Festplattenlaufwerk

<ref>WD Scorpio Blue 1 TB SATA Hard Drives (WD10TPVT). Wdc.com. Abgerufen am 11. August 2010.</ref>
<ref>Colossal capacity and 7200 RPM performance for desktop storage (Memento vom 7. Januar 2010 im Internet Archive)</ref>

Die 512e-Emulation stellt sicher, dass Advanced-Format-Laufwerke mit vorhandenen Betriebssystemen kompatibel sind – es kann zu Leistungseinbußen kommen, wenn physische Blöcke nur teilweise beschrieben werden sollen (die Firmware muss dann den physischen Block lesen, verändern und wieder zurückschreiben). Solange die Organisationseinheiten (Cluster) des Dateisystems sich mit den physischen Sektoren genau decken, ist dies kein Problem, wohl aber, wenn die Strukturen zueinander versetzt sind. Bei aktuellen Linux-Versionen, bei Microsoft Windows ab Vista mit SP1 und Mac OS X ab Snow Leopard werden neue Partitionen so angelegt, wie es für Advanced-Format-Laufwerke sinnvoll ist; beim immer noch verbreiteten Windows XP nicht. Bei Windows XP lassen sich auf „4K“ ausgerichtete Partitionen mit verschiedenen Zusatztools anlegen; in der Regel werden solche Programme vom Laufwerkshersteller zur Verfügung gestellt.

Obwohl durch 48-Bit-LBA Festplatten bis zu 128 PiB unter Verwendung von 512-Byte-Sektoren angesprochen werden können, gibt es bei Verwendung des MBR als Partitionstabelle bereits bei Festplatten mit mehr als 2 TiB Einschränkungen. Auf Grund seiner nur 32 Bit großen Felder ist die maximale Partitionsgröße auf 2 TiB beschränkt (2³² = 4.294.967.296 Sektoren bei einer Block-/Sektorgröße von 512 Byte); ferner muss ihr erster Block in den ersten 2 TiB liegen, was somit die maximal verwendbare Festplattengröße auf 4 TiB beschränkt. Für die uneingeschränkte Nutzung von Festplatten > 2 TiB ist ein Betriebssystem nötig, welches die GPT unterstützt. Das Booten von Festplatten mit GPT unterliegt je nach Betriebssystem und BIOS bzw. Firmware weiteren Einschränkungen.

Eine Emulation ist zunehmend nicht mehr notwendig („4K native“ / „4Kn“). Beispielsweise unterliegen externe Festplatten (wie z. B. die "Elements"-Baureihe von Western Digital) keinen Einschränkungen durch eventuell inkompatible Laufwerkscontroller. Aufgrund der nativen Adressierung können diese Platten auch mit einer MBR-Partitionstabelle jenseits der 4 TiB-Grenze verwendet werden. Das Booten von solchen Datenträgern wird von Microsoft Windows ab Windows 8/Windows Server 2012<ref>Microsoft-Richtlinie für große Festplatten mit 4K-Sektoren in Windows, Microsoft-Knowledge-Base-Eintrag KB2510009</ref> unterstützt.

Geschwindigkeit

Die Festplatte gehört mit zu den langsamsten Teilen eines PC-Kernsystems. Deshalb sind die Geschwindigkeiten einzelner Festplattenfunktionen von besonderer Bedeutung. Die wichtigsten technischen Parameter sind die kontinuierliche Übertragungsrate (sustained data rate) und die mittlere Zugriffszeit (data access time). Die Werte kann man den Datenblättern der Hersteller entnehmen.

Die kontinuierliche Übertragungsrate ist jene Datenmenge pro Sekunde, welche die Festplatte beim Lesen aufeinander folgender Blöcke im Mittel überträgt. Die Werte beim Schreiben sind meist ähnlich und werden deshalb üblicherweise nicht angegeben. Bei früheren Festplatten benötigte die Laufwerkselektronik mehr Zeit zur Verarbeitung eines Blocks als die reine Hardware-Lesezeit. Daher wurden „logisch aufeinanderfolgende“ Blöcke nicht physisch aufeinanderfolgend auf dem Platter gespeichert, sondern mit einem oder zwei Blöcken Versatz. Um alle Blocks einer Spur „aufeinanderfolgend“ zu lesen, musste der Platter folglich zwei oder drei Mal rotieren (Interleave-Faktor 2 oder 3). Heutige Festplatten besitzen ausreichend schnelle Elektronik und speichern logisch aufeinanderfolgende Blöcke auch physisch aufeinanderfolgend.

Sowohl beim Schreiben als auch beim Lesen muss vor dem Zugriff auf einen bestimmten Block der Schreib-/Lesekopf der Platte zur gewünschten Spur bewegt und anschließend abgewartet werden, bis durch die Rotation der Platte der richtige Block unter dem Kopf vorbeigeführt wird. Diese mechanisch bedingten Verzögerungen liegen Stand 2009 bei etwa 6–20 ms, was nach Maßstäben anderer Computerhardware eine kleine Ewigkeit ist. Daraus ergibt sich die extrem hohe Latenzzeit von Festplatten im Vergleich zu RAM, die noch auf der Ebene der Softwareentwicklung und der Algorithmik berücksichtigt werden muss.

Die Zugriffszeit setzt sich aus mehreren Anteilen zusammen:

• der Spurwechselzeit (seek time),
• der Latenzzeit (latency) und
• die Kommando-Latenz (controller overhead).

Die Spurwechselzeit wird von der Stärke des Antriebs für den Schreib-/Lesekopf (Servo) bestimmt. Abhängig davon, welche Strecke der Kopf zurücklegen muss, ergeben sich unterschiedliche Zeiten. Angegeben wird normalerweise nur der Mittelwert beim Wechsel von einer zufälligen zu einer anderen zufälligen Spur (gewichtet nach der Zahl der Blöcke auf den Spuren).

