Speichern der Daten

Das Speichern der Daten auf einer Festplatte erfolgt durch die gezielte Magnetisierung kleinster – vom Schreibfinger angesteuerter – Flächen der permeablen Schicht ferromagnetischen Materials, die entsprechend ihrer Polarität (Nord/Süd) den elektronisch-binär interpretierten Wert 0 oder 1 annehmen. Beim Lesen der jeweiligen Sequenzen von 0- und 1-Werten werden die Informationen dekodiert und an das Betriebssystem übergeben. Sie werden vom Prozessor des Computers ausgewertet und weiterverarbeitet. Entsprechend umgekehrt geht das Schreiben der vorher vom Prozessor erstellten Daten vonstatten. Bis 2006 war die gebräuchlichste Aufzeichnungsform das Longitudinal Recording (engl.: longitudinal = längslaufend) Hierbei werden die Abschnitte des Raumes, die jeweils für ein Bit magnetisiert werden, parallel zur Rotationsrichtung des Datenträgers gelegt. Ab 2006 setzte sich zur weiteren Steigerung der Datendichte das Perpendicular Recording immer weiter durch.

Vor dem Schreiben der Daten werden diese mittels spezieller Verfahren wie den früher üblichen GCR, MFM, RLL und heute üblichen PRML oder EPRML kodiert. Ein Bit der Anwenderdaten entspricht daher physikalisch nicht unmittelbar einem magnetischen Flusswechsel auf der Plattenoberfläche. Die Kodierung ermöglicht dem Festplattencontroller das Verwalten der Daten (Organisation der Daten in Blöcke) und das Führen des Schreib-/Lesekopfes über der Spur. Sowohl beim Schreiben als auch beim Lesen muss vor dem Zugriff auf einen bestimmten Block der Schreib-/Lesekopf der Platte bewegt und anschließend abgewartet werden, bis durch die Rotation der Platte der Block unter dem Kopf vorbeigeführt wird. Diese mechanisch bedingten Verzögerungen liegen heutzutage bei ca. 5–10 ms, was nach Maßstäben anderer Computerhardware eine kleine Ewigkeit ist. Daraus ergibt sich die extrem hohe Latenzzeit von Festplatten im Vergleich zu RAM, die noch auf der Ebene der Softwareentwicklung und der Algorithmik berücksichtigt werden muss. Um eine hohe Performance zu erreichen, muss eine Festplatte soweit wie möglich immer große Mengen von Daten in aufeinander folgenden Blöcken lesen oder schreiben, weil dabei der Schreib-/Lesekopf nicht neu positioniert werden muss. Dies erreicht man, indem man möglichst viele Operationen im RAM durchführt und auf der Platte die Positionierung der Daten auf die Zugriffsmuster abstimmt. Dazu dient vor allem ein großer Cache als Teil der Festplattenelektronik, auf dessen Inhalt mit RAM-Geschwindigkeit zugegriffen werden kann. Die Firmware der Festplatte sorgt für die korrekte Verwaltung und Aktualisierung des Cache-Inhalts.

Vor allem bei SCSI-Platten und auch bei neueren S-ATA Festplatten werden sogenannte Queues (Warteschlangen) eingesetzt. Diese Reihen die Anfragen an den Datenträger in eine Liste und sortieren sie entsprechend der physikalischen Position auf der Scheibe um so möglichst viele Daten mit möglichst wenigen Umdrehungen zu lesen. Der festplatteneigene Cache spielt hierbei eine große Rolle, da die Queues in diesem abgelegt werden.

Tagged Command Queuing (TCQ) ist eine Eigenschaft, die ursprünglich mit der SCSI-2 und später dann auch mit der SATA-1 Spezifikation eingeführt wurde, die es einer Festplatte erlaubt, an sie gesendete Befehle in unterschiedlicher Reihenfolge abzuarbeiten, um dadurch die Bewegungen der Schreib-/ Leseköpfe so gering wie möglich zu halten. Befinden sich zum Beispiel drei Leseanforderungen in der Befehlswarteschlange (engl. Command Queue), so sortiert der Controller auf der Festplatte diese wenn möglich so um, dass er möglichst hintereinanderweg lesen kann, ohne den Kopf zu versetzen.

