Geschichte

Noch vor den ersten kommerziellen Computern im Jahre 1951 bestand ein Bedarf an Massenspeichern. Schon in der Mitte des 18. Jahrhunderts benutzte man Lochkarten zur Eingabe/zur Speicherung von Daten in frühe Rechner und andere Maschinen. In den 40er Jahren kamen dann die ersten Speicher in Form von Vakuumröhren bis schließlich Anfang der 50er Jahre Magnetbandgeräte die Lochkarten als Permanentspeicher zu ersetzen begannen. Einige Jahre später entwickelte man magnetische Trommeln, wenig später produzierte IBM das erste Festplattensystem, das seinerzeit aus 50 24" Platten bestand und eine Speicherkapazität von 5 MB zu einem Leasingpreis von 35.000$ bereitstellte.

Lange Zeit war der Einsatz von Festplatten beschränkt auf Großcomputer. Große Festplattenfarmen aus 14" und 8" Platten, die eigens klimatisierte Räume benötigten, waren in großen Firmen der Informationstechnologie zu finden.

Erst zu Beginn der 80er Jahre änderte sich dies mit Einführung des Personal Computers. Erste Laufwerke im 5 1/4"-Format speicherten 5-10 MB (ca. 2.500-5.000 Schreibmaschinenseiten). Da eine solche Informationsfülle für die ersten PC als zu groß empfunden wurde, waren sie anfangs nur mit Diskettenlaufwerken ausgestattet. Am Anfang wurden 8", später 5 1/4" "Floppies" verwendet.

Wie viele andere elektronische Geräte unterlagen Festplatten schon damals früh ständigen Miniaturisierungsprozeß. Schon Mitte der 80er Jahre schrumpfte der Formfaktor von 5 1/4" Platten von 3,2" Höhe auf 1,6" (Halbe Bauhöhe). Schon 1987 erschienen erste Platten mit 3,5", ca. 500g schwer und ca. 1,6" hoch. Bald setzte sich der 3,5" Formfaktor als Standard durch, und die Höhe gängiger Festplatten schrumpfte auf ca. 1" (ca. 2,5cm).

Nachdem sich der 3,5"-Formfaktor als Standard etabliert hatte, entwickelte man speziell für den Einsatz in Notebooks die 2,5"-Laufwerke. Erste Exemplare nahmen bis zu 500MB Daten auf. Doch auch hier war der Miniaturisierungsprozeß noch nicht am Ende, denn 1992 tauchten eine Reihe von 1,8"-Laufwerken auf, die bis zu 40MB speicherten. Sie ließen sich anstelle spezieller Flashspeicherkarten, die auch heute noch sehr teuer sind, als Wechselkarten im PCMCIA-Format einsetzen. Das kleinste Laufwerk mißt heute 1,3", es hat also nur noch in etwa die Größe einer Streichholzschachtel.

Betrachtet man die bisherige technische Entwicklung von Festplattenlaufwerken, so kann man eine Verdopplung der Speicherdichte etwa alle 18 Monate beobachten. Dies stimmt in etwa mit Moores Gesetz überein, wonach sich etwa alle 18 Monate die Anzahl der Transistoren auf modernen Prozessoren verdoppelt. Den momentanen Rekord auf dem Gebiet (Juli 1998) der "Areal Density" hält momentan eine Festplatte der Firma Maxtor, die eine Kapazität von max. 13,2 GB bietet bei einer Speicherdichte von 3,4 GB pro Platte.

Parallel zu dieser Entwicklung fielen auch die Kosten für Festspeicher. So mußte man 1992 für ein MB im Durchschnitt noch 7 DM ausgeben, 6 Jahre später sind es noch 15 Pf. Dies entspricht etwa pro Jahr einer Reduktion der Kosten pro MB um mehr als die Hälfte.

