Grundlagen der Festplattentechnik - Teil 1

16.09.2004
Die Entwicklung bei Festplatten drückt die Preise und steigert die Datenraten auf bis zu 80 MByte/s. Hermann Strass wirft einen Blick in das Innere der rotierenden Massenspeicher und zeigt, warum sich die Technik so rasant entwickelt hat.

Die Entwicklung der Festplattentechnologie geht weiterhin in Riesenschritten voran. Waren noch vor sieben Jahren Größen von 1,6 GByte das Maß aller Dinge, beginnen heutige Modelle mit der 100fachen Kapazität. Aber nicht nur die Kapazitäten steigen. Die Produkte sind auch technisch ausgefeilter und zuverlässiger und werden darüber hinaus immer günstiger (bezogen auf den Preis pro MByte).

Warum ist das so? Der technische Erfindergeist wird von keinerlei Vorschriften gebremst. Eine Festplatte hat eine bestimmte geometrische Form und wenige spezifizierte Schnittstellen. Die eigentliche Technik aber sitzt unsichtbar für den Anwender im Inneren des Gehäuses und ist in ihren Parametern Leistung, Stromverbrauch und Preis von Interesse. Die Hersteller können also die Festplatten nach Belieben verbessern und optimieren.

Wir werfen einen Blick in das Innere der rotierenden Massenspeicher und zeigen, warum sich die Festplattentechnik so rasant entwickelt hat. Ein Ende dieser Entwicklungen ist auch mittelfristig nicht abzusehen. Soweit nicht anders angegeben, gelten Aussagen und Parameter für 3,5-Zoll-Laufwerke.

Geschichte

Bereits im Jahr 1878 versuchte der Amerikaner Oberlin Smith elektrische Daten auf einem magnetisierten Draht zu speichern. Im Jahre 1888 entschied er sich, seine Erfindung nicht zu patentieren, sondern der Öffentlichkeit zu schenken. Etwa zur gleichen Zeit hatte Valdemar Poulsen in Dänemark die Idee, Daten magnetisch aufzuzeichnen. Daraus wurde ein um eine Trommel gewickelter Stahldraht, der schon 1889 als Telefonanrufbeantworter diente. Danach konzentrierten sich die Entwickler lange Zeit auf die serielle Aufzeichnung mit Drähten und später auf Band. Bereits in den fünfziger Jahren des 20. Jahrhunderts gab es dann vereinzelt Trommelspeicher.

Doch die eigentliche Geburtsstunde der Festplatte wird auf den 13. September 1956 datiert. An diesem Tag hat IBM die erste Festplatte mit der Bezeichnung 305 RAMAC und einer Kapazität von 5 MByte vorgestellt. Diese Kapazität verteilte sich auf 50 Scheiben mit je 24 Zoll (60 cm) Durchmesser. Der Mietpreis betrug 150 US-Dollar je Monat und MByte. Ein Jahr später führte IBM das Konzept "breit schreiben, schmal lesen" ein, wie es heutzutage bei den MR- und GMRTechniken eingesetzt wird.

Seagate baute im Jahr 1979 die erste Festplatte im 5,25-Zoll-Format. 1981 kam SCSI , und 1982 gab es die ST506-Schnittstelle von Seagate, aus der sich IDE, E-IDE , ATA und ATAPI entwickelt haben. Das Seagate-ST506-Laufwerk, nach dem die Schnittstelle benannt wurde, hatte wie das RAMAC-Laufwerk aus dem Jahre 1956 eine Kapazität von 5 MByte. Die Fibre-Channel-Entwicklung begann 1988.

Seagate hat 1996 mit der Cheetah-Serie erste Festplatten mit 10.000 U/min präsentiert. 1998 bot die Barracuda-Serie von Seagate eine Maximalkapazität von 50 GByte. Und nur zwei Jahre später waren es schon 183 GByte. Dies übertraf die bis dahin übliche Steigerung von 60 Prozent in einem Jahr oder die Verdoppelung innerhalb von 18 Monaten bei weitem. Zwischen 1957 und 1990 lag die Steigerungsrate noch bei etwa 25 Prozent im Jahr.

