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Im von der Firma IBM entwickelten ersten
Plattenspeicher befanden sich die Platten und Magnetköpfe
gemeinsam mit der sie tragenden Gerätebasis in einem
separaten geschlossenen Gehäuse (genannt Datenmodul).
Dieser wurde auf die Antriebseinheit aufgesetzt. Dabei
wurde im Moment des Aufsetzens automatisch ein Belüftungssystem
eingeschaltet, welches gereinigte Luft in das Innere
des Datenmoduls zuführte. Die Magnetköpfe wurden dank
ihrer geringen Masse mit einer Kraft von 0,1 N an die
Oberfläche der Festplatte angepresst. Bei der Drehung
der Platten entstand zwischen der Oberfläche der Platte
und den Magnetköpfen ein Luftkissen, das zu einem Luftspalt
von etwa 0,5 mkm fuhrte. Damit war die Möglichkeit des
mehrmaligen Schreibens und Lesens von Daten auf die
magnetisch beschichtete Plattenoberfläche gegeben, ohne
das die magnetisierte Oberfläche der Platten durch Kontakt
mit dem Magnetkopf zerstört wurde.
Der erste in Serienproduktion von IBM
hergestellte Plattenspeicher hatte eine Datenkapazität
von 16 KByte und enthielt dreißig konzentrische Magnetspuren
(im englischen als Cylinder bezeichnet).
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Modernes
Festplattensystem
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Bei modernen Plattenspeichern
bilden Datenmodul und Geräteantrieb eine konstruktive
hermetisierte Einheit (daher der deutsche Begriff Festplatte),
so dass gereinigte Luft nicht mehr zugeführt wird. Jedes
Festplattensystem enthält ein Paket magnetischer Festplatten,
die auf einer Achse montiert sind. In den ersten Geräten
wurde mit einer Arbeitsrotationsgeschwindigkeit von
3600 U/Min. gearbeitet. In dem Maße wie die Anforderungen
an die Lese- Schreibgeschwindigkeit stiegen, erhöhte
sich die Umdrehungsgeschwindigkeit der Platten auf bis
zu 7200 und bei schnellen Geräten sogar auf 10 000 Umdrehungen
pro Minute. Die Steigerung der Drehgeschwindigkeit des
Plattenpaketes ermöglicht generell bessere Leistungsparameter
des Festplattenlaufwerkes, wobei die Grenze des Wachstums
durch die mechanische Festigkeit der Magnetplatten gegeben
ist.
Die Magnetplatten selbst bestehen aus
Aluminium-, Glas- oder Keramikscheiben auf deren Oberflächen
eine Schicht hochwertigen ferromagnetischen Materials
aufgebracht wird. Die Zusammensetzung der Magnetschicht
ist kompliziert. Sie wird in der Regel durch Pulverbeschichtung
oder Vakuumbedampfung aufgebracht. Für die ersten Magnetplatten
wurde als Beschichtungsmaterial Eisenoxid verwendet,
gegenwärtig werden sowohl Materialien auf der Grundlage
von Eisen und seinen Oxiden, als auch Schichten anderer
magnetischer Metalle auf die Platten aufgebracht. Moderne
metallische Dünnfilmbeschichtungen garantieren eine
hohe Aufzeichnungsdichte bei gleichzeitiger Festigkeit
der Plattenoberfläche. Diese Festigkeit spielt insbesondere
bei der Anwendung von Festplatten in mobilen Geräten
wie Laptops, externen Festplatten und Camcordern, wo
eine hohe Wahrscheinlichkeit von Stoßbelastung gegeben,
ist eine entscheidende Rolle.
Nach der Beschichtung werden die einzelnen
Plattenscheiben noch einer speziellen Oberflächenbehandlung
unterzogen. Die bearbeiteten Scheiben werden danach
zu Stapeln (Paketen) zusammengefügt (in der Regel besteht
ein Paket aus zwei bis zwölf einzelnen Platten), auf
eine Achse montiert und in den Spindelantrieb eingebaut.
Jede Scheibe hat zwei Arbeitsoberflächen, wobei in manchen
Plattenstapeln die beiden äußeren Oberflächen des Plattenstapels
aus konstruktiven Gesichtspunkten nicht benutzt werden.
Eine staubarme Umgebung im Inneren der
Festplatte für den Plattenstapel und die Magnetköpfe
ist weiterhin die Grundvoraussetzung für eine zuverlässige
und qualitativ hochwertige Funktion des Festplattenspeichers.
