Computerhardware: Festplatte

Wer braucht noch Magnetfestplatten?

In der Anfangszeit der Computer dienten Lochstreifen und Lochkarten als Massenspeicher, die von Magnetbändern und Magnettrommeln abgelöst wurden. Diese wurden seit den 50er Jahren durch Disketten und Magnetfestplatten ersetzt und seit den 80er Jahren um optische Datenträger ergänzt.

Samsung brachte 2006 die ersten rein elektronischen Massenspeicher „SSD“ auf den Consumer-Markt: 32 GB zum Preis von 699 Dollar. Diese Massenspeicher kommen ohne bewegliche Teile aus und sind sehr viel schneller als Magnet-Festplatten.

SSD sind den Magnetfestplatten in der Geschwindigkeit hoch überlegen, allerdings auch deutlich teurer. Das Verhältnis von Kapazität zum Preis hat sich seitdem drastisch verbessert und es gibt mittlerweile kaum einen Grund, für das Betriebssystem etwas anderes als eine SSD in jeden PC einzubauen.

Angesichts des „Siegeszuges“ der SSD-Festplatten taucht die Frage auf: Hat die magnetische Speicherung eine Zukunft?

Zwei wichtige Argumente sprechen für Magnetfestplatten: Die Speicherung pro Terabyte kostet halb soviel wie auf SSD. Musik- und Fotosammlungen oder gar Videos auf SSD aufzubewahren ist nicht vernünftig.

Zweitens verlieren ungenutzte SSD die Daten schon nach einigen Monaten, während auf einer Magnetplatte die Daten sicher sind, auch wenn die Festplatte für zehn Jahre in einem Regal archiviert wird.

Deshalb gehören die Magnetfestplatten nicht zum „alten Eisen“. Für die Speicherung großer Datenmengen sind sie unverzichtbar: weil SSD pro Gigabyte das Doppelte kosten und weil magnetisch gespeicherte Daten viele Jahre sicher sind. In Firmen und im privaten Umfeld finden sie Verwendung als Zweitfestplatte, als externe Festplatte, in Servern und Netzwerkspeichern (NAS). Auch für Backups und Archivierungszwecke sind Magnetfestplatten die erste Wahl.

Der Hauptnachteil der Magnetfestplatte, die längere Zugriffszeit, spielt bei vielen Anwendungen keine Rolle. Für viele Daten ist die Geschwindigkeit des Zugriffs unwichtig. Beim Anschauen eines Videos werden Sie kaum bemerken können, dass der Start von einer Magnetfestplatte einige Sekundenbruchteile länger dauert als von SSD. Übrigens: Beim Zugriff auf eine Seite im Internet dauert der Hin- und Rückweg durch Kabel und Router deutlich länger als die zehn Millisekunden Zugriffszeit der Festplatte.

Für die Daten auf Ihrer eigenen Festplatte gilt dasselbe wie für die Daten einer Firma: Nur ein kleiner Teil davon wird regelmäßig benutzt, der größte Teil wird monate- und jahrelang nicht benutzt. Viele Unterlagen liegen ungenutzt auf Festplatten herum, weil sie wegen steuerrechtlichen Bestimmungen zehn Jahre aufbewahrt werden müssen. Backups (Sicherheitskopien) werden erstellt, auf die normalerweise nie wieder zugegriffen wird.

Der Bedarf an Speicherkapazität wächst exponentiell. Schätzungen besagen, dass 2025 nur ein Zehntel des weltweiten Speicherbedarfs mit SSD befriedigt werden können, für den Rest kommen Magnetfestplatten zum Einsatz. Großfirmen wie Google, Facebook und andere vergrößern ihre Speicherkapazität täglich um hunderte Festplatten. Wer von ihnen welche Gesamt-Speicherkapazität hat, ist unbekannt. Google nannte Anfang 2016 einen täglichen Zuwachs der Speicherkapazität von einem PetaByte (1000 TB), was einem Zuwachs von 125 Festplatten zu je 8 TB pro Tag bedeutet.

Die Festplattenhersteller arbeiten mit Hochdruck an der Steigerung der Kapazität pro Festplatte. Wenn Google und Co. für ihren täglichen Speicherbedarf Festplatten mit höherer Kapazität anschaffen können, brauchen sie weniger davon. Es sinken die Anschaffungskosten und der Bedarf an Gebäuden, vor allem sinkt der Energiebedarf für Betrieb und Kühlung der Festplatten.

Geschichte der Festplatten

Die erste Festplatte der Welt, 1956

„Hard Disk Drive“, abgekürzt HDD, ist die englische Bezeichnung für die Festplatte. Vor fast 70 Jahren, am 13.09.1956, stellte IBM die erste Festplatte der Welt vor: IBM 350 RAMAC Sie bestand aus 50 Scheiben mit einem Durchmesser von 60 cm (24 Zoll), hatte 5 Megabyte Kapazität und wog eine halbe Tonne. Die Platte erreichte eine Drehzahl von 1200 U/min und eine mittlere Zugriffszeit von 600 ms. Die Köpfe wurden hydraulisch bewegt. Die aufwändige Mechanik mit Spindelmotor, Getriebe und Hydraulik machten das Gehäuse so groß wie einen Schrank: 60 Zoll (1,52 m) lang, 68 Zoll (1,72 m) hoch und 29 Zoll (74 cm) breit. Die Festplatte war ein echtes Erfolgsmodell: mehr als 1000 Stück wurden hergestellt, bis IBM im Jahr 1961 die Produktion einstellte. Das Laufwerk wurde nicht verkauft, sondern für ca. 10.000 DM (5000 EUR) pro Monat an Unternehmen vermietet.

Im Laufe der folgenden Jahre wurden die Festplatten gleichzeitig größer und kleiner. Genauer: Kleiner wurden die Abmessungen. 1973 begann die Firma Seagate, Festplatten der Nenngröße 8 Zoll mit einer Kapazität von 30 MB zu produzieren. 1980 konnte die Nenngröße auf 5,25 Zoll und 1980 auf 3,5 Zoll verringert werden. Heute sind Festplatten von 3,5 Zoll und von 2,5 Zoll erhältlich. Größer wurde die Speicherkapazität, im vergangenen Jahrhundert stieg die Speicherkapazität pro Jahr um etwa 50%. Gleichzeitig fiel der Preis: Bei der IBM RAMAC (1956, 5 MB) hätte ein Megabyte noch 10 000 Dollar gekostet, bei der ST506 (Seagate 1980, ebenfalls 5 MB) noch 500 DM. Der Preis ist pro Jahr um 40% gefallen.

In den letzten Jahrzehnten hat sich das Wachstumstempo verringert, denn die Technologie nähert sich den physikalischen Grenzen. Es gab einmal 221 Firmen, die Festplatten produziert haben. Davon sind nur drei Firmen übriggeblieben, welche die hohen Forschungskosten aufbringen können: Seagate, Toshiba und Western Digital. Eine aktuelle 3,5" Festplatte mit 4 TByte Kapazität und einer mittleren Zugriffszeit von 9 ms kostete 80 Euro (Juni 2022), das entspricht nur noch 2 Cent pro 1000 Megabyte.

IBM-Festplatten waren 1979 schon kleiner.
6 × 8″ Scheiben mit insgesamt etwa 65 MB Speicher

Auswechselbarer Plattenstapel, 200 MB, 1970

Der Festplatte und ihrem Inhalt drohen zahlreiche Gefahren. Am häufigsten sind Bedienfehler, Fehler in Programmen und im Betriebssystem sowie Schadprogramme (Viren u.a.), die jederzeit unverhofft auftreten können. Die meisten dieser Fehler führen nur zu kleineren Schäden. Hardwarefehler sind vergleichsweise sehr selten, aber wenn sie auftreten, sind die Folgen verheerend.

Kein anderer Schaden verursacht so viel Stress wie ein Totalausfall der Festplatte. Die Schäden sind vielfältig:

• Ihre Daten, Ihre Fotos, Ihre Emails, Ihre Musik- und Filmsammlung – alles ist verloren.
• Eine neue Festplatte samt Einbau kostet hundert Euro oder mehr.
• Sie werden mehrere Tage brauchen, um das Betriebssystem, Ihre Geräte, die Updates und Ihre Anwendungen erneut zu installieren und anzupassen.
• Sie werden einige Tage nicht mit Ihrem PC arbeiten können.
• Sie müssen Lizenzen neu erwerben oder reaktivieren lassen.
• Sie werden noch wochenlang kleine Nachbesserungen vornehmen, um Ihre Programme wieder optimal an Ihre Bedürfnisse anzupassen.