Die Latenzzeit ist eine unmittelbare Folge der Umdrehungsgeschwindigkeit. Im Mittel dauert es eine halbe Umdrehung, bis ein bestimmter Sektor unter dem Kopf vorbeikommt. Daraus ergibt sich der feste Zusammenhang:

<math>\text{Latenzzeit} = \frac{30000\,\mathrm{ms}}{\text{Drehzahl}\cdot\mathrm{min^{-1}}}</math>

Die Kommandolatenz ist die Zeit, die der Festplattencontroller damit verbringt, das Kommando zu interpretieren und die erforderlichen Aktionen zu koordinieren. Diese Zeit ist heutzutage vernachlässigbar.

Die Aussagekraft dieser technischen Parameter für die Systemgeschwindigkeit ist begrenzt. Deshalb wird im professionellen Bereich eine andere Kennzahl, nämlich Input/Output operations Per Second (IOPS) verwendet. Diese wird bei kleinen Blockgrößen hauptsächlich von der Zugriffszeit dominiert. Aus der Definition wird klar, dass zwei halb so große Platten gleicher Geschwindigkeit dieselbe Datenmenge mit der doppelten IOPS-Zahl bereitstellen.

Die Entwicklung der Festplattenzugriffszeit kann mit der anderer PC-Komponenten wie CPU, RAM oder Grafikkarte nicht mehr Schritt halten, weshalb sie zum Flaschenhals geworden ist. Um eine hohe Leistung zu erreichen, muss eine Festplatte deshalb, soweit möglich, immer große Mengen von Daten in aufeinander folgenden Blöcken lesen oder schreiben, weil dabei der Schreib-Lesekopf nicht neu positioniert werden muss.

Das wird unter anderem dadurch erreicht, dass möglichst viele Operationen im RAM durchgeführt und auf der Platte die Positionierung der Daten auf die Zugriffsmuster abgestimmt werden. Dazu dient vor allem ein großer Cache im Arbeitsspeicher des Computers, der von allen modernen Betriebssystemen zur Verfügung gestellt wird. Zusätzlich hat die Festplattenelektronik einen Cache (Stand 2012 für Platten von 1 bis 2 TB zumeist 32 oder 64 MiB), der vor allem zur Entkopplung der Interface-Transferrate von der unveränderlichen Transferrate des Schreib-Lesekopfes dient.

Neben der Verwendung eines Caches gibt es weitere Software-Strategien zur Performance-Steigerung. Sie werden vor allem in Multitasking-Systemen wirksam, wo das Festplattensystem mit mehreren beziehungsweise vielen Lese- und Schreibanforderungen gleichzeitig konfrontiert wird. Es ist dann meist effizienter, diese Anforderungen in eine sinnvolle neue Reihenfolge zu bringen. Die Steuerung erfolgt durch einen Festplatten-Scheduler, häufig in Verbindung mit Native Command Queuing (NCQ) oder Tagged Command Queuing (TCQ). Das einfachste Prinzip verfolgt dabei dieselbe Strategie wie eine Aufzugssteuerung: Die Spuren werden zunächst in einer Richtung angefahren und die Anforderungen beispielsweise nach monoton steigenden Spurnummern abgearbeitet. Erst wenn diese alle abgearbeitet sind, kehrt die Bewegung um und arbeitet dann in Richtung monoton fallender Spurnummern usw.

Bis etwa 1990 besaßen Festplatten meist so wenig Cache (0,5 bis maximal 8 KiByte), dass sie keine komplette Spur (damals 8,5 KiByte oder 13 KiByte) zwischenspeichern konnten. Daher musste der Datenzugriff durch Interleaving gebremst beziehungsweise optimiert werden. Nicht notwendig war dies bei Platten mit hochwertigem SCSI- oder ESDI-Controller beziehungsweise bei den damals aufkommenden IDE-Platten.

Die seit etwa 2008 verwendeten SSDs („Solid State Drive“, sie haben keine beweglichen Teile) weisen prinzipbedingt wesentlich kürzere Zugriffszeiten auf. Seit 2011 gibt es auch kombinierte Laufwerke, die – für den Computer transparent – einen Teil der Kapazität als SSD realisieren, die als Puffer der konventionellen Platte dient.

Partitionen

Aus Sicht des Betriebssystems können Festplatten durch Partitionierung in mehrere Bereiche unterteilt werden. Das sind keine echten Laufwerke, sondern sie werden nur vom Betriebssystem als solche dargestellt. Man kann sie sich als virtuelle Festplatten vorstellen, die durch den Festplattentreiber dem Betriebssystem gegenüber als getrennte Geräte dargestellt werden. Die Festplatte selbst „kennt“ diese Partitionen nicht, es ist eine Sache des übergeordneten Betriebssystems.

Jede Partition wird vom Betriebssystem gewöhnlich mit einem Dateisystem formatiert. Unter Umständen werden, je nach benutztem Dateisystem, mehrere Blöcke zu Clustern zusammengefasst, die dann die kleinste logische Einheit für Daten sind, die auf die Platte geschrieben werden. Das Dateisystem sorgt dafür, dass Daten in Form von Dateien auf die Platte abgelegt werden können. Ein Inhaltsverzeichnis im Dateisystem sorgt dafür, dass Dateien wiedergefunden werden und hierarchisch organisiert abgelegt werden können. Der Dateisystem-Treiber verwaltet die belegten, verfügbaren und defekten Cluster. Bekannte Beispiele für Dateisysteme sind FAT, NTFS (Windows), HFS Plus (Mac OS) und ext4 (Linux).

