Die Wissenschaft der Festplatten: Wie funktionieren sie wirklich?

Zusammenfassung: Festplatten speichern Daten mit Hilfe von sich drehenden Platten und Lese-/Schreibköpfen, die zusammenarbeiten, um Informationen zu schreiben und zu lesen. Diese Teile bewegen sich mit hoher Präzision, um Daten genau zu verarbeiten. Obwohl neuere SSDs schneller und langlebiger sind, sind Festplatten nach wie vor weit verbreitet. Der Grund dafür ist, dass sie erschwinglich und effektiv für die Speicherung großer Datenmengen sind. Dieser Leitfaden wird Ihnen helfen, die Funktionsweise dieser Komponenten zu verstehen. Sie werden sehen, warum Festplatten trotz des Aufkommens neuerer Technologien weiterhin ein wichtiger Bestandteil des modernen Computers sind.

Festplatten sind das Rückgrat der modernen Computertechnologie. SSDs (Solid-State-Laufwerke ohne bewegliche Teile) sind eine neuere Speicherlösung, haben die Festplatten aber nicht ersetzt. Dieser Leitfaden konzentriert sich auf HDDs (Festplattenlaufwerke) und erkundet ihr Innenleben, die Wissenschaft hinter den Laufwerken und ihre Funktionsweise.

Inhaltsverzeichnis

Im Laufe dieses Artikels werden Sie die folgenden Dinge lernen:

1. Eine Einführung in Laufwerke
2. Die Entwicklung der Festplattentechnologie
3. Das Innere einer Festplatte: Die Komponenten verstehen
4. Wie ein Laufwerk funktioniert: Der Datenprozess?
5. Häufig gestellte Fragen

Und ohne Umschweife, kommen wir gleich zur Sache.

Eine Einführung in Laufwerke

In der modernen Computerwelt sind Festplatten unverzichtbare Speichergeräte, die zum Speichern großer Datenmengen verwendet werden.

Eine SSD ist eine neuere Version der Festplattentechnologie. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Festplatten bewegliche Teile haben, SSDs hingegen nicht. Laufwerke schreiben Daten auf magnetische Speicher mit Hilfe von sich drehenden Platten und einem "Schreibkopf", ähnlich wie eine Grammophonnadel funktioniert.

Die Wissenschaft der Festplatten besteht darin, verschiedene Teile wie die sich drehenden Platten und die Lese-/Schreibköpfe zu koordinieren, um Daten effizient zu verwalten. Trotz besserer und neuerer Technologien sind Festplatten heute so beliebt, weil sie kostengünstig sind und eine Lösung für alle wichtigen Probleme gefunden haben.

Im nächsten Abschnitt befassen wir uns mit der Entwicklung der Technologie von Festplatten, von ihrer Einführung bis zu dem ausgereiften Produkt, das sie heute ist.
 

Die Entwicklung der Festplattentechnologie

Frühe Festplatten waren große, stromhungrige Geräte, die nur ein paar MB an Daten speichern konnten, weit entfernt von den Terabyte-Laufwerken, die Sie heute in Ihrer Tasche haben.

Ein Laufwerk der ersten Generation aus dem Jahr 1950 mit einer drei Meter breiten Platte konnte nur 3,75 MB an Daten speichern. Im Vergleich dazu kann ein Laufwerk von Western Digital heute 5 TB auf einer 4-Zoll-Platte speichern.

Wir sollten auch über die Preise dieser Laufwerke sprechen. Die ersten Laufwerke in den 1950er Jahren kosteten damals etwa 3.500 Dollar, was heute 30.000 Dollar entspricht. Sie haben also effektiv 10.000 Dollar pro MB Speicherplatz bezahlt. Heute, mit den Fortschritten in der Wissenschaft der Festplatten, können Sie ein Laufwerk mit fünf Terabyte für weniger als 50 Dollar bekommen - das sind weniger als 0,009 Dollar pro MB.

