Festplatte (Hard Disk Drive, HDD)

Was ist eine Festplatte (HDD, Hard Disk Drive)?

Eine Festplatte, auch bekannt als Hard Disk Drive (HDD), ist ein nichtflüchtiges Storage-Medium. Dies bedeutet, dass die darauf gespeicherten Daten auch dann vorgehalten werden, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Jeder Computer benötigt Speicher, und Festplatten stellen eine Art von Speicher dar.

Festplatten sind üblicherweise in zahlreichen Geräten zu finden: in Desktop-Computern, mobilen Geräten, Unterhaltungselektronik und Speicher-Arrays in Rechenzentren. Sie sind in der Lage, Betriebssysteme, Softwareprogramme und andere Dateien auf magnetischen Platten zu speichern.

Genauer betrachtet steuern Festplattenlaufwerke das Lesen und Schreiben der Daten über einen Controller. HDDs können als primärer oder sekundärer Speicher in einem Computer eingesetzt werden. Sie sind normalerweise in einem Laufwerksschacht untergebracht und werden über verschiedene Kabeltypen wie ATA (Advanced Technology Attachment), SATA (Serial ATA), PATA (Parallel ATA), FC (Fibre Channel) oder SCSI/iSCSI (Small Computer System Interface) mit der Hauptplatine (Motherboard) verbunden. Zusätzlich sind Festplatten mit einem Netzteil verbunden, das dafür sorgt, dass gespeicherte Daten auch bei ausgeschaltetem Gerät erhalten bleiben.

Speichergeräte wie Festplatten sind notwendig, um Betriebssysteme und Programme zu installieren sowie größere Datenmengen zu speichern. Ohne diese Speichergeräte, die Daten auch nach dem Ausschalten bewahren, könnten Computer- und Speichersystemnutzer keine Programme speichern oder Dateien und andere Daten auf ihren Computern ablegen. Aus diesem Grund benötigt jeder Computer mindestens ein Speichermedium, um Daten dauerhaft speichern zu können.

Funktionsweise von Festplatten

Die meisten einfachen Festplattenlaufwerke bestehen aus mehreren Platten - einer kreisförmigen Scheibe aus Aluminium, Glas oder Keramik -, die um eine Spindel in einer abgedichteten Kammer angeordnet sind. Der Plattenteller dreht sich mit einem Motor, der mit der Spindel verbunden ist. In der Kammer befinden sich auch die Lese-/Schreibköpfe, die mit Hilfe eines Magnetkopfes Informationen auf den Platten aufzeichnen und von ihnen abschreiben. Die Platten sind außerdem mit einer dünnen magnetischen Beschichtung versehen.

Der Motor dreht die Platten mit bis zu 15.000 Umdrehungen pro Minute. Während sich die Platten drehen, steuert ein zweiter Motor die Position der Lese- und Schreibköpfe, die Informationen auf jeder Platte magnetisch aufzeichnen und lesen.

Kapazitätsoptionen von Festplatten

Zu den gängigsten Speicherkapazitäten gehören die folgenden:

• 16 GB, 32 GB und 64 GB. Dieser Bereich gehört zu den niedrigsten für HDD-Speicherplatz und ist typischerweise in älteren und kleineren Geräten zu finden.
• 120 GB und 256 GB. Dieser Bereich gilt im Allgemeinen als Einstiegskapazität für Festplattengeräte wie Laptops oder Computer.
• 500 GB, 1 TB und 2 TB. Ein Festplattenspeicher von 500 GB und mehr ist für einen durchschnittlichen Benutzer in der Regel ausreichend. Mit dieser Menge an Speicherplatz können die meisten Benutzer ihre gesamte Musik, Fotos, Videos und andere Dateien speichern. Für Personen mit Spielen, die viel Speicherplatz benötigen, ist ein Festplattenspeicher von 1 TB bis 2 TB geeignet.
• Mehr als 2 TB. Eine Kapazität von mehr als 2 TB eignet sich für Benutzer, die mit hochauflösenden Dateien arbeiten, die große Datenmengen speichern oder unterbringen müssen oder die diesen Speicherplatz für die Datensicherung und Redundanz nutzen möchten.