Wie kommt es zu Totalausfällen? Hardwarefehler werden verursacht durch

• schnelle Lageänderungen
• Erschütterungen und Vibrationen
• Überhitzung
• Verschleiß
• Alterung

Gegen diese Gefahren gibt es zwei Strategien:

• Wissen um die Risiken kann diese verringern, aber nicht völlig abschaffen.
• Eine Datensicherung, regelmäßig und fachkundig durchgeführt, ist auf Dauer die einzige wirksame Gefahrenabwehr. Unter der Adresse [eifert.net/hwdse eifert.net/hwdse] finden Sie eine einfache Anleitung, wie Sie Ihre Daten sichern können.

Im folgenden Text geht es ausschließlich um magnetische Festplatten (die elektronischen „SSD“ folgen in einem späteren Kapitel).

Es werden einige Grundkenntnisse über Festplatten vermittelt, anschließend werden nacheinander die Risiken betrachtet. Es folgt ein Abschnitt über Pflege und Wartung der Festplatte. Für weitergehende Informationen gibt es einen Anhang.

Grundwissen

Die Festplatte ist ein Massenspeicher

Videoaufnahme einer geöffneten Festplatte

Die Festplatte nennt man einen Massenspeicher, ebenso wie die CD-ROM und DVD. Warum?

Eine typische Buchseite (35 Zeilen zu 60 Zeichen) oder eine Bildschirmseite (25 Zeilen mit je 80 Zeichen) enthält etwa 2000 Zeichen. In der heute meistverwendeten Unicode-Darstellung werden zwei Byte pro Zeichen benötigt. Auf einer 1500-GB-Festplatte könnte man also 375 Millionen Seiten speichern. Bei beidseitigem Druck ergäbe das je nach Papierqualität einen Stapel von fast 19 km Höhe! Eine einfache DVD mit 4,7 GB würde es immerhin auf einen Papierstapel von 58 m bringen, und eine CD-ROM mit bescheidenen 0,7 GB würde ein 8 m Bücherregal für die Aufbewahrung des Papierstapels erfordern. Diese Zahlen gelten für Text ohne Illustrationen. Bilder benötigen - je nach Qualität - zehn- bis hundertfach mehr an Speicherplatz als Text. Die Stapelhöhen werden deutlich kleiner, aber selbst ein Hundertstel eines 10 km Stapels ist immer noch eine beeindruckende Menge Papier.

Ein anderes Beispiel: Auf 1,5 TB lassen sich 1,5 Millionen Minuten Musik unterbringen. Das reicht für eine drei Jahre dauernde 24-Stunden Beschallung.

„Hard Disk Drive“, abgekürzt HDD, ist die englische Bezeichnung für die Festplatte. Im Vergleich zur „Floppy Disk“, der biegsamen Scheibe, gibt es Unterschiede:

• Die Scheiben sind starr.
• Im Vergleich zur Diskette ist die Drehzahl viel höher: Einige tausend statt 300 Umdrehungen pro Minute.
• Die Köpfe dürfen deshalb nicht auf der Scheibe schleifen, sondern sie schweben in einem minimalen Abstand darüber.

Hauptbestandteile einer Festplatte

Hauptbestandteile

Handelsübliche Festplatten haben meist ein oder zwei Scheiben, die auf einer gemeinsamen Achse, der „Spindel“, angeordnet sind. Scheiben mit Spindel bilden den „Plattenstapel“. Die Scheiben bestehen oft aus speziellen Metalllegierungen, beschichtet mit einer 15 nm (Nanometer) „dicken“ Magnetschicht. Auch Glas wird manchmal als Trägermaterial verwendet, weil eine Glasoberfläche glatter poliert werden kann als Metall.

Den Bereich der Magnetschicht, der zur Aufzeichnung eines einzigen Bits dient, wird als „magnetische Domäne“ bezeichnet. Man kann sich das wie einen flachen Stabmagneten vorstellen. Die Festplatten der 80er Jahre mit einer Kapazität von 5 MByte konnten etwa 400 Bit pro Quadratmillimeter unterbringen, für ein einzelnes Bit stand also eine Fläche von etwa 100 x 25 Mikrometer zur Verfügung (50 Mikrometer ist die Dicke eines Haares). 1996 produzierte IBM erste Festplatten mit „perpendicular recording“: Die „magnetischen Domänen“ ragen nun senkrecht in die Tiefe der Magnetschicht, um die Oberfläche optimal auszunutzen. Auf heutigen Terabyte-Festplatten folgen die Bits im Abstand von 0,3 nm, der Spurabstand beträgt 2 nm.

Ein Spindelantriebsmotor sorgt für eine hohe konstante Drehzahl. Die meisten modernen Festplatten drehen mit 7200 Umdrehungen pro Minute. Zunehmend werden „Green IT“ Festplatten verkauft, die mit etwa 5400 U/min rotieren. Das verringert ein wenig den Strombedarf, den Geräuschpegel und den Datendurchsatz. Ältere Notebook-Festplatten drehen meist mit 4200 U/min, aktuelle liegen bei 5400 oder 7200. Teure Profi-Festplatten bringen es auf 10.000 oder 15.000 U/min. Zum Vergleich: Auch bei Vollgas wird ein PKW-Motor selten mit mehr als 5000 Umdrehungen pro Minute betrieben; eine Flugzeugturbine erreicht bis zu 40.000 Umdrehungen pro Minute.

Auf den Scheibenoberflächen werden die Daten ringförmig in so genannten „Spuren“ abgelegt. Je dichter die Spuren beieinander liegen, desto mehr Daten passen auf die Platte. Aktuelle Festplatten haben 150.000 Spuren pro Zoll und fast eine Million Bits pro Zoll auf dem Umfang.

Leseköpfe einer Festplatte

Zu jeder Oberfläche gehört ein kombinierter Schreib-/Lesekopf, zu zwei Scheiben gehören also vier Köpfe. Die Köpfe sind an Schwenkarmen, sogenannten „Actuatoren“ befestigt. Die Schwenkarme sind untereinander starr verbunden und bewegen sich stets gemeinsam zur gewünschten Spur. So sind stets mehrere Spuren gleichzeitig verfügbar, ohne dass die Köpfe weiterbewegt werden müssen. Die Spuren eines Plattenstapels, die genau übereinander liegen (auf der entgegengesetzten Oberfläche der gleichen Scheibe oder auf anderen Scheiben), bezeichnet man als „Zylinder“. Das Betriebssystem speichert umfangreichere zusammenhängende Informationen nach Möglichkeit in den Spuren eines Zylinders, um die Anzahl der Kopfbewegungen zu minimieren. So sind stets mehrere Spuren gleichzeitig verfügbar, ohne dass die Köpfe weiterbewegt werden müssen.

Die Plattenoberfläche ist in Kreisabschnitte, so genannte „Sektoren“, unterteilt. In der Mathematik ist ein Sektor ein tortenähnlicher Ausschnitt aus einem Kreis, auf der Festplatte sind damit gebogene Linien gemeint. Jede Spur ist in einige Tausend Sektoren (Bogenstücke) geteilt. Die dadurch entstehenden Datenblöcke sind die kleinste adressierbare Datenmenge. Jeder Datenblock kann durch Angabe von Spur, Sektor und Oberfläche (Kopf) eindeutig adressiert werden.

Die inneren Spuren sind kürzer und enthalten nur etwa ein Drittel der Sektoranzahl im Vergleich zu den äußeren Spuren.

Jeder Datenblock (Sektor) ­enthielt früher 512 Datenbyte, plus Verwaltungsinformationen sowie zusätzliche Paritätsbits für eine Fehlerkontrolle und -korrektur. Alle Festplattenhersteller haben sich 2011 geeinigt, bei neuentwickelten Festplatten das „Advanced Format“ mit einer Sektorgröße von 4096 Byte zu verwenden. Durch größere Sektoren verringert sich die Zahl der Sektorlücken, was die Datenmenge pro Spur erhöht. Älteren Betriebssystemen wird die alte Sektorgröße von 512 Byte vorgegaukelt (emuliert). Für die Fehlerkorrektur wurden zusätzliche Bytes reserviert, die Korrektur ist noch besser geworden als zur Zeit der 512-Byte-Sektoren.

Das Produkt von Kopfanzahl und Zylinderanzahl (= Spurenanzahl) mit der Zahl der Sektoren pro Spur ergibt die Anzahl der Blöcke der Festplatte. Diese Blockzahl multipliziert mit der Kapazität eines Sektors (512 oder 4096 Byte) ergibt die Kapazität der Festplatte.

„Normalgroße“ Festplatten werden als „3,5 Zoll“ bezeichnet, die kleineren Notebook-Festplatten heißen „2,5 Zoll“. Zoll ist eine englisch/amerikanische Maßeinheit von 25,4 mm. Das Maß entspricht dem ungefähren Durchmesser des Plattenstapels. Die tatsächliche Breite der Festplatten beträgt 101 mm bzw. 70 mm.