Die Flächendichte auf den Festplattenscheiben stieg von 2000 Bit/inch2 im Jahr 1957 auf über 1 GBit/inch2 in den Jahren 1995 bis 1997. Heutige Werte liegen bei 30 bis 60 GBit/inch2. Werte von 100 GBit/inch2 sind in naher Zukunft auch für Serienlaufwerke zu erwarten.

Festplattenaufbau

Festplatten unterscheiden sich äußerlich meist nur durch ihre Bauform, wobei meist die Frontbreite und die unteren sowie seitlichen Befestigungspunkte definiert sind. Die Bauhöhe kann variieren. Die Gehäusetiefe ist auf eine maximale Größe begrenzt. Die Art und geometrische Position der Schnittstellensteckverbinder (E-IDE oder SCSI ) ist spezifiziert. Teilweise gilt das auch für die Stromversorgungssteckverbinder, soweit sie nicht in die Schnittstellensteckverbinder integriert sind. Der innere Aufbau und die technische Ausstattung sind hingegen in keiner Weise festgelegt. Das gilt zum Beispiel für die Größe oder die logische Funktion der Zwischenspeicher (Cache) im Laufwerk. So können die Hersteller im Laufe der Zeit auch optische Technologien in diese vorwiegend elektromagnetisch arbeitenden Geräte integrieren.

Festplatten enthalten fest eingebaute, rotierende Platten, deren elektromagnetisch präparierte Oberfläche als Datenspeicher dient. Elektromagnetische Effekte wie Induktion oder magnetische Flusswechsel entstehen durch die relative Bewegung zwischen elektrischen und magnetischen Komponenten. Dies geschieht am einfachsten mit einer rotierenden Bewegung, wobei gilt: Je schneller, desto effektiver. Denn je schneller eine magnetische Flussänderung beispielsweise in einer Spule erfolgt, desto größer der induzierte Strom und damit auch das Signal.

Beengte Verhältnisse

Im Inneren einer Festplatte dreht ein Elektromotor eine oder mehrere Scheiben (bis zu zwölf) auf einer Achse (Spindel) mit möglichst hohen Drehzahlen. 5400, 7200, 10.000 und sogar 15.000 U/min sind üblich. Die Hersteller testen bereits höhere Drehzahlen. Die Scheiben sind mit einer magnetischen Oberfläche versehen. Darüber schweben die Schreib-/Leseköpfe an Armen, die diese zwischen dem inneren und äußeren nutzbaren Durchmesser über die jeweils aktuelle Spur positionieren. Der Platz für den Motor im Festplattengehäuse ist eng begrenzt. Daher muss die zu bewegende Masse der Scheiben möglichst gering sein.

Scheiben und Köpfe befinden sich in einer hermetisch versiegelten Kammer.Das schützt vor Verunreinigungen und Feuchtigkeit. Diese Anordnung ist früher als Winchester-Technik bezeichnet worden.

Ein besonderes Problem bei Festplatten ist die Abfuhr der entstehenden Wärme. Temperaturänderungen zwischen Ruhephasen und Volllastbetrieb sorgen für Längenänderung im Material. Dadurch wird die geometrische Position des Kopfes am Arm (Aktuator) verändert. Das heißt, der Kopf schreibt eine Spur neben der Ideallinie oder er wird beim Lesen neben die geschriebene Spur positioniert. Daher sind alle Hersteller bemüht, mit neuesten Herstellungstechnologien den Strombedarf von Motor und Chips möglichst gering zu halten. Auch die Lager erfahren eine Weiterentwicklung, um Reibungsverluste zu verringern.

Anordnung der Daten

Die Spuren sind als konzentrische Kreise auf den Plattern angeordnet. Jeder Kreis ist in mehrere Sektoren, auch Blöcke genannt, unterteilt. Die Sektoren/Blöcke sind in PC-Anwendungen meist für 512 Datenbyte eingerichtet. In Unix- oder Mainframe-Systemen sind die Blöcke auch größer. Dabei ist in einem Sektor noch zusätzlicher Platz für Verwaltungsinformationen erforderlich.