Die derzeit (Stand Dezember 2021) höchste Festplattenkapazität beträgt 20 TB. Eine Festplatte hat jedoch weniger Platz als angegeben, da das Betriebssystem, die Dateisystemstrukturen und einige Datenredundanzverfahren einen Teil dieses Platzes nutzen. In großen Speichersystemen muss dies aber nicht die nutzbare Kapazität sein, da sich mit Deduplizierungs- und Komprimierungsverfahren meist weitaus größere Datenmengen auf einer Festplatte unterbringen lassen.

Formfaktoren und Aufbau von Festplatten

Zu den Komponenten eines Festplattenlaufwerks gehören die Spindel, der Plattenteller, der Aktuator, der Aktuatorarm und der Lese-/Schreibkopf.

Der Festplattenformfaktor bezieht sich auf die physische Größe oder Geometrie des Datenspeichers. Die Formfaktorenvon Festplatten folgen einer Reihe von Industriestandards, die ihre Länge, Breite und Höhe sowie die Position und Ausrichtung des Host-Schnittstellenanschlusses festlegen. Ein Industriestandard-Formfaktor trägt dazu bei, die Kompatibilität mit verschiedenen Computergeräten zu gewährleisten.

Die gängigsten Formfaktoren für Festplatten in Unternehmenssystemen sind 2,5-Zoll und 3,5-Zoll - auch bekannt als Small Form Factor (SFF) und Large Form Factor (LFF). Die Maße 2,5 Zoll und 3,5 Zoll geben den ungefähren Durchmesser der Platte im Laufwerksgehäuse an.

Es gibt zwar noch andere Formfaktoren, aber 2009 haben die Hersteller die Entwicklung von Produkten mit 1,3-Zoll-, 1-Zoll- und 0,85-Zoll-Formfaktoren eingestellt. Der sinkende Preis für Flash-Speicher machte diese anderen Formfaktoren fast überflüssig. Es ist auch wichtig zu wissen, dass die Nenngrößen zwar in Zoll angegeben sind, die tatsächlichen Abmessungen jedoch in Millimetern.

Viele Solid-State Disks (SSDs) sind auch für den HDD-Formfaktor ausgelegt. SSDs, die in dieselben Steckplätze wie HDDs passen, verwenden in der Regel die SATA- oder SAS-Schnittstelle (Serial-Attached SCSI), um Daten zum und vom Host-Computersystem zu übertragen. Bei den SSDs werden aber auch PCIe- und NVMe-Technologien verwendet, um einen schnelleren Datentransfer zu ermöglichen.

Externe Festplatten als spezielle Art der HDD

Die meisten Festplatten befinden sich im Inneren eines Computers und funktionieren wie oben beschrieben. Einzelpersonen können jedoch auch externe Festplatten kaufen. Externe Festplatten können verwendet werden, um die Speicherkapazität eines Computers zu erweitern oder als tragbares Gerät zur Datensicherung (Backup) zu dienen. Externe Festplatten werden über Schnittstellen wie USB 2.0, USB-C oder mit External SATA (eSATA) an einen Computer oder ein Gerät angeschlossen. Externe Festplatten können im Vergleich zu internen HDDs auch langsamere Datenübertragungsraten haben.

Der Hauptvorteil einer externen Festplatte ist neben der Möglichkeit, den Speicherplatz eines Geräts zu erweitern, die Mobilität. Die Benutzer können Daten von mehreren Geräten speichern und diese Daten überallhin mitnehmen.

