Festplattenlaufwerk

Grundprinzip und Einsatz

Ein Festplattenlaufwerk (Hard Disk Drive, HDD; oft kurz Festplatte) ist ein magnetisches, direktadressierbares Speichermedium. Daten werden berührungslos auf rotierenden Scheiben, den Plattern, gespeichert: Ein Schreib-Lese-Kopf magnetisiert die hartmagnetische Beschichtung passend zur Information. Die verbleibende Magnetisierung heißt Remanenz und bewahrt die Daten. Beim Lesen tastet der Kopf diese Magnetisierung berührungslos ab.

Direktadressierbar bedeutet, dass eine bestimmte Speicherstelle ohne linearen Durchlauf wie bei Magnetband oder Lochstreifen erreicht werden kann. Festplatten wurden zunächst vor allem in Mainframes eingesetzt und ab den 1980er Jahren im PC-Bereich verbreitet. Die IBM 350, 1956 als Teil des IBM-305-RAMAC angekündigt, war die erste kommerziell erhältliche Festplatte.

Daten liegen je nach Organisation in Blöcken: CKD (count key data) nutzt unterschiedlich lange Datenblöcke, FBA (fix block architecture) gleich lange Blöcke, meist 512 oder 4096 Byte. Zugriffe müssen stets eine ganze Anzahl solcher Blöcke umfassen.

SSDs und Hybridlaufwerke können über dieselben Schnittstellen wie HDDs angesprochen werden und werden vereinfacht ebenfalls „Festplatten“ genannt. SSDs erreichen erheblich geringere Zugriffszeiten sowie höhere Lese- und Schreibgeschwindigkeiten. HDDs bleiben vor allem bei hohem Speicherbedarf wichtig, etwa in NAS-Systemen zur privaten Medienspeicherung und in Rechenzentren. Als Kapazität werden bis 32 Terabyte (2024) genannt.

Bauteile, Scheiben und Köpfe

Eine Festplatte besteht aus einem oder mehreren übereinander montierten Plattern auf einer Spindel, einem Elektromotor, beweglichen Schreib-Lese-Köpfen und einem Aktor als Kopf-Antrieb. Hinzu kommen Lager, Steuerelektronik, ein DSP zur Verwaltung und Schnittstellensteuerung, Firmware in (Flash-)ROM, DDR-RAM als temporärer Speicher und Festplattencache sowie das stabile Gehäuse. Als Cache waren 2 bis 64 MiB üblich.

Die Scheiben haben ein nicht magnetisierbares Grundmaterial mit dünner magnetisierbarer Deckschicht. Häufig dienen oberflächenbehandelte Aluminiumlegierungen als Träger; bei hoher Datendichte auch Magnesiumlegierungen, Glas oder Glasverbundstoffe. Die Magnetlage aus Eisenoxid oder Kobalt ist ungefähr einen Mikrometer dick. Moderne Platten verwenden durch Sputtern aufgebrachte Materialien wie CoCrPt, darüber diamantähnlichen Kohlenstoff als Schutz und eine 0,5–1,5 nm dicke Gleitschicht.

Beim Perpendicular Magnetic Recording (PMR) wird senkrecht statt längs aufgezeichnet; dies erhöht die Datendichte. PMR setzte sich ab 2008 bei den meisten Festplatten durch. Shingled Magnetic Recording (SMR) lässt Spuren in Nachbarspuren hineinreichen und ermöglicht hohe Kapazitäten, kann aber die effektive Schreibrate senken, weil Nachbarspuren mitgeschrieben oder repariert werden müssen. Two-Dimensional Magnetic Recording (TDMR) kann die Datendichte um etwa 10 % erhöhen, benötigt jedoch mehrere Leseköpfe pro Seite und aufwändige Elektronik.

Die Köpfe schweben auf einem durch die rotierende Scheibe erzeugten Luftpolster. Die Schwebehöhe lag 2000 bei etwa 20 nm, bei neueren PMR-Platten bei 5 bis 6 nm; für 1 TB pro Scheibe wurden 2011 maximal 3 nm genannt. Deshalb müssen Festplatten in Reinräumen gefertigt werden. Moderne Leseköpfe nutzen MR- und GMR-Technik; GMR steht für Riesenmagnetowiderstand und ist eine Anwendung der Spintronik.