Geräuschvermeidung

Um die Lautstärke der Laufwerke beim Zugriff auf Daten zu verringern, unterstützen die meisten für den Desktop-Einsatz gedachten ATA- und SATA-Festplatten seit circa 2003 Automatic Acoustic Management (AAM), das heißt, sie bieten die Möglichkeit, per Konfiguration die Zugriffszeit zugunsten geringerer Geräuschentwicklung zu verlängern. Wird die Festplatte in einem leisen Modus betrieben, werden die Schreib/Leseköpfe weniger stark beschleunigt, so dass die Zugriffe leiser sind. Das Laufgeräusch des Plattenstapels sowie die Daten-Transferrate werden davon nicht verändert, jedoch verlängert sich die Zugriffszeit. Dem gleichen Zweck dienen als „Entkopplung“ oder „Entkoppler“ bezeichnete Aufhängungen mit elastischen Elementen, die eine Übertragung der Vibrationen der Festplatte auf Gehäusebauteile verhindern sollen.

Schnittstellen, Bussystem und Jumper

Ursprünglich (bis 1990/91) befand sich das, was heute als Schnittstelle zur Festplatte verstanden wird, bei Consumer-Platten nicht auf der Festplatte. Dafür war ein Controller in Form einer ISA-Steckkarte notwendig. Dieser Controller sprach die Platte unter anderem über ein ST506-Schnittstelle an (mit den Modulationsstandards MFM, RLL oder ARLL). Die Kapazität der Platte war mit vom Controller abhängig, gleiches galt für die Datenzuverlässigkeit. Eine 20-MB-MFM-Platte konnte an einem RLL-Controller 30 MB speichern, aber ggf. mit einer höheren Fehlerrate.

Bedingt durch die Trennung von Controller und Medium musste letzteres vor dem Gebrauch low-level-formatiert werden (Sektorierung). Im Gegensatz zu diesen früheren Festplatten mit Schrittmotoren sind modernere Festplatten mit Linearmotoren ausgestattet, die eine Sektorierung und vor allem das Schreiben der Servoinformationen während der Herstellung erforderlich machen und ansonsten nicht mehr low-level-formatiert werden können.

Mit ESDI wurde ein Teil des Controllers ins Laufwerk integriert, um Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit zu steigern. Mit SCSI- und IDE-Platten endete dann die Trennung von Controller und Speichergerät. Sie setzen statt der früheren Controller Host-Bus-Adapter ein, die eine wesentlich universellere Schnittstelle zur Verfügung stellen. HBAs existieren als eigene Steckkarten als auch auf Hauptplatinen oder in Chipsätze integriert und werden häufig immer noch als „Controller“ bezeichnet.

Als Schnittstellen für interne Festplatten werden im Desktop-Bereich heute fast ausschließlich Serial-ATA-Schnittstellen eingesetzt. Bis vor einigen Jahren war hier noch parallele ATA- (oder IDE, EIDE)-Schnittstellen üblich. Allerdings ist die IDE-Schnittstelle in Spielkonsolen und Festplattenrekordern weiterhin weit verbreitet.

Bei Servern und Workstations hat sich neben SATA im Wesentlichen SAS und Fibre-Channel etabliert. Die Mainboards waren lange Zeit mit meist zwei ATA-Schnittstellen versehen (für max. 4 Laufwerke), inzwischen wurden diese annähernd vollständig durch (bis zu 10) SATA-Schnittstellen ersetzt.

Ein prinzipielles Problem bei parallelen Übertragungen ist, dass es mit zunehmender Geschwindigkeit immer schwieriger wird, unterschiedliche Laufzeiten der einzelnen Bits durch das Kabel sowie Übersprechen zu beherrschen. Daher stießen die parallelen Schnittstellen mehr und mehr an ihre Grenzen. Serielle Leitungen, insbesondere in Verbindung mit differentiellen Leitungspaaren erlauben inzwischen deutlich höhere Übertragungsraten.

ATA (IDE)

Bei einer ATA-Festplatte wird durch Jumper festgelegt, ob sie das Laufwerk mit Adresse 0 oder 1 der ATA-Schnittstelle ist (Device 0 beziehungsweise 1, oft mit Master beziehungsweise Slave bezeichnet). Manche Modelle erlauben eine Beschränkung der an das Betriebssystem beziehungsweise BIOS gemeldeten Kapazität des Laufwerks, wodurch die Festplatte im Falle von Inkompatibilitäten dennoch (unter Verschenkung des nicht gemeldeten Plattenplatzes) in Betrieb genommen werden kann.

Durch die Festlegung der ATA-Bus-Adresse können zwei Festplatten an einer ATA-Schnittstelle des Mainboards angeschlossen werden. Die meisten Mainboards haben zwei ATA-Schnittstellen, genannt primary ATA und secondary ATA, also „erste“ und „zweite ATA-Schnittstelle“. Daher können insgesamt bis zu vier Festplatten an beide ATA-Schnittstellen der Hauptplatine angeschlossen werden. Ältere BIOS von Hauptplatinen erlauben es nur, den Computer von der ersten ATA-Schnittstelle zu starten, und auch nur, wenn die Festplatte als Master gejumpert ist.

Die ATA-Schnittstellen werden jedoch nicht nur von Festplatten, sondern auch von CD-ROM- und DVD-Laufwerken genutzt. Somit ist (ohne Zusatzkarte) die Gesamtzahl von Festplatten plus ladbaren Laufwerken (CD-ROM, DVD) auf vier begrenzt (Diskettenlaufwerke haben eine andere Schnittstelle). CompactFlash-Karten können per Adapter angeschlossen und wie eine Festplatte verwendet werden.