Die geläufigsten Fehlermeldungen bei Festplatten

Festplatten können aus allen möglichen Gründen ausfallen. Im Allgemeinen lassen sich die Fehler jedoch in die folgenden sechs großen Kategorien einteilen.

• Ein elektrischer Fehler tritt auf, wenn beispielsweise ein Stromstoß die elektronischen Schaltkreise einer Festplatte beschädigt, so dass der Lese-/Schreibkopf oder die Platine ausfällt. Wenn eine Festplatte eingeschaltet wird, aber keine Daten lesen und schreiben oder booten kann, ist es wahrscheinlich, dass eine oder mehrere ihrer Komponenten einen elektrischen Defekt erlitten haben.
• Ein mechanisches Versagen kann durch Abnutzung oder durch einen harten Aufprall, zum Beispiel einen harten Fall, verursacht werden. Dies kann unter anderem dazu führen, dass der Schreib-/Lesekopf auf eine rotierende Platte trifft, was irreversible physische Schäden verursacht.
• Logische Fehler treten auf, wenn die Software der Festplatte beeinträchtigt ist oder nicht mehr richtig funktioniert. Alle Arten von Datenbeschädigungen können zu einem logischen Ausfall führen. Dazu gehören beschädigte Dateien, Malware und Viren, das unsachgemäße Schließen einer Anwendung oder das Herunterfahren eines Computers, menschliches Versagen oder das versehentliche Löschen von Dateien, die für die Funktionalität der Festplatte wichtig sind.
• Fehlerhafte Sektoren (Bad Sector) können auftreten, wenn die magnetischen Medien auf der rotierenden Platte einer Festplatte falsch ausgerichtet sind, was dazu führt, dass ein bestimmter Bereich auf der Platte unzugänglich wird. Fehlerhafte Sektoren treten häufig auf und sind oft begrenzt, wenn sie auftreten. Im Laufe der Zeit kann die Anzahl der fehlerhaften Sektoren jedoch zunehmen, was schließlich zu einem Systemabsturz, unzugänglichen Dateien oder dem Ausfallen oder Verzögern des Betriebs einer Festplatte führt.
• Firmware-Fehler treten auf, wenn die Software, die die Wartungsaufgaben auf einem Laufwerk durchführt und die Kommunikation der Festplatte mit dem Computer ermöglicht, beschädigt wird oder nicht mehr richtig funktioniert. Diese Art von Fehler kann dazu führen, dass die Festplatte beim Hochfahren einfriert oder der Computer, an den die Festplatte angeschlossen ist, sie nicht erkennt oder falsch identifiziert.
• Es können auch mehrere unbekannte Fehler auftreten, die sich im Laufe der Zeit häufen. So kann beispielsweise ein elektrisches Problem zu einem mechanischen Fehler führen, etwa einem Absturz des Lese-/Schreibkopfs. Es kann auch zu einem logischen Fehler führen, bei dem sich mehrere fehlerhafte Sektoren auf den Platten der Festplatte bilden.

Eine kurze Historie der Festplatte

Die Festplatte wurde 1953 von IBM-Ingenieuren entwickelt, die nach einer Möglichkeit suchten, den wahlfreien (random) Zugriff auf große Datenmengen zu geringen Kosten zu ermöglichen. Die entwickelten Laufwerke hatten die Größe eines Kühlschranks, konnten 3,75 MB Daten speichern und wurden 1956 auf den Markt gebracht. Memorex, Seagate Technology und Western Digital waren weitere frühe Anbieter der Festplattentechnologie.

Die Größe des Formfaktors von Festplattenlaufwerken hat sich mit der Weiterentwicklung der Technologie weiter verringert. Mitte der 1980er Jahre wurden 3,5-Zoll- und 2,5-Zoll-Formfaktoren eingeführt und wurden zum Standard in PCs.

