Von 20 Megabyte zu 20 Terabyte in 40 Jahren Meilensteine der Festplattentechnik

Vor etwa 40 Jahren wurden die ersten PCs mit Festplatten ausgestattet. Die Technik schrumpfte schnell, während die Speicherkapazitäten kräftig zulegten. Die ganz kleinen Modelle sind inzwischen schon wieder vom Markt verschwunden, doch die Nachfrage nach mehr Kapazität ist ungebrochen.

Die Geschichte der Festplatte reicht bis in die 1950er-Jahre zurück. Schon die damaligen Laufwerke hatten mit den heutigen Modellen die grundlegende Technik gemein – rotierende Magnetscheiben, zwischen denen sich Arme mit Schreib-Lese-Köpfen bewegen und Bits magnetisieren beziehungsweise abtasten. Allerdings glichen die ersten Hard Disk Drives eher kleinen Schränken und brachten fast eine Tonne auf die Waage. Sie kamen in ausgewählten Computer- und Mainframe-Systemen zum Einsatz und revolutionierten die Datenverarbeitung, da plötzlich nahezu unmittelbare Zugriffe möglich waren.

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So richtig begann der Siegeszug der Festplatte erst in den 1980er-Jahren mit dem Aufkommen von PCs. Die Laufwerke maßen in der Anfangszeit 5,25 Zoll und fassten nur wenige Megabyte – mehr war nicht nötig, da Anwendungen keine grafischen Bedienoberflächen hatten und keine Dokumentenscans, digitalen Videos oder andere speicherplatzhungrige Daten abgespeichert werden mussten. Große Verbreitung fanden vor allem die 20-Megabyte-Modelle, mit denen viele Anwender ins PC-Zeitalter starteten.

In den folgenden Jahren stiegen die Speicherkapazitäten in den dreistelligen Megabyte-Bereich, und die Schnittstellen wurden standardisiert. Bei der Stromversorgung setzte sich der Molex-Stecker mit vier Pins durch, für die Datenübertragung wurde ATA zum Standard – vorher auch als IDE bekannt und mit der Einführung von Serial ATA (SATA) zur besseren Abgrenzung meist als Parallel ATA (PATA) bezeichnet. Typisch für PATA waren die Flachbandkabel mit drei 40-poligen Steckern, die zwei Laufwerke mit dem Mainboard des Rechners verbanden. Mittels kleiner Steckbrücken auf speziellen Kontakten an den Festplatten, den sogenannten Jumpern, wurde festgelegt, welches Laufwerk das primäre (Master) und das sekundäre (Slave) ist.

Welchen Boom die neue Speichertechnik auslöste, zeigt sich daran, dass es 1985 75 Festplattenhersteller gab. Im Laufe der Zeit versuchten sich mehr als 200 Unternehmen an der Produktion der Laufwerke, von denen heute noch drei aktiv sind. Die Konsolidierung begann bereits in der zweiten Hälfte der 1980er, da die Produktion erst mit großen Stückzahlen wirtschaftlich attraktiv wurde.

Die Festplatte schrumpft und schrumpft

Die heute üblichen 3,5-Zoll-Festplatten fanden ab Ende der 1980er-Jahre Verbreitung, weil sich der Formfaktor an der Größe von Diskettenlaufwerken orientierte und die Platten somit in dieselben Laufwerksschächte passten. Auch in Servern und Storage-Systemen wurde 3,5 Zoll schnell Standard und ist es bis heute. Allerdings entwickelten die Hersteller auch immer mehr kleinere Formfaktoren, angefangen bei 2,5-Zoll-Festplatten für Notebooks. Heute finden sich diese Modelle fast nur noch in externen USB-Laufwerken, da in den Mobilrechnern selbst SSDs zum Einsatz kommen. Insbesondere in den günstigen Geräten verbauen die Hersteller aus Kostengründen nur SSDs mit geringer Kapazität, sodass die Nachfrage nach externen Festplatten als Speichererweiterung weiter hoch ist. Die Laufwerke werden jedoch technologisch kaum weiterentwickelt, sodass hier keine nennenswerten Kapazitätssteigerungen mehr zu erwarten sind.

Gänzlich vom Markt verschwunden sind kleinere Festplattenmodelle. Um die Jahrtausendwende gab es beispielsweise 1,8-Zoll-Platten für den PCMCIA-Steckplatz von Notebooks. Da die Geräte in der Regel weder internes Modem noch Netzwerkanschluss oder WLAN mitbrachten und die Verbindung zur Außenwelt ebenfalls eine Steckkarte erforderte, mussten Notebook-Besitzer damals manch schwierige Entscheidung fällen. Auch im ersten iPod befand sich 2001 eine Festplatte – ein Modell mit ebenfalls 1,8 Zoll und 5 Gigabyte, während die Audioplayer-Konkurrenz auf 2,5-Zoll-Platten setzte.

