Aufbau und Technik einer HDD
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Definition Festplatte

Wenn wir Festplatten erwähnen, dann geschieht das meist im Kontext unserer Dienstleistung der Datenrettung von RAID Systemen oder eben Festplattenlaufwerken. Nachfolgend wird die Festplatte deshalb bezüglich ihrer Technik, dem Aufbau und ihrer Entwicklung ein wenig näher beleuchtet.

16. November 2018 - Sebastian Evers


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Die Festplatte: Speichermedium Nr. 1

Die meistverbreitesten Datenträger in der Informationstechnologie sind Festplatten, auch Festplattenlaufwerk, HDD (engl. hard disk drive) oder HD (engl. hard disk) genannt. Festplatten sind mechanische und elektronische Geräte, die große Mengen an Daten in elektromagnetischer Form auf einer ferromagnetischen Datenträgeroberfläche oder mehreren dieser Oberflächen speichern und einen relativ schnellen Abruf dieser gespeicherten Daten bieten.

Moderne Festplatten sind in der Lage etliche Milliarden Bytes zu speichern. Eine Festplatte mit einem Terabyte (1024 Megabyte) Speicher ist angesichts des Speicherplatzes hochkapazitiver Datenträger, mit derzeit bis zu 15 Terabyte, als klein einzustufen.

Die Festplatte im Detail

Die Festplatte ist, betrachtet man ihren Aufbau, eine Reihe übereinander gestapelter Scheiben auf einer Spindel. Auf den Oberflächen der Magnetscheiben werden die Daten in konzentrischen Kreisen bzw. Spuren (ähnlich zur Schallplatte) strukturiert abgespeichert.

Der sogenannte Kopf, um den vorherhergehenden Schallplattenvergleich nochmal aufzugreifen, erinnert an den Tonabnehmer eines Plattenspielers. Allerdings liegt dieser, anders als bei einer Schallplatte, nicht auf der Oberfläche auf, sondern schwebt auf einem Luftkissen über der Scheibe.

Bei dem Kopf handelt es zudem um Köpfe, denn für jede Seite einer Magnetscheibe gibt es jeweils einem Kopf für Schreibvorgänge (Speichern) und einen Kopf für Lesezugriffe. Die Schreib-/Leseköpfe lesen oder schreiben die Daten, während sich die Spindel mit den Magnetscheiben dreht.

Die Magnetscheiben der Festplatte rotieren mit Geschwindikeiten von 4.500 bis 7.200 beziehungsweise 10.000 oder 15.000 Umdrehungen pro Minute (rpm, engl. rounds per minute), wodurch das charakteristische Luftkissen im Nanometerbereich entsteht, auf dem sich die Schreib-/Leseköpfe über die drehenden Scheiben bewegen.

Die einzelnen Schreib- und Lesevorgänge erfordern die Lokalisierung der entsprechenden Daten, was gemeinhin als „Suche“ bezeichnet wird. Daten, welche bereits im Cache (Zwischenspeicher) der Festplatte liegen, können schneller ausgegeben werden: Mit Hybrid-Festplatten (SSHD) wird dieses Konzept der Vorhaltung der Daten im Flash-Speicher, durch die Verschmelzung von SSD und klassischer Festplatte, mit den Vorteilen beider Speichermedien, optimal genutzt.

Auch wenn die physische Position sich über Parameter wie Zylinder, Spur und Sektor bestimmen lässt, nutzen moderne Festplatten eine logische Blockadresse (LBA), um den jeweiligen Sektor zu identifzieren bzw. zu adressieren.

Stetige Verkleinerung des Festplattenformats

Seit dem weltweit ersten Festplattenlaufwerk 1956, der IBM RAMAC, hat sich viel getan und heutzutage kann sich, angesichts der gängigen Bauformate 2,5 Zoll und 3,5 Zoll, kaum noch jemand vorstellen, dass die erste Festplatte eine Tonne wog und 4,3 Megabyte speichern konnte. Die Festplatten sind mit den Jahren kleiner und die Kapazitäten größer geworden. Seit dem Jahr 2007 sind Terabyte Kapazitäten für Festplattenlaufwerke möglich.