Die Dichte von Festplattenlaufwerken hat sich seit der Entwicklung der Technologie erhöht. Die ersten Festplatten konnten Daten im Megabyte-Bereich speichern, während ihre Speicherkapazität heute im Terabyte-Bereich liegt. Hitachi Global Storage Technologies (HGST) - heute eine Marke von Western Digital - brachte 2007 die ersten 1-TB-Festplatten heraus. Im Jahr 2015 kündigte HGST die erste 10-TB-Festplatte an. Und im Jahr 2021 stellte Western Digital zwei 20-TB-Festplatten vor.

Technologie-Entwicklungen im Bereich der Festplatten

2013 kündigte Seagate Technology Festplattenlaufwerke an, die die SMR-Technologie (Shingled Magnetic Recording) verwenden. SMR erhöht die Speicherdichte von Festplattenlaufwerken, indem die Magnetspuren auf jeder Platte geschichtet werden, anstatt sie parallel zueinander anzuordnen. Sie wird als geschindelt bezeichnet, weil sich die Spuren ähnlich wie die Schindeln auf einem Dach überlappen.

HGST kündigte 2012 das erste mit Helium gefüllte Festplattenlaufwerk an. Helium ist weniger dicht, kühler und leichter als Luft, verbraucht weniger Strom, erhöht die Festplattendichte und verbessert die Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Festplattenlaufwerken. Im Jahr 2016 kündigte Seagate seine eigene 10-TB-Helium-Festplatte an.

Im Jahr 2021 stellte der Festplattenhersteller Western Digital zwei 20-TB-HDDs vor: die Ultrastar DC HC560 und die WD Gold HDD Enterprise Class SATA HDD. Derzeit ist 20 TB die größte verfügbare HDD-Größe. Beide Festplatten haben den Standard 3,5-Zoll-Formfaktor, sind aber für unterschiedliche Einsatzzwecke geeignet. Die Ultrastar DC HC560 ist für Cloud-Storage-Anbieter und für Unternehmensserver, Sicherheitssysteme und Netzwerkspeichergeräte gedacht. Die WD Gold HDD wurde für Unternehmen entwickelt, die hohe Anwendungslasten bewältigen müssen.

Festplatten und SSDs im Vergleich

Die wichtigste Alternative zu Festplattenlaufwerken sind Solid-State-Laufwerke.

Im Gegensatz zu Festplatten enthalten SSDs keine beweglichen Teile. SSDs haben außerdem eine geringere Latenzzeit als HDDs und werden daher häufig für die Speicherung kritischer Daten, auf die schnell zugegriffen werden muss, und für Anwendungen mit einem hohen Eingabe-/Ausgabebedarf (I/Os) bevorzugt. SSDs sind so konfiguriert, dass sie hohe Lese-/Schreibgeschwindigkeiten für sequenzielle und zufällige (random) Datenanforderungen liefern. Außerdem werden Daten bei SSDs nicht magnetisch gespeichert, so dass die Leseleistung konstant bleibt, unabhängig davon, wo die Daten auf dem Laufwerk gespeichert sind. SSDs haben zudem schnellere Boot-Zeiten.

Aufgrund dieser Vorteile und der Tatsache, dass HDDs anfälliger für Ausfälle sind, werden HDDs nun zunehmend durch SSDs ersetzt.

Obwohl die meisten PC-Nutzer SSDs bevorzugen, werden HDDs - zusammen mit Magnetbändern - immer noch häufig zum Speichern großer Datenmengen verwendet. Das liegt zum Teil daran, dass SSDs im Verhältnis zum Preis pro Gigabyte teurer sind als HDDs. Viele Unternehmensspeicher-Arrays werden mit einer Mischung aus HDDs und SSDs ausgeliefert, um die Kosten zu senken und gleichzeitig eine bessere Leistung zu erzielen. SSDs haben außerdem eine bestimmte Lebenserwartung und eine begrenzte Anzahl von Schreibzyklen, bevor die Leistung nachlässt. Im Vergleich zu einer HDD fallen SSDs schneller aus.