Festplattenlaufwerke – Komponenten der Zugriffszeit und Datenübertragungsrate

Zugriffszeit und Datenübertragungsrate sind wichtige Leistungsindikatoren, die sich direkt darauf auswirken, wie schnell Ihr System Daten abrufen und verarbeiten kann. Für Benutzer, insbesondere in Umgebungen, in denen Geschwindigkeit entscheidend ist – wie Gaming, Vlogging oder Unternehmens-IT –, ist es unerlässlich, diese beiden Konzepte zu verstehen.

• Zugriffszeit: Festplattenlaufwerke verfügen über bewegliche mechanische Teile. Nach Erhalt eines Lese-/Schreibbefehls muss sich der Lese-/Schreibkopf zur gewünschten Spur bewegen und warten, bis sich der gewünschte Sektor darunter dreht. Die dafür benötigte Zeit wird als Zugriffs- oder Reaktionszeit bezeichnet. Eine kürzere Zugriffszeit bedeutet einen schnelleren Datenabruf und ist daher ideal für Anwendungen, die einen schnellen wahlfreien Zugriff auf Dateien erfordern.
• Datenübertragungsrate: Bezieht sich auf die Geschwindigkeit, mit der Daten nach dem Zugriff tatsächlich übertragen werden. Dies beeinflusst, wie schnell Dateien von der Festplatte gelesen oder auf sie geschrieben werden, und kann einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtleistung des Systems haben, insbesondere bei der Arbeit mit großen Dateien.

Um wirklich zu verstehen, warum diese Faktoren wichtig sind, ist es unerlässlich, zuerst die internen Komponenten von Festplatten und ihre Mechanik zu verstehen. Im Folgenden erklären wir Ihnen genauer, was bei einer Lese- oder Schreibanforderung geschieht, damit Sie die Kernkonzepte verstehen, die die Leistung bestimmen.

Die interne Funktionsweise einer Festplatte

Wenn eine Anfrage zum Lesen oder Schreiben von Daten gestellt wird, durchläuft das Laufwerk eine Reihe von Vorgängen. Diese lassen sich in zwei Hauptphasen unterteilen:

• Datenzugriff: In dieser Phase bewegt sich der Lese-/Schreibkopf zur richtigen Spur (Suchzeit) und wartet, bis sich der gewünschte Sektor unter dem Kopf dreht (Rotationslatenz).

• Datenübertragung: Sobald die Datenzugriffsphase abgeschlossen ist, werden die Daten mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf die Festplatte übertragen oder von dieser abgerufen. Hier kommt es entscheidend auf die Datenübertragungsrate des Laufwerks an, da diese bestimmt, wie schnell Daten zwischen der Festplatte und dem System übertragen werden können.

Zusammen bestimmen diese beiden Phasen, wie effizient Ihr System von der Festplatte lesen oder auf diese schreiben kann. Bevor wir uns jedoch mit den Datenübertragungsraten befassen, ist es wichtig, zuerst die Zugriffszeit zu verstehen, da das Laufwerk nichts übertragen kann, bevor es den entsprechenden Sektor gefunden hat.

Zugriffszeit

Die Zugriffszeit umfasst alle kurzen Zeiträume, die bei jedem Schritt der Datenzugriffsphase anfallen. Für Benutzer ist die Zugriffszeit ein wichtiger Maßstab, um zu beurteilen, wie schnell ein Laufwerk auf zufällige Daten zugreifen kann. Die wichtigsten Faktoren für die Zugriffszeit sind die Suchzeit und die Rotationslatenz. 

Es ist wichtig zu verstehen, dass Hersteller die Zugriffszeit oft unterschiedlich berechnen, was einen direkten Vergleich von Laufwerken erschwert. Um Laufwerke effektiv zu vergleichen, ist es besser, sich individuell auf die Suchzeit und die Latenz zu konzentrieren, da diese die Hauptkomponenten der Zugriffszeit sind.