Servoinformationen führen den Kopf zuverlässig auf der Spur. Bei heutigen embedded-servo-Systemen liegen sie regelmäßig zwischen Datensektoren auf jeder Oberfläche. Bei der Hitachi Deskstar 7K500 von 2005 betrugen die Spurdichte 5,3 Spuren/µm, die Bitdichte 34,3 Bit/µm und damit 182 Bit/µm². Beim Ausschalten werden die Köpfe in einer datenfreien Park- oder Landezone fixiert. Bei Stromausfall kann der Motor als Generator die Energie zum Parken liefern; bei Laptops parkt ein Beschleunigungssensor die Köpfe bereits während eines freien Falls.

Desktop-HDDs rotieren meist mit 5400 bis 10.000 min⁻¹, Serverplatten überwiegend mit 10.000 oder 15.000 min⁻¹. Hydrodynamische Gleitlager haben die früheren Kugellager weitgehend ersetzt; sie sollen langlebiger, leiser und günstiger sein. Luftgefüllte Gehäuse sind staubdicht, aber für Druckausgleich mit gefilterter Öffnung oder Membran versehen. Heliumgefüllte HDDs sind hermetisch geschlossen; die geringere Dichte verringert Strömungseffekte und Vibrationen und erlaubt mehr Scheiben bei gleicher Bauhöhe.

Blöcke, Kapazität und Formatierung

Die Low-Level-Formatierung erzeugt die Zugriffsstruktur einer Festplatte, unter anderem Markierungen und Sektor-Header mit Spur- und Sektornummern. Bei IDE-Festplatten wird sie seit Anfang der 1990er Jahre beim Hersteller durchgeführt. Sie ist etwas anderes als die High-Level-Formatierung, also das Anlegen eines Dateisystems. Servoinformationen können bei aktuellen Festplatten mit Linearmotoren nicht durch Nutzende geschrieben werden.

Die Kapazität ergibt sich aus Blockgröße mal Anzahl verfügbarer Blöcke. Mögliche Blockgrößen sind 256, 512, 2048 oder 4096 Byte. Hersteller verwenden dezimale SI-Präfixe: 1 TB = 10¹² Byte. Windows und einige ältere Betriebssysteme verwendeten dieselben Präfixe historisch in binärer Bedeutung. Deshalb erscheinen 1 TB Herstellerkapazität dort als 931 „Gigabyte“: Gemeint sind 2⁴⁰ Byte, IEC-konform Tebibyte.

Die Magnetschicht ist in konzentrische Spuren unterteilt. Gleich übereinander liegende Spuren aller Oberflächen bilden einen Zylinder. Traditionell enthält ein Block 512 Byte Nutzdaten sowie Kontrollinformationen. Die reale Geometrie aus Zylindern, Köpfen und Sektoren (CHS) ist seit den 1990er Jahren normalerweise nicht mehr sichtbar; sie wurde erst durch logische CHS-Werte und dann durch LBA, die lineare Blockadressierung, ersetzt. In Zonen besitzen äußere Spuren mehr Blöcke als innere. Daher ist die kontinuierliche Übertragungsrate außen höher und nimmt beim Lesen nach innen ab.

Dateisysteme verwalten eigene Blöcke oder Cluster. Ein Cluster kann mehrere physische Blöcke umfassen und ist die kleinste Zuordnungseinheit eines Dateisystems. Die Festplatte kann defekte Blöcke durch Reserveblöcke ersetzen. Der S.M.A.R.T.-Wert Reallocated Sector Count zeigt solche Neu-Zuordnungen; steigt er rasch, wird ein baldiger Ausfall erwartet.

Advanced Format verwendet seit 2010 zunehmend physische 4096-Byte-Sektoren. Bei „512e“ emuliert die Schnittstelle acht logische 512-Byte-Blöcke pro 4096-Byte-Block. Das erhält Kompatibilität, kann aber bei falsch ausgerichteten Partitionen oder Clustern Leistung kosten, weil ein physischer Block gelesen, verändert und zurückgeschrieben werden muss. Bei passendem Alignment und Clustergrößen als ganzzahligen Vielfachen von 4096 Byte entsteht meist fast kein Verlust. „4Kn“ adressiert 4096-Byte-Blöcke nativ und emuliert keine 512 Byte.