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Weil Flash-Speicher teuer war und Speicherkarten nur geringe Kapazitäten aufwiesen, wurden zudem kleine 1-Zoll-Platten entwickelt, die in den CompactFlash-Slot von Digitalkameras passten. Kaum größer als ein Daumennagel waren die Festplatten, die Anfang der 2000er-Jahre in einigen Smartphones steckten – stattliche 4 Gigabyte brachten einige dieser 0,85-Zoll-Modelle mit. Noch kleiner wurde es dann aber nicht mehr, da Flash der Festplatte in Mobilgeräten den Rang ablief.

Die Speicherkapazität steigt und steigt

Der Flash-Boom führte dazu, dass Festplatten schließlich nur noch mit hohen Kapazitäten zu günstigen Kosten punkten konnten. Perpendicular Magnetic Recording (PMR) sorgte als neues Aufzeichnungsverfahren für einen regelrechten Kapazitätssprung. Fassten die Laufwerke bis Mitte der 2000er-Jahre nur wenige Gigabyte, waren kurz darauf über 100 Gigabyte und schnell sogar 1 Terabyte völlig normal.

Beim zuvor eingesetzten Longitudinal Magnetic Recording (LMR) wurden die Bits auf den Magnetscheiben horizontal ausgerichtet, PMR erlaubte hingegen eine senkrechte Anordnung und damit eine viel höhere Speicherdichte. Die große Herausforderung war dabei die Positionierung der magnetischen Pole am Schreibkopf, da die Magnetisierung durch die Scheibe hindurch erfolgen musste, man den Schreibkopf aber nicht um diese herum bauen konnte. Die Lösung war letztlich eine reflektierende und streuende Schicht unterhalb der Scheibe, die den magnetischen Fluss zum zweiten – ebenfalls oberhalb befindlichen – Pol zurückführte.

Die steigenden Speicherkapazitäten machten neue, serielle Schnittstellen mit einem höheren Durchsatz notwendig: im Client-Bereich das bereits erwähnte SATA und im Rechenzentrumsbereich SAS, das SCSI ablöste. In den Rechenzentren begannen SSDs in der Folgezeit, die schnell drehenden Festplatten mit 10k und 15k mehr und mehr zu verdrängen – übrig blieben 3,5-Zoll-Festplatten mit 7.200 Umdrehungen, die eine optimale Balance aus Kapazität und Performance bieten. Sie wurden ab Mitte der 2010er-Jahre mit Helium gefüllt. Das leichte Edelgas verursacht weniger Reibung und Turbulenzen als Luft, sodass durch die Verwendung dünnerer Scheiben Platz für zusätzliche Scheiben im Gehäuse entsteht. Mit neun Scheiben und PMR konnten 16 TB realisiert werden. Zehn und mehr Scheiben erscheinen möglich, und weitere Kapazitätssteigerungen lassen sich durch alternative Recording-Technologien realisieren.

Eine neue Festplattengeneration mit Mikrowellentechnik

Mit Microwave Assisted Magnetic Recording (MAMR) wurde deshalb in den vergangenen Jahren ein neues Aufzeichnungsverfahren entwickelt, das Mikrowellen zur Steuerung und Bündelung des magnetischen Flusses am Schreibkopf nutzt. Dadurch wird weniger Energie benötigt, um die Bits zu magnetisieren, sodass der Schreibkopf kleiner ausfällt und Daten dichter schreiben kann. Ein erstes Modell dieser MAMR-Festplatten brachte Toshiba im vergangenen Jahr auf den Markt; es fasst 18 Terabyte. Der demnächst verfügbare Nachfolger wird es sogar auf 20 Terabyte bringen – dank der oben erwähnten zehnten Magnetscheibe im Gehäuse.

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Zur besseren Unterscheidung künftiger MAMR-Versionen wird das aktuelle Verfahren auch als Flux Controlled MAMR (FC-MAMR) bezeichnet. Bei der nächsten Entwicklungsstufe, Microwave Assisted Switching MAMR (MAS-MAMR) sollen die Mikrowellen dann zusätzlich das Material der Magnetscheiben aktivieren, um den Energieaufwand weiter zu senken und eine weitere Verkleinerung des Schreibkopfs zu ermöglichen. Dafür wird allerdings eine neue Beschichtung für die Scheiben gebraucht, an deren Entwicklung die Festplattenhersteller derzeit arbeiten. Mit MAS-MAMR werden die Kapazitäten von 3,5-Zoll-Festplatten nach Expertenmeinung in den nächsten Jahren auf bis zu 50 Terabyte steigen. Damit sind die Weichen gestellt, dass Festplatten auch in Zukunft die Hauptlast der Datenspeicherung im Informationszeitalter tragen.

Dass in den nächsten 40 Jahren indes erneut ein Kapazitätssprung wie von 20 Megabyte auf 20 Terabyte stattfinden wird, erscheint momentan unwahrscheinlich. Festplatten in den frühen 2040er-Jahren würden dann 20 Exabyte Speicherkapazität bieten müssen – das Zehnfache eines modernen Cloud-Rechenzentrums. Andererseits dachte der stolze Besitzer einer 20-Megabyte-Festplatte in den frühen 1980ern wahrscheinlich auch nicht im Traum an Modelle mit 20 Terabyte.

*Der Autor: Rainer W. Kaese ist Senior Manager, HDD Business Development bei der Toshiba Electronics Europe GmbH

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