Bei 7200 Umdrehungen pro Minute erreicht der äußere Rand einer 3,5"-Festplatte eine Geschwindigkeit von 130 km/h. Notebook-Festplatten haben einen kleineren Durchmesser von 2,5" und eine kleinere Drehzahl von 4200 oder 5400 U/min, deshalb erreichen sie „nur“ 60 bis 70 km/h.

Bei der schnellen Rotation wird die Luft über den Scheiben mitgerissen. In diesem Luftstrom „segeln“ die aerodynamisch geformten Magnetköpfe in einem konstanten Abstand von etwa 2 nm (Nano-Meter) über der Scheibe. Das sind 2 Millionstel eines Millimeters! Zum Vergleich: Ein Haar ist 0,05 mm = 50 Mikrometer = 50.000 nm dick, also 25000-mal dicker!

Die Flughöhe wird durch den „Bodeneffekt“ stabilisiert. Sie kennen den Effekt vom Fliegen: Je näher das Flugzeug dem Boden kommt, desto mehr wird die Luft zwischen Tragfläche und Landebahn zusammengepresst, was die Sinkgeschwindigkeit verringert. Dasselbe gilt für die Köpfe der Festplatte: Je niedriger die Flughöhe ist, desto mehr vergrößert sich der Auftrieb. Dadurch pegelt sich der Kopfabstand auf einen Mittelwert ein.

Seit einigen Jahren haben Festplatten eine Feinjustierung der Flughöhe (Thermal Fly-height Control, deutsch: Dynamische Schwebehöhensteuerung) und können den Abstand um einige Nanometer nachregeln.

Auf hohen Bergen über 3000 Meter sollte man eine magnetische Festplatte nicht benutzen. Die dünne Luft erzeugt nicht genug Auftrieb. In einem Flugzeug müssen Sie sich diesbezüglich keine Sorgen machen: in der Kabine wird ein genügend hoher Luftdruck aufrechterhalten, der einer Höhe von etwa 2200 bis 2400 Metern entspricht.

Interessante Vergleiche
0,12 nm	Durchmesser eines Siliciumatoms
0,25 nm	Abstand Metallatome im Kristallgitter
1 nm	Bitabstand auf Festplatte
3 nm	Flughöhe des Kopfes über der Festplatte
22 nm	Strukturbreite in der CPU
50 nm	Mittler Durchmesser eines Virus
75 nm	Spurabstand auf Festplatte
125 nm	Tiefe der Pits auf DVD
320 nm	Spurabstand auf Blu-ray
740 nm	Spurabstand auf DVD
1600 nm	Spurabstand auf CD
9000 nm	Durchmesser einer Glasfaser (SM)
10 000 nm	Grenze zwischen Fein- und Grobstaub
50 000 nm	Mittlerer Durchmesser eines Haares

Die Zugriffszeit

Mit der Zugriffszeit wird angegeben, wie schnell eine Festplatte arbeitet. Die mittlere Zugriffszeit liegt bei modernen Festplatten zwischen 8 und 9 Millisekunden. Spezialplatten für Server erreichen Zeiten von bei 5 ms. Die Zugriffszeit setzt sich aus folgenden Faktoren zusammen:

1. Der Positionierzeit gibt an, wie lange es durchschnittlich dauert, um den Kopf von einer Spur auf eine beliebige andere Spur zu positionieren. Kleine Kopfbewegungen dauern nur zwei bis drei Millisekunden. Für die Positionierung von ganz außen nach innen werden typisch 14 bis 18 ms benötigt.
2. Die Latenzzeit gibt die Zeit an, die gewartet werden muss, damit die gewünschten Daten der Spur unter dem Schreib-Lesekopf erscheinen. Diese Wartezeit hängt direkt von der Drehzahl ab. Eine Festplatte mit 7200 U/min braucht 8,3 ms für eine volle Umdrehung. Im statistischen Mittel muss die Platte eine halbe Umdrehung machen, bis die gewünschten Daten unter dem Kopf vorbeirasen.
3. Einige Mikrosekunden Wartezeit, die für den eigentlichen Lesevorgang, den Vergleich der Kontrollsummen und die Übertragung in den Arbeitsspeicher erforderlich sind.

Den dritten Faktor kann man vernachlässigen. In der Summe ergibt das eine mittlere Zugriffszeit von 13 ms für 3,5"-Platten und 20 ms für 2,5"-Festplatten. Teure 3,5"-Spezialplatten für Server drehen mit 15 000 U/min und erreichen 5 ms.

AAM

Das von der Festplatte erzeugte Geräusch entsteht aus zwei Quellen: das gleichmäßige Geräusch der Rotation und das unregelmäßige Geräusch der Kopfbewegungen. Die Geschwindigkeit der Positionierung kann durch das „Automatic Acoustik Management“ verändert werden. Wenn die Magnetköpfe sanfter beschleunigen und bremsen, vermindert sich die Lärmentwicklung und der Stromverbrauch, die Zugriffszeit leider auch. Der durch die Drehbewegung verursachte Lärmpegel lässt sich mit AAM allerdings nicht beeinflussen. Eine Verringerung der Drehzahl zwecks Geräuschminderung ist nicht möglich, denn das würde die Signalstärke im Lesekopf verringern. Außerdem würden die Köpfe niedriger schweben und schließlich aufsetzen.

Der Cache der Festplatte

Nicht nur der Prozessor benutzt einen Cache-Speicher, auch die Festplatte hat einen. Heutige Festplatten sind meist mit 8 MB oder 16 MByte RAM bestückt. Das ist mehr, als die ersten Festplatten als Gesamtkapazität hatten. Der Cache wird auf drei Arten genutzt:

1. Wenn die CPU einen einzelnen Block anfordert, werden die restlichen Blöcke der Spur „auf Vorrat“ in den Cache-RAM eingelesen. Die Wahrscheinlichkeit ist hoch, dass die restlichen Blöcke bald gebraucht werden.
2. Leseanforderungen werden sofort ausgeführt, denn die CPU wartet auf die Daten. Das Schreiben von Daten erfolgt aber verzögert. Die zu schreibenden Daten werden im Cache der Festplatte zwischengespeichert und die CPU erhält die Meldung, die Daten wären schon geschrieben. Sind sie aber nicht. Erst wenn keine Leseanforderungen der CPU eintreffen, nutzt die Festplatte diese Zeit, um die Daten auf die Magnetscheiben zu schreiben. Der Vorteil des Verfahrens: Die CPU kann sofort weiter rechnen und muss nicht warten, bis die Daten geschrieben sind.
3. Ein AHCI genannter Standard ermöglicht es der Festplattenelektronik, Zugriffe zurückzuhalten, um sie in einer umsortierten Reihenfolge zu schreiben. Dadurch werden die Bewegungen der Köpfe optimiert und die mittlere Zugriffszeit wird verringert. Im einfachsten Fall funktioniert die Steuerung wie bei einem Aufzug: Erst werden alle Stockwerke in einer Richtung angefahren, dann wechselt die Bewegungsrichtung.
4. Einige Arten von Daten, z. B. die Verwaltungstabellen der Festplatte, werden sehr oft geändert. Es wäre ein sinnloser Aufwand, jeden Zwischenstand zu speichern. Das Schreiben solcher Daten wird deshalb von Windows verzögert, bis die Elektronik „glaubt“, dass nun keine weiteren Änderungen zu erwarten sind. Das kann einige Sekunden dauern, bei Speichersticks bis zu einer Minute.

Allerdings hat diese Zwischenspeicherung einen gefährlichen Nachteil. Wenn Sie den PC versehentlich ausschalten, ohne ihn herunterzufahren, verlieren Sie möglicherweise Daten. Oft sind die Verwaltungstabellen betroffen, das bedeutet: Der gesamte Inhalt der Festplatte kann weg sein. Besonders gefährlich ist es in der ersten Minute nach dem Ende eines Schreibvorgangs. Wenn Sie dazu neigen − und sich nicht abgewöhnen können − den USB-Memory-Stick oder die externe Festplatte spontan herauszuziehen oder abzuschalten, sollten Sie den Cache dauerhaft deaktivieren. Sie verlieren merklich Geschwindigkeit, aber Sie verlieren Ihre Daten nicht.

Ihnen ist noch nie etwas passiert? Das bleibt nicht für immer so.

Erschütterungen: Der plötzliche Tod

Sie haben vorhin gelesen, wie gering der Abstand der Magnetköpfe von der Festplatte ist. Stellen Sie sich zur Veranschaulichung vor, die Magnetscheibe auf 30 Meter, den Durchmesser eines Kettenkarussells, zu vergrößern. Im gleichen Maßstab vergrößert würde der Kopfabstand von 10 Nanometer auf 3 Mikrometer anwachsen, weniger als ein Haar dick ist (50 Mikrometer).

