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Geschrieben von Kees Jan Meerman
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Veröffentlicht am
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Min. Lesezeit 6 Min
Zusammenfassung: Die Größe des Cache-Speichers, die Zugriffszeit, die Suchzeit, die Spindelgeschwindigkeit und die Datenübertragungsgeschwindigkeit sind wichtig für die Leistung eines Laufwerks. Dieser Artikel beschreibt, wie sich diese Parameter in den letzten sieben Jahrzehnten entwickelt haben.
Inhaltsverzeichnis
Entwicklung der wichtigsten HDD-Leistungsmerkmale
Die Speicherkapazität von Laufwerken ist seit ihrer Einführung durch IBM im Jahr 1956 exponentiell gestiegen. Gleichzeitig sind ihre Kosten und Größe um einen ähnlichen Faktor gesunken. Dieses schnelle Wachstum wurde durch zahlreiche Erfindungen und Fortschritte in der Technologie der Festplatten ermöglicht. Und diese Fortschritte haben sich auch auf andere Eigenschaften von Festplatten positiv ausgewirkt.
Es ist wichtig zu wissen, dass sich die meisten Benutzer beim Vergleich von Laufwerken auf Kapazität, Kosten und Größe/Design beziehen. Merkmale wie Cache, Datenübertragungsgeschwindigkeit und Zugriffszeit sind jedoch ebenso wichtig. In diesem Artikel gehen wir darauf ein, wie sich die Laufwerke in Bezug auf vier wichtige Leistungsparameter entwickelt haben.
1. Größe des Cache-Speichers
Der erste davon ist die Größe des Cache. Der Cache ist ein kleiner Hochgeschwindigkeitsspeicher, der in die Platine des Laufwerks integriert ist. Häufig benötigte Daten werden für schnellere Lese- und Schreibvorgänge im Cache-Speicher zwischengespeichert. Auf diese Weise hilft der Cache-Speicher dem Festplatten-Mikrocontroller, die Zeit zu minimieren, die zum Abrufen häufig benötigter Daten benötigt wird.
Frühe Festplattenmodelle wie die IBM 350er Serie hatten keinen speziellen Cache-Speicher - es bestand keine Notwendigkeit dafür. Der Datenabruf basierte allein auf der mechanischen Bewegung der Platten und der Lese-/Schreibköpfe.
Schon bald wuchs der Bedarf an Caching, um die Lücke zwischen den immer schneller werdenden Auftragsverarbeitern und den Speicherzugriffszeiten zu schließen. Der Durchbruch kam im Jahr 1963.
- 1963: Titan (Atlas-2), einer der ersten Supercomputer der Welt, hatte 128K 48-Bit-Worte Hauptspeicher (entspricht 0,75 MB).
- 1968: Der Begriff "Cache" wurde zuerst in der Zeitschrift IBM Systems im Zusammenhang mit der IBM 360 Model 85 verwendet und ersetzte den bis dahin von Technikern verwendeten Begriff "Hochgeschwindigkeitspufferspeicher".
- 1969: Der IBM 360 Model 85 wird der erste kommerziell erhältliche Computer mit einem Cache. Es sind Varianten mit 64 KB und 128 KB erhältlich.
- 1976: Der geteilte Cache (L1d für Daten und L1i für Anweisungen) wurde mit dem IBM 801 eingeführt.
- 1980s: Software, Datenbanksysteme und später das Internet begannen, Caching zu verwenden.
- 1989: Der erste On-Chip-Cache mit 8 KB Speicher wurde von Intel für seinen 80486 Mikroprozessor gebaut.
- 1995: Intel entwickelt den Pentium Pro, der einen 16 KB L1-Cache und 256 KB-1 MB L2-Cache hat.
- 1999: IBM entwickelt Modelle mit 32 MB Cache (L2).