Aus diesem Grunde kommen so genannte barometrische Filter
zum Einsatz, die Druckunterschiede zwischen der äußeren
Umgebung und dem Inneren des Plattenstapels ausgleichen.
Wenn der geneigte Leser wünscht, dass eine Festplatte,
die ihm gehört lange und zuverlässig arbeitet, so tut
er gut daran, das Festplattengehäuse nicht zu öffnen
und auch auf dem Gehäuse angebrachte Schutzfolien nicht
zu entfernen. Anderenfalls geht er das Risiko ein, dass
Reparatur und Datenrettung seiner Festplatte sich sehr
kompliziert gestalten.
Magnetköpfe
Die Aufzeichnungs-Wiedergabeköpfe gehören
zu den wichtigsten Komponenten eines Festplattenspeichers.
Die Funktionsweise eines Magnetkopfes für Festplatten
ähnelt im Prinzip der wie man sie von einer Magnetbandkassette
her kennt. Es werden jedoch sehr hohe Ansprüche an die
Magnetköpfe fur Festplattenspeicher gestellt. Ebenso
hohe Anforderungen bestehen an die Miniaturisierung
der mechanischen Kopfabmessungen.
Im Arbeitszustand befindet sich
der Magnetkopf immer in einem wenn auch sehr geringen
Abstand von der jeweiligen Oberfläche der Festplatte
(ca. 0,13 mkm). Der Abstand wird durch den bei der schnellen
Drehung des Plattenstapels entstehenden Luftstrom erzeugt
und führt dazu dass der Magnetkopf über der Plattenoberfläche
"fliegt". Die Verringerung der Spaltbreite
zwischen Magnetkopf und Plattenoberfläche erhöht das
Wiedergabesignal und gestattet mit einem geringeren
Aufzeichnungsstrom zu arbeiten. Die Beständigkeit des
Systems gegen Vibrations- und Stoßbelastung wird jedoch
geringer. Trotzdem werden ständig Anstrengungen durch
die Festplattenproduzenten unternommen den Abstand zwischen
Magnetkopf und Platte zu verringern, so dass in naher
Zukunft mit Spaltbreiten von bis zu 0,05 mkm gerechnet
wird. Der Spalt zwischen dem Magnetkopf und der Plattenoberfläche
im Arbeitszustand führt dazu, dass im Ruhezustand des
Systems der Magnetkopf außerhalb der Arbeitszone der
Festplatte "geparkt" werden muss. Ältere Festplatten
verfügten dazu über eine spezielle Software, die vor
dem Herunterfahren des Computers gestartet wurde. Moderne
Geräte fahren beim Abschalten der Betriebsspannung die
Magnetköpfe automatisch in die Parkzone.
Bei der Herstellung der Magnetkopfe werden
drei unterschiedliche technologische Varianten angewendet
- das monolithische Verfahren, die Anwendung von Komposittechnologie
und die Dünnfilmtechnologie.
Monolithische Magnetköpfe werden aus Ferriten
hergestellt. Ferrite sind schwer zu bearbeiten und spröde,
so dass ihr Einsatz in modernen Magnetkopfsystemen mit
hoher Aufzeichnungsdichte nur beschränkt möglich ist.
In Neuentwicklungen sind aus Ferriten gefertigte Magnetkopfe
kaum noch anzutreffen.
Magnetkopfe auf Kompositbasis haben kleinere
mechanische Abmessungen als monolithische und bestehen
aus einem auf einer Glas- oder Keramikunterlage aufgebrachten
Ferritsystem. Damit konnten der Luftspalt zwischen Magnetkopf
und Festplattenoberfläche verringert und die Aufzeichnungsdichte
erhöht werden. Manchmal wird auch anstelle eines Luftspaltes
im Magnetkern des Kopfes der Spalt durch Metall ausgebildet.
Diese Maßnahme führte zur weiteren Erhöhung der Aufzeichnungsdichte
durch eine bessere Magnetfeldkonfiguration.
Magnetköpfe auf Grundlage der Dünnfilmtechnologie
werden mit fotolithografischen Verfahren hergestellt.
Dabei wird der Magnetkern des Kopfes auf einer keramischen
Oberfläche ausgebildet, wodurch Magnetköpfe mit extrem
kleiner Magnetspaltbreite hergestellt werden können.
Mit dieser Technologie können höchste Aufzeichnungsdichten
und sehr schmale Spurbreiten erreicht werden.