Nehmen wir nun an, dass sich das Karussell mit 7200 U/min dreht. Die außen befindlichen Sitze würden eine Geschwindigkeit von 40.700 km/h erreichen. Das ist 32-fache Schallgeschwindigkeit! Sie sollten besser nicht einsteigen: Sie würden mit einer Beschleunigung von 870.000 G, also mit dem 870.000-fachen Ihres Gewichts in den Sitz gepresst werden – trainierte Astronauten verlieren in der Zentrifuge bereits bei zehnfacher Erdbeschleunigung (10 G) das Bewusstsein. Angenommen, der leere Sitz wiegt 4 Kilogramm. Er müsste an vier je 10 cm dicken Stahlseilen aufgehängt sein, um nicht davonzufliegen (dass die Seile selbst ein beträchtliches Gewicht haben, ignorieren wir großzügig). Wenn sich der Sitz losreißt, fliegt er mit 11,3 km/s davon. Er könnte innerhalb einer Stunde die Erde umrunden oder - wenn die Geschwindigkeit konstant bleiben würde - in neun Stunden den Mond erreichen.

Haben Sie nun eine Vorstellung davon, warum Erschütterungen so gefährlich für die Festplatte sind? Wenn der Kopf die Oberfläche bei 130 km/h berührt, kann man sich das wie einen mikroskopischen Flugzeugabsturz vorstellen. Kopfaufsetzer können Ihre Festplatte in Sekundenbruchteilen zerstören. Die Oberfläche der Scheiben ist mit einer hauchdünnen Gleitschicht aus Polymer oder einer Schutzschicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff („carbon overcoat“) überzogen. Dadurch kann die Festplatte „leichte“ Kopfaufsetzer verkraften. Wenn der Kopf bei einem stärkeren Aufsetzer die Schutzschicht verdampft oder durchdringt, wird die Magnetschicht beschädigt (und der Kopf vielleicht gleich mit). Die Daten, die sich dort befunden haben, sind weg. Den Datenverlust bemerkt man meist erst später. Wenn irgendwann ein Programm diesen beschädigten Bereich zu lesen oder zu beschreiben versucht und das nicht gelingt, wird der Bereich automatisch für die weitere Benutzung gesperrt.

Eine Scherzfrage: Wie nennt man es, wenn bei voller Drehzahl ein Kopf die Oberfläche der Scheibe berührt? Spanabhebende Datenverarbeitung! In der Fachsprache nennt man es einen „Headcrash“, und in schweren Fällen ist die Festplatte hinüber – einschließlich aller Daten.

Einzelteile einer Festplatte

Wie vermeidet man solche mechanischen Unfälle?

• Den PC sollte man so aufstellen, dass er nicht kippelt – auch nicht, wenn man mit dem Knie anstößt. Noch besser so, dass man gar nicht erst mit dem Knie anstoßen kann!
• Den PC niemals bewegen, wenn er eingeschaltet ist. Nach dem Ausschalten einige Sekunden warten, bis die Festplatte stillsteht.
• Treten und schlagen Sie Ihren PC nicht, wenn er nicht so funktioniert, wie Sie es wollen! Schlagen Sie auch nicht mit der Faust auf die Tischplatte, auf der Ihr PC steht (oder schalten Sie den PC vorher aus). Werfen Sie keine Aktenstapel schwungvoll auf den Tisch.
• Den PC immer in Gebrauchslage transportieren (Festplatte waagerecht), damit die Magnetköpfe nicht die Parkposition verlassen und auf der Festplatte herumkratzen. Im Auto gibt es zwei günstige Plätze für den Transport: Stehend angeschnallt auf einem Sitz oder stehend festgeklemmt hinter dem Beifahrersitz. Liegend im Kofferraum ist schlecht. Im Zweifelsfall können Sie die Festplatten für die Dauer des Transportes aus dem Gehäuse des Rechners entnehmen und in einen gepolsterten Behälter ablegen.
• Wenn Sie Festplatten online von Privatpersonen kaufen, besteht ein hohes Risiko von Transportschäden durch mangelhafte Verpackung.
• Schrauben Sie auf keinen Fall aus Neugier die Festplatte auf. Jeder Kubikzentimeter Luft enthält Tausende Staubkörner, selbst die kleinsten davon wirken auf Ihre Festplatte ebenso verheerend wie ein Felssturz auf Ihr Auto.
• Vermeiden Sie Vibrationen. Hoffentlich liegt Ihr Subwoofer nicht auf dem PC oder die externe Festplatte nicht auf dem Subwoofer.

Beachten Sie: Nicht jeder Stoß und jede Überhitzung zerstört Ihre Festplatte sofort. Auch kleinste Schäden addieren sich und verringern die Lebensdauer. Darüber hinaus wird hierdurch die Wahrscheinlichkeit eines plötzlichen Totalausfalls gesteigert.

Schocktoleranz

Die Schreib-/Leseeinheit der Festplatte schwebt in einem selbst mit Spezialmikroskop kaum wahrnehmbaren Abstand über den sogenannten Plattern, die mit bis zu 150 km/h darunter rotieren, und ist für Stöße sehr empfindlich. 3,5"-Festplatten halten typisch 80 G im Betrieb und 300 G im ausgeschalteten Zustand aus (1 G = Fallbeschleunigung durch Erdanziehung). Angenommen, eine Festplatte fällt aus 60 Zentimetern Höhe auf einen dicken weichen Teppich, der sich um 3 mm zusammendrücken lässt. Die Bremsbeschleunigung errechnet sich als Quotient von Fallhöhe / Bremsweg, also 600 mm / 3 mm = 200 G. Es handelt sich dabei um einen Durchschnittswert. Da die Bremsung durch den Teppich nicht gleichmäßig verläuft, dürften die Spitzenwerte erheblich höher liegen. Ergebnis: Eine 3,5"-Festplatte ist vermutlich kaputt. Holz oder Beton federn erheblich weniger, was die Überlebenswahrscheinlichkeit minimiert.

2,5"-Festplatten sind für den mobilen Einsatz optimiert und tolerieren derzeit etwa 300 G im Betrieb und 1000 G in Ruhe. Das ist das Drei- bis Vierfache der üblichen 3,5"-Laufwerke.

Lageänderungen

Solange die Festplatte dreht, darf sie keinesfalls bewegt werden! Durch die hohe Drehzahl von meist 7200 Umdrehungen pro Minute ist die Scheibe der Festplatte bestrebt, ihre Lage im Raum beizubehalten, wie bei einem Spielzeugkreisel. Bewegt man das Gehäuse der Festplatte, versucht die Scheibe, ihre Lage im Raum beizubehalten, und verformt sich dabei. Es kann zu Kopfaufsetzern kommen. Beim Basteln also den PC nicht auf die Seite kippen, solange sich die Festplatte dreht. Und wenn Sie einmal auf einer alten Festplatte die Daten vernichten wollen – stecken Sie ein Stromversorgungskabel an und drehen Sie die Festplatte zügig auf den Rücken. Das Kreischen ist gut zu hören ...

Lärm

Der amerikanische Internetprovider „WestHost“ verlor im Februar 2010 fast alle seine Festplatten durch eine Feuerlöschübung und brauchte mehr als sechs Tage, um den Betrieb wieder aufzunehmen. Beim Ausströmen des für die Feuerlöschung benutzten Halongases entstanden laute Geräusche, welche die Festplatten ruinierten. Gaslöschanlagen können einen Schalldruck von 130 dB verursachen. Bereits eine Lautstärke von 100 dB kann zu Datenverlusten führen. Die Hersteller von EDV-Feuerlöschanlagen haben deshalb begonnen, die Düsen der Gaslöschanlagen mit Schalldämpfern auszustatten. Versuche in einer Redaktion sollen ergeben haben, dass bereits das laute „Anbrüllen“ einer Festplatte zu Lesefehlern führen kann.
Der Song Rhythm Nation von Janet Jackson hatte ältere Laptop-Festplatten zerstört oder zu Lesefehlern geführt, berichtet Microsoft-Softwareentwickler Raymond Chen im Developer Blog "The Old New Things". Die im Song benutzten Resonanzfrequenzen brachten die Festplatte zum Schwingen. In Windows wurde mittlerweile ein benutzerdefinierter Filter eingebaut, der bei der Wiedergabe die störenden Frequenzen eliminiert.

Ihnen ist bisher noch nie etwas passiert?

