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Die Präzision eines Lesekopfes lässt sich mit der einer Boeing 747 vergleichen, welche mit 272 km/sek und weniger als einen Zentimeter über den Boden fliegt und in der Lage ist, jeden einzelnen Grashalm zu zählen.
Auch wenn die mechanische Festplatte ein mustergültiges Beispiel für die Datenspeicherung darstellt, ist der breiten Öffentlichkeit nur wenig darüber bekannt – und dies, obwohl praktisch sämtliche Daten der Informatik auf ebendiesen Datenträgern gespeichert werden.
Die erste Festplatte, die IBM 350, kam 1956 auf den Markt. Mehr als tausend Exemplare wurden innerhalb von weniger als fünf Jahren zu einem Preis von 50’000.- $ verkauft. Unter Berücksichtigung der Inflation seit der Lancierung würde diese Festplatte heutzutage 450’000.- $ kosten. Dieses Monstrum wog mehr als eine Tonne und beinhaltete mehr als 50 Platten mit einem Durchmesser von 60cm und lediglich einem einzigen Lese- und Schreibkopf. Dieser Kopf bewegte sich von Platte zu Platte. Das Speichervolumen lag bei 5 MB, also der gegenwärtigen Grösse eines Fotos im JPEG-Format.
Diese Speichertechnik existiert somit bereits länger als 60 Jahre! Am Basisprinzip hat sich wenig verändert, allerdings liess die Miniaturisierung die Datenträger schrumpfen und hat die Speicherkapazität 800’000 Mal erhöht. In diesem Artikel möchte ich Ihnen die Funktionsweise einer mechanischen Festplatte in groben Zügen erklären.
Die numerische Information wird in Form einer 0 oder 1 abgelegt. Um den jeweiligen Zustand (0 oder 1) zu speichern, arbeiten die mechanischen Festplatten mit Hilfe von Magnetismus. Eine Festplatte verfügt über Platten, welche je zwei magnetische Seiten besitzen – eine oben, eine unten. Auf diesen magnetischen Seiten werden schlussendlich die Daten vom Anwender in der Form einer 0 oder einer 1, je nach Polarität, gespeichert. Doch nicht nur die Benutzerdaten werden auf diesen Flächen gespeichert, wie wir später sehen werden. Je grösser die Dichte der «magnetischen Bits» auf den Platten ist, desto höher ist die Speicherkapazität. Dies ist einer der grossen Fortschritte mit der ersten Festplatte von IBM.
Um die Ausrichtung dieser magnetischen Bits korrekt lesen, respektive schreiben zu können – also um zu wissen, ob es sich um eine 0 oder um eine 1 handelt – gibt es auf beiden Seite einer jeden Platte einen Lese-/Schreibkopf. Dieser ist auf einer Art Arm montiert, welcher sich über der Oberfläche der Platten bewegt. Alle Köpfe bewegen sich simultan, womit die Festplatte die vorhandenen Daten aller Platten gleichzeitig lesen kann.
Die Platten drehen sich, je nach Festplatte, mit einer Geschwindigkeit zwischen 5’000 und 15’000 Umdrehungen pro Minute. Diese Rotation der Platten ist notwendig; wie wir bereits festgestellt haben, erlaubt dies den Leseköpfen, auf den gesamten Inhalt der Platten zuzugreifen, da sich die Köpfe lediglich auf einer Achse bewegen. Je höher die Umdrehungsgeschwindigkeit ist, umso mehr magnetische Bits können innerhalb der gleichen Zeitspanne überflogen werden. Ausserdem kreiert die Reibung der Platte mit der Druckluft (staubpartikelfreie Luft) einen Luftzug auf der Oberfläche der Platte. Dank diesem «Wind» heben die Leseköpfe mithilfe des «Sliders» (funktioniert in etwa wie ein Luftkissenfahrzeug) von ungefähr 1,5 mm von den Platten ab und überfliegen die Platten.
Die Köpfe dürfen die Oberfläche der Platten nie berühren, da sie ansonsten zerstört und somit die magnetische Oberfläche unwiederbringlich beschädigen können. Die Distanz zwischen den Köpfen und der Plattenoberfläche beträgt bei einer Festplatte der neuesten Generation ungefähr 7 Nanometer, was 10’000 Mal kleiner als ein menschliches Haar ist. Ein Lese-/Schreibekopf ist nur unwesentlich grösser, nämlich ungefähr 10 Nanometer. Dies ist das Ergebnis der Miniaturisierung.
Die Festplatte verfügt über eine Leiterplatte, durch welche unter anderem die Bewegung der Leseköpfe koordiniert wird, die Umdrehungen der Platten gesteuert werden oder auch die Verbindung zwischen der Festplatte und dem Rechner ermöglicht wird. Auf dieser Leiterplatte sind hauptsächlich ein Motorcontroller – zuständig für die Rotation der Platten -, ein Controller der Lese-/Schreibköpfe und ein SATA-Controller (für die Verbindung mit dem Computer) verbaut. All diese Komponenten werden durch eine Quarzuhr im Gleichtakt gehalten.