Bei Erweiterungen sind einige Dinge zu beachten:

• Das erste Laufwerk ist als „Master“ zu jumpern – in der Regel die Voreinstellung von Laufwerken; erst ein eventuell zweites Laufwerk an einem Kabel wird auf „Slave“ gejumpert. Einige Laufwerke haben noch die dritte Option „Single Drive“. Diese wird dann benutzt, wenn das Laufwerk alleine am Kabel hängt; kommt ein „Slave“-Laufwerk dazu, muss man das erste als „Master“ jumpern. Diese Option heißt dann zur Erläuterung oftmals „Master with Slave present“.
• Wo Master oder Slave sitzen (am Ende des Kabels oder „mittendrin“), spielt keine Rolle (außer, beide Laufwerke sind auf Cable Select gejumpert). „Slave allein“ funktioniert zwar meistens, gilt aber nicht als sauber konfiguriert und ist oft störanfällig. Ausnahme: Bei den neueren 80-poligen Kabeln sollte der Slave in der Mitte angeschlossen werden; die Stecker sind dementsprechend beschriftet.

Die ideale Verteilung der Laufwerke auf die einzelnen Anschlüsse ist disputabel. Zu beachten ist, dass sich traditionell zwei Geräte am selben Kabel die Geschwindigkeit teilen und dass das langsamere Gerät den Bus länger belegt und somit das schnellere bremsen kann. Bei der gängigen Konfiguration mit einer Festplatte und einem CD/DVD-Laufwerk ist es daher von Vorteil, jedes dieser beiden Geräte mit einem eigenen Kabel zu einer Schnittstelle auf der Hauptplatine zu verwenden. Neben den Jumpern existiert ein automatischer Modus für die Bestimmung der Adressen („Cable-Select“), der jedoch geeignete Anschlusskabel erfordert, die früher wenig verbreitet waren, aber seit ATA-5 (80-polige Kabel) Standard sind.

ESDI

Parallel SCSI

Die Adresse von Parallel-SCSI-Festplatten kann nicht wie IDE-Festplatten nur zwischen zwei, sondern je nach verwendetem Controller zwischen 7 bzw. 15 Adressen ausgewählt werden. Dafür befinden sich an älteren SCSI-Laufwerken drei bzw. vier Jumper zur Festlegung der Adresse – SCSI-ID-Nummer genannt –, die es erlauben, bis 7 bzw. 15 Geräte pro SCSI-Bus einzeln zu adressieren. Die Anzahl der maximal möglichen Geräte ergibt sich aus der Anzahl der ID-Bits (drei bei SCSI bzw. vier bei Wide-SCSI) unter Berücksichtigung der vom Controller selbst belegten Adresse #0. Neben Jumpern fand man selten die Adresseinstellung auch durch einen kleinen Drehschalter. Bei modernen Systemen werden die IDs automatisch vergeben (nach der Reihenfolge am Kabel), und die Jumper sind nur noch relevant, wenn diese Vergabe beeinflusst werden soll.

Dazu kommen noch andere Jumper wie der (optionale) Schreibschutzjumper, der es erlaubt, eine Festplatte gegen Beschreiben zu sperren. Weiterhin können je nach Modell Einschaltverzögerungen oder das Startverhalten beeinflusst werden.

SATA

Seit 2002 werden Festplatten mit Serial ATA (S-ATA oder SATA)-Schnittstelle angeboten. Die Vorteile gegenüber ATA sind der höhere mögliche Datendurchsatz und die vereinfachte Kabelführung. Erweiterte Versionen von SATA verfügen über weitere, vor allem für professionelle Anwendungen relevante, Funktionen, wie etwa die Fähigkeit zum Austausch von Datenträgern im laufenden Betrieb (Hot-Plug). Inzwischen hat sich SATA praktisch durchgesetzt, die neuesten Festplatten werden nicht mehr als IDE-Versionen angeboten, seit die bei IDE theoretisch möglichen Transferraten nahezu erreicht sind.

Im Jahr 2005 wurden erste Festplatten mit Serial Attached SCSI (SAS) als potentieller Nachfolger von SCSI für den Server- und Storagebereich vorgestellt. Dieser Standard ist teilweise zu SATA abwärtskompatibel.

Serial Attached SCSI (SAS)

Die SAS-Technik basiert auf der etablierten SCSI-Technik, sendet die Daten jedoch seriell und verbindet die Geräte nicht über einen gemeinsamen Bus sondern einzeln über dedizierte Ports (oder Port Multiplier). Neben der höheren Geschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlicher SCSI-Technik können theoretisch über 16.000 Geräte in einem Verbund angesprochen werden. Ein weiterer Vorteil ist die maximale Kabellänge von 10 Metern. Die Steckverbindungen von SATA sind zu SAS kompatibel, ebenso SATA-Festplatten; SAS-Festplatten benötigen jedoch einen SAS-Controller.

Fibre-Channel-Interface

Die Kommunikation via Fibre-Channel-Interface ist noch leistungsfähiger und ursprünglich vor allem für die Verwendung in Speichersubsystemen entwickelt. Die Festplatten werden, wie bei USB, nicht direkt angesprochen, sondern über einen FC-Controller, FC-HUBs oder FC-Switches.

Queuing im SCSI-, SATA oder SAS-Datentransfer

Vor allem bei SCSI-Platten und bei neueren SATA-Festplatten werden sogenannte Queues (Warteschlangen) eingesetzt. Das sind Software-Verfahren als Teil der Firmware, die die Daten zwischen dem Anfordern von Computerseite und physikalischem Zugriff auf die Speicherscheibe verwalten und ggf. zwischenspeichern. Beim Queuing reihen sie die Anfragen an den Datenträger in eine Liste und sortieren sie entsprechend der physikalischen Position auf der Scheibe und der aktuellen Position der Schreibköpfe, um so möglichst viele Daten mit möglichst wenigen Umdrehungen und Kopfpositionierungen zu lesen. Der festplatteneigene Cache spielt hier eine große Rolle, da die Queues in diesem abgelegt werden (siehe auch: Tagged Command Queuing, Native Command Queuing).