Suchzeit

Die Suchzeit ist die Zeit, die der Lese-/Schreibkopf benötigt, um sich zwischen den Spuren auf der Festplattenplatte zu bewegen. Ein wichtiges Konzept, das es hier zu verstehen gilt, ist die Positionierungsleistung. Diese bezieht sich auf die Fähigkeit einer Festplatte, ihren Lese-/Schreibkopf während eines Lese- oder Schreibvorgangs schnell und genau über der richtigen Spur zu positionieren.

Wenn eine Datei angefordert wird, muss die Festplatte ermitteln, auf welcher Spur sie sich befindet, und dann den Aktuatorarm physisch bewegen, um den Lese-/Schreibkopf auf diese Aktuatorarm auszurichten. Diese mechanische Bewegung verursacht eine Verzögerung, insbesondere wenn der Kopf eine relativ lange Strecke über die Oberfläche der Platte zurücklegen muss.

In einem Datenblatt zu Festplatten können drei Arten von Suchzeiten aufgeführt sein:

1. Durchschnittliche Suchzeit: Die Zeit, die benötigt wird, um sich zwischen zufälligen Spuren zu bewegen, typischerweise 8–10 ms.
2. Suchzeit zwischen Spuren: Die Zeit, die benötigt wird, um sich zwischen benachbarten Spuren zu bewegen, in der Regel etwa 1 ms.
3. Vollhub-Suchzeit: Die Zeit, die benötigt wird, um sich über die gesamte Festplatte zu bewegen, in der Regel 15–20 ms.

Die Suchzeit ist von entscheidender Bedeutung, da selbst eine geringfügige Verbesserung die Systemleistung erheblich steigern kann, insbesondere in Serverumgebungen, in denen Mehrbenutzeranwendungen ausgeführt werden.

Die Aktuatorbaugruppe und die Konstruktion des Lese-/Schreibkopfes spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Suchzeit einer Festplatte.

Beispielsweise können Laufwerke mit Schwingspulenantrieben den Lese-/Schreibkopf präziser beschleunigen und abbremsen als solche mit älteren Schrittmotorkonstruktionen. Darüber hinaus kann durch kurze Hübe – bei denen nur ein Teil der Festplatte für die Speicherung genutzt wird, um die zurückgelegte Strecke zu verkürzen – die durchschnittliche Suchzeit erheblich reduziert werden, allerdings auf Kosten der nutzbaren Speicherkapazität.

Sobald sich der Lese-/Schreibkopf auf die richtige Spur ausgerichtet hat, sind weitere Bewegungen erforderlich, bevor Daten gelesen oder geschrieben werden können. Hier kommt die Rotationslatenz ins Spiel.

Rotationslatenz

Wie bereits erläutert, werden Daten in konzentrischen Kreisen auf der Platte gespeichert, die als Spuren bezeichnet werden. 

Jede Spur ist in kleinere Einheiten unterteilt, die als Sektoren bezeichnet werden und in denen die eigentlichen Daten gespeichert sind. 

Wenn ein Computer Datenzugriff oder -übertragung anfordert, bewegen sich die Lese-/Schreibköpfe in der Festplatte zur richtigen Spur. Die Zeit, die sie dafür benötigen, ist, wie wir zuvor verstanden haben, die Suchzeit. 

Die Platte einer Festplatte dreht sich nun mit konstanter Geschwindigkeit. Daher befindet sich der spezifische Sektor, der die angeforderten Daten enthält, möglicherweise nicht direkt unter dem Lese-/Schreibkopf, wenn dieser die Spur erreicht. Dies führt zu einer Verzögerung, die der Zeit entspricht, die die Platte benötigt, um sich zu drehen und den richtigen Sektor unter dem Kopf auszurichten. Diese Verzögerung wird als Rotationslatenz bezeichnet.

Die Rotationslatenz ist bei schnell drehenden Festplatten gering, d. h. je höher die Drehzahl (gemessen in U/min), desto geringer die Rotationslatenz. Beispiel:

• Bei 5.400 U/min beträgt die durchschnittliche Latenzzeit ~5,6 ms.
• Bei 7.200 U/min sinkt die durchschnittliche Latenz auf ~4,2 ms.
• Bei 15.000 U/min kann sie bis zu ~2 ms betragen.

