2.7.4 Festplatten und ihre Lebensdauer

Festplatten sind zentrale Komponenten in Computersystemen, die zur Speicherung von Daten verwendet werden. Es gibt verschiedene Arten von Festplatten, jede mit ihren spezifischen Merkmalen, Vorteilen und Nachteilen.

HDD (Hard Disk Drive)

  • Größen: 3,5 Zoll (Desktop), 2,5 Zoll (Laptop)
  • Zweck: Allgemeine Datenspeicherung, häufig in Desktop-PCs, Laptops und NAS-Systemen verwendet.
  • Lebensdauer: 3-5 Jahre im Durchschnitt, je nach Nutzung und Qualität.
  • Vorteile: Größere Kapazitäten zu niedrigeren Kosten im Vergleich zu SSDs.
  • Nachteile: Mechanische Teile sind anfällig für Ausfälle und haben langsamere Zugriffszeiten im Vergleich zu SSDs.

SSD (Solid State Drive)

  • Größen: 2,5 Zoll, M.2, PCIe
  • Zweck: Schneller Speicher, ideal für Betriebssysteme, Anwendungen und Spiele.
  • Lebensdauer: 5-10 Jahre im Durchschnitt, abhängig von der Schreibhäufigkeit und der Qualität.
  • Vorteile: Schnelle Zugriffszeiten, keine beweglichen Teile, geringere Ausfallraten.
  • Nachteile: Höhere Kosten pro Gigabyte im Vergleich zu HDDs.

SSHD (Solid State Hybrid Drive)

  • Größen: 2,5 Zoll, 3,5 Zoll
  • Zweck: Kombination aus SSD und HDD, um die Vorteile beider Technologien zu nutzen.
  • Lebensdauer: Ähnlich wie HDDs, 3-5 Jahre im Durchschnitt.
  • Vorteile: Schnellere Boot- und Ladezeiten als HDDs, größere Kapazitäten als SSDs.
  • Nachteile: Teurer als HDDs, aber langsamer als reine SSDs.

Spezielle Festplatten z.B. für NAS-Systeme

HDD-Festplatten sollen auch immer für ihren Einsatzzweck ausgewählt werden. So gibt es z.B. spezielle Festplatten für den Dauerbetrieb in NAS-Systemen oder andere mit Beschleunigungssensoren für den Einsatz in Laptops.

  • Typen: NAS-Festplatte 3,5 Zoll z.B. WD Red, Seagate IronWolf
  • Zweck: Optimiert für den Dauerbetrieb in NAS-Systemen. Höhere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer als Standard-HDDs
  • Lebensdauer: 5-10 Jahre, je nach Nutzung und Qualität.
  • Vorteile: Längere Garantiezeiten, spezialisierte Firmware für RAID-Umgebungen.
  • Nachteile: Höhere Kosten im Vergleich zu Standard-HDDs.

Lebensdauer von Festplatten

Die Lebensdauer von Festplatten hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter Nutzungshäufigkeit, Qualität und Betriebsumgebung. Hier sind einige Richtwerte:

  • HDDs: Durchschnittlich 3-5 Jahre. Sie sollten regelmäßig auf Fehler überprüft und bei ersten Anzeichen von Problemen ersetzt werden.

  • SSDs: Durchschnittlich 5-10 Jahre. SSDs haben keine beweglichen Teile, wodurch sie weniger anfällig für mechanische Ausfälle sind. Sie nutzen jedoch ihre Speicherzellen durch Schreib- und Löschvorgänge ab.

    Warum auch SSDs ausfallen können

    SSDs haben zwar keine beweglichen Teile, aber sie nutzen Flash-Speicherzellen, die eine begrenzte Anzahl von Schreibzyklen haben. Jede Speicherzelle kann nur eine bestimmte Anzahl beschrieben und gelöscht werden, bevor sie ausfällt. Moderne SSDs verfügen jedoch über Techniken, um die Lebensdauer zu verlängern. Es ist dennoch wichtig, regelmäßige Backups durchzuführen und die SMART-Daten der SSD zu überwachen, um potenzielle Ausfälle frühzeitig zu erkennen.

  • SSHDs: Ähnliche Lebensdauer wie HDDs, da sie mechanische Komponenten enthalten.

Empfehlung

Es wird empfohlen, Festplatten in kritischen Systemen präventiv alle 3-5 Jahre auszutauschen, um Datenverluste zu vermeiden. Regelmäßige Backups und Überwachung der Festplattenzustände sind unerlässlich, um die Lebensdauer optimal zu nutzen und Ausfälle rechtzeitig zu erkennen.