Mit 512-Byte-Sektoren beschränkt MBR wegen seiner 32-Bit-Felder die Partitionsgröße auf rund 2 TiB. Für die uneingeschränkte Nutzung von Festplatten über 2 TiB ist GPT-Unterstützung nötig; Voraussetzungen zum Booten hängen zusätzlich von Betriebssystem und BIOS, EFI oder EFI+CSM ab.

Bauformen, Leistung und Anschlüsse

Übliche mechanische Formfaktoren sind 5,25″, 3,5″, 2,5″ und 1,8″. Die Zollangabe beschreibt einen Formfaktor und entspricht meist ungefähr dem Platterdurchmesser, nicht der Gehäusebreite. 3,5″-HDDs waren lange Desktop-Standard, 2,5″-Modelle wurden für Notebooks entwickelt und auch in Servern, Spezialgeräten und USB-Festplatten eingesetzt. Kleinere Bauformen brauchen weniger Platz, sind weniger erschütterungsanfällig und benötigen weniger Leistung, wurden aber zunehmend von SSDs verdrängt.

Wichtige Leistungswerte sind kontinuierliche Übertragungsrate und mittlere Zugriffszeit. Letztere setzt sich aus Spurwechselzeit, Rotationslatenz und heute meist vernachlässigbarer Kommandolatenz zusammen. Im Mittel muss eine halbe Umdrehung abgewartet werden: mittlere Latenzzeit = 1/2 · 1/Drehzahl; in Millisekunden gilt mittlere Latenzzeit/ms = 30000/(Drehzahl/min⁻¹). Mechanische Verzögerungen lagen 2009 bei etwa 6–20 ms. Deshalb sind HDDs gegenüber RAM besonders langsam und profitieren von großen, zusammenhängenden Lese- oder Schreibvorgängen, Caches und optimierter Reihenfolge von Anfragen. IOPS (Input/Output operations Per Second) sind besonders bei kleinen Blöcken vor allem von der Zugriffszeit abhängig.

NCQ und TCQ sortieren Warteschlangen von Anfragen nach der Kopfposition, um unnötige Umdrehungen und Kopfbewegungen zu vermeiden. AAM kann bei ATA- und SATA-Desktopplatten die Kopfbewegungen verlangsamen: Die Zugriffe werden leiser, aber langsamer; Datenrate und Geräusch des Plattenstapels ändern sich nicht.

Frühe Consumer-Platten benötigten einen separaten Controller. Moderne interne Desktop-HDDs verwenden praktisch vor allem SATA; paralleles ATA/IDE wurde seit den 2000er Jahren ersetzt. Bei ATA konnten per Jumper zwei Geräte an einer Schnittstelle als Device 0 und 1, oft Master und Slave genannt, festgelegt werden. SCSI konnte je nach Controller 7 oder 15 Geräte adressieren und wurde ab etwa 2005 durch SAS verdrängt.

SAS basiert auf SCSI, überträgt seriell und verbindet Geräte einzeln über dedizierte Ports. Theoretisch können über 16.000 Geräte angesprochen werden, die maximale Kabellänge beträgt 10 m. SATA-Steckverbindungen und SATA-Festplatten sind zu SAS kompatibel, eine SAS-Platte erfordert jedoch einen SAS-Controller. Fibre Channel dient besonders Speichersubsystemen und spricht Laufwerke über FC-Controller, Hubs oder Switches an.

Nutzung, Schutz und sicheres Löschen

Partitionen teilen eine Festplatte aus Sicht des Betriebssystems in Bereiche. Sie sind keine tatsächlichen getrennten Laufwerke; die Festplatte selbst kennt sie nicht. Jede Partition wird gewöhnlich mit einem Dateisystem formatiert, das Dateien, Verzeichnisse sowie belegte, freie und defekte Cluster verwaltet. Beispiele sind FAT, NTFS, APFS, HFS+, UFS, ZFS, extfs und btrfs.