Native Command Queuing (NCQ, wörtlich übersetzt: native Befehlseinreihung) ist eine Technologie für Festplatten, die die Geschwindigkeit verbessert. Sie ermöglicht, dass mehrere Anfragen gleichzeitig an die Festplatte abgesetzt werden und diese dann selbst entscheidet, welche Anfrage sie zu erst abarbeitet. Durch die Vermeidung unnötiger Kopfbewegungen kann so der Durchsatz und vor allem die Latenz verbessert werden. Das Laufwerk selbst, der Controller und der Treiber müssen Command Queuing unterstützen, um es zu nutzen. Native Command Queuing wurde 2003 von Seagate für SATA-Laufwerke vorgestellt. Von kleinen Unterschieden abgesehen ist es dem Tagged Command Queuing (TCQ) ähnlich, das seit Anfang der 90er Jahre von SCSI-Laufwerken unterstützt wird. Bei ATA-Laufwerken unüblich, wurde TCQ hier einzig von IBM im Jahre 2002 eingeführt (IBM Deskstar 180GXP), mangels Unterstützung von der Controller-Seite aber nicht genutzt.

Um die Lautstärke der Laufwerke beim Zugriff auf Daten zu verringern, unterstützen die meisten ATA- und SATA-Festplatten, die für den Desktop-Einsatz gedacht sind, „Automatic Acoustics Management“ (AAM). Wird die Festplatte in einem leisen Modus betrieben, werden die Schreib- und Leseköpfe weniger stark beschleunigt, sodass die Zugriffe leiser sind. Das Laufgeräusch des Plattenstapels wird davon nicht verändert, ebenso bleibt die Dauertransferrate von AAM unberührt; jedoch verlängert sich die Zugriffszeit.

Über die Jahre wurden die Flächen, die einzelne Bits speichern, immer kleiner - bei gleich großer Fläche wurde die Datendichte erhöht. Das wurde durch kleinere Leseköpfe ("Giant-magneto-resistance"-Köpfe) und besseres Trägermaterial sowie durch die Optimierung der Schreibverfahren erreicht.

Perpendicular Recording

Die neueste Entwicklung ist das Perpendicular Recording, das zur Zeit u.a. von Toshiba und Hitachi entwickelt wird, um die Datendichte weiter zu steigern. Bei Perpendicular Recording stehen die magnetischen Momente, die zusammen mit der verwendeten logischen Schreibverfahren wie PRML jeweils ein logisches Bit repräsentieren, nicht parallel zur Rotationsrichtung des Datenträgers, sondern senkrecht dazu. Dies führt zu einer potenziell wesentlich höheren Datendichte, womit auf der gleichen Oberfläche mehr Daten gespeichert werden können. Vorteil der höheren Datendichte ist neben der Möglichkeit, die Festplattenkapazität wieter zu erhöhen, dass eine eine wesentlich höhere Zugriffsgeschwindigleit erzielt wird. Nachteilig ist, dass die kleineren Weiss-Bezirke auch einen kürzeren Abstand zwischen Schreib-/Lesekopf und der Magnetoberfläche bedingen, um die Daten noch schreiben und lesen zu können. Daher ist diese Aufzeichnungstechnik technisch schwieriger zu realisieren.

Am 17. August 2005 hat Toshiba als erster Festplatten-Hersteller eine Festplatte für den Endverbraucher mit dieser Technik ausgeliefert. Dieser erste, veröffentlichte Typ ist eine 1,8"-Festplatte mit einer Speicherkapazität von 40 GB und einer Geschwindigkeit von 4.200 Umdrehungen pro Minute.

Am 24. April 2006 hat Seagate die Barracuda 7200.10 Serie angekündigt, die eine Speicherkapazität von 750 GB bereitstellen werden. Die Serverplatten der Cheetah 15K.5 Serie werden mit 15 000 U/min drehen, max. 300 GB Kapazität bieten und höchstwahrscheinlich einen neuen Geschwindigkeitsrekord mit Transfer-Raten um 100 MB/s aufstellen. Bei beiden Serien werden die neuen TMR-Köpfe eingesetzt, die ein stärkeres Lesesignal als konventionelle GMR-Köpfe liefern. Seit September 2006 sind diese Platten nun auch in Deutschland verfügbar.

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