Die Festplatte. Geschichte und Zukunft eines Speichermediums

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1 Die Festplatte Geschichte und Zukunft eines Speichermediums

2 Gliederung 1. Geschichte 2. Technik 3. Daten lesen so wird s gemacht 4. Was man sonst noch braucht 5. Die Zukunft

3 1 Geschichte

4 Magnetische Speichermedien Kassetten VHS Magnetband All diese Medien haben einen entscheidenden Nachteil: Zugriff ist lediglich sequentiell möglich, man muss im Zweifel sehr lange warten.

5 Ringkernspeicher Speichern Bits durch Magnetisierung einzelner Ringe Diese wurden einzeln von Hand auf die Drähte gefädelt Der Ringspeicher wurde später von den RAMS abgelöst

6 Trommelspeicher Waren die direkten Vorläufer der Festplatte Datenspeicherung auf Rand einer großen Walze Viele unbewegliche Köpfe Kapazität etwa 400kByte

7 Die Festplatte Erstmalig 1956 von IBM vorgestellt 50 61cm Platten hatten eine Gesamtkapazität von 5 MByte

8 2 Technik

9 Die Platte selbst Fertigung aus Aluminium, manchmal auch Glas (Wirbelströme) Beschichtung mit Eisenoxid oder Kobalt von ca. einem Mikrometer (magnetische Eigenschaften) Schutzhülle aus Graphit gegen mechanische Belastungen

10 Zahlen Zahlen Zahlen - Zahlen Kapazität in MBytes Jahr 5,25'' 3,5'' 2,5'' 1,8'' 1,0'' 0,85'' Quelle: Wikipedia

11 Wie groß ist ein Bit? Quelle: Vorlesungsskript zur Spinelektronik von Prof. Dr. Rudolf Gross und Dr. Achim Marx

12 Und wie sieht es aus?

13 Der Motor und seine Lagerung Bis 2000 kugelgelagert; heutzutage Flüssiglager Bis zu Umdrehungen pro Minute (SCSI Platten) Sensible Steuerelektronik zur Drehzahlerhaltung

14 Der Kamm Jede Platte hat ihren eigenen Zugriffsarm mit Schreib- und Lesekopf Diese werden über einen präzisen Schrittmotor in Position gebracht oder bei Nichtbenutzung seitlich gesichert gelagert Lagerung erfolgt magnetisch

15 Daten schreiben Die Platte dreht sich unter dem Schreibkopf durch Der Schlitz im Hufeisen erzeugt ein starkes magnetisches Streufeld in einem kleinen Bereich Die Festplatte kann bitweise magnetisiert werden Wichtig: Die Daten müssen synchron zur Plattendrehung beim Schreibkopf ankommen

16 Gedanken zum Gehäuse Es wird nicht luftdicht gebaut, da es sonst zu Druckproblemen in unterschiedlichen Höhen und bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen kommen würde Öffnen ist trotzdem nicht empfehlenswert, da die Gehäuse staubdicht gebaut sind (daher der Filter)

17 Der Grund dafür Der Kopf fliegt in einem Abstand von 20nm mit einem Tempo von 70m/s an der Platte vorbei Ein Staubkorn mit mittlerer Größe 50µm wäre fatal Die Köpfe sind auch aerodynamisch geformt

18 Herstellung Die Produktion erfolgt ausschließlich in Reinräumen Sie ist größtenteils Handarbeit Die sich sehr oft wechselnden Anforderungen machen den Einsatz von Maschinen schwierig Nichtsdestotrotz gibt es aber bereits Ansätze mit hochmodularen Robotersystemen

19 3 Daten lesen so wird s gemacht

20 Der naive Ansatz Wir lesen wie wir schreiben mit einem Elektromagneten, den wir an der Platte vorbei fliegen lassen Das induziert Strom und den kann man messen Nachteil: um messbare Ströme zu erzeugen braucht man starke Magnetfelder Dadurch werden die einzelnen Bits aber relativ groß

21 Der GMR - Effekt Der elektrische Widerstand ist abhängig von der Magnetisierung Der AFM wird durch schichtweise gegenläufig magnetisierte Materialien erzeugt 10 GBit pro Quadratzoll werden möglich Pinned Layer Nic htm agnet Free Layer

22 Perpendicular Recording Anstatt die einzelnen Bits der Länge nach auf der Platte zu speichern, werden sie aufgestellt Doch das erklärt ein Video besser als 1000 Worte

23

24 Der TMR Effekt Die technische Realisation ist der des GMR Effekts sehr ähnlich, allerdings wird ein elektrischer Isolator anstelle des Nichtmagneten verwendet Also kommt der Tunneleffekt zu den anderen MR - Effekten hinzu Datendichten von über 100GBit pro Quadratzoll sollen erreichbar sein

