Wie funktioniert eine Festplatte? #6

An was denkt ihr, wenn ihr Massenspeicher hört? Sehr wahrscheinlich an die Festplatte. Sie ist nämlich der verbreitetste Massenspeicher, den es gibt. Und obwohl sie schon seit 1955 produziert wird, stellt sie immer noch die günstigste Lösung dar, viele Daten zu speichern. Im Folgenden schauen wir uns jetzt an, welche Teile es allein an der Festplatte gibt, wie sie funktionieren und im Specs-Check gibt es dieses Mal wieder ein besonderes Gerät, das sogleich als Überleitung zum nächsten Video fungiert. Viel Spaß! Die Festplatte ist ein magnetisches Speichermedium, bei dem Daten auf rotierenden Scheiben geschrieben und abgelesen werden. Aufgrund dieser starren Scheiben nennt man sie im Englischen auch Hard Disk Drives, also HDD oder nur Hard Disk, also HD. Und da die Festplatte eben schon eine sehr lange Entwicklungsgeschichte hinter sich hat, gab und gibt es sie in verschiedensten Größen. Sie wird aber immer in Zoll angegeben und beschreibt in ungefähren Durchmesser der Scheibe, aber auch indirekt die Länge, Breite und Höhe des Festplattengehäuses. In der Vergangenheit gab es sehr große 5,25 Zoll Festplatten, die bis zu einer Speichergröße von 47 GB produziert wurden und sehr kleine 1 und sogar 0,85 Zoll Platten, die nur bis ca. 8 GB reichten. Durchgesetzt haben sich aber schließlich 3,5-, 2,5- und 1,8 Zoll Festplatten. Die 3,5 Zoller werden dabei hauptsächlich für Desktop-Computer und als große externe Festplatten verwendet. Die maximale Speichergröße liegt momentan nämlich bei riesigen 6 TB. Die kleinere 2,5 Zoll Variante benutzt man auch in Desktop-Computern, vor allem aber in Notebooks und als externe Speichermedien, da sie im Gegensatz zur 3,5 Zoll Platte neben dem Datenkabel keine zusätzliche Stromzufuhr benötigen, allerdings gibt es sie nur bis zu einer Speichergröße von 2 TB. Und die momentan kleinste Variante, die 1,8 Zoll Festplatte, wird fast nur in kleinen Notebooks verwendet und hat eine maximale Größe von 320 GB. Jetzt aber ganz abgesehen vom Formfaktor der Festplatte, sind alle sehr ähnlich aufgebaut. Die wichtigsten Komponenten wären zum einen die Platten mit ihrem Motor und der Aktuatorarm, der die Lese- und Schreibköpfe trägt und bewegt. Die rotierenden Scheiben, Platten oder im Englischen auch Plätter, enthalten die gespeicherten Informationen. Diese harten Scheiben bestehen hauptsächlich aus Aluminium- oder Magnesiumlegierungen oder auch aus Glas. Hauptsache, sie sind formstabil, nicht magnetisch und haben dabei eine möglichst geringe elektrische Leitfähigkeit. Über diesem Grundmaterial befindet sich dann eine sehr dünne magnetische Schicht, die aus Eisenoxid oder Kobalt besteht. Die enthält dann die eigentlichen Daten, nämlich winzige magnetische Partikel, die eine gewisse Polung besitzen. Früher wurde bei der Speicherung das sogenannte Longitudinal Recording benutzt, bei dem die Partikel sich liegend in der Schicht befinden. Da aber immer höhere Datendichten erzielt werden mussten, wurde das Perpendicular Recording erfunden, bei dem die Magnetpartikel stehend in der Datenschicht untergebracht werden. Diese neue Technik hat die Datendichte auf einer Festplatte verfünffacht. Über der magnetischen Datenschicht gibt es dann noch eine Kohlenstoffschicht, die ein fast schon diamantenes Schutzschild darstellt und alle Daten vor mechanischen Beschädigungen schützt. Von diesen Platten, wie ich am Anfang schon angemerkt habe, gibt es meistens nicht nur eine, sondern bis zu fünf in einer Festplatte. Das erhöht die Speichergröße natürlich dementsprechend