Ausblick

Wie schon Bill Gates, der in den letzten Jahren wohl führende Prophet auf dem Computergebiet sagte, wird der Bedarf an Massenspeichern auch in Zukunft der technischen Entwicklung immer weit voraus sein. Eine Telefon-CD von Deutschland belegt heute schon mehr als 600MB Speicherplatz - bei einer Festplattengröße von 16GB kein Problem. Wie ist es aber mit allen Telefonnummer der Welt? Oder mit allen Fremdsprachenwörterbüchern, einem Universalübersetzungsprogramm, der privaten Videothek etc. Ein Ansatz zur Lösung dieses Speicherdilemmas bietet das Internet, in dem Informationen verteilt abgelegt und einer beliebigen Anzahl von Informationssuchenden gleichzeitig zugänglich gemacht werden kann. Wie verhält es sich jedoch mit Informationen, die eine hohe Übertragungsbandbreite erfordert? Hier liegen momentan noch die Nachteile des Internets und der Vorteil lokaler Speichermedien.

Ob Festplatten auch in Zukunft die herausragende Position im Massenspeichermarkt einnehmen werden, ist heute noch nicht abzusehen. Noch in diesem Jahr (Ende 1998) verspricht eine norwegische Firma einen neuartigen Polymerspeicher, der Kapazitäten im 100.000 GB Bereich verspricht. Da bis heute die Stabilität solcher Speicher noch nicht gelöst ist, lassen sich hier selbst für die nähere Zukunft nur vage Prognosen erstellen.

Übersicht

Das Festplattenlaufwerk und die CD-ROM sind heute die beiden wichtigsten Sekundärpeichermedien. Das Diskettenlaufwerk mit 1,4MB/3,5" ist trotz seines hohen Alters (*1987) immer noch das Wechselmedium der Wahl. Der größte Unterschied des Sekundärspeichers zum Primärspeicher (Hauptspeicher) besteht darin, daß es sich beim Hauptspeicher um einen meist flüchtigen Speicher handelt, der die Daten wieder verliert, wenn sie nicht ständig aufgefrischt werden. Die meisten dieser RAM-Bausteine erfordern mehrmals pro Sekunde eine Refresh-Phase, während andere spätestens beim Ausschalten des Geräts alle gespeicherten Daten verlieren.

Im Gegensatz dazu gibt es den sogenannten permantenten Speicher, auch externer Speicher oder Sekundärspeicher genannt. Hier werden die Daten auf meist magnetischen Medien dauerhaft gespeichert. Auch optische oder magnetooptische Speichermedien gewinnen dank geringer Medienpreise zunehmend an Bedeutung. Im Unterschied zu rein magnetischen Aufzeichnungsverfahren können hier die Daten weit kompakter gespeichert werden. Das mehrmalige Beschreiben dieser Medien ist technisch kein Problem mehr, leider setzen sich diese Medien aufgrund schleppender Standardisierungsprozeduren erst langsam durch (CD-RW, DVD). Magnetooptische Verfahren dagegen sind trotz ihrer günstigen Medienpreise wegen der hohen Geräteanschaffungskosten leider zu unattraktiv.

Magnetische Materialien

Ob Festplatten, Diskettenlaufwerke oder Bandlaufwerke, alle haben sie eines gemeinsam: Ihre Medien sind mit einer magnetisierbaren Beschichtung überzogen. Die am häufigsten verwendeten Materialien sind Eisenoxyd, Ferrochrom oder Chrom. Die Wahl eines geeigneten Materials hängt sehr von seiner Verwendung ab. Ein Material, welches sich zu leicht magnetisieren läßt, verliert seine Magnetisierung sehr schnell - der Speicher eignet sich nur zur vorübergehenden Speicherung von Daten. Der Streueffekt (benachbarte Bereiche beeinflussen sich gegenseitig) ist hier auch recht groß. Ist ein Material dagegen schwer zu magnetisieren, so lassen sich Informationen dauerhaft auf dem Medium speichern. Ein Nachteil ist, daß zu seiner Magnetisierung mehr Energie gebraucht wird, außerdem dauert die Magnetisierungsphase länger.

