom Controller über die Adressierung gesteuert. Er wird exakt auf die Spur und den Sektor der Magnetscheibe gebracht, wo die gewünschte Information abgelegt ist. Der Lesekopf erfasst die wechselnde Magnetisierung im abgetasteten Sektor und gibt diese Magnetfeldänderungen als Datenstrom an eine Elektronik weiter, die den Datenstrom auswertet.
Im Ruhezustand werden die zwar berührungslos arbeitenden, aber extrem dicht über die Platte geführten Schreib-/Leseköpfe in eine Parkposition gefahren. Dadurch wird verhindert, dass die Köpfe bei mechanischen Einflüssen wie z. B. beim Transport irreparabel mit der Platte kollidieren können (Head-Crash). In diesem Falle wären sowohl Kopf wie auch Magnetscheibe mechanisch beschädigt und die Daten verloren.
Zahlreiche Fehlerkorrektur- und Überprüfungsabläufe der Controllerelektronik sichern die Konsistenz der Daten, verhindern Datenfehler und markieren Defektbereiche der Festplatte, die im Laufe der Nutzung entstehen.
Moderne Festplatten können in beliebiger Lage und auch mobil betrieben werden, während früher eine bestimmte Lage einzuhalten war. Auch über diese Eigenschaft gibt das jeweilige Datenblatt Auskunft.
Was ist eine SSD Festplatte und wie funktioniert sie?
Eine SSD (Solid State Drive) ist ein aus großen Speicherblöcken zusammengestellter, sehr kompakter Flash-Speicher bzw. ein nichtflüchtiger Halbleiterspeicher (EEPROM). Dieser enthält keine mechanisch bewegten Elemente und arbeitet so nicht nur geräuschlos, sondern ist auch unempfindlich gegen mechanische oder andere Umgebungseinflüsse.
Diese Speicherart speichert im Gegensatz zum RAM-Speicher Informationen dauerhaft und das auch ohne ständige Stromzufuhr. Diese wird nur zum Lesen, Schreiben und Löschen benötigt.
Die Speicherung von Informationen erfolgt hier durch das definierte Ablegen elektrischer Ladungen in aus speziellen Feldeffekttransistoren (MISFET) gebildeten Speicherzellen, die beim Lesen wieder erfasst werden. Um eine Speicherzelle mit einer neuen Information beschreiben zu können, ist immer eine Löschoperation notwendig. Diese Löschzyklen bestimmen die Lebensdauer des Speichers. Der prinzipbedingte Verschleiß von Speicherzellen durch Schäden in ihrer Oxidschicht mit folgendem Ausfall muss über ein Defektmanagement aufgefangen werden.
Die Abläufe zum Speichern, Auslesen, Löschen und die Verwaltung inklusive des Defektmanagements erfolgt über einen internen Controller. Über externe Programme kann man das Defektmanagement analysieren und den Nutzer vor baldigem Ausfall warnen.
Bei Flash-Speichern gibt es zwei Architekturen der Zusammenschaltung der einzelnen Speicherzellen: NAND und NOR. Für den Benutzer spielen diese Architekturen eine Rolle für den Einsatz: NAND-Speicher sind extrem kompakt und bringen so eine hohe Speicherdichte auf kleinem Raum. Durch die serielle NAND-Organisation sind die Zugriffszeiten jedoch höher als beim parallel arbeitenden NOR-Speicher.
Flash-Speicher haben eine begrenzte Lebensdauer von wenigen 1. Löschzyklen für NOR-Flash und einigen Millionen Zyklen für NAND-Flash.
Umgangssprachlich wird eine auf SSD basierende Festplatte auch SSD Festplatte genannt. Zudem zählen auch USB-Sticks zu den Flash-Speichern.
Die unterschiedlichen Schnittstellen der Festplatten
Die bedeutendste Schnittstelle im Consumerbereich ist heute die SATA-Schnittstelle, auch S-ATA geschrieben. Während das S für serielle Datenübertragung steht, verbirgt sich hinter dem ATA das verwendete AT-Übertragungsprotokoll. Die serielle Datenübertragung erfordert deutlich weniger Leitungen als die beim Vorgängerstandard ATA verwendete parallele Schnittstellentechnik.