Moderne Laufwerke haben ihre Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Speicherkapazität drastisch verbessert. Trotz des Aufstiegs der SSDs bleiben Laufwerke unverzichtbar, insbesondere in Umgebungen, in denen große Datenmengen gespeichert werden müssen. Das liegt daran, dass SSDs zwar eine bessere Leistung haben, aber auch etwa 10 Mal teurer sind. Im Durchschnitt zahlen Sie 0,07 Dollar für ein MB Speicherplatz auf einer SSD gegenüber 0,09 Dollar auf einer HDD.

Im nächsten Abschnitt werden wir uns die internen Komponenten einer Festplatte ansehen, um die Mechanik zu verstehen, die diese Speichergeräte funktionieren lässt.

Das Innere einer Festplatte: Die Komponenten verstehen

Um die Wissenschaft der Festplatten zu verstehen, müssen Sie zuerst die Komponenten verstehen, aus denen eine Festplatte besteht. Die wichtigsten davon sind:

1. Servierbretter:

Dies sind dünne, runde Scheiben, die mit magnetischem Material beschichtet sind und auf denen Daten gespeichert werden. Sie rotieren mit hoher Geschwindigkeit, so dass die Daten geschrieben und gelesen werden können. Eine HDD kann bis zu acht Platten haben. Die Daten werden auf den Platten als winzige magnetische Bereiche gespeichert, die binäre Informationen (0s und 1s) darstellen. Die Platten drehen sich mit hohen Geschwindigkeiten - typischerweise 5.400 bis 7.200 Umdrehungen pro Minute (RPM) bei Laufwerken für Verbraucher. Höherwertige Laufwerke können 10.000 RPM oder mehr erreichen. Je schneller sich die Platten drehen, desto schneller können die Lese-/Schreibköpfe auf die Daten im Laufwerk zugreifen.

2. Köpfe lesen und schreiben:

Das sind nadelartige Geräte, die mit den dünnen, rotierenden Discs in Kontakt kommen. Die Lese-/Schreibköpfe lesen, wie der Name schon sagt, Daten von den sich drehenden Discs und schreiben Daten auf sie. Während des Schreibvorgangs erzeugt der Schreibkopf ein Magnetfeld, das die Ausrichtung der Magnetpartikel auf der Disc verändert und so die Daten kodiert. Während des Lesevorgangs erkennt der Lesekopf die magnetische Ausrichtung dieser Partikel und wandelt die magnetischen Informationen wieder in elektrische Signale um, die der Computer verstehen kann. Die Köpfe müssen mit äußerster Präzision positioniert werden, wenn sie sich über die Oberfläche der sich drehenden Discs bewegen und Daten auf sie schreiben.

3. Antriebsarme:

Die Lese-/Schreibköpfe sind an Miniaturarmen befestigt, die auf dem rotierenden Plattenteller angebracht sind. Dieser Arm wird als Aktuatorarm bezeichnet, weil er von einem Laufwerksmotor angetrieben wird. Der Arm bewegt sich in einem Bogen über die Oberfläche der Disc, so dass die Köpfe auf verschiedene Datenspuren zugreifen können. Dies ist ein präziser Vorgang, da der Schreib-/Lesekopf jederzeit mit der richtigen Disc in Kontakt bleiben muss, ohne die Disc zu zerkratzen, da sonst die Daten beschädigt werden könnten.

4. Schwingspulenmotor:

Dieser Motor steuert die Bewegung des Aktuatorarms und sorgt dafür, dass die Schreib-/Leseköpfe präzise über den richtigen Datenspuren positioniert werden.

5. gedruckte Leiterplatte (PCB):

Die Platine wird oft als das Gehirn des Laufwerks bezeichnet und verwaltet die Datenübertragung und die Kommunikation zwischen der Festplatte und dem Computer.

6. Spindelmotor:

Der Spindelmotor befindet sich in der Mitte des Laufwerks und dreht die Platten mit einer Geschwindigkeit, die normalerweise zwischen 5.400 und 7.200 U/min liegt.