Da haben Sie Glück gehabt. Bis jetzt. Die Festplatten werden jedes Jahr empfindlicher. 1993 hatte eine typische Festplatte eine Kapazität von 20 MByte (0,02 Gbyte), 2018 mehr als das hunderttausendfache. Die Drehzahl hat sich in fünfundzwanzig Jahren von 3600 auf 7200 pro Minute verdoppelt, und der Abstand der Köpfe von der Plattenoberfläche hat sich von 1500 nm auf 2 nm verringert. Zum Vergleich: Ein Virus ist im Mittel 50 nm groß, ein Eisenatom hat 0,2 nm Durchmesser. Der Schwenkarm ist etwa 2,5 Millionen mal länger als der Abstand des Magnetkopfes von der Festplatte. Was glauben Sie wohl, wie stark sich dieser lange Arm bei Erschütterungen durchbiegt? Stellen Sie sich zum Vergleich eine 8 km lange Stange vor, deren Ende weniger als 1 mm vibrieren darf!

Haben Sie eine externe Festplatte? Gehören Sie zu den Leuten, welche die Festplatte hochheben, um das Kabel vom Netzteil leichter einstecken zu können? Oder um sie bequemer einschalten zu können? Und dann die drehende Festplatte ablegen? Hoffentlich nicht!

Überhitzung: Die verkannte Gefahr

Die Festplatte ist einer der größeren Stromverbraucher. Der Energiebedarf moderner 3,5"-Festplatten liegt durchschnittlich bei 5 bis 10 Watt, unter hoher Last und beim Anlaufen dreimal mehr. Im Ruhezustand sinkt der Bedarf auf ein Watt. Die kleineren 2,5"-Platten brauchen etwa die Hälfte davon. Der Strom wird von der Elektronik und den Antrieben in Wärme umgewandelt. Die meiste Wärme entsteht an der Unterseite. Die Wärme steigt auf. In der Mitte der Platte geht das kaum: Dort sind die Magnetscheiben im Wege, und die Luft zwischen den Scheiben leitet die Wärme schlecht. Also kann die Wärme nur über die Seitenwände der Festplatte abgeleitet werden.

Die normale Betriebstemperatur einer gut belüfteten Festplatte sollte bei 30 bis 40 °C liegen, kühler wird es im PC-Gehäuse kaum sein. Festplatten werden so konstruiert, dass sie bei einer normalen Betriebstemperatur die maximale Lebensdauer erreichen. Bei Temperaturen unter 10 °C und über 50 °C verdoppelt sich die durchschnittliche Ausfallrate. Steigt die Temperatur noch weiter auf 60 Grad, verdoppelt sich die Ausfallrate erneut! Bei etwa 65 °C droht sofortiger Ausfall.

Die Oberfläche der Magnetscheiben ist mit einem speziellen Polymer beschichtet. Diese hauchdünne Schicht (etwa 1 nm) schützt die darunterliegende Magnetschicht vor Beschädigungen, falls doch einmal ein Kopf aufschlägt, z. B. wegen einer Erschütterung bei einem Transport. Leider verdunstet dieses Polymer bei dauerhaft höheren Temperaturen. Jedes Grad Celsius über der zulässigen Betriebstemperatur erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls um zwei bis drei Prozent.

Bei vielen Festplatten erzwingt die SMART-Festplattenelektronik Abkühlpausen bei drohender Überhitzung. Sie merken das daran, dass der PC bei hoher Festplattenauslastung für einige Sekunden „hängt“, meist mehrmals nacheinander.

Die Wärme muss weg! Aber wohin mit der Wärme?

• Der Wärmeaustausch mit der umgebenden Luft spielt eine bedeutende Rolle. Die Luft sollte also die Festplatte gut umströmen können.
• Die Wärmeleitung ist recht wirkungsvoll. Achten Sie darauf, dass die Festplatte mit vier Schrauben am Blech des Gehäuses angeschraubt ist, dadurch wirkt das Gehäuse als Kühlblech. Die bei Bastlern so beliebten Kunststoff-Rahmen, die einen Wechsel der Festplatte ohne Benutzung des Schraubendrehers ermöglichen, sind aus thermischer Sicht katastrophal (und auch sonst recht sinnlos: Wiegen denn drei Minuten Zeitersparnis pro Festplattenwechsel die Nachteile auf? Wie oft muss denn voraussichtlich die Festplatte gewechselt werden?).

Es ist also recht schwierig, die Wärme zu beseitigen. Daraus sind die folgenden Empfehlungen abgeleitet:

Festplatten-Zusatzlüfter

Sogenannte „grüne“ Festplatten benötigen wenig Energie und werden deshalb nicht heiß. Andere Festplatten sollten zusätzlich gekühlt werden. Sie können selbst prüfen, ob eine Zusatzkühlung nötig ist. Fassen Sie vorsichtig mit dem Finger auf die Festplatte, wenn der PC nach längerem Betrieb heruntergefahren ist. Fühlt sich die Oberfläche deutlich wärmer an als Ihr Finger? Dann ist Zusatzkühlung ratsam. Sie können auch ein Diagnoseprogramm installieren, z. B. SiSoft Sandra.

Zwei Arten der Kühlung haben sich bewährt: Ein Lüfter an der Stirnseite oder an der Unterseite der Festplatte. Ein Festplatten-Zusatzlüfter kostet 10 bis 15 Euro. Kaufen Sie einen Lüfter mit größerem Durchmesser. Lüfter mit einem Durchmesser unter 3 cm sollten Sie nicht mal geschenkt nehmen. Sie sind laut und halten nicht lange. Ein Lüfter mit 6 cm Durchmesser hat die vierfache Lüfterfläche und befördert etwa die dreifache Luftmenge. Das erlaubt die Verringerung der Lüfterdrehzahl auf ein Drittel, wodurch sich die Lebensdauer der Lager verdreifacht. Durch die geringere Drehzahl ändert sich das Geräusch von einem lauten, unangenehmen hohen Sirren zu einem viel leiserem Ton in einer angenehmeren Tonlage. Die Strömungsgeräusche der Luft werden praktisch unhörbar.

Achten Sie beim Kauf eines Lüfters auf die Lager. Viele Festplattenlüfter haben leider ein Gleitlager (um es deutlich zu sagen: eine Metallachse in einem Plasteloch). Lange hält das nicht. Kaufen Sie nur Lüfter mit Kugellager, auch wenn sie ein wenig teurer sind. Sie gewinnen Laufruhe und eine längere Lebensdauer.

Stellen Sie den PC nicht direkt neben eine Wärmequelle, und verdecken Sie die Lüftungsöffnungen nicht.

Die Festplatte muss so eingebaut sein, dass die erwärmte Luft wegströmen kann. Insbesondere muss über und unter der Festplatte genügend Platz sein! Stellen Sie den PC nicht direkt neben eine Wärmequelle, und verdecken Sie die Lüftungsöffnungen nicht.

Dauerbetrieb

Nach den Preis-Leistungs-Daten unterscheidet man Server-, Desktop- und Notebook-Festplatten. Als Desktop-Festplatten werden die handelsüblichen Festplatten für „Normalverbraucher“ bezeichnet. Einige Server-Festplatten haben im Vergleich zu Desktop-Platten einen kleineren Scheibendurchmesser. Das verringert die mittlere Positionierzeit und erlaubt es, die Drehzahl zu verdoppeln. Serverplatten sind für Dauerbetrieb zugelassen und haben fünf Jahre Garantie. Allerdings kosten sie das fünf- bis zehnfache einer Desktop-Festplatte und haben eine relativ geringe Kapazität.

Gönnen Sie Ihrer Festplatte Pausen! Lassen Sie die Festplatte in längeren Pausen automatisch abschalten! Kaum jemand weiß, dass die meisten Desktop-Festplatten nicht für den Dauerbetrieb konzipiert sind. Das Problem hierbei ist die Wärmeentwicklung. Viele Hersteller erlauben nur etwa 10 Stunden Betriebszeit pro Tag, danach sollte die Festplatte abkühlen können. Wenn diese Betriebsbedingungen eingehalten werden, erreichen viele Festplatten eine Lebensdauer von mehr als fünf Jahren. Der Zusatzlüfter, falls vorhanden, sollte aber überwacht und bei Bedarf gewechselt werden, damit die Temperatur der Festplatte niedrig bleibt.

Viele Büro-PC sind an fünf Tagen pro Woche je acht Stunden eingeschaltet. Zum Vergleich: Würden Sie Ihr Auto 40 Stunden pro Woche mit 100 km/h fahren, hätte es pro Jahr etwa 200.000 km zurückgelegt - das sind fünf Erdumrundungen. Alle 15.000 km wäre eine Wartung mit Ölwechsel fällig, also 13 Wartungen in einen Jahr. Wann haben Sie Ihrer Festplatte das letzte Mal einen Ölwechsel gegönnt? (Das ist natürlich ein Scherz! Festplatten sind wartungsfrei. Aber nicht verschleißfrei.)

Verschleiß: Das unabwendbare Ende

Was passiert, wenn man den PC ausschaltet?