Vorläufer der seriellen High-Speed-Schnittstellen

Die ersten verbreiteten seriellen Schnittstellen für Festplatten waren SSA (Serial Storage Architecture, von IBM entwickelt) und Fibre Channel in der Variante FC-AL (Fibre Channel-Arbitrated Loop). SSA-Festplatten werden heute praktisch nicht mehr hergestellt, aber Fibre-Channel-Festplatten werden weiterhin für den Einsatz in großen Speichersystemen gebaut. Fibre Channel bezeichnet dabei das verwendete Protokoll, nicht das Übertragungsmedium. Deshalb haben diese Festplatten trotz ihres Namens keine optische, sondern eine elektrische Schnittstelle.

Externe Festplatten

Externe Festplatten gibt es als lokale Massenspeicher (Block-Geräte) oder als Netzwerk-Massenspeicher (NAS). Im ersten Fall ist die Festplatte über Hardware-Schnittstellen-Adapter als lokales Laufwerk angeschlossen; in zweiten Fall ist das Laufwerk eine Remote-Ressource, die das NAS (ein über ein Netzwerk angebundener Computer) anbietet.

Für den Anschluss von externen Festplatten werden universelle Schnittstellen wie FireWire, USB oder eSATA verwendet. Zwischen der Festplatte und der Schnittstelle befindet sich hierzu eine Bridge, die an einer Seite einen PATA- oder SATA-Anschluss besitzt zum Anschluss der eigentlichen Festplatte, und an der anderen Seite einen USB-, Firewire-, eSATA-Anschluss oder mehrere dieser Anschlüsse zum Anschluss an den Computer. Bei derartigen externen Festplatten sind teilweise zwei Festplatten in einem Gehäuse verbaut, die gegenüber dem Computer jedoch nur als ein Laufwerk auftreten (RAID-System).

Bei NAS-Systemen ist ein Netzwerkanschluss vorhanden.

Datenschutz und Datensicherheit

Besonders für Behörden und Unternehmen sind Datenschutz und Datensicherheit äußerst sensible Themen. Vor allem im Bereich der externen Festplatten, die als mobile Datenspeicher eingesetzt werden, müssen Behörden und Unternehmen Sicherheitsstandards anwenden. Gelangen sensible Daten in unbefugte Hände, entsteht meist ein irreparabler Schaden. Um dies zu verhindern und höchste Datensicherheit für den mobilen Datentransport zu gewährleisten, müssen folgende Hauptkriterien beachtet werden:

• Verschlüsselung,
• Zugriffskontrolle und die
• Verwaltung des kryptographischen Schlüssels.

Verschlüsselung

Daten können seitens des Betriebssystems verschlüsselt werden oder direkt durch das Laufwerk (Microsoft eDrive, Self-Encrypting Drive).

Zugriffskontrolle

Für den Zugriff auf eine Festplatte kann ein ATA-Passwort vergeben werden.

Verwaltung des kryptographischen Schlüssels

Typische Speicherorte des Kryptoschlüssels sind: auf der Festplatte, im Festplattencontroller oder außerhalb des Speichermediums wie zum Beispiel auf einer Smartcard.

Ausfallursachen und Lebensdauer

Zu den typischen Ausfallursachen gehören:

• Die Anfälligkeit von Festplatten ist besonders bei den neuen, sehr schnell drehenden Systemen vorwiegend auf thermische Probleme zurückzuführen.
• Beim mechanischen Aufsetzen des Schreib-Lesekopfes kann die Festplatte beschädigt werden (Head-Crash). Der Kopf schwebt im Betrieb auf einem Luftpolster über der Platte und wird nur durch dieses Polster daran gehindert, aufzusetzen. Im laufenden Betrieb sollte die Festplatte daher möglichst nicht bewegt werden und keinen Erschütterungen ausgesetzt sein.

• Äußere Magnetfelder können die Sektorierung der Festplatte beeinträchtigen und sogar zerstören.<ref>Löschzug – Notebooks und Scheckkarten in Gefahr.. C’t magazin 8/98. Abgerufen am 3. März 2011.</ref>
• Fehler in der Steuerelektronik oder Verschleiß der Mechanik führen zu Ausfällen.
• Umgekehrt kann auch längerer Stillstand dazu führen, dass die Mechanik in Schmierstoffen stecken bleibt und die Platte gar nicht erst anläuft („sticky disk“).

Die durchschnittliche Zahl an Betriebsstunden, bevor eine Festplatte ausfällt, wird bei irreparablen Platten als MTTF (Mean Time To Failure) bezeichnet. Bei Festplatten, die repariert werden können, wird ein MTBF-Wert (Mean Time Between Failures) angegeben. Alle Angaben zur Haltbarkeit sind ausschließlich statistische Werte. Die Lebensdauer einer Festplatte kann daher nicht im Einzelfall vorhergesagt werden, denn sie hängt von vielen Faktoren ab:

• Vibrationen und Stöße: Starke Erschütterungen können zu einem vorzeitigen (Lager-)Verschleiß führen und sollten daher vermieden werden.
• Unterschiede zwischen verschiedenen Modellreihen eines Herstellers: Abhängig vom jeweiligen Modell lassen sich bestimmte Baureihen ausmachen, die als besonders zuverlässig oder fehleranfällig gelten. Um statistisch genau Angaben zu der Zuverlässigkeit machen zu können, sind eine große Anzahl von baugleichen Platten notwendig, die unter ähnlichen Bedingungen betrieben werden. Systemadministratoren, die viele Systeme betreuen, können so im Laufe der Jahre durchaus einige Erfahrungen sammeln, welche Festplatten eher zu auffälligem Verhalten und damit vorzeitigem Ausfall neigen.
• Anzahl der Zugriffe (Lesekopfbewegungen): Durch häufige Zugriffe verschleißt die Mechanik schneller, als wenn die Platte nicht genutzt wird und sich nur der Plattenstapel dreht. Dieser Einfluss ist jedoch nur gering.<ref name="google_pdf" />
• Wenn die Festplatte über der vom Hersteller genannten Betriebstemperatur, meist 40–55 °C, betrieben wird, leidet die Lebensdauer. Nach einer Studie des Unternehmens Google Inc. (welches interne Festplattenausfälle analysierte) gibt es am oberen Ende des zulässigen Bereiches keine vermehrten Ausfälle.<ref name="google_pdf">Failure Trends in a Large Disk Drive Population (PDF; 247 kB) labs.google.com. Abgerufen am 11. August 2010.</ref>

