HDD: Aufbau und Funktionsweise

Kurz: Eine Festplatte (HDD) speichert Daten magnetisch auf schnell rotierenden Scheiben. Ein beweglicher Schreib-Lese-Kopf schwebt knapp über der Oberfläche, magnetisiert winzige Bereiche (Bits) und liest sie später wieder aus.

Genauer: Die Scheiben (Platter) bestehen aus Glas oder Aluminium mit einer magnetischen Schicht. Jeder winzige Bereich ist in eine von zwei Richtungen magnetisiert, das ergibt 0 und 1. Die Mechanik macht die HDD im Vergleich zur SSD langsamer, aber bei großen Mengen billiger.

Im Detail

Aufbau:

• Platter (Scheiben): 1 bis 10 Scheiben, die mit 5.400 oder 7.200 U/min (Server: 10.000+) rotieren.
• Spindelmotor: Dreht die Scheiben.
• Schreib-Lese-Köpfe: Je Scheibenseite einer, an einem Arm (Actuator Arm). Er schwebt auf einem Luftpolster etwa 3 – 10 nm über der Oberfläche und berührt sie nicht.
• Voice-Coil-Aktuator: Bewegt die Köpfe schnell zur richtigen Spur.
• Controller-Platine und Cache (Puffer 64 – 512 MB).

Datenorganisation:

• Spuren (Tracks): konzentrische Kreise.
• Sektoren: Abschnitte einer Spur, klassisch 512 Byte, heute 4096 Byte (Advanced Format).
• Zylinder: Gleiche Spur auf allen Scheiben.
• Zonen (Zone Bit Recording): Außen sind mehr Sektoren je Spur, daher sind äußere Bereiche schneller.

Speichern und Auslesen:

1. Schreiben: Der Kopf erzeugt ein kleines Magnetfeld. Je nach Stromrichtung wird der darunterliegende Bereich nach Nord/Süd magnetisiert.
2. Lesen: Beim Vorbeiziehen ändern magnetische Übergänge den Widerstand im Lesekopf (GMR/TMR-Effekt), das Signal wird zu Bits dekodiert.
3. Aufzeichnungsverfahren: Heute vor allem senkrechte Aufzeichnung (PMR), Magnetbereiche stehen senkrecht in der Schicht. Neuere Verfahren: SMR (überlappende Spuren), HAMR/MAMR (mit Laser/Mikrowellen für höhere Dichte).
4. Fehlerkorrektur (ECC) repariert gelesene Fehler.

Zugriffszeit: Kopf positionieren (Suchzeit ~8 ms) + Warten bis der Sektor vorbeikommt (Rotationslatenz ~4 ms bei 7.200 U/min). Das erklärt, warum Zugriffe an vielen Stellen (zufällig) sehr langsam sind. Zusammenhängendes Lesen erreicht ~150 – 250 MB/s.

Vor- und Nachteile:

• Pro GB billig, hohe Kapazität (bis 30 TB), gut für Archive und Backups.
• Langsam, hörbar, empfindlich gegen Stöße (Head-Crash), stromhungriger als SSD.
• Defragmentierung half früher gegen Zugriffe an vielen Orten. Bei SSD sinnlos.
• S.M.A.R.T. meldet Verschleiß: neu zugeordnete Sektoren, Betriebsstunden.

Siehe auch: HDDs, Festplatten, NAND-Flash