und außerdem befinden sich die Datenschichten auf beiden Seiten einer Platte, was die Speichergröße nochmals verdoppelt. Diese große Fläche an Daten muss nun erstmal organisiert und eingeteilt werden, damit man weiß, an welcher Stelle man etwas geschrieben hat, um es danach wieder lesen zu können. Zunächst einmal werden die Seiten der Platten durchnummeriert. Die Oberseite der ersten Platte ist die 1, die Unterseite die 2, die Oberseite der zweiten Platte ist dann die 3 und die Unterseite die 4 und so weiter. Dann lässt sich jede Seite in einige tausend Spuren oder Tracks einteilen. Das sind einfach konzentrische Kreise auf der Scheibe. Je weiter außen sich eine Spur befindet, desto mehr Daten kann sie fassen. Übereinanderliegende Spuren, also Spuren, die sich an gleicher Position, aber auf anderen Seiten bzw. Platten befinden, nennt man dann Zylinder, die auch wieder durchnummeriert werden. Eine Spur kann nun weiter in die kleinste Zuordnungseinheit eingeteilt werden, nämlich in Blöcke. Ein Block hat dann eine Größe von 4096 Byte. Blöcke, die sich an der gleichen Winkelposition befinden, kann man schließlich noch als Sektor bezeichnen. Mit diesen ganzen Einteilungen ergibt sich ein Koordinatensystem, mit dem man jeden Speicherblock in einer Festplatte präzise adressieren kann. Die Seitennummer gibt somit die Höhe an, die Zylindernummer den Radius und die Sektornummer den Winkel. Nun bringt es aber ja nichts, Daten auf den Platten zu haben und zu wissen, wo sie sind, ohne sie lesen oder verändern zu können. Aus diesem Grund benötigen wir Lese- bzw. Schreibköpfe. Für jede Seite einer Platte gibt es deshalb einen Kopf, allerdings gibt es nur einen Aktuatorarm, der alle Köpfe zugleich bewegt und auf die gewünschten Positionen bringt. Während die Köpfe sich bewegen, haben sie nur einen Abstand von drei Nanometern zur Plattenoberfläche. Und drei Nanometer sind einfach verdammt klein. Um sich das mal vor Augen zu führen, das ist ein Zehntel der Größe eines Viruses. Es ist also niemals möglich, diesen extrem kleinen Abstand mechanisch zu verwirklichen. Da der geringe Abstand aber für das korrekte Lesen und Schreiben notwendig ist, macht man sich die Physik zunutze. Stichwort Bodeneffekt. Während sich die Platten mit bis zu 15.000 Umdrehungen pro Minute unter den Köpfen hindurch bewegen, wird zwangsläufig auch die Luft über der Oberfläche beschleunigt. Die mitgerissenen Luftmassen dringen dabei unter dem Kopf vorbei und erzeugen ein Luftpolster, das zum einen Stöße dämpft und einen konstanten Abstand gewährleistet. Der eigentliche Lese- und Schreibkopf ist nun im Prinzip ein winziger Elektromagnet. Also ein Eisenkern, der mit einem Draht umwickelt und anschließend mit Strom durchflossen wird. An den beiden Enden treten dann die Feldlinien des Magnetfeldes aus und wieder ein. Beim Lesen bewegt sich der Kopf zuerst über den gewünschten Speicherort. Wenn sich die Magnetisierung aufeinanderfolgender Bits ändert, dann wird in die Spule des Kopfes Strom induziert, der zu einem Spannungsimpuls resultiert. Der Kopf erkennt also nur magnetische Änderungen, womit man aber auf die einzelnen Zustände der Bits schließen kann. Beim Schreiben wird dabei, je nach vorherrschendem Zustand des Bits, ein Strom gleicher Stärke, aber anderer Polung in die Spule des Kopfes gegeben. Der Strom erzeugt dabei wieder ein Magnetfeld, das gebündelt auf die gewünschte Stelle trifft und das Bit umpult. Neben den eben besprochenen Hauptbestandteilen befindet sich auf einer Festplatte dann noch ein Controller, der die Lese- und