Wie Sie vielleicht bereits vermutet haben, verwaltet jeder Controller ein bestimmtes Element (Motor, Köpfe, usw.). Diese Controller verfügen über Ihr eigenes Programm, welches Firmware genannt wird. Auch die Festplatte selber hat Ihre eigene Firmware, wodurch die Festplatte feststellen kann, wie und wo genau die Daten auf den Oberflächen der Platten gespeichert sind.
Wie wir bereits gesehen haben, besitzen die Platten magnetische Bits Ihrer Daten. Allerdings nicht nur – denn wie kann sich die Firmware sicher sein, dass die Daten, welche vom Lesekopf gelesen werden diese sind, welche sie verlangt hat? Mithilfe von weiteren magnetischen Bits, welche die Blöcke der Informationsbits umgeben wird dies sichergestellt. Im Grossen und Ganzen kann die Firmware so feststellen, ob sich die Köpfe an der richtigen Adresse befinden. Ausserdem kann mit weiteren Bits herausgefunden werden, ob die Information fehlerfrei gelesen werden konnte. Die Daten sind also hauptsächlich in Spuren und Sektoren auf den Platten strukturiert, welche die Adresse der Daten repräsentieren.
Die exakte Positionierung der Köpfe über den zu lesenden oder schreibenden Daten beansprucht viel Zeit. Daher rührt auch die niedrigere Geschwindigkeit im Vergleich zu einer SSD-Festplatte, welche einen elektronischen Zugang hat. Je höher die Fragmentierung der Dateien ist, umso mehr verschiedene Stellen müssen von den Leseköpfen angesteuert werden, womit jeweils Zeit für die Positionierung verloren geht. Aus diesem Grund verhilft eine Defragmentierung zu mehr Geschwindigkeit, da die Anzahl an Neupositionierungen der Köpfe gesenkt wird.
Lediglich 1% der Firmware befindet sich auf der Leiterplatte. Dieser winzige Prozentsatz, welcher auf der Platine gespeichert ist, ermöglicht den Köpfen die restlichen 99% zu lesen, welche sich auf den Platten in einer dafür reservierten und für den Anwender unzugänglichen Zone befinden. Der Grund für diesen Entscheid? Aktuelle Firmwares weisen eine Durchschnittsgrösse von 100 MB auf. Würde die gesamte Firmware auf der Leiterplatte gespeichert werden, so würde es den Preis ebendieser sprengen. Ausserdem würde dies beispielsweise aufgrund der zahlreichen Schreibezugriffe des SMART-Tables grosse Betriebssicherheitsprobleme mit sich bringen.
Was kann zur Dysfunktion einer Festplatte führen? Hierfür kann es mehrere Gründe geben. Wenn beispielsweise ein Lesekopf nicht mehr funktioniert, kann nicht mehr auf die Firmware zugegriffen werden, wodurch sich die Festplatte nicht mehr initialisieren kann. Eine Festplatte, welche nicht initialisierbar ist, kann durch Ihren Rechner nicht erkannt werden. Dasselbe gilt, wenn die Firmware korrupt ist oder wenn die Oberfläche, auf welcher die Firmware enthalten ist, beschädigt ist.
Das Klacken einer Festplatte stammt nicht zwingend immer von einem Problem mit den Köpfen. Dieses Geräusch wird tatsächlich durch den Arm ausgelöst, an welchem die Köpfe befestigt sind, und dieser Arm zu seiner Parkposition zurückkehrt, um neu kalibriert einen erneuten Anlauf zum Lesen der Firmware nimmt.
Die mechanischen Festplatten dürften noch lange nicht zum Auslaufmodell werden. Bis 2006 waren Informationsbits «flach» auf den Platten abgelegt und haben einiges an Platz verbraucht. Seither werden die Bits vertikal ausgerichtet und benötigen somit weniger Platz.
Wenn die Hersteller die Anzahl Bits pro cm2 auf den magnetischen Oberflächen weiterhin erhöhen wollen, müssen die Bits weiterhin verkleinert werden. Allerdings führt dies zu Problemen beim Beschreibungsprozess: Es besteht ein grosses Risiko, dass der Lesekopf die Polarität eines benachbarten magnetischen Bits fälschlicherweise umkehrt. Um dieses Problem zu beheben arbeiten die Hersteller momentan an einem Laser, welcher die zu schreibenden Bits kurz erhitzt. Ein erhitztes Bit benötigt ein weniger starkes Magnetfeld um seine Polarität umzukehren, womit das Risiko, den Zustand des benachbarten Bits zu verändern, gesenkt wird.
Die Zukunft der Festplatten liegt also im Bereich der Laser…