„Fliegen heißt Landen“ - eine alte Fliegerweisheit, die auch auf die Festplatte zutrifft. Wenn die Festplatte die Drehzahl verringert, verringert sich auch der Auftrieb der Köpfe, und die Magnetköpfe „landen”. Wie geht das ohne Head-Crash ab?

Windows schickt den Befehl „Festplatte parken“ gegen Ende des Herunterfahrens. Aber auch wenn der Strom unvermittelt ausfällt, gibt es keinen Headcrash. Der Antriebsmotor wird zu einem Dynamo umgeschaltet. Mit der Schwungmasse der Spindel wird Strom erzeugt, um die Köpfe in die Parkposition in der innersten Spur zu bewegen. Dort ist die „Geschwindigkeit über Grund“ am kleinsten, außerdem ist die ­„Landebahn“ dort metallisch und hochglanzpoliert. Sobald sich die Köpfe über der Landeposition befinden, erfolgt die nächste Umschaltung: Der Spindelmotor arbeitet jetzt als Generatorbremse und bremst die Scheiben sehr schnell ab. Die Köpfe setzen auf, der Verschleiß ist dabei minimal.

Renommierte Hersteller geben an, dass die Köpfe 50.000 bis 500.000 Start-Stop-Zyklen aushalten. Bei normaler Nutzung sollte das ausreichen. Kommen Sie aber bitte nicht auf die Idee, nach jeweils drei Minuten Leerlauf die Festplatte abzuschalten, um Strom zu sparen! Dann haben Sie Ihre Festplatte möglicherweise schon nach einem Jahr kaputtgespart. Dabei würde man wohl auch keinen Strom sparen, denn der Anlaufstrom des Motors ist sehr viel größer als der Leerlaufstrom bei ununterbrochenem Betrieb.

Manche Festplatten setzen ihre Köpfe auf einer Halterung, genannt „Lande-Rampe“, ab. Die Köpfe berühren die Oberfläche nicht und der ­Verschleiß ist minimal.

Wie kündigen sich Probleme an?

Wenn die Festplatte nicht innerhalb von etwa drei Sekunden ihre Normdrehzahl erreicht, schaltet der Antrieb sicherheitshalber ab. Manchmal läuft sie nach mehreren Einschaltversuchen doch noch an. Das sollte Sie aber nicht beruhigen. Reagieren Sie umgehend – ein verschlissenes Lager repariert sich nicht von allein!

Eins der Anzeigelämpchen am Gehäuse, meist ist es gelb oder rot, zeigt die Aktivität der Festplatte an. Während der normalen Nutzung flackert die Anzeige. Wenn Windows ohne ersichtlichen Grund für einige Sekunden „stehenbleibt” und auf nichts mehr reagiert, während die Festplattenaktivitätsanzeige Dauerlicht zeigt, kommen hauptsächlich zwei Ursachen dafür in Betracht:

• Möglicherweise ist die Festplatte überhitzt, und die SMART-Elektronik erzwingt gerade eine kleine Abkühlpause. Nach einigen Sekunden geht es ohne Fehlermeldung weiter, als wäre nichts geschehen. In diesem Fall sollten Sie die Lüfter kontrollieren.
• Die Festplatte hat Oberflächenschäden, und das Betriebssystem versucht unermüdlich, ob sich die Daten vielleicht doch noch lesen lassen. Wenn es gelingt, macht Windows ohne Fehlermeldung weiter. Oft sind mehrere benachbarte Sektoren betroffen. Mit dem Gratis-Tool „HD Tune“ können Sie die Festplattenoberfläche testen. Beschädigte Regionen markiert HD Tune mit roten Kästchen.

Wenn die Festplatte die gesuchten Daten nicht findet, fahren die Köpfe mehrmals an den Plattenrand zurück und zählen die Spuren neu ab. Wenn Sie dieses rhythmische Klacken hören, steht eventuell das Lebensende der Festplatte sehr dicht bevor. Wenn das Klacken lauter wird oder sie gar ein Kreischen oder Kratzen hören, müssen Sie sich sehr schnell entscheiden:

• Falls Sie gewillt sind, 500 oder 1000 Euro für eine professionelle Datenrettung auszugeben, dann knipsen Sie den PC sofort aus! Nicht erst herunterfahren, denn in jeder Sekunde könnte der Schaden größer werden. Und schalten Sie ihn nicht wieder an, bevor die Festplatte abgeklemmt ist.
• Falls Sie so viel Geld keinesfalls ausgeben wollen, sollten Sie unverzüglich anfangen, die allerwichtigsten Daten auf einen Speicherstick oder eine externe Festplatte zu kopieren. Machen Sie schnell, vielleicht haben Sie nur wenige Minuten bis zum Totalausfall.

Für Festplattenausfälle gibt es fast immer Warnzeichen – achten Sie stets auf Auffälligkeiten und zögern Sie nicht, umgehend um Rat zu fragen!

Sie haben den Eindruck, dass der PC lauter als sonst ist und Sie verdächtigen die Festplatte? Bei den Einstellungen des Bildschirmschoners finden Sie die Energieverwaltung. Stellen Sie zeitweilig ein, dass die Festplatte nach einer Minute Nichtbenutzung abschaltet. Wenn Sie dann die Maus loslassen, bleibt die Festplatte nach einer Minute stehen. Ist der PC immer noch laut? Dann wird es wohl ein Lüfter sein.

Übrigens:
Haben Sie eine einigermaßen vollständige, einigermaßen aktuelle Datensicherung? Stellen Sie sich vor, Ihre Festplatte würde jetzt, in diesem Moment kaputtgehen. Wie groß wäre dann der Datenverlust und wie lange würde die Wiederbeschaffung der Daten bzw. die erneute Eingabe dauern? In der Mehrzahl der Fälle ist eine professionelle Datenrettung möglich, aber diese kann mehrere tausend Euro kosten!

Das Diagnoseprogramm SMART

Die Festplattenhersteller bauen ein Diagnoseprogramm „S.M.A.R.T.“ in jede Festplatte ein. SMART steht für „Self Monitoring, Analysis and Reporting Technology“. Dieses Diagnoseprogramm wacht ununterbrochen über Ihre Festplatte. Es erkennt beschädigte Blöcke, sperrt sie und ersetzt sie durch Reserveblöcke. Es wird geschätzt, dass jede Festplatte 5% bis 20% ihrer nominellen Kapazität als „heimliche Reserve“ zurückhält, um kleine Schäden ausgleichen zu können. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass kleine Schäden recht häufig sind.

Statistiken sagen aus:

• Wenn SMART eine erste Warnung gibt, ist die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls in den nächsten Tagen oder Wochen dramatisch hoch.
• Allerdings bedeutet das Ausbleiben einer SMART-Warnung nicht, dass keine Gefahr droht. Ein Drittel der Festplatten fällt ohne eine vorherige Warnung durch SMART aus. Dies liegt nicht zuletzt darin begründet, dass logische Fehler durch SMART nur in seltenen hardwarebedingten Fällen prognostiziert werden können.

Pflege und Wartung der Festplatte

Was können Sie für Ihre Festplatte tun?

Rechtzeitig austauschen!

Den Inhalt einer intakten Festplatte auf eine neue zu kopieren ist mit einem geeigneten Image-Programm leicht möglich: 5 Minuten schrauben und klicken plus eine Stunde auf das Ende des Kopiervorgangs warten. Eine (bebilderte) Anleitung finden Sie auf https://eifert.net/project/anleitung-festplatte-klonen/. Wenn jedoch die ersten Schäden aufgetreten sind, kann es aufwändig, sehr, sehr teuer oder unmöglich werden. Wechseln Sie deshalb eine alte Festplatte aus, bevor sie versagt! Sie haben von einigen Merkmalen gelesen, die auf einen möglicherweise bevorstehenden Ausfall hinweisen.

Sie können sich noch nicht entscheiden, Ihre Festplatte auszuwechseln?

Alle Festplatten sind für eine endliche Betriebszeit projektiert. Eine hohe MTBF (Mean Time Before Failure, deutsch: mittlere Zeit bis zum Ausfall) meint die durchschnittliche Zeit unter Idealbedingungen - Ihre Festplatte kann zu den Frühausfällen gehören, und sie wird gewiss nicht unter idealen Bedingungen betrieben. Die Hersteller konnten sich nicht einigen, wie die MTBF zu berechnen ist (im Wesen handelt es sich um einen Versuch, die Zukunft vorherzusagen), und sie kalkulieren marketinggerecht großzügig. Wie kann der Hersteller bei einer neuen Serie, deren Produktion gerade beginnt, ernsthaft behaupten zu wissen, wie langlebig seine Festplatten sein werden?

Magnetfestplatte oder elektronische Festplatte?