Schreibvorgänge organisiert und zwei bis 64 MB Cache-Speicher, der Daten zwischenspeichert und somit die Datenrate erhöht. Diese Datenrate liegt bei aktuellen Festplatten bei maximal 150 MB pro Sekunde. Ebenso wichtig ist jedoch auch die Zugriffszeit, die besonders bei vielen kleinen Daten eine große Rolle spielt. Sie setzt sich aus zwei verschiedenen Zeiten zusammen. Zum einen ist das die Spurwechselzeit. Das ist die Zeit, die der Aktuatorarm benötigt, um auf die gewünschte Position zu fahren und zum anderen die Latenzzeit, die angibt, wie lange es dauert, bis der gesuchte Sektor unter dem Lese- bzw. Schreibkopf erscheint. Da die Platten sich mit üblicherweise 5400 oder 7200 Umdrehungen pro Minute drehen, wäre das eine maximale Zeit von 5,6 bzw. 4,2 Millisekunden. Zusammen mit der Spurwechselzeit ergibt sich dann eine ungefähre Zugriffszeit von 7 Millisekunden. Diese ganzen Komponenten und noch einige kleinere befinden sich dann in einem robusten, staubfreien Gehäuse, aber lasst uns das doch gleich an einem echten Beispiel betrachten. Willkommen zum Specs-Check! Hier seht ihr eine 3,5 Zoll Seagate-Festplatte mit dem wunderschönen Namen ST2000DX001. In der Infobox gibt es wieder einen Link, wo ihr euch die Festplatte genauer auf minefactory.de anschauen könnt. Kurz zu den Spezifikationen. Es lassen sich bis zu 2 TB Daten daraus speichern, die Platten drehen sich mit 7200 Umdrehungen pro Minute, was zu einer mittleren Zugriffszeit von 8,9 Millisekunden führt und es gibt einen 64 MB Cache. Setzen wir mal wieder unseren Röntgenblick ein, sehen wir unter dem Deckel die drei rotierenden Scheiben, die dazugehörigen sechs Lese- bzw. Schreibköpfe und den Aktuatorarm. Das hier ist eine sogenannte Lande- oder Parkzone, an die sich die Köpfe bei Stillstand, Stromausfall und Stürzen der Platte bewegen. Auf der Rückseite sieht man nun ein PCB, auf dem sich rückseitig der Controller und der Cache befinden. Außerdem sieht man hier auch, wie man die Festplatte mit dem Computer verbindet und welche Stromzufuhr sie benötigt. Heutzutage wird meist SATA 6G für den Datentransport verwendet. SATA bedeutet Serial Advanced Technology Attachment und der 6G ist die aktuelle Version davon, die 6 GB Daten pro Sekunde übermitteln kann. Für die Stromversorgung sieht man dann links daneben noch einen 15-poligen SATA-Stromanschluss. Die kleine Öffnung hier stellt eine Verbindung zum Inneren der Platte dar, damit werden nämlich Druckunterschiede ausgeglichen. Dabei muss aber sichergestellt werden, dass kein Staub ins Gehäuse eindringt. Deshalb befindet sich an diesen Luftlöchern immer eine Filtermembran oder eine Membran, die zwar luftdicht ist, durch ein Auswölben aber auch Druckunterschiede kompensieren kann. Und jetzt kommen wir zur Besonderheit dieser Festplatte und ich muss zugeben, dass ich Euch etwas verschwiegen habe. Es handelt sich dabei nämlich nicht um eine normale HDD, sondern um eine SSHD. Sie besitzt nämlich zusätzlich noch einen 8 GB Flashspeicher an Bord, was sozusagen als sehr großer Cache-Speicher fungiert und einen deutlichen Beschleunigungsboost ergibt. Diese Festplatte ist also ein Hybrid zwischen HDD und SSD. Wie aber eine SSD funktioniert, schauen wir uns im nächsten Video an. Danke fürs Anschauen! Lasst wie immer Eure Gedanken in Form eines Kommentars und einer Bewertung da. Wenn Ihr auch wissen wollt, wie extrem schneller Speicher, nämlich der Arbeitsspeicher funktioniert, klickt links oben. Rechts davon gelangt Ihr zur Playlist mit allen Computer-Videos und darunter erfahrt Ihr heute, wie groß das Internet ist.