Festplatten

Lesen und Schreiben von Daten

Das Wichtigste am Speicher ist nicht, dass man Informationen speichern kann, sondern dass man sie später wieder findet. Stellen Sie sich vor, Sie würden einen magnetisierten Eisennagel in einem Stapel von 1,6 Millionen identischen Nägeln aufbewahren, und Sie können sich vorstellen, wie viel Ärger Ihr Computer bekommen würde, wenn er seine Informationen nicht sehr systematisch ablegen würde.

Wenn Ihr Computer Daten auf seiner Festplatte speichert, wirft er nicht einfach magnetisierte Nägel in eine Kiste, die alle durcheinander liegen. Die Daten werden in einem sehr geordneten Muster auf jeder Platte gespeichert. Jede Spur ist in kleinere Bereiche unterteilt, die Sektoren genannt werden. Ein Teil der Festplatte speichert eine Karte der Sektoren, die bereits verwendet wurden, und anderer, die noch frei sind. (Wenn der Computer neue Daten speichern will, schaut er sich die Karte an, um freie Sektoren zu finden. Dann weist er den Schreib-Lese-Kopf an, sich über die Platte zu bewegen, um genau die richtige Stelle zu finden und die Daten dort zu speichern. Um Daten zu lesen, läuft derselbe Prozess in umgekehrter Reihenfolge ab.

Wie manipuliert ein elektronischer Computer all den mechanischen Schnickschnack in einem Festplattenlaufwerk? Das ist ein kleiner Schaltkreis, der die Aktoren steuert, bestimmte Spuren zum Lesen und Schreiben auswählt und parallele Datenströme vom Computer in serielle Datenströme umwandelt, die auf die Festplatte geschrieben werden (und andersherum). Die Steuerungen sind entweder in die eigene Platine des Laufwerks eingebaut oder Teil der Hauptplatine des Computers.

Da so viele Informationen auf so kleinem Raum gespeichert werden, ist ein Festplattenlaufwerk ein bemerkenswertes Stück Technik. Das hat Vorteile (z. B. kann man 500 CDs auf dem iPod speichern), aber auch Nachteile: Einer davon ist, dass Festplatten kaputt gehen können, wenn sie verschmutzt oder verstaubt sind. Ein winziges Staubkorn kann dazu führen, dass der Schreib-Lese-Kopf auf und ab hüpft, auf den Plattenteller prallt und dessen Magnetmaterial beschädigt. Dies wird als Plattencrash (oder Headcrash) bezeichnet und kann (muss aber nicht) zum Verlust aller Informationen auf einer Festplatte führen. Ein Festplattencrash tritt meist aus heiterem Himmel und ohne Vorwarnung auf. Deshalb sollten Sie immer Sicherungskopien Ihrer wichtigen Dokumente und Dateien aufbewahren, entweder auf einer anderen Festplatte, auf einer Compact Disc (CD) oder DVD oder auf einem Flash-Speicherstick.

Photo: Der Schreib-Lese-Kopf eines Festplattenlaufwerks. 1) Der Betätigungsarm schwingt den Kopf hin und her, damit er sich in der richtigen Position auf dem Laufwerk befindet. 2) Nur der winzige äußerste Teil der Festplatte liest tatsächlich von der Platte und schreibt auf sie. Denken Sie daran, dass die Hälfte dessen, was Sie auf dem zweiten Foto sehen, eine Spiegelung in der glänzenden Oberfläche der Festplatte ist!

Wer hat die Festplatte erfunden?

Wie viele Innovationen in der Informatik des 20. Jahrhunderts wurden Festplatten bei IBM erfunden, um Computern einen schnell zugänglichen „Random-Access“-Speicher zu geben. Das Problem mit anderen Speichermedien wie Lochkarten und Magnetbändern ist, dass auf sie nur seriell zugegriffen werden kann (in der Reihenfolge vom Anfang bis zum Ende). Wenn sich also die Daten, die man abrufen will, irgendwo in der Mitte des Bandes befinden, muss man das gesamte Band lesen oder scannen, und zwar ziemlich langsam, um das Gesuchte zu finden. Mit einer Festplatte geht alles viel schneller, denn sie kann ihren Schreib-Lese-Kopf sehr schnell von einem Teil der Platte zu einem anderen bewegen; auf jeden Teil der Platte kann genauso leicht zugegriffen werden wie auf jeden anderen Teil. Die erste Festplatte wurde von Reynold B. Johnson von IBM entwickelt und am 4. September 1956 als IBM 350 Disk Storage Unit angekündigt.

IBM-Ingenieure leisteten auch Pionierarbeit bei den Disketten, bei denen es sich um herausnehmbare Magnetplatten handelte, die in robusten Plastikhüllen verpackt waren (ursprünglich 20 cm Durchmesser und in flexible Plastikhüllen eingewickelt; später 133 mm Durchmesser und in robusten Plastikhüllen verpackt). Sie wurden 1967 von Warren Dalziel von IBM entwickelt und 1971 zum ersten Mal verkauft. In den späten 1970er und frühen 1980er Jahren erfreuten sie sich in Mikrocomputern (den Vorläufern der PCs) großer Beliebtheit, sind aber inzwischen veraltet. Mit einer Speicherkapazität von nur 1,44 MB wurden sie vollständig von USB-Flash-„Laufwerken“ verdrängt, die in einem winzigen Plastikstick, der nur einen Bruchteil so groß ist, das Hundert- oder Tausendfache an Speicherplatz bieten.