Im nächsten Kapitel lernen Sie die „SSD“-Massenspeicher kennen: Vollelektronische Speicher mit einer überragenden Geschwindigkeit. Wenn Sie eine neue Festplatte kaufen, sollten Sie eine SSD wählen, obwohl sie etwas teurer als Magnetplatten sind. SSDs mit 240 GB Kapazität gibt es schon für weniger als 30 Euro. Wenn 240 GB oder 500 GB nicht reichen, sollte zumindest das Betriebssystem auf SSD untergebracht werden, und eine zusätzliche große Magnetfestplatte kann die Massendaten aufnehmen.

Wie groß sollte die neue Festplatte sein?

Es ist ratsam, beim Kauf einer neuen Magnetfestplatte die Kapazität überreichlich zu wählen. Dabei gilt: klotzen, nicht kleckern! Beim Preisvergleich werden Sie feststellen, dass die Kapazität viel schneller wächst als der Preis. Eine Kapazität von 1000 bis 4000 GB ist nicht unangemessen. Aber Vorsicht beim Aufrüsten älterer PCs: Festplatten von mehr als 2,2 TB funktionieren nur mit einem „UEFI“-BIOS, was in PCs des Baujahres 2013 und früher recht selten verwendet wurde.

Je kleiner der Anteil der Festplatte ist, den Sie benutzen werden, desto kürzer sind die Wege für die Magnetköpfe und desto kürzer sind die mittleren Zugriffszeiten. Drastisch formuliert: Wenn Sie nur die ersten (äußeren) zehn Prozent der Festplatte benutzen, gehen alle Kopfbewegungen über kurze Entfernungen und sind sehr schnell. Statt einer mittleren Positionierzeit von 9 ms erreichen Sie etwa 5 ms im Durchschnitt.

Es gibt einen weiteren Grund, auf die Nutzung des inneren Bereichs der Festplatte zu verzichten. Die inneren Spuren haben etwa ein Drittel des Durchmessers der äußeren Spuren. Bei gleichem Abstand zwischen den Bits passen dreimal weniger Bits auf die innere Spur. Folglich werden pro Umdrehung dreimal weniger Daten gelesen oder geschrieben als auf den äußeren Spuren. Ist Ihnen jetzt klar, warum Ihr PC immer langsamer wird, je voller die Festplatte wird?

Machen wir ein Gedankenexperiment. Angenommen, Sie ersetzen eine ältere 240-GB-Festplatte durch eine mit 2000 GB Kapazität. Beide Festplatten haben den gleichen Durchmesser und damit die gleiche Fläche, um die etwa neunmal größere Bitzahl unterzubringen. Die Bits müssen dichter zusammenrücken. Also

• müssen dreimal mehr Bits auf dem Umfang angeordnet werden. Folglich werden bei jeder Umdrehung der Festplatte dreimal so viele Daten gelesen.
• müssen drei Spuren untergebracht werden, wo früher nur eine Spur war. Die Magnetköpfe müssen weniger weit bewegt werden, die Positionierung erfolgt schneller.
• Neue Festplatten haben oft einen größeren Cache-RAM als alte. Dadurch wächst die Wahrscheinlichkeit, die benötigten Daten im Festplatte-Cache zu finden, was eine Positionierung der Köpfe überflüssig macht.

Außerdem sorgen technologische Fortschritte, z. B. die Optimierung der Kopfbewegungen (AHCI), für einen weiteren Zuwachs an Geschwindigkeit.

Einen dramatischen Zuwachs an Geschwindigkeit erreichen sie, wenn Sie eine SSD-Festplatte kaufen. Allerdings sind diese rein elektronischen Festplatten noch recht teuer.

Festplatte entlasten

Das Betriebssystem führt eine Liste, welche Programmteile und -bibliotheken wann zuletzt benötigt worden sind. Wenn der Platz im Arbeitsspeicher nicht mehr ausreicht, lagert das Betriebssystem die am längsten nicht benutzten Komponenten in den „Swap-Bereich“ aus - das ist ein dafür reservierten Bereich der Festplatte. Wird die Komponente erneut benötigt, wird sie aus dem Swap-Bereich in den RAM zurückgelesen. Dieses ständige Auslagern und Zurückholen führt zu einer merklichen Festplattenaktivität. Der Swap-Bereich ist der am häufigsten benutzte Bereich der Festplatte.

• Deshalb sollten Sie Ihren PC mit genügend Arbeitsspeicher ausstatten. Das Betriebssystem muss dann weniger oft Daten auf die Festplatte auslagern, wodurch der PC spürbar schneller wird.
• Vielleicht haben Sie eine ungenutzte ältere Festplatte? Bauen Sie diese ein und verlegen Sie die Swap-Datei auf die zweite Festplatte. Ein nennenswerter Anteil der Festplattenzugriffe entfällt auf die zweite Festplatte, und auf der ersten verringern sich merklich die Zugriffszeiten. Allerdings sollte die Haupt-Festplatte ihr Anschlusskabel keinesfalls mit einem anderen Massenspeicher teilen müssen.
• Schalten Sie die Festplatte in Arbeitspausen aus, wenn die Pause deutlich länger als eine Stunde dauert. Sie können dazu den PC in den Standby-Modus oder den Ruhezustand versetzen oder herunterfahren. In kurzen Pausen (weniger als eine halbe Stunde) den PC eingeschaltet lassen.

Oberflächentest

Führen Sie gelegentlich einen Oberflächentest durch – einmal im Vierteljahr genügt. Dazu klicken Sie unter Windows im Arbeitsplatz oder im Explorer mit der rechten Maustaste auf das zu prüfende Laufwerk, dann links auf Eigenschaften. Unter Extras finden Sie die Fehlerüberprüfung und die Optimierung. Man kann auch ein Diagnosetool des Festplattenherstellers verwenden, das meist auch SMART-Werte auslesen kann.

Defragmentierung

Defragmentierung

Führen Sie gelegentlich einen Oberflächentest durch – einmal im Vierteljahr genügt. Dazu klicken Sie unter Windows im Arbeitsplatz oder im Explorer mit der rechten Maustaste auf das zu prüfende Laufwerk, dann links auf Eigenschaften. Unter Extras finden Sie zwei wichtige Buttons: Die Fehlerüberprüfung und die Defragmentierung. Jetzt defragmentieren. Bei der Defragmentierung werden die Dateien besser angeordnet, so dass zukünftige Zugriffe mit weniger Bewegungen der Magnetköpfe und somit auch schneller ausgeführt werden. Es handelt sich nicht um ein „Aufräumen“ im Sinne von Müll beseitigen, sondern nur um eine bessere Anordnung der Daten.

Ob sich eine Defragmentierung lohnt, hängt vom verwendeten Dateisystem ab. Wenn Sie im „Arbeitsplatz“ mit der rechten Maustaste auf ein Laufwerk klicken und „Eigenschaften“ wählen, sehen Sie den Dateisystemtyp hinter „Dateisystem“.

Wenn Ihre Festplatte das Dateisystem NTFS oder EXT3 benutzt, lohnt eine Defragmentierung nicht den Zeitaufwand (bei NTFS lohnt sich der Zeitaufwand schon, günstig ist, wenn die Partition nicht zu voll ist). Beim Dateisystem FAT oder FAT32 ist alle paar Monate eine Optimierung sinnvoll. Wie macht man das? Wenn Sie auf der erwähnten Eigenschaften-Seite des Laufwerks das Register    Extras    wählen, finden sie den Button Jetzt defragmentieren.

Führen Sie aber KEINESFALLS eine Defragmentierung, einen Oberflächentest oder einen vollständigen Virenscan durch, wenn Sie Unregelmäßigkeiten beobachtet haben! Die Belastung durch diese Programme könnte Ihrer Festplatte den „Todesstoß“ versetzen!

Die Defragmentierung bricht immer wieder ab

Die Defragmentierung beginnt jedesmal von vorn, wenn ein Programm auf die Festplatte zugreift. Schuld sind meist die Programme, die in der Taskleiste links von der Uhrzeit aufgeführt sind. Einige von ihnen können vielleicht zeitweise gestoppt werden. Wenn das nicht reicht, sollten Sie es im „abgesicherten Modus“ versuchen: Drücken Sie während des Windows-Starts die Taste F8 und wählen Sie den „abgesicherten Modus“. Im abgesicherten Modus werden nur die unentbehrlichsten Treiber und Programme gestartet, und normalerweise stört dann nichts mehr bei der Defragmentierung.

Zukünftige magnetische Festplatten

SSD-Festplatten kommen ohne bewegliche Teile aus und sind sehr viel schneller als Magnet-Festplatten. Angesichts des „Siegeszuges“ der SSD-Festplatten taucht die Frage auf: Hat die magnetische Speicherung eine Zukunft?

