Festplattenlaufwerk

Ein Festplattenlaufwerk (englisch hard disk drive, Abkürzung HDD), oft auch als Festplatte oder Hard Disk (abgekürzt HD) bezeichnet, ist ein magnetisches Speichermedium der Computertechnik, bei welchem Daten auf die Oberfläche rotierender Scheiben (auch englisch „Platter“ genannt) geschrieben werden. Zum Schreiben wird die hartmagnetische Beschichtung der Scheibenoberfläche entsprechend der aufzuzeichnenden Information berührungslos magnetisiert. Durch die Remanenz (verbleibende Magnetisierung) erfolgt das Speichern der Information. Das Lesen der Information erfolgt durch berührungsloses Abtasten der Magnetisierung der Plattenoberfläche.

Im Unterschied zu sequentiell adressierten Speichermedien wie Magnetband oder Lochstreifen werden Festplatten den direktadressierbaren Speichermedien (engl. direct access storage devices, DASD) zugerechnet, da kein linearer Durchlauf erforderlich ist, um zu einer bestimmten Speicherstelle zu gelangen. Vor der Nutzung im PC-Bereich ab den 1980er Jahren wurden Festplatten vor allem im Mainframe-Bereich genutzt. Die Daten können in unterschiedlichen Organisationsformen auf den Festplatten gespeichert sein. CKD (count key data) organisierte Festplatten enthalten je nach Satzformat unterschiedlich lange Datenblöcke. FBA (fix block architecture) organisierte Festplatten enthalten gleich lange Datenblöcke, die üblicherweise 512 oder 4096 Byte groß sind. Ein Zugriff muss immer eine ganze Zahl von Blöcken umfassen.

Seit dem Jahr 2007 werden auch im Endkundenmarkt Flash-Speicher (sogenannte Solid-State-Drives, abgekürzt SSD) und Hybridspeicher (Kombinationen aus SSD und konventionellen Festplatten) angeboten, die über die gleichen Schnittstellen (Spezifikation nach SATA usw.) angesprochen und vereinfacht ebenfalls als „Festplatten“ bezeichnet werden. Pro Terabyte ist eine billige Desktop-SSD (Stand Oktober 2018) etwa sieben- bis achtmal so teuer wie eine billige konventionelle Desktop-Festplatte, erreicht aber erheblich geringere Zugriffszeiten sowie höhere Schreib- und Lesegeschwindigkeiten.Aufgrund des geringeren Preises je Speichereinheit finden konventionelle Festplatten insbesondere bei Anwendungen, die hohe Kapazitäten, aber keine hohen Geschwindigkeiten erfordern (bspw. beim Einsatz im NAS zur Medienspeicherung im privaten Rahmen) noch vielfache Verwendung.

Die Bezeichnung „Festplatte“ beschreibt zum einen, dass die Magnetplatte im Gegensatz zur „Wechselplatte“ fest mit dem Laufwerk beziehungsweise dem Computer verbunden ist. Zum anderen entspricht sie der englischen Bezeichnung „Hard Disk“, die im Gegensatz zu flexiblen (engl. floppy) Scheiben in Disketten aus starrem Material besteht. Dementsprechend war bis in die 1990er Jahre auch rigid disk gebräuchlich.

Allgemeine technische Daten
Festplatten werden durch (sogenannte „Low-Level“-)Formatierung mit einer Zugriffsstruktur versehen. Seit Anfang der 1990er Jahre mit Aufkommen von IDE-Festplatten erfolgt dies beim Hersteller und kann auch nur noch durch den Hersteller durchgeführt werden. Der Begriff „Formatieren“ wird auch für das Anlegen eines Dateisystems verwendet („High-Level-Formatierung“).

Bei der Low-Level-Formatierung werden verschiedene Markierungen und die Sektor-Header geschrieben, die Spur- und Sektornummern zur Navigation enthalten. Die bei aktuellen Festplatten mit Linearmotoren notwendigen Servoinformationen können nicht durch den Benutzer geschrieben werden. Servoinformationen sind notwendig damit der Kopf der „Spur“ zuverlässig folgen kann. Eine rein mechanische Führung ist bei höherer Spurdichte nicht mehr möglich und zu ungenau – bei einer Spurdichte von 5,3 Spuren/µm ist eine Spur nur 190 nm breit.

Speicherkapazität

Zeitliche Entwicklung der Speicherkapazität von PC-Festplatten, einfach logarithmische Skalierung
Die Speicherkapazität einer Festplatte berechnet sich aus der Größe eines Datenblocks (256, 512, 2048 oder 4096 Byte) multipliziert mit der Anzahl der verfügbaren Blöcke. Die Größe der ersten Festplatten wurde in Megabyte angegeben, ab etwa 1997 in Gigabyte, seit etwa 2008 gibt es Platten im Terabyte-Bereich.

