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19.05.1989 - 

Die Festplatte bleibt das Speichermedium Nummer eins:

Festplattenlaufwerke werden immer intelligenter

Die seit 30 Jahren im Prinzip unveränderte Festplatten-Technik ist noch lange nicht veraltet: Moderne Laufwerke sind mit Intelligenter Elektronik ausgestattet und erfüllen die gestiegenen Anforderungen an Sicherheit und Leistungsfähigkeit. Auch wenn in den nächsten Jahren verstärkt optische Speichermedien zum Einsatz kommen, wird die Festplatte das am häufigsten eingesetzte Speichermedium bleiben - nicht zuletzt wegen des guten Preis-Leistungs-Verhältnisses.

Weiterentwicklungen in der Elektronik wie SCSI-Controller und moderne Features wie Auto-Park, Zone-Bit-Recording, Power-Sharing oder Auto-Tuning machen Festplatten auf dem Markt der Speichermedien weiterhin konkurrenzfähig.

Die Industrie hat in den letzten zehn Jahren grundlegende Fortschritte in der Laufwerksentwicklung hinsichtlich Speicherkapazität, Zugriffszeit, Zuverlässigkeit, Stromverbrauch und Kosten erzielt (siehe Abbildungen 1 bis 4). Und all das, ohne die Grundkonzeption zu verändern, denn diese Bauweise und dieses Prinzip erwiesen sich als so überzeugend, daß sie im Wettbewerb auf dem Markt bestehen konnten.

Die Laufwerktechnik ist noch nicht am Ende

Die Weiterentwicklung der bewährten Laufwerkstechnik ist noch lange nicht am Ende. Verbessern läßt sich zum einen die Mechanik: Das heißt kompaktere Bauweise, geringerer Stromverbrauch für den Batteriebetrieb bei Portables, geringere Zugriffszeit und höhere Zuverlässigkeit (geringere MTBF). Zum anderen kann man auch die Elektronik der Laufwerke noch weiter verbessern: Hier geht die Entwicklung in Richtung intelligenterer Festplatten. Diese Platten haben bereits alle Controller-Funktionen und Interfaces integriert. Sie besitzen Funktionen zur Fehlererkennung, zur Plattenspiegelung und Cache-Möglichkeiten.

Beispiel für eine elektronische Verbesserung in der Laufwerkstechnik ist das Auto-Park-System. Heute sind bereits die meisten Festplatten damit ausgerüstet. Die Laufwerkselektronik erkennt hier automatisch einen Stromausfall im Laufwerk. Sie benutzt dann den Spindelmotor - der für die Plattenrotation zuständig ist - dazu, um Strom zu erzeugen. Der Schrittmotor nutzt diese Energie, um die Schreib-Leseköpfe in der Plattenmitte zu parken. Dieses automatische Landen der Köpfe auf der Parkzone verhindert, daß bei einem plötzlichen Stromausfall die Köpfe im Datenbereich landen und eventuell Daten auf der Platte beschädigt werden. Darüber hinaus macht die Auto-Park-Funktion den bisherigen "Park"-Befehl überflüssig. Der Anwender muß sich also vor dem Abschalten des Rechners nicht mehr extra um die Festplatte kümmern.

Wenn das Plattenlaufwerk wieder mit Strom versorgt wird, prüft die Laufwerkselektronik, ob die Platten die erforderliche Geschwindigkeit erreicht haben, bevor die Köpfe automatisch auf Spur 0 (dem äußersten Zylinder auf der Platte) positioniert werden. Danach ist das Laufwerk betriebsbereit.

Ein weiteres, modernes Feature bei Festplattenlaufwerken ist das Power-Sharing-Prinzip. Beim Einschalten eines Festplattenlaufwerks erfolgt die Stromversorgung normalerweise simultan, also gleichzeitig für alle Systemteile. Wegen des Anfangswiderstandes ist die Belastung und damit auch der Energieverbrauch in diesem Moment besonders hoch. Beim Power Sharing werden alle Komponenten nacheinander eingeschaltet: zuerst der Spindelmotor. Wenn die Platten angelaufen sind und das Trägheitsmoment überwunden ist, werden die Köpfe positioniert. Erst dann werden die LEDs mit Strom versorgt. Diese Technik ist für Laptops und Portables von großer Bedeutung.