Magnetkopfantrieb
Der Magnetkopfantrieb (Head Positioner)
gehört zu den wichtigsten Systemen einer Festplatte.
Vom Typ des verwendeten Magnetkopfantriebs hängt direkt
die Leistungsfähigkeit des Festplattensystems ab. Durch
den Magnetkopfantrieb wird die Kopfpositionierzeit (Seek
Time) der Festplatte bestimmt. Zur Kopfpositionierung
werden gewöhnlich Schrittmotoren, die eine hohe Positioniergenauigkeit
gewährleisten, verwendet. Zwei Antriebsvarianten kommen
dabei zum Einsatz lineare Antriebe und Rotationsantriebe.
Rotationsantriebe bewegen sich auf einem Bogen über
die Oberfläche der Festplatte, während durch den Linearantrieb
die Magnetköpfe sich längs dem Radius der Festplatte
bewegen. Ein Vorteil des Linearantriebs ist dadurch
gegeben, dass der Luftspalt des Magnetkopfes stets senkrecht
zur Magnetspur auf der Plattenoberflache steht und der
Spurabstand zwischen den Spuren gleich bleibt. Demgegenuber
haben Rotationsantriebe eine geringere Masse und als
folge kürzere Positionierungszeiten. Ein weiterer Vorteil
der Rotationssysteme besteht in ihrer geringeren Anfälligkeit
gegen Stöße und Vibrationen und in der Möglichkeit einer
feineren Justierung als bei Linearsystemen.
Zur schnellen Positionierung der Magnetköpfe
werden in modernen Festplattensystemen die Antriebe
als Servoantriebe ausgebildet. Dabei werden spezielle
Datenkodierungen auf einer eigens dafür reservierte
Plattenoberfläche oder / und auf die zur Datenspeicherung
vorgesehenen Plattenoberflächen geschrieben und zur
Positionierung der Magnetköpfe ausgelesen und ausgewertet.
Es wird dabei in Abhängigkeit von der Art der Speicherung
der Servoinformation zwischen externen, integrierten
oder hybriden Servosystemen unterschieden.
Bei externen Servosystemen wird die Servoinformation
auf dafür reservierten Festplattenoberflächen aufgebracht
und mit speziell dafür bereitgestellten Magnetköpfen
gelesen und die Informationen entsprechend ausgewertet.
Derartige Systeme erhöhen den Preis der Festplatteneinheit,
sie sichern jedoch kurze Positionierzeiten und eine
hohe Zuverlässigkeit.
Integrierte Servosysteme schreiben die
entsprechenden Informationsdateien zwischen den Datenblöcken
auf die Arbeitsoberflächen der Festplatten. Diese Systeme
sind preiswerter, weniger anfällig gegenüber mechanischen
Einwirkungen und Temperaturschwankungen, sind jedoch
langsamer als externe Servosysteme.
Hybride Servosysteme schreiben die Positionierungsdaten
auf die Oberfläche jeder Festplatte und nutzen damit
die Vorteile sowohl der externen als auch der internen
Systeme.
Integrierte Festplattencontroller
Jedes Festplattensystem ist neben dem Plattenstapel
und dem Antriebssystem noch mit einem integrierten Festplattencontroller
in Form einer speziellen Leiterplatte ausgestattet.
Der Integrierte Controller steuert die Antriebssysteme
für den Plattenstapel und die Magnetköpfe und übernimmt
die Bearbeitung und Verarbeitung der Signale der Aufzeichnungs-
und Wiedergabeköpfe. Weiterhin übernimmt der Controller
die Abarbeitung der Kommandofolgen für die Festplatte.
In modernen Festplatten, die gemaß dem Energy Star Programm
hergestellt werden übernimmt der Controller auch Energiesparfunktionen,
wie das Abschalten des Festplattenantriebs bei ausbleibenden
Kommandofolgen an die Festplatte. Bei Ausfall des integrierten
Controllers wird durch Einsatz eines Spendecontrollers
versucht die Daten von der Festplatte zu lesen und gegebenenfalls
auch die Festplatte zu einem "zweiten Leben"
zu erwecken.
Festplattenabmessungen
Bezogen auf ihren Durchmesser werden vier und bezogen
auf ihre Bauhöhe drei verschiedene Festplattentypen
hergestellt: nach dem Durchmesser - 1.8, 2.5, 3.5 und
5.25 Zoll und nach der Bauhöhe - 3.25, 1.63 und kleiner
als ein Zoll.
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