Oder anders gesagt: Studierende bekommen am Anfang ihres Studiums oft einen neuen Laptop, der dann das ganze Studium hält. Damit ist am Ende des Studiums, gerade dann, wenn Abschlussarbeiten anliegen, schon mit einer erhöhten Ausfallwahrscheinlichkeit zu rechnen. In der Phase sind (tägliche) Backups wirklich wichtig.

Aufbau einer HDD-Festplatte

Eine Festplatte (HDD) besteht aus mehreren physischen Komponenten und einer logischen Struktur, die zusammen die Speicherung und den Abruf von Daten ermöglichen. Hier sind die wichtigsten Elemente:

Physische Komponenten

  • Platten (Platters): Die physischen Datenträger innerhalb der Festplatte. Sie sind mit einer magnetischen Schicht überzogen, auf der die Daten gespeichert werden.
  • Spindel: Eine Achse, auf der die Platten montiert sind und sich mit hoher Geschwindigkeit drehen.
  • Leseköpfe (Read/Write Heads): Winzige Magnetköpfe, die auf einem beweglichen Arm montiert sind und die Daten von den Platten lesen und darauf schreiben.
  • Aktuatorarm (Actuator Arm): Der bewegliche Arm, der die Leseköpfe über die Platten bewegt.

  • Antriebselektronik (Controller): Die Schaltkreise, die die Bewegung der Leseköpfe steuern und die Datenübertragung zwischen der Festplatte und dem Computer regeln.

    Physische Komponenten

    Eine Festplatte, wie z.B. die Seagate Barracuda 4TB, hat folgende Eigenschaften:

    • Platten: 4 Platten
    • Leseköpfe: 8 Leseköpfe (jeweils zwei pro Platte, einer auf jeder Seite)
    • Spindelgeschwindigkeit: 7200 Umdrehungen pro Minute (RPM)
    • Datenübertragungsrate: Bis zu 210 MB/s
    • Zugriffszeit: Durchschnittlich 8,5 Millisekunden
    • Cache: 256 MB

Physische Struktur

  • Spuren (Tracks): Jede Platte hat etwa 20.000 bis 30.000 konzentrische Kreise (Spuren), auf denen die Daten gespeichert werden.
  • Sektoren: Kleine Abschnitte auf jeder Spur, die die tatsächlichen Datenblöcke enthalten. Jeder Sektor hat heutzutage normalerweise eine Größe von 4096 Bytes (früher 512 Bytes).
  • Zylinder: Eine Sammlung von Spuren, die sich auf allen Platten in derselben Position befinden.

Speicherung der Daten

Die Speicherung der Daten auf einer Festplatte erfolgt durch die Organisation in logische Sektoren, die sowohl Daten als auch Metadaten enthalten.

  • Daten werden in logischen Sektoren abgelegt, wobei eine Datei typischerweise in mehrere Sektoren aufgeteilt wird. Diese Sektoren sind die kleinsten adressierbaren Einheiten auf der Festplatte und repräsentieren die tatsächlichen Speicherorte der Daten.

  • Dateizuordnungstabellen umfassen die Metadaten, die zur Verwaltung der Daten erforderlich sind. Dazu gehören Dateisystemstrukturen wie Dateinamen, Verzeichnisse und Zugriffsrechte sowie die Dateizuordnungstabellen (z.B. FAT, NTFS), die aufzeichnen, welche Sektoren zu welcher Datei gehören und wo sich diese Sektoren auf der Festplatte befinden.

Nerd-Wissen: Unterschied zwischen physischen und logischen Sektoren

Physische Sektoren sind die tatsächlichen, kleinsten Speichereinheiten auf der Oberfläche einer Festplatte. Diese Sektoren sind auf den Platten (Platters) der Festplatte verteilt und werden durch magnetische oder elektronische Markierungen definiert. Moderne Festplatten verwenden typischerweise Sektoren mit einer Größe von 4096 Bytes (auch bekannt als Advanced Format).

Logische Sektoren sind die kleinsten adressierbaren Einheiten, wie sie dem Betriebssystem erscheinen. Diese Sektoren werden von der Festplattenfirmware und dem Dateisystem abstrahiert, um eine einheitliche Sicht auf die Speicherorte zu bieten. Bei modernen Festplatten entsprechen logische Sektoren oft direkt physischen Sektoren mit einer Größe von 4096 Bytes.