Allgemein sind schnelldrehende Server-Festplatten für eine höhere MTTF ausgelegt als typische Desktop-Festplatten, so dass sie theoretisch eine höhere Lebensdauer erwarten lassen. Dauerbetrieb und häufige Zugriffe können jedoch dazu führen, dass sich das relativiert und die Festplatten nach wenigen Jahren ausgetauscht werden müssen.

Notebook-Festplatten werden durch die häufigen Transporte besonders beansprucht und sind dementsprechend trotz robusterer Bauart mit einer kleineren MTTF als Desktop-Festplatten spezifiziert.

Eine genaue Haltbarkeit der gespeicherten Daten wird von den Herstellern nicht angegeben. Lediglich magneto-optische Verfahren erreichen eine Persistenz von 50 Jahren und mehr.

Vorbeugende Maßnahmen gegen Datenverlust

Als vorbeugende Maßnahmen gegen Datenverlust werden daher häufig folgende Maßnahmen ergriffen:

• Von wichtigen Daten sollte immer eine Sicherungskopie (Backup) auf einem anderen Datenträger (beachte den Hinweis zum Ausfall oben unter Partitionierung) existieren.
• Systeme, die zwingend hochverfügbar sein müssen und bei denen ein Festplattenfehler keine Betriebsunterbrechung und Datenverlust verursachen darf, verfügen meistens über RAID. Eine Konfiguration ist zum Beispiel das Mirrorset (RAID 1), bei dem die Daten auf zwei Festplatten gespiegelt werden und sich somit die Ausfallsicherheit erhöht. Effizientere Konfigurationen sind RAID 5 und höher. Ein Stripeset (RAID 0) aus zwei Festplatten erhöht zwar die Geschwindigkeit, jedoch steigt das Ausfallrisiko. RAID 0 ist deshalb keine Maßnahme, um Datenverlust zu verhindern oder die Verfügbarkeit des Systems zu erhöhen.
• ATA-Festplatten verfügen seit circa Ende der 1990er-Jahre über S.M.A.R.T., eine interne Überwachung der Festplatte auf Zuverlässigkeit. Der Status kann von außen abgefragt werden. Ein Nachteil ist, dass S.M.A.R.T. kein Standard ist. Jeder Hersteller definiert seine Fehlertoleranz selbst, d. h. S.M.A.R.T. ist nur als allgemeines Richtmittel anzusehen. Außerdem gibt es Festplatten, deren S.M.A.R.T.-Funktion selbst dann noch nicht vor Problemen warnt, wenn diese sich bereits im Betrieb durch nicht mehr lesbare Blöcke bemerkbar gemacht haben.
• Die meisten Festplatten können in beliebiger Lage montiert werden, im Zweifelsfall sollte die Spezifikation des Herstellers beachtet werden. Des Weiteren ist die Festplatte fest zu verschrauben, um Eigenschwingung zu unterbinden.
• Während des Einbaus sollten Maßnahmen zum Schutz vor ESD getroffen werden.

Zuverlässiges Löschen

Unabhängig vom verwendeten Speichermedium (in diesem Fall eine Festplatte) wird beim Löschen einer Datei lediglich im Dateisystem vermerkt, dass der entsprechende Datenbereich nun frei ist. Die Daten selbst verbleiben jedoch physisch auf der Festplatte, bis der entsprechende Bereich mit neuen Daten überschrieben wird. Mit Datenrettungsprogrammen können gelöschte Daten daher oft zumindest zum Teil wiederhergestellt werden. Das wird häufig in der Beweissicherung zum Beispiel bei den Ermittlungsbehörden (Polizei usw.) eingesetzt.

Beim Partitionieren oder gewöhnlichen Formatieren wird der Datenbereich nicht überschrieben, sondern lediglich die Partitionstabelle oder die Beschreibungsstruktur des Dateisystems.

Um ein sicheres Löschen von sensiblen Daten zu garantieren, bieten verschiedene Hersteller Software an, sogenannte Eraser, die beim Löschen den Datenbereich mehrfach überschreibt. Alternativ kann auf eine der zahlreichen, direkt von CD startbaren kostenlosen Unix-Distributionen zurückgegriffen werden (z. B. Knoppix). Außerdem gibt es für diesen Zweck neben universellen Programmen wie dd und shred speziell für das Löschen verschiedene Open-Source-Programme, beispielsweise Darik’s Boot and Nuke (DBAN). In Apples Mac OS X sind entsprechende Funktionen („Papierkorb sicher löschen“ und „Volume mit Nullen überschreiben“) bereits enthalten. Wurde die Datei bereits gelöscht, ohne die Daten zu überschreiben, kann der komplette freie Speicher der Festplatte überschrieben werden. Dabei wird der Speicher mehrmals überschrieben, um zu verhindern, dass sich die Daten mit Spezialhardware z. B. von Datenwiederherstellungsunternehmen oder Behörden wiederherstellen lassen. Die Gutmann-Methode wurde 1996 vorgestellt, um ein sicheres Löschen der Daten zu garantieren. Seitdem ist die Kapazität allerdings so stark angestiegen, dass es auch bei einmaligem Überschreiben nachweisbar unmöglich ist, mit heutiger Technik Daten wiederherzustellen.<ref>heise online: Sicheres Löschen: Einmal überschreiben genügt</ref>

Alternativ bietet sich bei der Verschrottung des Computers die mechanische Vernichtung der Festplatte beziehungsweise der Scheiben an, eine Methode, die das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik empfiehlt.<ref>So löschen Sie Daten richtig. Bevor Sie Ihren Rechner oder Festplatten an Dritte oder zum Elektroschrottrecycling weitergeben, sollten Sie die Festplatten löschen oder physikalisch vernichten. Abgerufen am 12. Juli 2014. </ref> Deshalb werden in manchen Unternehmen beim Umstieg auf eine neue Computergeneration alle Festplatten in einem Schredder in kleine Teile zermahlen und die Daten so vernichtet.