War die Art und Weise der Speicherung der Daten der ersten Platten noch „von außen sichtbar“ (dem Festplattencontroller, dem Bios und dem Betriebssystem mussten die Sektoren pro Spur, Anzahl der Spuren, Anzahl der Köpfe, MFM- oder RLL-Modulation bekannt sein), so änderte sich dies mit Einführung der IDE-Platten Anfang der 1990er-Jahre. Es war immer weniger zu sehen, wie die Daten intern gespeichert werden; das Ansprechen der Platte erfolgt über eine Schnittstelle, die Interna nach außen verbirgt. Mitunter meldete die Festplatte „falsche“ Informationen für die Anzahl an Spuren, Sektoren und Köpfen, um Systembegrenzungen zu umgehen: Bios und Betriebssystem arbeiteten auf Basis dieser „falschen“ Werte, die Festplattenlogik rechnete sie dann in interne, der eigenen Geometrie tatsächlich entsprechende Werte um.

Die zeitliche Entwicklung der maximalen Festplattenkapazität zeigt einen annähernd exponentiellen Verlauf, vergleichbar mit der Entwicklung der Rechenleistung nach dem Mooreschen Gesetz. Die Kapazität hat sich bei leicht sinkenden Preisen etwa alle 16 Monate verdoppelt, wobei sich der Kapazitätszuwachs seit etwa 2005 verringerte (Januar 2007: 1 Terabyte,[4] September 2011: 4 Terabyte, Dezember 2019: 16 Terabyte).

Die Hersteller von Festplatten verwenden bei Speicherkapazitäten Präfixe in ihrer SI-konformen dezimalen Bedeutung. Eine Kapazitätsangabe von einem Terabyte bezeichnet hiernach eine Kapazität von 1012 Byte. Microsoft Windows und einige andere ältere Betriebssysteme verwenden bei der Kapazitätsangabe von Festplatten zwar die gleichen Präfixe, allerdings – historischem Usus folgend, jedoch entgegen seit 1998 geltender IEC-Normierung – in ihrer binären Bedeutung. Dies führt zu einem scheinbaren Widerspruch zwischen der Größenangabe des Herstellers und der des Betriebssystems. Beispielsweise gibt das Betriebssystem bei einer Festplatte mit einer vom Hersteller angegebenen Kapazität von einem Terabyte als Kapazität nur 931 „Gigabyte“ an, da ein „Terabyte“ dort 240 Byte bezeichnet (die IEC-konforme Bezeichnung für 240 Byte ist Tebibyte). Unter den IEC-konformen Systemen OS X (ab 10.6) und Unix tritt dieser Effekt nicht auf.

Baugrößen (mechanisch)

Festplatten-Baugrößen

3,5″-Serial-ATA-Festplatte (frühe Variante mit zusätzlichem ATA-Stromanschluss)

Formfaktor 2,5″ (links) und 5,25″ (volle Bauhöhe, rechts)

1 GB IBM MicroDrive (1″) kompatibel zu CompactFlash-Typ-II
Die Abmessungen von Festplatten werden traditionell in Zoll angegeben. Dabei handelt es sich um keine exakten Größenangaben, sondern um einen Formfaktor. Übliche Formfaktoren für die Breite sind 5,25″, 3,5″, 2,5″ und 1,8″, für die Höhe z. B. 1″, 1⁄2″ und 3⁄8″. Die Zollangaben entsprechen meist in etwa dem Durchmesser der Platter, nicht der Breite des Laufwerkgehäuses. Teilweise werden jedoch kleinere Platter verwendet, um höhere Drehzahlen zu ermöglichen.[6]

Im Zuge der technischen Weiterentwicklung wurden immer wieder Baugrößen zugunsten kleinerer eingestellt, da diese neben dem geringeren Platzbedarf weniger anfällig gegen Erschütterungen sind und eine geringere Leistungsaufnahme aufweisen. Zwar bedeutet weniger Platz zunächst, dass ein Laufwerk kleinere Platter hat und damit weniger Speicherplatz zur Verfügung stellt. Die schnelle Technologieentwicklung in Richtung höherer Datendichten kompensiert diese Einschränkung jedoch erfahrungsgemäß kurzfristig.

Das erste Festplattenlaufwerk IBM 350 von 1956 war ein Schrank mit einem 24″-Plattenstapel. Mitte der 1970er Jahre kamen Modelle mit einer Größe von 8″ auf, die relativ schnell durch wesentlich handlichere und vor allem leichtere 5,25″-Festplattenlaufwerke abgelöst wurden. Zwischenzeitlich gab es noch Größen von 14″ und 9″.