Schreiben und Lesen geschieht immer nur auf einem ganzen Sektor, auch wenn lediglich ein Teil der darauf befindlichen Daten tatsächlich genutzt wird. Zur leichteren Adressierung fasst man häufig mehrere Sektoren logisch zu so genannten Clustern zusammen.

Bei Festplatten mit mehreren Plattern bilden die geometrisch übereinander liegenden Spuren einen Zylinder. Dabei werden die Köpfe gemeinsam auf die jeweils anzusprechende Spur positioniert. Beim Schreiben großer Datenmengen hat dies den Vorteil, dass diese nicht nacheinander auf verschiedene Spuren einer Platte gespeichert werden, sondern gleichzeitig auf die jeweils gleichen Spuren der unterschiedlichen Scheiben. Da die elektrischen Umschaltzeiten zur Ansteuerung der Köpfe wesentlich kürzer sind als die für eine mechanische Neupositionierung, sind auf diese Weise höhere Übertragungsraten möglich.

Die Länge der konzentrischen Spuren ist in der Nähe der Achse kürzer als in den Außenbereichen. Damit nimmt auch die relative Geschwindigkeit zwischen Kopf und Spur nach außen zu. Wären die Sektoren hingegen Segmente gleichen Winkels, hätte dies eine Verschwendung von Speicherkapazität in den äußeren Spuren zur Folge. Daher befinden sich auf den längeren, äußeren Spuren mehr Sektoren als auf den inneren.

So entstehen Zonen mit jeweils gleich vielen Sektoren je Spur. Denn eine neue Zone lässt sich frühestens dann einrichten, wenn eine Spur mindestens so viel länger ist, dass ein weiterer kompletter Sektor für 512 Datenbyte Platz findet. Bei einer solchen Zoneneinteilung entstehen Strukturen, die wie Ausschnitte aus spiralförmigen Kurven aussehen und alle vom Mittelpunkt der Achse ausgehen. In der Regel besteht eine Plattenoberfläche aus 15 bis 25 Zonen.

Derzeit liegen die Bitdichten zwischen 30 und 60 GBit/inch2. Bei diesen Dichten werden etwa 30.000 bis 70.000 tpi geschrieben. Innerhalb der Spur werden 400 bis 600 KBit/Zoll aufgezeichnet. In Schreib-/Leserichtung sind die Bits daher sehr kurz, aber besonders breit. Das sieht dann so aus, als hätte man Streichhölzer quer zur Flugrichtung auf die Spur gelegt, wobei die Nord-/Süd-Orientierung in Bewegungsrichtung auch die Bitwertigkeit EINS oder NULL symbolisiert.

Derzeit sind Kapazitäten von 40 bis 80 GByte je Magnetscheibe üblich. Daher gibt es kaum noch Laufwerke mit geringeren Kapazitäten. Bei Zwischengrößen wird entweder ein Kopf eingespart oder nicht genutzt, wenn dieser defekt ist.

Die Kopfeinheiten sind extrem kleine, komplexe Gebilde am Ende des Aktuators. Dieser und die Kopfplattform sind nach aerodynamischen Kriterien geformt. Die Köpfe müssen im Betrieb in einer Flughöhe von etwa 25 nm ohne Berührung und Flattern über der sich drehenden Scheibe schweben. Es wird versucht, die Flughöhe so niedrig wie möglich zu halten, weil der Kopf damit stärkere Signale lesen und schreiben kann. Die bislang niedrigste erreichte Flughöhe liegt bei 15 nm - allerdings nur für kurze Strecken.

Das so genannte Contact Recording, also das Schleifen des Kopfes auf der Oberfläche, wie es bei Floppy-Laufwerken eingesetzt wird, konnte sich bisher nicht durchsetzen. Dazu bedarf es besonderer Oberflächenschutzschichten auf dem Medium und am Kopf. Bei den um mehrere Potenzen niedrigeren Drehzahlen im Floppy-Laufwerk ist dies wesentlich leichter zu bewerkstelligen als bei schnell drehenden Festplatten.