Verschiedene Festplatten bieten die Möglichkeit an, den kompletten Festplatteninhalt per Passwort direkt auf Hardwareebene zu schützen. Da diese im Grunde nützliche Eigenschaft jedoch kaum bekannt ist und die meisten BIOS die Funktion zum Setzen des Passworts nicht selbsttätig ausschalten, besteht rein theoretisch für Schadprogramme wie Viren die Chance, dem Benutzer durch Setzen dieses Passworts auf einen unbekannten Wert massiv zu schaden. Danach bestünde keine Möglichkeit mehr, noch auf Inhalte der Festplatte zuzugreifen. Für weitere Informationen bzgl. ATA-Festplatten siehe ATA/ATAPI.

Langzeitarchivierung

Geschichte

Vorläufer der Festplatte war die Magnettrommel ab 1932. Außerhalb von Universitäten und Forschungseinrichtungen kam dieser Speicher ab 1958 als „Hauptspeicher“ mit 8192 Worten à 32 Bit in der Zuse Z22 zum Einsatz. Erfahrungen bzgl. magnetischer Beschichtungen lieferten Bandgeräte. Die erste kommerziell erhältliche Festplatte, die IBM 350, wurde von IBM 1956 als Teil des IBM 305 RAMAC-Rechners („Random Access Method of Accounting and Control“) angekündigt.

Chronologische Übersicht

• September 1956:<ref>Je nach Quelle 4. September 1956, 13. September 1956 oder 14. September 1956</ref> IBM stellt das erste magnetische Festplattenlaufwerk mit der Bezeichnung „IBM 350“ vor (5 MB, 24 Zoll, 600 ms Zugriffszeit, 1.200 min⁻¹, 500 kg, 10 kW). Die Schreib-/Leseköpfe wurden elektronisch-pneumatisch gesteuert, weshalb die schrankgroße Einheit einen Druckluft-Kompressor enthielt.<ref>IBM 350 disk storage unit. IBM Archives</ref> Das Laufwerk wurde nicht verkauft, sondern für 650 US-Dollar pro Monat vermietet.<ref>Vorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-FormatEmerson W. Pugh: RAMAC in Historical Perspective. Magnetic Disk Heritage Center, 26. Mai 2005, S. 7, abgerufen am 21. Juni 2012 (PDF; 59 kB, englisch). </ref> Ein Exemplar der IBM350 befindet sich im Museum des IBM-Clubs in Sindelfingen. An der Entwicklung wesentlich beteiligt am Forschungszentrum in San José (Leitung Reynold B. Johnson) waren Louis Stevens, William A. Goddard, John Lynott.
• 1973: IBM startet das „Winchester“-Projekt, das sich damit befasste, einen rotierenden Speicher mit einem fest montierten Medium zu entwickeln (IBM 3340, 30 MB Speicherkapazität, 30 ms Zugriffszeit). Beim Starten und Stoppen des Mediums sollten die Köpfe auf dem Medium aufliegen, was einen Lademechanismus überflüssig machte. Namensgeber war die Stadt Winchester in Südengland, in deren IBM-Werk das Laufwerk entwickelt wurde. Diese Technik setzte sich in den folgenden Jahren durch. Bis in die 1990er-Jahre wurde deshalb für Festplatten gelegentlich die Bezeichnung Winchester-Laufwerk verwendet.
• 1979: Vorstellung der ersten 8″-Winchester-Laufwerke. Diese waren jedoch sehr schwer und teuer; trotzdem stieg der Absatz kontinuierlich.
• 1980: Verkauf der ersten 5,25″-Winchester-Laufwerke durch die Firma Seagate Technology („ST506“, 6 MB, 3.600 min⁻¹, Verkaufspreis etwa 1000 US-Dollar). Diese Modellbezeichnung (ST506) wurde über viele Jahre hinaus der Name für diese neue angewendete Schnittstelle, die alle anderen Firmen als neuen Standard im PC-Bereich übernommen hatten. Zur gleichen Zeit kam neben den bereits bestehenden Apple-Microcomputern der erste PC von IBM auf den Markt, dadurch stieg die Nachfrage nach diesen – im Vergleich zu den Winchester-Laufwerken kompakten – Festplatten rasant an.
• 1986: Spezifikation von SCSI, eines der ersten standardisierten Protokolle für eine Festplattenschnittstelle.
• 1989: Standardisierung von IDE, auch bekannt als AT-Bus.
• 1991: erste 2,5-Zoll-Festplatte mit 100 MB Speicherkapazität<ref>Computer Facts and History</ref>
• 1997: Erster Einsatz des Riesen-Magnetowiderstands (englisch Giant Magnetoresistive Effect (GMR)) bei Festplatten, dadurch konnte die Speicherkapazität erheblich gesteigert werden. Eine der ersten Festplatten mit GMR-Leseköpfen brachte IBM im November 1997 heraus (IBM Deskstar 16GP DTTA-351680, 3,5″, 16,8 GB, 0,93 kg, 9,5 ms, 5.400 min⁻¹).
• 2004: Erste SATA-Festplatten mit Native Command Queuing von Seagate.
• 2005: Prototyp einer 2,5-Zoll-Hybrid-Festplatte (Kurzbezeichnung H-HDD), die aus einem magnetisch-mechanischen Teil und einem zusätzlichen NAND-Flash-Speicher aufgebaut ist, der als Puffer für die Daten dient. Erst wenn der Puffer voll ist, werden die Daten aus dem Puffer auf das Magnetmedium der Festplatte geschrieben.
• 2006: Erste 2,5-Zoll-Notebook-Festplatte (Momentus 5400.3, 2,5″, 160 GB, 0,1 kg, 5,6 ms, 5.400 min⁻¹, 2 Watt) von Seagate mit senkrechter Aufzeichnungstechnik (Perpendicular Recording). 3,5-Zoll-Festplatten erreichen mit derselben Aufzeichnungstechnik im April eine Kapazität von 750 GB.
• 2007: Die erste Terabyte-Festplatte von Hitachi.<ref>Produktseite der Deskstar 7K1000. Hitachigst.com. Abgerufen am 9. September 2010.</ref> (3,5″, 1 TB, 0,7 kg, 8,5 ms, 7.200 min⁻¹, 11 Watt)
• 2009: Erste 2-TB-Festplatte von Western Digital (Caviar Green, 5400 min⁻¹)
• 2010: Erste 3-TB-Festplatte von Western Digital (Caviar Green). Systeme ohne UEFI können diese Festplatte nicht ansprechen. WD liefert eine spezielle Controllerkarte mit, mit welcher die 2,5 TB und 3 TB großen Festplatten von PCs mit älterem Bios als sekundäre Platten voll angesprochen werden können. Seagate umgeht dieses Problem durch den Einsatz größerer Sektoren (Advanced Format).
• 2011: Überschwemmungen zerstörten etliche Fabriken in Thailand und machten die weltweiten Abhängigkeiten unter anderem der Festplattenindustrie deutlich: Lieferausfälle führten zur Knappheit von Bauelementen und die Preise für Festplatten auf dem Endverbrauchermarkt in Deutschland schnellten auf ein Mehrfaches in die Höhe. Hitachi GST beziehungsweise Western Digital liefert in kleinen Stückzahlen die ersten 4-TB-3,5"-Festplatten Deskstar 5K4000 (intern) beziehungsweise Touro Desk (externe USB-Variante) mit 1 TB pro Platter aus.<ref>Christof Windeck: 4-Terabyte-Festplatten von Hitachi. In: heise online. Heise Zeitschriften Verlag, 13. Dezember 2011, abgerufen am 13. Dezember 2011. </ref> Auch Samsung kündigt entsprechende Modelle mit einer Kapazität von 1 TB pro Platter an. Erste Modelle sollen die Spinpoint F6 mit 2 TB und 4 TB sein.
• 2014: Erste 6- und 8-TB-Festplatten mit Heliumfüllung von HGST.<ref name="Heise-He-6TB" />
• 2015: Erste 10-TB-Festplatte mit Heliumfüllung und Shingled Magnetic Recording von HGST.<ref>Michael Günsch: 10-TB-Festplatte von HGST erlangt Marktreife. In: ComputerBase GmbH. ComputerBase GmbH, 9. Juni 2015, abgerufen am 10. Juni 2015. </ref>