5,25″-Festplatten wurden 1980 von (Shugart Technology) Seagate eingeführt, ihre Scheiben sind in etwa so groß wie eine CD/DVD/Blu-Ray. Seit 1997 wird diese Größe nicht mehr hergestellt. Einige SCSI-Server-Laufwerke sowie das LowCost-ATA-Laufwerk BigFoot von Quantum sind die letzten Vertreter dieses Formats. Die Baugröße dieser Laufwerke orientiert sich an der von 5,25″-Diskettenlaufwerken: Die Breite dieser Laufwerke beträgt 5 3⁄4″ (146 mm), die Höhe bei Laufwerken mit voller Höhe 3 1⁄4″ (82,6 mm), bei Laufwerken mit halber Höhe 1 5⁄8″ (41,3 mm). Es gab Modelle mit noch geringerer Bauhöhe: die Modelle der BigFoot-Serie hatten eine Bauhöhe von 3⁄4″ (19 mm) und 1″ (25,4 mm). Die Tiefe von 5,25″-Festplatten ist nicht festgelegt, sollte aber nicht wesentlich oberhalb von 200 mm liegen.

3,5″-Festplatten wurden 1987 von IBM mit der Baureihe PS/2 eingeführt und waren lange Zeit Standard in Desktop-Computern. Die Baugröße dieser Laufwerke orientiert sich an der von 3,5″-Diskettenlaufwerken: Die Breite dieser Laufwerke beträgt 4″ (101,6 mm), die Höhe meist 1″ (25,4 mm). Seagate brachte mit der ST1181677 eine Festplatte mit zwölf Scheiben und 1,6″ (40,64 mm) Höhe heraus; auch Fujitsu bot Laufwerke dieser Höhe an.[7] Die Tiefe von 3,5″-Festplatten beträgt 5¾″ (146 mm).

In vielen Bereichen wurden 3,5″-Festplatten zum großen Teil durch 2,5″-Modelle oder SSDs abgelöst.

2,5″-Festplatten wurden ursprünglich für Notebooks entwickelt, fanden dann v. a. in Servern und Spezialgeräten (Multimedia-Playern, USB-Festplatten) Verwendung; mittlerweile sind sie weit verbreitet. Die Breite beträgt 70 mm, die Tiefe 100 mm. Die traditionelle Bauhöhe war 1⁄2″ (12,7 mm); mittlerweile gibt es Bauhöhen zwischen 5 mm und 15 mm, verbreitet sind 5 mm, 7 mm und 9,5 mm. Die erlaubte Bauhöhe hängt vom Gerät ab, in das die Festplatte eingebaut werden soll. Der Interface-Anschluss ist gegenüber den größeren Bauformen modifiziert; bei ATA ist der Abstand der Pins von 2,54 mm auf 2 mm verringert. Es kommen weiterhin vier Pins dazu (insgesamt 43 Pins), die den separaten Stromversorgungsstecker der größeren Modelle ersetzen. 2,5″-Festplatten benötigen nur eine Betriebsspannung von 5 V; die bei größeren Platten notwendige zweite Betriebsspannung von 12 V entfällt. 2,5″-SATA-Festplatten haben die gleichen Anschlüsse wie die 3,5″-Laufwerke, nur die 5 mm hohen Laufwerke haben wegen der geringen zur Verfügung stehenden Höhe teilweise einen speziellen SFF-8784-Anschluss.

Seit 2006 bieten Seagate, Toshiba, Hitachi und Fujitsu 2,5″-Festplattenlaufwerke für den Einsatz in Servern an. Seit April 2008 wird von Western Digital mit der Velociraptor ein 2,5″-Festplattenlaufwerk (mit 15 mm Bauhöhe) mit 3,5″-Einbaurahmen als Desktop-Festplattenlaufwerk vermarktet.

1,8″-Festplatten werden seit 2003 bei Subnotebooks, diversen Industrieanwendungen sowie in großen MP3-Playern verwendet. Die Breite beträgt 54 mm, die Tiefe zwischen 71 und 78,5 mm, die Höhe 8 mm. Es gibt Platten, welche die Einbaubreite und -höhe von 2,5″-Festplatten haben (Hitachi Travelstar C4K40).

Noch kleinere Baugrößen mit 1,3″, 1″ und 0,85″ spielen kaum eine Rolle. Eine Ausnahme waren Microdrives in der Anfangszeit der digitalen Fotografie – sie ermöglichten mit einer Baugröße von 1″ vergleichsweise hochkapazitive und günstige Speicherkarten im CompactFlash-Typ-II-Format für Digitalkameras, wurden aber inzwischen durch Flash-Speicher verdrängt. 2005 gab es von Toshiba Festplattenlaufwerke mit einer Baugröße von 0,85″ und einer Kapazität von 4 Gigabyte für Anwendungen wie MP3-Player.