In bestimmten Fällen, in denen hohe Anforderungen an die Speicherleistung gestellt werden, z. B. in Servern, sollten Sie eine Festplatte mit einer hohen Spindeldrehzahl wählen, damit die Rotationslatenz gering ist.

Die Zugriffszeit hat zwei weitere Komponenten, die jedoch im Vergleich zur Suchzeit und zur Rotationslatenz vernachlässigbar sind.

Befehlsverarbeitungszeit

Diese Komponente – auch als Befehls-Overhead bezeichnet – ist der zuerst Schritt in der Datenzugriffsphase. Es handelt sich um die Zeit, die die interne Elektronik des Laufwerks benötigt, um einen Lese-/Schreibbefehl zu interpretieren und dann die Kommunikation zwischen dem System und den Komponenten herzustellen – bevor eine physische Bewegung stattfindet. 

Diese Zeit ist mit typischerweise etwa drei Mikrosekunden extrem kurz und im Vergleich zu mechanischen Verzögerungen wie Suchzeit oder Rotationslatenz vernachlässigbar. Aus diesem Grund wird sie bei der Messung der Leistung des Laufwerks in der Regel ignoriert.

Einstellzeit

Sobald der Lese-/Schreibkopf die richtige Spur erreicht hat, muss er sich stabilisieren, bevor er mit dem Lesen oder Schreiben von Daten beginnen kann. Diese kurze Pause wird als Einschwingzeit bezeichnet. Bei modernen Festplatten beträgt die Einschwingzeit weniger als 100 Mikrosekunden. Daher wird diese Zeit bei den meisten Festplatten in die Gesamtsuchzeit selbst einbezogen. Aus diesem Grund wird die Einschwingzeit nicht als Leistungsengpass betrachtet.

Nachdem wir nun die Zugriffszeit ausführlich behandelt haben, müssen wir uns ansehen, wie schnell Daten übertragen werden, sobald sie gefunden wurden – dies ist die Datenübertragungsrate. Betrachten wir also, was die Datenübertragungsrate beeinflusst und warum sie wichtig ist.

Datenübertragungsrate

Sobald sich der Lese-/Schreibkopf korrekt positioniert hat, beginnt die nächste Phase: die Datenübertragung. Die Datenübertragungsrate hängt von den unten aufgeführten Faktoren ab.

Medienrate

Die Medienrate ist die Geschwindigkeit, mit der eine Festplatte Bits direkt von der Oberfläche einer Platte lesen kann. Diese Rate spiegelt die Rohgeschwindigkeit wider, mit der magnetische Übergänge (die Daten darstellen) vom Lese-/Schreibkopf erkannt und verarbeitet werden können, während sich die Platte darunter dreht.

Die Medienrate ist die Grundlage für den internen Durchsatz eines Laufwerks. Sie gibt an, wie schnell das Laufwerk Daten von seinem physischen Medium abrufen kann, bevor eine Pufferung oder eine Schnittstellenübertragung stattfindet. Aus diesem Grund kann die Leistung selbst bei Laufwerken mit derselben Drehzahl je nach Flächendichte und internem Design variieren.

Sektor-Overhead-Zeit

Um dies zu verstehen, müssen wir etwas mehr über die Funktionsweise eines Sektors wissen. 

Jeder Sektor enthält nicht nur Daten, sondern auch zusätzliche Informationen, die der Festplatte helfen, diese Daten zu verwalten und zu schützen. Wenn also ein Lese-/Schreibkopf auf einen Sektor zugreift, führt die Festplatte viele Aufgaben aus. 

Zu diesen Aufgaben gehören unter anderem die Verwaltung der Organisation und des Datenflusses, die Sicherstellung, dass die gelesenen oder geschriebenen Daten korrekt und fehlerfrei sind, sowie die Abwicklung anderer interner Prozesse, die für die Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit des Laufwerks unerlässlich sind. 

Die Sektor-Overhead-Zeit ist die geringe zusätzliche Zeit, die die Festplatte benötigt, um die Informationen rund um die in einem Sektor gespeicherten Daten zu verwalten und zu verarbeiten. Sie macht nur einen sehr kleinen Teil der für die Datenübertragung erforderlichen Gesamtzeit aus. 