Hersteller

Im zweiten Quartal 2013 wurden weltweit 133 Millionen Festplattenlaufwerke mit einer Gesamtkapazität von 108 Exabyte (108 Millionen Terabyte) abgesetzt.<ref name="market2013q2">StorageNewsletter: HDD Shipments Off Slightly in 2Q13 to 133.4 Million</ref> Im Jahr 2014 wurden weltweit 564 Millionen Festplattenlaufwerke mit einer Gesamtkapazität von 529 Exabyte produziert.<ref name="forbes2014">Forbes: HDD Annual Unit Shipments Increase In 2014</ref><ref name="storagenewsletter2014">StorageNewsletter: 564 Million HDDs Shipped in 2014</ref>

Ehemalige Hersteller:

• Conner Peripherals wurde 1996 von Seagate übernommen.
• Quantum wurde 2000 von Maxtor übernommen.
• IBMs Festplattensparte wurde 2002 von Hitachi übernommen.
• Maxtor wurde 2006 von Seagate übernommen.
• Fujitsus Festplattensparte wurde 2010 von Toshiba übernommen.<ref name="Heise-Hitachi">Thorsten Leemhuis: Fujitsu-Festplattensparte geht in Toshiba Storage Device Corporation (TSDC) auf. In: heise online. Heise Zeitschriften Verlag, 3. Dezember 2009, abgerufen am 11. August 2010. </ref>
• ExcelStor
• Samsungs Festplatten-Sparte wurde im Oktober 2011 von Seagate übernommen.<ref name="Samsung 2011">Seagate Completes Acquisition of Samsung’s Hard Disk Drive Business. seagate.com. 19. Dezember 2011. Abgerufen am 9. November 2013.</ref>
• HGST (Hitachi) wurde im März 2012 von Western Digital übernommen,<ref>High Prices Generate Record Revenue for HDD Market in Q1. iSuppli. 12. Juni 2012. Abgerufen am 17. Januar 2014.</ref> wobei WD auf Druck der Kartellbehörden einen Teil der 3,5"-Produktionseinrichtungen an Toshiba abgeben musste.<ref>WD Reaches Agreement with Toshiba Corporation to Divest Certain 3.5-Inch HDD Assets. WDC.com. 28. Februar 2012. Abgerufen am 17. Januar 2014.</ref>
• Siehe auch Kategorie:Ehemaliger Festplatten-Hersteller

Weblinks

• tecchannel.de: 50 Jahre Festplatte, 13. September 2006
• HDD from inside: Main parts – Fotoserie mit Beschreibung anhand einer 3,5″-SATA-Festplatte (englisch)
• Festplattenschnittstellen im Überblick
• A brief History of Areal Density

Einzelnachweise

<references />

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