Da niedriger Energieverbrauch und intelligentes Energie-Management immer wichtiger werden, sind moderne Drives, die nach dem Power-Sharing-Prinzip arbeiten, zusätzlich mit einem Timer ausgestattet. Er schaltet das Laufwerk automatisch stufenweise ab, wenn eine gewisse Zeit nicht darauf zugegriffen wurde. In dieser Warteposition wird sehr wenig Strom verbraucht. Die einzige aktive Funktion besteht darin, das Interface zu überwachen, um festzustellen, ob das Drive wieder angesprochen wird, damit es aus der Warteposition wieder in den Betriebszustand zurückkehrt.

Niedriger Energieverbrauch beim Power-Sharing

Der durchschnittliche Energieverbrauch beim Power Sharing liegt bei nur drei Watt, in der Warteposition sogar bei nur 0,3 Watt- Zum Vergleich. Laufwerke ohne Power-Sharing-System benötigen zwischen sieben und 15 Watt. Seagate beschäftigt sich intensiv mit dieser Technik, und das ST325-Laufwerk, das speziell für den Einsatz in Laptops entwickelt wurde, wird mit der Power-Sharing-Technik arbeiten.

Eine erhebliche effektivere Kapazitätsausnutzung der Festplatten ermöglicht die Zone-Bit-Recording-Technik (Abbildung 5). Bei der heuten Winchester-Laufwerken Standardmäßig eingesetzten Aufzeichnungstechnik werden für die inneren und äußeren Spuren die gleichen Frequenzen eingesetzt, das heißt die Anzahl der Bits pro Sekunde ist immer gleich. Daraus ergibt sich eine einheitliche Anzahl von Sektoren pro Spur, für die gesamte Festplattenoberfläche. Das vereinfacht die Steuerfunktion des Daten-Separators, da dieser nur einen Frequenzbereich steuern muß. Aufgrund des unterschiedlichen Umfangs der inneren und äußeren Spuren ist dabei allerdings die Bitdichte auf den inneren Spuren immer erheblich höher als auf den äußeren. Bei einer 3,5-Zoll-Diskette beispielsweise kann die Aufzeichnungsdichte pro Zoll auf den inneren Spuren 2,5mal so hoch wie auf den äußeren Spuren sein.

Mit diesem Aufzeichnungsverfahren wird der Platz auf den äußeren Spuren nicht voll genutzt, obwohl dies technisch möglich wäre, denn Arbeitsweise und Zuverlässigkeit des Laufwerks müssen auf die höchste Dichte ausgelegt sein, also auf die Dichte der inneren Spuren.

Die Zone-Bit-Rekording-Technik trägt diesen Aspekten Rechnung. Hier haben die äußeren Zylinder eine höhere Bitdichte als die inneren Zylinder. Deshalb können auf der gleichen Plattenoberfläche erheblich mehr Daten gespeichert werden. Dies sieht dann zum Beispiel folgendermaßen aus: Man unterteilt eine Festplatte mit 615 Zylindern in drei verschiedene Zonen. Die Zylinder 0 bis 200 haben 52 Sektoren pro Spur (Zylinder 0 ist die äußerste Spur), die Zylinder 201 bis 400 haben dann 39 Sektoren pro Spur, und die Zylinder 401 bis 614 haben 26 Sektoren pro Spur. Bei diesem einfachen Beispiel werden nur drei verschiedene Zonen mit drei verschiedenen Aufzeichnungsfrequenzen eingesetzt. Es macht aber auf anschauliche Weise deutlich, wie Zone-Bit-Rekording eingesetzt werden kann, um die Leistungsfähigkeit der Platte zu steigern, ohne die mechanischen Eigenschaften der Platte oder die maximale Aufzeichnungsdichte pro Zoll verändern zu müssen. Seagate wird noch in diesem Jahr Plattenlaufwerke mit der Zone-Bit-Rekording-Technik auf den Markt bringen.