Sie ist in der Regel viel kürzer als die oben erläuterte Suchzeit.

Kopfwechselzeit

Um die Kopfwechselzeit zu verstehen, müssen wir zuerst die Bedeutung eines Zylinders verstehen. 

Eine Festplatte besteht in der Regel aus mehreren Platten. Ein Zylinder entsteht, indem eine Reihe von Spuren vertikal über mehrere Platten gestapelt wird (siehe Abbildung unten).

Jede Platte verfügt über einen eigenen Lese-/Schreibkopf. 

Stellen Sie sich nun einen sequenziellen Lese- oder Schreibvorgang vor. Das Laufwerk versucht, alle Spuren in einem Zylinder zu lesen oder zu schreiben, bevor es zum nächsten Zylinder übergeht. Dies geschieht, um Zeit zu sparen. 

Um auf Daten auf einer anderen Spur im selben Zylinder auf einer anderen Platte zuzugreifen, muss das Laufwerk natürlich von einem Kopf zum anderen wechseln. Obwohl es sich hierbei um einen elektronischen Vorgang und keine mechanische Bewegung handelt, dauert dies dennoch einige Zeit – die sogenannte Kopfwechselzeit. 

Diese Zeit beträgt in der Regel zwischen 1 und 2 Millisekunden. 

Die Kopfumschaltzeit ist ein entscheidender Faktor für die Datenübertragungsrate, da Kopfumschaltungen häufig während großer sequenzieller Lese- oder Schreibvorgänge auftreten, die sich über mehrere Spuren erstrecken. 

Die Kopfumschaltzeit wird hauptsächlich durch den Verantwortlichen im Inneren der Festplatte bestimmt und variiert nicht wesentlich zwischen verschiedenen Modellen oder Herstellern von Festplatten.

Zylinderumschaltzeit

Das Verständnis der Kopfsuchzeit vereinfacht das Konzept der Zylindersuchzeit. Dies ist die Zeit, die die Festplatte benötigt, um von einem Zylinder zum nächsten zu gelangen. 

Diese Zeit wird relevant, wenn das Laufwerk alle Spuren in einem Zylinder lesen und dann den Zylinder wechseln muss. Diese Zeit ist länger als die Kopfumschaltzeit, da es sich um einen mechanischen Vorgang handelt – der Aktuator muss sich von einem Zylinder zum nächsten bewegen. Die Zylinderumschaltzeit liegt in der Regel zwischen 2 und 3 Millisekunden.

Fazit

Die Zugriffszeit und die Datenübertragungsrate sind zwei der wichtigsten Parameter einer Festplatte.

• Bei internen Festplatten mit einer Drehzahl von 7200 U/min liegt die durchschnittliche Zugriffszeit zwischen 12 und 13 Millisekunden – insbesondere bei beliebten Modellen wie WD Blue (WD10EZEX) oder Seagate Barracuda. 
• Bei externen Festplatten mit 5400 U/min kann die Zugriffszeit zwischen 15 und 17 Millisekunden liegen, wie beispielsweise bei WD My Passport oder Toshiba Canvio.
• Typischerweise liegt die Datenübertragungsrate bei Consumer-PC-Laufwerken zwischen 140 und 280 MB/s, wie beispielsweise bei Toshiba P300 oder WD Blue. 
• Es gibt Hochleistungs-HDDs wie WD Black Performance Mobile oder Toshiba N300 NAS, bei denen die Datenübertragungsgeschwindigkeit zwischen 227 und 248 MB/s liegen kann. 
• Bei externen Laufwerken, die über USB 3.2 angeschlossen sind, kann die Übertragungsgeschwindigkeit theoretisch 625 MB/s erreichen, wobei die tatsächlichen Geschwindigkeiten jedoch niedriger sind.

Bitte beachten Sie, dass Zugriffszeiten und Datenübertragungsraten zwar wichtig sind, jedoch nur einen Teil des Gesamtbildes ausmachen. Daher sollten Sie vor dem Kauf auch andere HDD-Spezifikationen wie Flächendichte, Stromverbrauch, Zuverlässigkeit und andere Faktoren berücksichtigen.