- 2004-2010: Die Cache-Größen stiegen erheblich und reichten von 16 MB bis 64 MB. Beispiele hierfür sind:
- 2003-2004: Seagate führt Barracuda 7200.7+ und Barracuda 7200.8 mit 8 MB bzw. 16 MB Cache ein.
- 2010: Die Modelle von Western Digital und Seagate hatten einen Cache von bis zu 32 MB.
- 2011-2024: Der Trend zu größeren Caches hält an. Moderne Laufwerke haben Cache-Größen von 64 MB bis 256 MB.
Wenn wir bis in die 1960er Jahre zurückblicken, als Computersysteme nur minimale oder gar keine Caches hatten, wird deutlich, dass die Geschwindigkeit des Datenabrufs im Laufe der Jahre einige Quantensprünge gemacht hat. Als nächstes werden wir sehen, wie sich diese technologischen Sprünge auch in der Verkürzung der Zugriffszeit niederschlagen.
2. Zugriffszeit
Die Zugriffszeit bezieht sich auf die Zeit, die der Lese-/Schreibkopf eines Laufwerks benötigt, um eine bestimmte Datenspur auf der Disc zu finden und darauf zuzugreifen. Dieser Parameter wird in der Regel in Millisekunden (ms) gemessen und ist die Summe aus zwei Komponenten:
- Seek Time: Die Zeit, die der Schreib-/Lesekopf benötigt, um die richtige Spur anzufahren.
- Rotationslatenz: Die Wartezeit, bis der gewünschte Sektor den Lese-/Schreibkopf erreicht.
Schnellere Zugriffsgeschwindigkeit bedeutet, dass das Laufwerk weniger Zeit benötigt, um Daten zu finden und zu lesen. Für den Benutzer bedeutet dies einen schnelleren Dateizugriff und schnellere Ladezeiten für Anwendungen.
Hier finden Sie einen Überblick darüber, wie sich die Zugriffszeiten im Laufe der Zeit verkürzt haben.
- 1956-1970s: Frühe Festplattenmodelle wie die IBM 350-Serie hatten sehr hohe Zugriffszeiten, etwa 600 ms.
- 1980er-1990er Jahre: Die Zugriffszeiten wurden erheblich verkürzt, als die Technologie der Festplatten mit mehreren Köpfen, verbesserten Laufwerken und dem Einsatz von Schwingspulen anstelle von Schrittmotoren ausgereift war.
- 2010s-2024: Moderne Festplatten haben Zugriffszeiten im Bereich von 2,5 ms bis 10 ms aufgrund besserer Antriebskonstruktionen, höherer Plattendichte und fortschrittlicher Firmware.
Die folgende Tabelle zeigt diese massive Reduzierung der Suchzeit.
| Jahr | Hersteller | Modell | Suchzeit (ms) |
| 1956 | IBM | 350-1 | 600.0 |
| 1959 | IBM | 350-3 | 500.0 |
| 1960 | IBM | 1405-1 | 625.0 |
| 1964 | IBM | 2311-1 | 97.5 |
| 1966 | IBM | 2314 | 87.5 |
| 1970 | IBM | 3330-1 | 38.3 |
| 1974 | IBM | 3330-II | 38.3 |
| 1980 | IBM | 3380 | 24.3 |
| 1985 | Seagate | ST-225 | 73.3 |
| 1994 | Seagate | ST-12550N | 12.7 |
| 1995 | Conner | CP1275 (IDE) | 10.0 |
| 1996 | Quantum | BF2500A | 15.0 |
| 2002 | Hitachi | Travelstar 80GN | 9.5 |
| 2003 | IBM | Ultrastar 146Z10 | 6.9 |
Die durchschnittliche Zugriffszeit für moderne, auf dem Markt erhältliche HDDs liegt zwischen 5 ms und 10 ms. Bei Hochleistungs-HDDs für Unternehmen ist sie viel kürzer (~2 ms).