Die sogenannten "Autotune-Technik" wurde speziell zur Verbesserung von Open-Loop-Stepper-Motoren entwickelt. Dieses Verfahren gleicht durch Wärmeentwicklung bedingte Abweichungen der Schreib-Leseköpfe über den Datenspuren automatisch aus. Das Problem ist folgendes. Die Spuren auf einer Platte liegen - als Folge ausgereifterer Techniken - immer enger nebeneinander, inzwischen erreicht man eine Spurendichte von bis zu 1000 Spuren pro Zoll. Dadurch wird es immer schwieriger, den Actuator (den Zugriffsarm) genau über dem Zentrum einer Datenspur zu positionieren, denn die durch, die Wärmeentwicklung bedingten Abweichungen lassen sich zwar minimieren, aber auch bei allen mechanischen Verbesserungen nicht völlig ausschalten. Durch die zwangsläufig anfallende Wärme kann es passieren, daß sich der Zugriffsarm etwas ausdehnt, und dann nicht exakt auf der Mitte der Datenspur positioniert ist.

Während die teureren "Closed-Loop-Voice-Coil-Systeme" sich automatisch auf der Mitte daß Spur positionieren, kann sich der Actuator eines Open-Loop-Stepper-Motors nur in festen Schritten von Spur zu Spur bewegen. Wärmebedingte Veränderungen können also bei den Open-Loop-Schrittmotoren nicht erkannt werden, daß heißt, in letzter Konsequenz könnte es passieren, daß Daten auf der Platte nicht mehr gelesen werden können.

Autotuning ist eine Preisgünstige Lösung

Die Autotune-Technik ermöglicht es nun, daß auch die einfacheren und deshalb preisgünstigeren Open-Loop-Schrittmotoren solche wärmebedingten Veränderungen erkennen und automatisch ausgleichen. Allerdings muß das Laufwerk mit einem SCSI-Controller ausgestattet sein.

Beim Autotuning fährt der Kopf auf einer vordefinierten Spur hin und her und mißt die Amplitude der Daten dieser Spur, und zwar so lange, bis er die Abweichung zur maximalen Amplitude gemessen hat. Dieser Wert wird ins Memory geladen und bis zum nächsten Autotuning-Vorgang gespeichert. Auf diesen errechneten Abweichungswert wird von nun an bei jeder neuen Positionierung des Actuators zurückgegriffen. Der Motor führt immer dann eine neue Selbstjustierung durch, wenn seit dem letzten Datenzugriff eine definierte Zeit (zehn Minuten) vergangen ist. Um den Kopf auch bei Stepper-Motoren so genau hin- und herzubewegen, setzt man die sogenannte "Microstepping"-Technik ein. Der Kopf kann sich so in Zwischenschritten bewegen, die etwa ein Zehntel eines normalen Schrittes ausmachen.

Autotuning verbessert Open-Loop-Stepper-Motoren

Autotuning ist also eine preisgünstige Lösung, Open-Loop-Stepper-Motoren zu verbessern. Da sie wärmebedingte Abweichungen ausgleicht, kann man jetzt auch bei Laufwerken mit Stepper-Motoren eine Spurdichte erreichen, wie sie bisher nur bei Laufwerken mit den teureren Closed-Loop-Linearmotoren möglich war.

Für alle diese intelligenten Funktionen ist aber die SCSI-Technik unbedingt notwendig. Denn der integrierte SCSI-Controller überwindet eine bisherige Schwachstelle in der Laufwerkstechnik: die Trennung von Controller und Laufwerk. Damit entfällt zum einen die Notwendigkeit eines getrennten, externen Controllers. Zum anderen macht erst diese Technik den Einsatz weiterer Verbesserungen wie zum Beispiel Zone Bit Rekording möglich.

Hans-Dieter Blaser ist District Sales Manager bei Seagate Technology GmbH, München