Vergleicht man Flughöhen und Drehgeschwindigkeit mit realen Größen, so entspricht dies einem Jumbojet, der mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit im Abstand von etwa ein bis zwei Metern über den Erdboden rast.

Das Innere eines Laufwerks ist Betriebsgeheimnis des Herstellers. Deshalb gibt es über Kopfgrößen und Formen nur Vermutungen. Statt mit Abmessungen kennzeichnet man Kopfgrößen mit einem Prozentwert. Die Referenz (100 Prozent) bezieht sich auf einen Kopf einer IBM-Festplatte aus dem Jahre 1983. Dieser hatte die Abmessungen 4 x 3,2 x 0,86 mm3. Heute sind Kopfgrößen von 30 Prozent und weniger üblich.

Wegen der heutzutage üblichen hohen Bitdichte und den daraus resultierenden kleinen Signalen entstehen hohe Rauschanteile sowie Überlagerungen der Einzelsignale. Damit ist die früher übliche Einzelerkennung eines Bits (peak detection) nicht mehr möglich. Stattdessen wird der Bitstrom so kodiert, dass die Bits beim Lesen auch dann noch erkannt werden, wenn sie faktisch lediglich den gleichen Signalpegel erzeugen wie das Rauschen. Diese PRML-Technik erkennt aus der Regelmäßigkeit von Flankenwechseln, ob gemäß dem bekannten Bitmuster an einer bestimmten Stelle ein signifikantes Bit oder Rauschen detektiert wurde. Letzteres wird dann ausgefiltert.

MR- und GMR-Technologien

Eine Kopfeinheit besteht heute aus zwei Teilen. Der Induktiv-Kopf zum Schreiben hat eine Spule mit einigen Windungen aus einer Leiterbahn auf einem Halbleiterplättchen. Bis vor vier Jahren waren bei Datendichten von 700 MBit/inch2 zum Teil auch für den Lesekanal noch Induktiv-Technologien üblich, obwohl bereits 1996 die ersten Festplatten mit MR-Leseköpfen erhältlich waren. Dies wird verständlich, wenn man bedenkt, dass die Entwicklungszeit eigener MR-Technologien bis zu zehn Jahre in Anspruch nimmt. Western Digital hat beispielsweise erst 1998 im Zuge eines Abkommens mit IBM auf die MR-Technologie umgestellt und dabei die Köpfe von IBM bezogen.

Der Induktiv-Kopf schreibt eine breite kräftige Spur. Der schmalere MR- oder GMR-Kopf liest zuverlässig auch noch schwache Signale in der Mitte der geschriebenen Spur, die einen großen Rauschanteil aufweist.

Standard-MR-Köpfe sind für Datendichten bis 1500 Mbit/inch2 geeignet. Die heutigen weiterentwickelten GMR -Leseelemente kommen mit Datendichten bis 20 Gbit/inch2 zurecht.

Der MR- oder GMR-Kopf zum Lesen besteht aus mehreren übereinander gelegten Schichten mit unmagnetischen Zwischenlagen. Er macht sich zunutze, dass sich der Widerstand von bestimmten Materialien wie Nickel-Eisen-Verbindungen im Magnetfeld ändert. Der Widerstand ist direkt abhängig von der Stärke des Magnetfelds, für ein Signal ist keine zeitlich abhängige Flussänderung wie bei Induktiv-Köpfen erforderlich.

Die magnetischen Lagen des MR-Kopfes sind unterschiedlich vormagnetisiert. Ein magnetischer Impuls (Bitsignal von der Scheibenoberfläche) kippt je nach 0- oder 1-Orientierung die erste magnetische Schicht und erzeugt dadurch mit der Magnetschicht in der nächsten Lage zusammen ein relativ kräftiges Signal. Ein Auslösesignal von halber Stärke genügt also für ein kräftiges Vollsignal. Weitere Effekte wie geringeres Grundrauschen und eine kleine Bauform sind zusätzliche positive Eigenschaften dieser Technik.