3. Rotationsgeschwindigkeit
Die Rotationsgeschwindigkeit oder Spindeldrehzahl gibt an, wie oft die Platten des Laufwerks in einer Minute eine volle Umdrehung ausführen. Sie steht in umgekehrter Beziehung zur Rotationslatenz, d.h. eine höhere Rotationsgeschwindigkeit bedeutet eine geringere Latenz.
Die Drehzahl hat einen direkten Einfluss darauf, wie schnell ein Computer auf die auf den Disks gespeicherten Daten zugreifen kann. Höhere RPM-Werte bedeuten in der Regel schnelleren Datenzugriff und bessere Leistung.
Von den Anfängen der HDDs bis zu den modernen Hochleistungslaufwerken gab es einen klaren Trend zu immer höheren Spindelgeschwindigkeiten. Nachfolgend finden Sie einen Überblick über diese Entwicklung und eine Tabelle mit den wichtigsten Wendepunkten:
- 1956-1970s: Frühe Festplattenmodelle, wie die IBM 350, arbeiteten mit niedrigen Spindeldrehzahlen von 1.200 RPM.
- 1980er-1990er Jahre: Die Einführung von Mehrkopfkonstruktionen und verbesserten Laufwerken führte zu höheren Spindelgeschwindigkeiten.
- 2000er-2010er Jahre: Die Standard-Spindelgeschwindigkeit für Consumer-HDDs hat sich bei 5.400 bis 7.200 RPM eingependelt.
| Jahr | Hersteller | Modell | Durchschnitt Rotation Latenzzeit (ms) | Rotationsgeschwindigkeit (RPM) |
| 1956 | IBM | 350-1 | 25 | 1,200 |
| 1959 | IBM | 350-3 | 25 | 1,200 |
| 1985 | Seagate | ST-225 | 8.33 | 3,600 |
| 1986 | Seagate | ST-225 | 8.33 | 3,600 |
| 1994 | Seagate | ST-12550N | 4.17 | 7,200 |
| 2000 | Seagate | Elite 47GB | 5.00 | 6,000 |
| 2005 | Seagate | 400GB 7200.8 (ATA-150) | 4.17 | 7,200 |
| 2009 | Seagate | ST31000333AS 1TB 7200.11 | 4.17 | 7,200 |
| 2010 | Seagate | 1.5TB ST31500541AS | 5.08 | 5,900 |
| 2013 | Seagate | 4TB ST4000DM000 | 4.17 | 7,200 |
| 2017 | Seagate | 4TB Barracuda ST4000DM004 | 5.56 | 5,400 |
| 2019 | Seagate | 8TB ST8000DM004 | 5.56 | 5,400 |
| 2020 | Seagate | 8TB ST8000DM004 | 5.56 | 5,400 |
| 2021 | Seagate | 8TB ST8000DM004 | 5.56 | 5,400 |
| 2022 | Western Digital | 8TB WD80EAZZ | 5.32 | 5,640 |
| 2023 | Seagate | 8TB ST8000DM004 | 5.56 | 5,400 |
| 2024 | Seagate | 8TB NE-ST8000DM004 | 5.56 | 5,400 |
Hinweis: Es gibt auch Laufwerke mit einer Spindelgeschwindigkeit von 15.000 U/min (z.B. Toshiba AL14SX), aber diese werden hauptsächlich in Unternehmensumgebungen und in RAID-Servern eingesetzt.
4. Geschwindigkeit der Datenübertragung
Bis in die frühen 1980er Jahre waren die Lese- und Schreibgeschwindigkeiten von Festplatten sehr langsam und die Datenübertragungsraten wurden in Kilobyte pro Sekunde angegeben. In den 1980er Jahren wurden erstmals Geschwindigkeiten von über 1 MB/s erreicht. In den späten 1990er Jahren erreichten die Lese- und Schreibgeschwindigkeiten von Festplatten 30 MB/s. Mitte der 2000er Jahre erreichten sie 100 MB/s und sind weiter angestiegen. In diesen Zeitraum fällt jedoch auch der Aufstieg der SSDs (Solid State Laufwerke), die sich durch deutlich höhere Geschwindigkeiten, längere Haltbarkeit und das Fehlen beweglicher Teile auszeichnen.