25 Datenrettung und -Vernichtung Das Material behält auch bei einer Überschreibung eine Erinnerung an den vorherigen Magnetisierungszustand Mit speziellen Köpfen und Verfahren (z.b. den Kopf seitlich zur Spur verschieben) können die Daten oft wiederhergestellt werden Sicheren Schutz bieten spezielle Algorithmen, mechanische Vernichtung der Platte oder ein Degausser

26 4 Was man sonst noch braucht

27 Die interne Logik Der Chip in der Festplatte kümmert sich um die Aufbereitung der Daten für die und von der Platte und gaukelt dem BIOS auch schon mal viel mehr Platten mit kleinerer Kapazität vor Außerdem ersetzt sie fehlerhafte Sektoren automatisch durch Reservesektoren Native Command Queuing optimiert die Zugriffszeiten vollautomatisch

28 ATAPI und SCSI Serielle Interfaces ersetzen zunehmend die Parallelen SCSI war von Anfang an besser und teurer Übertragungsraten von bis zu 600 MBytes/s sind möglich Die Festplatte selber schafft aber nur 120 MBytes/s (Perpendicular Recording) Deshalb werden Puffer von bis zu 16 MBytes verbaut

29 Formatierung, Sektoren & Cluster Auf der Festplatte existieren Servoinformationen damit der Lesekopf den Anfang einer Spur auch finden kann Ein Sektor ist die kleinste adressierbare Einheit und 512 Bytes groß Mehrere Sektoren werden zu Clustern zusammengefasst, damit mehr Cluster adressierbar werden

30 Das Dateisystem am Beispiel FAT In der File Allocation Table wird für jeden Cluster vermerkt, ob er der letzte einer Datei ist, oder wo der nächste steht Ein Verzeichnis ist nichts anderes als eine Datei, nur dass sie Informationen über weitere in ihr befindliche Dateien und Verzeichnisse enthält unter anderem die Startdatensektornummer

31 Nachteilig ist dabei, dass viele Dateien sequentiell gespeichert sind und man dennoch bei jedem Cluster in der FAT nachschauen muss Außerdem belegt auch eine Datei aus drei Zeichen mindestens einen ganzen Cluster (bis zu 32kByte) Im Gegensatz zu Punkt eins ist auch Datenfragmentierung ein Problem

32 Moderne Dateisysteme In der Mastertabelle werden nicht mehr einzelne Cluster, sondern ganze sequentielle Clusterblocks adressiert Da Dateien immer größer werden, werden es auch die Cluster Moderne System verwalten ein Journal, in dem sie zuerst alle Änderungen speichern und dann erst vornehmen

33 Alternate Data Streams In NTFS können Dateien zusätzliche Daten angehängt werden, die für den normalen Benutzer völlig unsichtbar sind Sie werden mit der Datei verschoben und gehen erst bei der Kopie auf ein anderes Dateisystem verloren Viren können sich darin verstecken!

34 5 Die Zukunft

35 Wie klein kann es werden? 0,85 Platten mit ~4GB Kapazität sind zwar erhältlich, allerdings sind Flashspeicher in dieser Größen- und Kapazitätsklasse stark im Kommen und haben einige Vorteile Die Größe der Bits ist abhängig von der Granulierung der Festplattenbeschichtung Die interne Elektronik stößt an die selben Grenzen wie alle modernen integrierten Schaltkreise

36 Die optische Konkurrenz HD-DVD und Blu-Ray sollen bis zu 200GB (sechslagige Blu-Ray) Fassungsvermögen erreichen Aufgrund der langsameren und in der Anzahl beschränkten Schreibvorgänge werden sie aber der Festplatte keine Konkurrenz machen Eher wird das Gegenteil der Fall sein: um größere Datenmengen von der Scheibe in den Rechner zu schaufeln braucht man größere Festplatten

37 Die HVD Mit bis zu 1TB könnte die Kapazität die aktueller Festplatten erreichen, wenn sie rechtzeitig auf den Markt kommt Das ist aber unwahrscheinlich, da noch nicht einmal Blu- Ray an den Start gegangen ist

38 Konkurrenz durch Flashspeicher? Die Kapazitäten von Flashspeichern steigen immer weiter und die Zugriffszeiten sind bedeutend besser Allerdings sind die pro Byte Preise nach wie vor relativ hoch Hybridfestplatten mit Flashpuffern können Bootzeiten erheblich verkürzen

39 Magnetische Speicher Mit MRAM Speichern würde man beide Welten vereinen und gleichzeitig zu den Wurzeln zurückkehren

40 Danke, das wars Quellen: Vorlesungsskript von Professor Gross und Wikipedia

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