Was ist eine Festplatte?

Eine HDD ist eine Festplatte, da sie mit Magnetfilm beschichtete Platten verwendet, um Daten für eine Vielzahl von Geräten zu speichern, daher auch der Begriff „Festplatte“ in ihrem Namen. Diese Speichergeräte werden seit den 1950er Jahren in Computern verwendet und sind auch heute noch im Einsatz, allerdings aufgrund des Aufstiegs von Solid-State-Laufwerken als schnellere Alternative in Verbrauchergeräten in viel geringerem Umfang als in früheren Jahrzehnten.

Festplatten sind nichtflüchtige Speichergeräte, d. h. sie können Daten auch dann speichern, wenn sie nicht mit Strom versorgt werden. Dies ist das Gegenteil von PC-Speicher, auch DRAM genannt, der flüchtig ist und Strom benötigt, um Daten zu speichern.

Die Hauptkomponenten einer Festplatte sind die mit einer magnetischen Schicht überzogenen Metall- oder Keramikplatten, auf denen Daten gespeichert werden, sowie Lese-/Schreibköpfe, die über der Oberfläche der Platten schweben und Daten zum Host-System übertragen. Diese Lese-/Schreibköpfe werden auf jeder Plattenoberfläche einer Festplatte verwendet, sodass sie in der Regel auf beiden Seiten einer Platte zu finden sind. Bei einem Laufwerk mit 10 Platten gibt es also normalerweise 20 Lese-/Schreibköpfe. Diese winzigen Lese-/Schreibköpfe sind an Aktuatorarmen befestigt, die sich von der Basis des Laufwerks über die Platten erstrecken, wo ein kleiner Motor ihren Betrieb steuert. Die magnetisierten Platten werden in der Regel als „Medien“ bezeichnet, da sie Daten speichern können.

Der Hauptvorteil einer Festplatte besteht darin, dass sie sehr kostengünstig große Datenmengen speichern kann. Daher sind Festplatten seit über 60 Jahren der De-facto-Speichertyp für Computer. Auch heute noch sind sie weltweit weit verbreitet, jedoch aufgrund ihrer Fähigkeit, im Vergleich zu Solid-State-Laufwerken sehr kostengünstig große Datenmengen zu speichern, zunehmend in Unternehmensumgebungen wie Rechenzentren und Servern.

Wenn Daten vom Hostsystem angefordert werden, beispielsweise wenn eine Person zu einem Ordner navigiert und auf eine Datei oder einen Ordner doppelklickt, wird der Aktuatorarm mit den Lese-/Schreibköpfen über die sich drehende Platte bewegt, auf der sich die betreffende Datenmenge befindet, und die winzige Datenmenge wird vom Laufwerk gelesen und an das Hostsystem gesendet.

Wenn Daten auf das Laufwerk geschrieben werden, läuft der Vorgang umgekehrt ab: Der Arm bewegt sich zu einem leeren Bereich und der Lese-/Schreibkopf fügt neue Daten zur Festplatte hinzu oder überschreibt Daten, die zum Löschen markiert wurden.

Die Daten auf den Platten werden in sogenannten „Bits“ gespeichert, die mikroskopisch kleinen Reiskörnern ähneln. Die Lese-/Schreibköpfe können mit den Bits auf den Platten Magnetfelder erzeugen, wobei ein Ende des Bits den Nordpol und das andere Ende den Südpol darstellt. Diese Ausrichtung repräsentiert den binären Zustand jedes Bits auf der Festplatte. Der Lese-/Schreibkopf untersucht die Magnetfelder der Bits und wandelt sie in nutzbare Daten um. Beim Schreiben von Daten können die Lese-/Schreibköpfe bestimmte Bereiche der Festplatte magnetisieren und die Bits in einen Aufwärts- oder Abwärtszustand versetzen, wodurch die binäre Grundlage aller Daten gebildet wird.

Der Bit ist die kleinste Dateneinheit auf einer Festplatte. 8 Bits bilden ein Byte, 1.000 Bytes sind ein Kilobyte, tausend Kilobytes sind ein Megabyte, und jede Gruppierung von 1.000 Einheiten ergibt ein Gigabyte, Terabyte, Petabyte und so weiter. Insgesamt wird so die Gesamtkapazität einer Festplatte gemessen, die heutzutage in Terabyte angegeben wird.

Festplatten sind aufgrund der Einführung von Solid-State-Laufwerken, kurz SSD, die, wie der Name schon sagt, keine beweglichen Teile haben, bei Verbrauchergeräten in Ungnade gefallen. Durch das Fehlen beweglicher Teile sind sie wesentlich schneller als Laufwerke mit rotierenden Platten, da man nicht warten muss, bis der Lese-/Schreibkopf die richtige Position erreicht hat, und die „Suchzeit“, also die Zeit, die benötigt wird, um den Kopf neu zu positionieren, bei einer SSD nicht existiert, da es keine beweglichen Teile gibt.

Die meisten, wenn nicht sogar alle Leistungsengpässe, die aufgrund ihrer Konstruktion bei Festplatten auftreten, gibt es bei SSDs nicht. Dadurch sind SSDs nicht nur wesentlich schneller als HDDs, sondern auch wesentlich zuverlässiger, da sie Stößen und Erschütterungen standhalten, ohne dass man befürchten muss, dass der Lese-/Schreibkopf auf die Platte „aufschlägt“ und die Festplatte dadurch zerstört wird. Der Nachteil ist, dass SSDs immer noch viel teurer sind als HDDs, weshalb Rechenzentren und Server für die Speicherung großer Datenmengen nach wie vor auf Festplatten setzen, da dies mit SSDs noch immer zu kostspielig ist.

Obwohl Festplatten aufgrund der unzähligen Vorteile von SSDs heutzutage kaum noch in Verbrauchergeräten verwendet werden, sind sie nach wie vor Wunderwerke der modernen Technik. Beispielsweise müssen die Lese-/Schreibköpfe über den sich drehenden Platten schweben, ohne diese jemals zu berühren, aber dennoch nah genug sein, um die Daten auf der Festplatte zu manipulieren. Der Abstand zwischen Kopf und Platte beträgt daher etwa 3 bis 5 Nanometer, was so dünn ist wie ein menschlicher Fingerabdruck oder die Höhe mehrerer übereinander gestapelter menschlicher DNA-Stränge. Zum Vergleich: Die Breite eines einzelnen menschlichen Haares beträgt 80.000 Nanometer.

Noch erstaunlicher ist, dass die Drehung der Platten den Luftstrom erzeugt, der den Kopf über die Platte „schweben“ lässt, und dass er trotz der Turbulenzen, die durch die direkt darunter rotierende Scheibe verursacht werden, in diesem unvorstellbar geringen Abstand schweben kann, und das bei Drehzahlen von bis zu 7.200 Umdrehungen pro Minute oder 120 Umdrehungen pro Sekunde.

Trotz ihrer relativ langsamen Leistung sind die Technik und Präzision, die in einer modernen Festplatte stecken, atemberaubend – zumindest für Nerds wie uns (und vielleicht auch für Sie).