Derzeit haben handelsübliche HDDs für den Heimgebrauch Lese-/Schreibgeschwindigkeiten von 100 MB/s bis 150 MB/s, während SSDs typischerweise Geschwindigkeiten von 500 MB/s bis 5 GB/s haben. Das ist eine enorme Steigerung um fast das 100.000-fache im Vergleich zu 1956, als das erste Laufwerk - die IBM 350 - eingeführt wurde.
Diese Verbesserungen sind bei Merkmalen wie der Kapazität und dem Preis pro GB noch ausgeprägter. Eine komprimierte, tabellarische Darstellung des Ausmaßes, in dem sich die Eigenschaften von Laufwerken verbessert haben, finden Sie im nächsten Abschnitt.
Umfassende Verbesserung der Festplatteneigenschaften über 70 Jahre hinweg
Hier finden Sie eine Übersicht darüber, wie sehr sich die Laufwerke im Laufe der Jahrzehnte verbessert haben.
| Eigenschaften | Begonnen mit (Jahr) | Verbessert bis (Jahr) | Verbesserung |
| Kapazität | 3,75 MB (IBM 350-1, 1956) | 32 TB (Seagate Exos M, 2025) | 9,6 Millionen zu eins |
| Physisches Volumen | 68 Kubikfuß (IBM 350-1, 1956) | 2,1 Kubikzoll (2024) | 56.000:1 |
| Gewicht | 2.000 Pfund (IBM 350-1, 1956) | 2,2 Unzen (2024) | 15.000:1 |
| Durchschnittliche Zugriffszeit | ~600 ms (IBM 350-1, 1956) | 2,5-10 ms (Seagate Exos M, 2025) | ~200 zu eins |
| Preis pro GB | 32.143 $ pro GB (IBM 3380, 1961) | 0,031 $ pro GB (2023) | ~1.034.645 zu eins |
| Datendichte | 2.000 Bits/in² (1956) | 1,4 Tb/in² (2023) | ~700-Millionen-zu-Eins |
| Durchschnittliche Lebenserwartung | ~2.000 Stunden MTBF (1956) | ~2,500,000 Stunden MTBF (2024) | 1.250:1 |
In den sieben Jahrzehnten seit der Einführung der Technologie für Festplattenlaufwerke haben sich Eigenschaften wie Kapazität, Cache, Kosten, Zugriffszeit, Datenübertragungsgeschwindigkeit und Formfaktor exponentiell verbessert. Möglich wurde dies durch Erfindungen und Weiterentwicklungen, die die Magnetspeicherindustrie immer wieder neu definiert haben. Einige dieser technologischen Fortschritte, die in diesem Zeitraum von fast sieben Jahrzehnten stattgefunden haben, sind im Folgenden zusammengefasst:
- Winchester Köpfe: 1970s
- Dünnfilmköpfe/MR-Köpfe: Ende der 1980er bis Anfang der 1990er Jahre
- GMR-Köpfe: Mitte bis Ende der 1990er Jahre
- Perpendicular Magnetic Recording (PMR): Mitte der 2000er Jahre
- Heliumversiegelung: 2010er Jahre
- Energieunterstützte magnetische Aufzeichnung & Wärmeunterstützte magnetische Aufzeichnung (EAMR & HAMR): 2020s
Die Auswirkungen dieses technologischen Fortschritts zeigen sich in der Größe des Cache, der Geschwindigkeit der Datenübertragung und der Zugriffszeit. Noch deutlicher werden sie bei den Eigenschaften von Laufwerken wie Speicherkapazität, Kosten und Größe. Lesen Sie unseren Artikel über die Entwicklung des Laufwerks, um zu sehen, wie exponentiell Merkmale wie Kapazität, Kosten und Größe in den letzten 70 Jahren gewachsen sind.