Seit dem die Festplatte zum dominierenden Speichermedium für digitale Daten geworden ist, haben verschiedene Festplattenformate existiert. Die mittlerweile einzigen Formate, die sich durchgesetzt haben, sind die 2,5 Zoll und 3,5 Zoll Formate, entsprechend des Durchmessers der Festplatte - nicht des Festplatten-Gehäuses. Weitere Formate sind 5,25 Zoll und 1,8 Zoll, die heutzutage gar nicht mehr eingesetzt, geschweige denn produziert werden. Festplatten mit 5,25 Zoll sind mit dem Ende der 90er Jahre verschwunden.

Immense Sprünge bei der Festplattenkapazität

Ab diesem Zeitpunkt erreichten die kleineren Datenträger in immer kürzeren Abständen wesentliche Kapazitätssteigerungen. War der maximale Speicherplatz einer 3,5 Zoll Festplatte im Jahr 2001 noch 160 GB, konnte man vier Jahre später bereits 500 GB speichern.

Bei dem kleineren Format der 2,5 Zoll Festplatten fand mit dem Sprung von 40 GB auf 120 GB sogar eine Verdreifachung statt. Mit dem Perpendicular Recording, welches 2005 für die größere und 2007 für die kleineren Formate eingeführt wurde, war eine erneute Kapazitätssteigerung möglich, sodass 2007 die erste 3,5 Zoll Festplatte mit einem Terabyte marktreif war.

Nur drei jahre später waren es bereits drei Terabyte und die Hälfe an Speicherplatz bei den 2,5 Zoll Festplatten. Weitere drei Jahre später war eine weitere Steigerung von zusätzlichen drei Terabyte möglich und weitere 500 GB bei den kleineren Modellen.

Speicherplatz von mehr als 15 TB

Mit der Helium-Festplatten-Technologie konnten 2015 einmal acht (HGST) und zehn Terabyte (Seagate) erreicht werden. Der Hersteller HGST (Western Digital) setzt zudem das Shingled Magnetic Recording ein, um die Spurdichte und somit die Kapazität maßgeblich erhöhen zu können.

Mit der Vorstellung der Western Digital Ultrastar DC H620 SMR in diesem Jahr, wurde die mögliche Speicherkapazität auf 15 Terabyte für ein einzelnes Festplattenlaufwerk erhöht. Laut Seagate sollen im kommenden Jahr 2019 dank HAMR bereits 20 Terabyte – vier Jahre später sogar 40 Terabyte je Festplatte möglich sein. Auch Western Digital geht davon aus, dass mit der eigenen MAMR-Technik zwei Jahre später, im Jahr 2025, Festplattenlaufwerke mit 40 Terabyte realistisch sein werden.

Aufbau und Schnittstellen von Festplatten

Ein Festplattenlaufwerk setzt sich aus verschiedenen Bauteilen zusammen:

  • Gehäuse: Dieses kombiniert nicht nur alle anderen Komponenten und fasst sie zusammen ,sondern bietet zusätzlich Schutz gegen übermäßige Vibration und Hitze.
  • Platter: Eine oder mehrere der Scheiben, übereinander liegend auf einer Spindel gestaffelt, meist aus Aluminium- oder Magnesium-Legierungen bestehend, auf denen Daten geschrieben werden.
  • Schreib-/Lesekopf/-köpfe: Die Köpfe (Heads) sind an beweglichen Arme/Kopfträger montiert.
  • Spindel: Auf dieser Achse mit eigenem Lager werden die Scheiben des Datenträgers montiert.
  • Festplattenmotor: Der Elektromotor treibt die Spindel an.
  • PCB: Steuerungselektronik für die Steuerung von Motor- sowie Schreib-/Leseköpfe
  • Prozessor: Ein DSP für die kontinuierliche Verarbeitung der digitalen Signale, unter anderem gehören die Verwaltung, Schnittstellenbedienung und die Kopfsteuerung zu seinen Aufgaben.
  • Flash-ROM, DDR-RAM: Für Firmware (Softwaresteuerung), Cache und weitere temporäre Parameter
  • Interface: Die Schnittstelle, über die Festplatten von außerhalb angesprochen werden. Schnittstellen sind unter anderem IDE/ATA (parallel ATA), SCSI: aktuellere Datenträgermodelle verwenden SATA I-III ( serielles ATA), SAS (Serial Attached SCSI), USB und Fibre-Channel.
Andreas Mortensen
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