Mehrere HDDs lassen sich als JBOD über einen Logical Volume Manager zusammenfassen oder als RAID in Disk-Arrays einsetzen. RAID 1 spiegelt Daten auf zwei Platten. RAID 5 und höhere RAID-Stufen werden als effizientere Konfigurationen genannt. RAID 0 steigert zwar die Geschwindigkeit, erhöht aber das Ausfallrisiko und schützt nicht vor Datenverlust. Externe HDDs können als lokal angeschlossene Blockgeräte über USB, FireWire oder eSATA arbeiten oder über ein NAS als Netzwerkressource bereitgestellt werden. In externen Gehäusen übersetzt eine Bridge zwischen PATA oder SATA und der externen Schnittstelle; manche Gehäuse enthalten zwei Platten, die als ein RAID-Laufwerk erscheinen.

Für mobile und sensible Daten sind Verschlüsselung, Zugriffskontrolle und die Verwaltung des kryptographischen Schlüssels entscheidend. Die Verschlüsselung kann im Betriebssystem oder direkt im Laufwerk erfolgen, etwa als Microsoft eDrive oder Self-Encrypting Drive. Schlüssel können auf USB-Stick oder Smartcard liegen oder mit Passwort beziehungsweise Passphrase erzeugt werden. Manche Festplatten erlauben ein ATA-Passwort auf Hardwareebene. Ransomware kann durch Verschlüsselung oder ein unbekannt gesetztes Hardware-Passwort den Zugriff blockieren und Lösegeld verlangen.

Typische Ausfallursachen sind Hitze, Erschütterungen, Head-Crash, äußere Magnetfelder, Fehler der Steuerelektronik, mechanischer Verschleiß und nach langem Stillstand festsitzende Mechanik („sticky disk“). MTTF bezeichnet die mittlere Betriebsdauer bis zum Ausfall bei irreparablen Platten, MTBF die mittlere Zeit zwischen Ausfällen bei reparierbaren. Dies sind nur statistische Werte. S.M.A.R.T. überwacht seit Ende der 1990er Jahre viele ATA-Festplatten, ist aber kein einheitlicher Standard und warnt nicht zwingend rechtzeitig.

Wichtige Daten benötigen immer ein Backup auf einem anderen Datenträger. HDDs sollen fest verschraubt, vor ESD geschützt und nicht im Betrieb erschüttert werden. Beim normalen Löschen, Partitionieren oder Schnellformatieren werden Daten meist nicht überschrieben, sondern nur als frei markiert und können häufig wiederhergestellt werden. Für sensible Daten genügt bei heutigen HDDs einmaliges Überschreiben; mechanische Zerstörung der Festplatte oder Scheiben wird bei Verschrottung ebenfalls empfohlen. Ist die gesamte Platte wirksam verschlüsselt, entspricht das wirksame Verwerfen des Zugriffsschlüssels weitgehend einer Löschung.

Entwicklung und Markt

Die Kapazität wuchs über Jahrzehnte stark: Die IBM 350 von 1956 hatte 5 MB, die erste 5,25″-Seagate ST-506 von 1980 6 MB. 1991 erschien eine 2,5″-Festplatte mit 100 MB, 2007 die erste Terabyte-Festplatte von Hitachi, 2009 eine 2-TB-HDD von Western Digital. 2014 folgten 6- und 8-TB-Heliumplatten, 2015 eine 10-TB-HDD mit Heliumfüllung und SMR. Für 2024 nennt die Übersicht 26 TB mit konventioneller Technik und 32 TB mit UltraSMR bei Western Digital sowie externe 2,5″-Laufwerke mit 6 TB. Die maximale Kapazität stieg bei leicht sinkenden Preisen ungefähr alle 16 Monate, verlangsamte sich aber seit etwa 2005.

Im Jahr 2014 wurden weltweit 564 Millionen Festplatten mit insgesamt 529 Exabyte produziert; im vierten Quartal 2018 wurden 87,7 Millionen Laufwerke abgesetzt. Den HDD-Markt teilten sich 2024 drei Hersteller: Western Digital mit 42 %, Seagate mit 40 % und Toshiba mit 18 % Marktanteil nach Stückzahl. Frühere Hersteller und Festplattensparten gingen durch Übernahmen überwiegend in diesen Unternehmen auf.