GMR-Köpfe sind noch effektiver und nutzen Quanteneffekte der Elektronen. Das magneto-resistive Element besteht aus mehreren, zum Teil nur wenige Atomlagen (5 bis 15) dicken Schichten, die folgende Bezeichnungen tragen: Sensing Layer, Conducting Spacer, Pinned Layer und Exchange Layer (siehe Abbildung unten). Die ersten drei Schichten sind dabei so dünn, dass sich die Leitungselektronen über den Conducting Spacer ungehindert zwischen den einzelnen Schichten bewegen können. Die magnetische Vorzugsrichtung des Pinned Layer ist dabei fest vorgegeben und wird durch den im Bild nicht eingezeichneten Exchange Layer gefestigt. Je nachdem, wie die Magnetfelder der Speicherzellen orientiert sind, gibt es zwei Zustände im GMR-Element. Wenn das gesamte GMR-Element einheitlich magnetisiert ist, können beispielsweise Elektronen mit positivem Spin ungehindert das Element passieren. Elektronen mit einem negativen Spin werden im Pinned Layer und im Sensing Layer so abgelenkt, dass diese nicht zum Stromfluss beitragen.

Die Fortsetzung dieses Artikels lesen Sie nächste Woche in der ComputerPartner-Ausgabe 39/04.

Steckbrief

Hermann Strass

Der Autor Hermann Strass ist Berater für neue Technologien, insbesondere für Bus-Architekturen, Massenspeicher und industrielle Netzwerke, Mitglied in nationalen und internationalen Normungsgremien, in der IEEE Computer Society sowie Technical Coordinator der VITA in Europa. Daneben ist er Autor von Büchern und Fachartikeln und organisiert Seminare.

Glossar

GMR

Giant Magnetoresistive. Eine von IBM entwickelte Technologie für Schreib-/Leseköpfe, die die Quanteneffekte der Elektronen ausnutzt. Die Köpfe bestehen aus mehreren Schichten. Bei gleicher magnetischen Ausrichtung der Schichten können Elektronen mit positivem Spin die Schichten passieren. Elektronen mit negativem Spin tragen nicht zum Stromfluss bei. Bei unterschiedlicher magnetischer Ausrichtung können keine Elektronen die Schichten durchqueren.

SCSI

Small Computer System Interface. Allgemeine Bezeichnung für SCSI-1 bis -3 und CCS (Common Command Set). SCSI ist ein Bus (Kanal) vorwiegend zum Anschluss von Peripheriegeräten an Rechner/Server.

E-IDE

Enhanced Integrated Disc Electronic: Obwohl der Begriff EIDE in den ATA-Spezifikationen nicht explizit auftaucht, hat er sich im Sprachgebrauch eingebürgert. EIDE ist somit auch kein Standard, sondern vielmehr ein Oberbegriff für eine Vielzahl neuer Features, die in den einzelnen ATA-Spezifikationen verabschiedet wurden. Ursprünglich nannte Western Digital seine Vision einer schnelleren IDE-Schnittstelle Enhanced IDE. Der Abschnitt Übergang von IDE nach EIDE erläutert den Quasi-Standard.

ATA

Advanced Technology Attachment. Eine Spezifikation zum Anschluss von Festplatten an den AT-Bus.

ATAPI

ATA Packet Interface. Die Erweiterung der ATA-Spezifikation für den Betrieb von CD-ROM-Laufwerken an der IDE-Schnittstelle.

Aktuator

Komponente einer Festplatte, die zum Positionieren des Schreib-/Lesekopfes beiträgt.

Plattern

Magnetisch beschichtete Scheibe innerhalb der Festplatte. Dient zur Speicherung der Daten. Typischerweise nutzen preiswerte Festplatten ein bis drei Plattern, große SCSI-Platten bei entsprechender Bauhöhe bis zu zehn Plattern.

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