Wie Sie sehen, gibt es mehrere einzelne Komponenten, die ein Laufwerk am Laufen halten und die alle wichtig für seine Funktion sind. Wenn auch nur eine von ihnen ausfällt, kann dies zu einem totalen Datenverlust führen, aber darauf gehen wir in einem anderen Abschnitt ein. Lassen Sie uns jetzt erst einmal die Wissenschaft der Laufwerke und ihre Funktionsweise kennenlernen.

Wie ein Laufwerk funktioniert: Der Datenprozess?

Die Wissenschaft der Laufwerke basiert auf den präzisen Prozessen, die das Speichern und Abrufen von Daten ermöglichen. Es gibt drei wichtige Laufwerksprozesse: das Schreiben von Daten, das Lesen von Daten und die Einschaltsequenz. Jeder dieser Vorgänge wird im Folgenden erklärt:

1. Prozess der Datenerfassung:

Wenn ein Computer Daten auf einem Laufwerk speichert, beginnt der Prozess damit, dass die Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) die Daten vom Computer empfängt. Die Leiterplatte weist dann das Laufwerk an, die Schreib-/Leseköpfe an der richtigen Stelle auf den sich drehenden Discs zu positionieren. Die Lese-/Schreibköpfe kodieren die Daten auf den Discs magnetisch, indem sie die magnetische Ausrichtung winziger Bereiche auf der Oberfläche der Disc verändern. Durch diese präzise Veränderung der Magnetfelder können die Daten sicher gespeichert und später wieder abgerufen werden.

2. Prozess des Lesens von Daten:

Wenn die Daten abgerufen werden, bewegt der Aktuatorarm die Lese-/Schreibköpfe zurück an die richtige Position auf den Platten. Die Lese-/Schreibköpfe erkennen die Magnetfelder auf den Platten und wandeln sie in elektrische Signale um. Die Platine verarbeitet dann diese Signale und versendet sie an den Computer, wo sie wieder in die ursprünglichen Daten übersetzt werden. Dieser Prozess ist unglaublich schnell und ermöglicht einen fast sofortigen Zugriff auf die gespeicherten Informationen.

3. Einschaltreihenfolge:

Wenn eine Festplatte eingeschaltet wird, sorgt der Spindelmotor zuerst dafür, dass die Platten auf ihre Betriebsgeschwindigkeit hochgedreht werden, die normalerweise Tausende von Umdrehungen pro Minute beträgt. Sobald die Platten die richtige Geschwindigkeit erreicht haben, werden die Lese-/Schreibköpfe aus ihrer Ruheposition angehoben und über die Platten bewegt. Anschließend führt die Karte eine Reihe von Prüfungen durch, um sicherzustellen, dass alle Komponenten korrekt funktionieren, bevor der Datenzugriff aktiviert wird. Diese Sequenz stellt sicher, dass das Laufwerk bereit ist, Lese- und Schreibvorgänge effizient auszuführen.

Diese Prozesse müssen perfekt funktionieren, um Datenverluste zu vermeiden. Deshalb sind Datenrettungsdienste im Falle von Fehlern unerlässlich.

Bitte beachten Sie, dass es zwar Software zur Datenrettung gibt, diese aber nur funktioniert, wenn Ihr Laufwerk funktioniert. Wenn einer der oben  genannten Prozesse fehlschlägt, deutet dies auf einen mechanischen Defekt des Laufwerks hin. Nur ein spezialisierter HDD Datenrettungsdienst wie Stellar Data Recovery Services kann Ihnen helfen, Ihre Daten von einer mechanisch defekten Festplatte wiederherzustellen.

Damit sind wir am Ende dieses Artikels über die Wissenschaft der Festplatten und die Funktionsweise von Laufwerken angelangt. Wenn Sie noch Fragen haben, hinterlassen Sie diese im Kommentarfeld und einer unserer Experten wird sich so schnell wie möglich bei Ihnen melden.
 

Häufig gestellte Fragen