Je Übertragungsrichtung wird nur ein Busleitungspaar benötigt. Entsprechend kompakt sieht der SATA-Datenstecker aus. Auch der Stromversorgungsstecker fällt kompakt aus. Hier kommt, gegenüber dem früher üblichen PC-Stromversorgungsstecker ein 15-poliger Stecker zum Einsatz, der u. a. Hot-Plugging erlaubt. Dazu ermöglicht er, eine Aktivitäts-LED indirekt anzusteuern und die Festplatte erst anlaufen zu lassen, wenn eine Aktivität angefordert wird. So kann die Festplatte stromsparend betrieben werden, was wiederum wichtig z. B. in mobilen Geräten mit Akkuversorgung ist.
Die heute verfügbare SATA-Schnittstelle kann je nach Version zwischen nominell 1,5 GB/s (SATA I) bis 6 GB/s (SATA III) übertragen.
Ältere Rechner kann man über einen IDE-SATA-Adapter und eine Änderung im BIOS mit einer modernen SATA-SSD ausrüsten.
Eine Sonderrolle spielt der Standard mSATA (mini-SATA), der besonders für SSD-Module und kleine SSD Festplatten zum Einsatz kommt. Dieser entspricht mechanisch dem Mini-PCIe-Anschluss, elektrisch ist er jedoch als SATA belegt.
SSD Speicherkarten findet man heute vielfach im nochmals miniaturisierten Schnittstellenformat M.2 wie z. B. in Tablet-Computern. Dies hat den Zweck, u. a. eine besonders flache Gesamtbauhöhe zu erreichen. M.2 unterstützt SATA III.
Baugrößen und Kapazitäten
Die Festplatte wird, je nach Einsatzzweck, in den Standard-Laufwerks-Formaten 3,5”, 2,5” und 1,8” angeboten.
M.2-SSD-Speicher sind für die geräteinterne Montage in verschiedenen Breiten von 12 bis 3 mm und Längen von 16 bis 11 mm erhältlich.
Während eine 1 Terabyte Festplatte vor wenigen Jahren noch als eine enorme Kapazitätsgröße gehandelt wurde, haben sich die Kapazitäten der heutigen Festplatten inszwischen erheblich gesteigert. Sie gehen heute von der SSD mit 12 GB, 256 GB oder der SSD mit 5 GB bis zur Festplatte mit den Standardkapazitäten 1 TB, 2 TB, 4 TB oder 5 TB. Aktuell (22) sind 3,5”-Festplatten sogar mit bis zu 18 TB verfügbar.
Externe Festplatten
Neben internen Festplatten gibt es auch externe Festplatten, die meist Standard-Festplatten sind (heute vermehrt externe SSD Festplatten) und außerhalb des Computers eingesetzt werden. Sie dienen zur Erweiterung des Systems (z. B. als RAID-Block), zur zentralen Speicher-Bereitstellung (z. B. NAS), zum einfachen Datentransport und als einfach an einem sicheren Ort lagerbares Backup-Medium.
Intenso hat sich hier als ein breit aufgestellter Hersteller positioniert und so sind Intenso Festplatten heute vielen Menschen ein Begriff.
Der Anschluss dieser Festplatten erfolgt in den meisten Fällen über eine interne USB-Bridge, sodass man die Festplatte einfach per USB anschließen kann und der Computer diese meist sogar ohne eine Installation von Treibern sofort als externes Speichermedium erkennt.
Für eine besonders schnelle Datenübertragung gibt es weitere Schnittstellen wie Firewire/Thunderbolt.
Externe Festplatten können auch direkt über einen eSATA-Anschluss des Computers über ein eSATA-Kabel mit diesem verbunden werden.
Insbesondere Festplattencluster wie RAID- oder NAS-Systeme sind auch über Ethernet in Computer-Netzwerke einbindbar. Sie enthalten eigene Controller für die Zugriffssteuerung und Verwaltung.
Für den Einsatz älterer IDE-Festplatten als externe Festplatte gibt es IDE-Adapter, die auf verschiedene Schnittstellen wie USB, Firewire oder SATA umsetzen.
Externe Festplatten lassen sich auch einfach selbst bauen. Meist enthalten angebotene Gehäusebausätze alle Befestigungselemente und Schnittstellen, um z. B. eine USB-Festplatte bauen zu können. So kann man bspw. PC-Festplatten, die wegen zu geringer Kapazität ausgetauscht wurden, noch als externe Festplatte für bestimmte Zwecke weiternutzen.
Die beschriebenen Standardkapazitäten der Festplatten finden genauso auch hier ihre Anwendung. So gibt es bspw. auch externe Festplatten mit 1 TB, 2 TB, 4 TB oder 5 TB.