Artwork: Die Original-Festplatte. IBM-Ingenieure entwickelten diesen bahnbrechenden Magnetspeicher (der in der IBM-Sprache DASD genannt wurde, ausgesprochen „das-dee“) in einem Prozess der kontinuierlichen Verbesserung seit den frühen 1950er Jahren und erhielten 1970 ihr letztes Patent auf das Design. Wie Sie sehen können, ist der grundlegende Schreib-Lese-Mechanismus genau derselbe wie bei den heutigen Laufwerken: Es gibt mehrere Platten (hellblau), die aus einzelnen Sektoren (dunkelblau) bestehen, die von mehreren Schreib-Lese-Köpfen (rot), die an den Enden von Schiebeantrieben (orange) angebracht sind, beschrieben oder gelesen werden können. Die Platten werden von einer Riemenscheibe und einem Motor (grün) angetrieben, während die Aktuatoren von einem Getriebe und einem Motor (gelb) angetrieben werden. Der Hauptunterschied zwischen diesem Laufwerk und einem modernen ist die erstaunliche Menge an komplizierten Maschinen, die dieses Laufwerk enthielt (Sie können alles darüber im Originalpatent nachlesen). Aus dem US-Patent 3,503,060: Direct access magnetic disc storage device by William Goddard and John Lynott, IBM Corporation, 24. März 1970, mit freundlicher Genehmigung des US-Patent- und Markenamts, zur besseren Übersichtlichkeit farblich hervorgehoben.

Festplattenlaufwerke und SSDs im Vergleich

Festplattenlaufwerke sind bewährt, haben eine hohe Speicherkapazität und sind billig, aber sie haben auch eine Menge Nachteile. Ein Problem ist die Zeit, die der Schreib-Lese-Kopf braucht, um an die richtige Stelle der Festplatte zu gelangen und die gewünschten Informationen abzurufen. Das Gewicht einer Festplatte und ihr relativ hoher Stromverbrauch sind ebenfalls ein Problem, insbesondere bei mobilen Geräten wie Tablets und Smartphones. Die Zuverlässigkeit ist ein weiteres Problem. Wie Sie aus dem, was Sie gerade gelesen haben, entnehmen konnten, ist eine Festplatte ein wunderbares Stück Feinmechanik mit vielen komplizierten beweglichen Teilen. Sie könnte leicht 20 Jahre lang ohne Probleme funktionieren. Wenn Sie aber schon einmal einen Festplattenkopf-Crash erlitten haben (ein schwerwiegender mechanischer Zusammenbruch, der z. B. durch Schmutz auf einer der Festplatten oder einen plötzlichen mechanischen Stoß verursacht wurde) und alles verloren haben, was Sie jemals auf Ihrem Computer gespeichert haben, ist das keine Beruhigung: Sie werden wissen, dass eine Festplatte sich sofort in Sie verliebt, wenn Sie sie mit weniger Sorgfalt behandeln, als sie es verdient.

Foto: SSD-Laufwerke mit Speicherchips (oben) ersetzen Festplatten (unten).

Alle diese Probleme – Gewicht, Stromverbrauch, Zugriffszeiten und Zuverlässigkeit – können durch Solid-State-Laufwerke (SSDs) gelöst werden, die in der Regel Flash-Speicherchips anstelle von sich drehenden Magnetplatten verwenden. Die Computerhersteller haben sich mindestens in den letzten zehn Jahren von den Festplatten entfernt und sind zu SSDs übergegangen, vor allem aufgrund des Trends weg von Desktop-Computern und hin zu mobilen Geräten. Die iPods von Apple sind ein gutes Beispiel dafür, wie sich die Zeiten geändert haben. Die ursprünglichen „Classic“-iPods, die 2001 auf den Markt kamen, waren kaum mehr als Festplatten, Soundkarten und Batterien (auf den Fotos oben können Sie sehen, wie eine iPod-Festplatte aussieht); insbesondere die Festplatte war eine offensichtliche Ausrede für einen Defekt, wenn man sie zum Joggen mitnahm oder in der Tasche herumschleuderte. Mit dem iPod Touch, der 2007 auf den Markt kam, hat Apple entschieden auf SSD-Technologie umgestellt, wodurch die Musikplayer dünner und leichter in der Tasche sind, weniger anfällig für mechanische Defekte sind und eine weitaus bessere Akkulaufzeit haben. Es ist wahrscheinlicher, dass die Tasten eines modernen iPods oder iPhones abgenutzt werden oder der Bildschirm zerspringt, als dass die Speicherchips im Inneren beschädigt werden.

Hier ist ein sehr schneller Vergleich zwischen traditionellen Festplattenlaufwerken (HDDs) und SSDs in Bezug auf einige wichtige Messungen:

Kein Wettbewerb? SSDs gewinnen haushoch? Nicht so schnell! Wenn Sie so viel Speicherplatz wie möglich für so wenig Geld wie möglich kaufen möchten und weniger Wert auf Dinge wie Stromverbrauch und Geschwindigkeit legen, sind herkömmliche Festplatten immer noch das beste Preis-Leistungs-Verhältnis. Ab 2020 sind SSDs pro Gigabyte immer noch etwas teurer als herkömmliche Festplatten, obwohl es große Preisunterschiede zwischen den verschiedenen SSD-Typen gibt und sich der Unterschied zwischen SSDs und Festplatten von Jahr zu Jahr verringert. Erwarten Sie nicht, dass herkömmliche Festplatten verschwinden, bevor sich der Preisunterschied nicht deutlich verringert hat!