Für die Daten auf Ihrer eigenen Festplatte gilt dasselbe wie für die Daten einer Firma: Nur ein kleiner Teil davon wird regelmäßig benutzt, der größte Teil wird monate- und jahrelang nicht benutzt. Viele Unterlagen liegen auf Festplatten herum, weil sie wegen steuerrechtlichen Bestimmungen zehn Jahre aufbewahrt werden müssen. Backups (Sicherheitskopien) werden erstellt, auf die nie wieder zugegriffen wird. Auch das Internet besteht größtenteils aus alten und uralten Veröffentlichungen und Archiven.

Das entscheidende Argument: Die Speicherung auf Magnetplatten kostet pro Terabyte zwei- bis dreimal weniger als auf SSD. Und bei selten gebrauchten Daten spielt es keine Rolle, dass der Zugriff ein paar Millisekunden länger dauert. Außerdem verlieren ungenutzte SSD die Daten schon nach einigen Monaten, während auf einer Magnetplatte die Daten sicher sind, auch wenn die Festplatte für einige Jahre in den Stand-by-Modus oder in ein Regal wechselt.

Füllung

In Festplatten mit mehreren Scheiben ist wenig Platz für die Köpfe, und die Reibung mit der Luft bremst die Kopfbewegungen. Die Luft herauspumpen geht nicht − ohne Auftrieb würden die Köpfe auf die Platte abstürzen. Hersteller arbeiten an Helium-gefüllten Festplatten. Helium hat eine siebenmal geringere Dichte als Luft. Deshalb haben die Köpfe bei der Positionierung einen geringeren Widerstand zu überwinden und die Positionierung würde etwas schneller erfolgen. Außerdem wird die Drehung der Scheiben weniger gebremst. Beides spart Strom. Dazu kommt, dass die Wärmeleitfähigkeit von Helium sechs mal größer ist als die von Luft. Die Wärme wird also besser abgeleitet. Dadurch können mehr Scheiben und Köpfe im Gehäuse untergebracht werden. Doch die Helium-Idee erwies sich als schwieriger als erwartet. Die leichten Heliumatome sind derart diffusionsfreudig, dass sie allmählich Dichtungen und sogar Metallwände durchdringen.

Heliumgefüllte Festplatten sind seit 2014 im Angebot. Toshiba, Seagate und Western Digital realisieren große Kapazitäten von 8 bis 16 TB und geben fünf Jahre Garantie. Der Energiebedarf ist um die Hälfte geringer als bei vergleichbaren Festplatten mit Luftfüllung.

Scheiben aus Glas

Die japanische Firma Hoya Corp. will die Aluminiumlegierungen in den Magnetscheiben durch Glas ersetzen. Das Glas sei steifer, wodurch die Scheiben dünner werden können. Statt maximal acht Alu-Scheiben in einem Standardgehäuse würden 12 Glasscheiben hineinpassen. Die Serienfertigung ist für das Jahr 2020 geplant.

Shingled Magnetic Recording

Die Erhöhung der Aufzeichnungsdichte erfolgte in der Vergangenheit hauptsächlich durch schmalere Spuren. 2010 waren 75 nm Spurabstand und 1 nm Bitabstand in der Spur erreicht, etwa 100 Gbit/cm2. Mehr schien unmöglich. Doch seit 2014 testet Seagate eine neue „Shingled Magnetic Recording“ Technologie. Weil die Leseköpfe schmaler gemacht werden können als Schreibköpfe, ist die Spurbreite gleich der Lesekopfbreite. Da der Schreibkopf breiter als die Lesespur ist, werden beim Schreiben einer Spur die beiden Nachbarspuren beschädigt, sie müssen nach jedem Schreibvorgang repariert werden. Daher sind SMR-Platten nur für Anwendungsfälle zu empfehlen, wo wenig geschrieben und hauptsächlich gelesen wird.

Die SMR-Technik erhöht die Speicherkapazität von vier auf fünf TB/Scheibe. Für das Jahr 2020 sind Festplatten bis 20 TB geplant. Seit 2016 bietet Seagate eine 2,5“ Notebookfestplatte mit SMR-Technologie an, die bei einer Kapazität von 2 TB nur 7 mm hoch ist.

Heat Assistant Magnetic Recording

Die HAMR-Technik soll 2020 marktreif sein und Notebook-Festplatten bis 20 TB ermöglichen, zukünftig soll die Datendichte auf das Hundertfache steigen. Das Prinzip: Ein Schreibkopf kann die Magnetscheibe nur dort magnetisieren, wo sie von einem Laser erhitzt worden ist. Ein Laser lässt sich viel feiner fokussieren als ein Magnetfeld. Ende 2016 wurden erste Modelle an Pilotkunden ausgeliefert. Im Jahr 2018 hat Seagate bereits 40 000 HAMR-Festplatten ausgeliefert.

Microwave Assisted Magnetic Recording

Toshiba und WD liefern erste Festplatten mit MAMR (Microwave Assisted Magnetic Recording) aus. Die Mikrowellen verstärken die Magnetfelder der winzigen Magnetköpfe. Die Aufzeichnungsdichte soll dadurch auf das vierfache steigen.

Bit-Patterned Media

Wenn das HAMR-Verfahren an seine Grenzen gekommen ist, könnte das BPM-Verfahren, an dem Hitachi forscht, einen weiteren Fortschritt bringen. In einem magnetischen Material kristallisieren die Elementarmagnete (Atome und Moleküle) zu mikroskopischen Körnchen, sogenannten „Domänen“.

Die Elementarmagnete einer Domäne können in verschiedenen Richtungen magnetisiert werden. Wenn jedoch benachbarte Elementarmagnete eine verschiedene magnetische Ausrichtung haben, versuchen sie, sich gegenseitig umzumagnetisieren. Im Ergebnis sind stets alle Elementarmagnete einer Domäne in der gleichen Richtung magnetisiert.

Ob eine Domäne aus einigen hundert oder tausend Atomen besteht, ist materialabhängig. Für Festplatten werden Materialien bevorzugt, die möglichst kleine Domänen bilden. Bei den gegenwärtig verwendeten Materialien beansprucht ein Bit eine Gruppe von mindestens 20 Elementarmagneten, sonst kann der Lesekopf die „1“ und die „0“ nicht zuverlässig unterscheiden. Wenn die Datendichte steigen soll, steht weniger Fläche pro Bit zur Verfügung. Bei einer Kapazität von 2,5 TB (eine Scheibe mit je 1,25 TB pro Oberfläche) wird die Zahl der Elementarmagneten pro Bit zu klein, und der „superparamagnetische Effekt“ macht eine sichere Aufzeichnung unmöglich.

Welche Möglichkeiten gibt es, die Aufzeichnungsdichte zu erhöhen?

Bisher sind die Domänen flächenhaft angeordnet. Es wird daran gearbeitet, die nötige Zahl Domänen als halbkugelförmige Erhebung auf der Scheibe anzuordnen, damit sie eine kleinere Fläche benötigen. Allerdings müssten die Erhebungen in einem sehr aufwändigen Verfahren auf die Magnetscheiben aufgebracht werden, was den Preis möglicherweise unattraktiv machen wird.

Möglichkeiten ohne Ende ...

Der große Sprung nach vorn: Forscher der Max-Planck-Gesellschaft und der IBM-Forschung haben im Januar 2012 den kleinsten Magnetspeicher der Welt vorgestellt: Nur 12 Atome wurden benötigt, um ein Bit zu speichern. Falls das Verfahren die Praxisreife erreicht, würde die Kapazität der Festplatten um das Tausendfache wachsen können. Leider dauert es meist Jahrzehnte von der Grundlagenforschung bis zur Serienproduktion.

Forscher der Universität Hamburg haben einen anderen Weg entdeckt. Sie haben einen Iridium-Kristall mit einem zwei Atomlagen dicken Film aus Palladium und Eisen beschichtet und darin winzige magnetische Wirbel, sogenannte Skyrmionen, erzeugt. In diesen Wirbeln konnten sie Bits speichern. Das zugrunde liegende Prinzip wurde bereits vor 80 Jahren entdeckt. In einigen Jahrzehnten könnte das zu superkleinen Datenspeichern führen.

Neue Entwicklungen: SSD

Wenn man einen Flash-Speicher mit großer Kapazität (solche wie in den USB-Sticks) in einem 2,5 Zoll Festplattengehäuse einsetzt, trägt diese Konstellation den Namen „Solid State Disk“ (SSD). Diese „SSD-Festplatten“ sind sehr schnell, entwickeln wenig Wärme, sind absolut geräuschlos (denn es steckt kein Motor drin) und sie brauchen nur sehr wenig Strom, aber sie sind etwa doppelt so teuer wie magnetische Festplatten, pro GB gerechnet. Der geringe Stromverbrauch macht sie besonders für Notebooks attraktiv. Spitzenmodelle können Daten schneller liefern, als sie ein SATA-2-Anschluss mit 3 Gbit/s (300 MByte/s) transportieren kann.

Quellen