Alternative Arten von Sekundärspeichern

Option zur Erweiterung des Sekundärspeichers

Obwohl Festplatten das mit Abstand führende Sekundärspeichermedium sind, haben sich dennoch einige alternative Technologien im Massenspeichermarkt etabliert. Jede dieser Technologien hat ihre Vor- und Nachteile, wenn man sie mit Festplatten hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit, ihrer Kapazität, Kosten und ihrem Einsatzgebiet vergleicht.

Wechseldatenträger

Mit dem Wechsel von Mainframes hin zu PCs vollzog sich auch ein Wandel hinsichtlich der verwendeten Speichermedien. Nicht nur gewannen einzelne, kleinere Festplatten in lokalen Rechnern an Bedeutung, es wurde vielmehr auch wichtig, sensible Daten sicher transportieren und archivieren zu können. Während Diskettenlaufwerke auch heute noch die gebräuchlichste Art von Wechseldatenträgern sind, sind sie doch denkbar ungeeignet zum Speichern größerer Datenmengen. Hierzu werden wechselbare Medien hoher Speicherkapazität benötigt. Diese stehen in vielfältiger Form zur Verfügung: Als Magnetbänder, CD-ROMs und als andere optische Plattensysteme und PC-Karten (Festspeicher). Die meisten dieser Medien sind allerdings eher geeignet zur Archivierung und zum Backup größerer Datenmengen als zur Speicherung von Präsenzdaten, also Daten, die jederzeit zur Verfügung stehen müssen.

Bandlaufwerke

Dieses Speichermedium bestimmte in den Anfängen der Mainframetechnologie den Sekundärspeichermarkt, bevor es auf diesem Gebiet von den Festplatten ersetzt wurde. Bei diesem Speichermedium erfolgt ein Zugriff auf Daten durch Spulen des Datenbandes. Da ein wahlfreier Zugriff auf die sequentiell abgelegten Daten so nur langsam möglich ist, ist eine Optimierung der Datenübertragungsgeschwindigkeit hinsichtlich der Zugriffszeit nur in begrenztem Maße möglich. Während ein sequentieller Zugriff bei modernen Geräten zum Teil festplattenähnliche Geschwindigkeiten (bis 5MB/s) zuläßt, reduziert sich die Geschwindigkeit bei Datenbankanwendungen zum Beispiel unter Umständen teils um mehrere Größenordnungen. Da Bandlaufwerke jedoch eine hohe Speicherkapazität bei relativ kleinen Medienpreisen bieten, werden sie auch heute noch bevorzugt als Speichermedium für sehr große Datenmengen eingesetzt.

Optische Platten

Optische Speichermedien fassen große Datenmengen zwischen 128 MB und 2600 MB. Die DVD ist sogar schon bis ca. 18 GB spezifiziert. Optische Geräte nutzen Laser zum Lesen und Speichern der Daten. Beim Schreiben brennt der Laser "Pits" in die Oberfläche (Bei CD-RW wird nur der Reflexionsgrad bzw. die Mattigkeit verändert, dadurch sind solche Medien schwerer lesbar). Die nicht gebrannten Gebiete nennen sich "lands". Die Information einer binären "1" wird in einem Zustandswechsel Pit->Land oder umgekehrt verschlüsselt, bei der binären "0" hingegen erfolgt kein Zustandswechsel. Durch die Kompliziertheit der Schreib-/Leseoptiken und ihrer Masse sind optische Laufwerke nicht annähernd so schnell wie Festplatten. Die Zugriffszeiten liegen bei 30-50ms, während Festplatten heute im Bereich von 8-15ms liegen. Beim sequentiellen Zugriff ist der Unterschied insbesondere bei der neuesten Gerätegeneration nicht mehr so bedeutend. Während z.B. erste CD-ROM Laufwerke eine Übertragungsrate von 150kB/s aufwiesen und Festplatten zu dieser Zeit bei 4MB/s lagen (26 x so schnell), so haben neueste Laufwerke bis zu 6MB/s (40x) gegenüber 18 MB/s bei Festplatten (alles Spitzenwerte).

Prinzipiell sind drei verschiedene Technologien bei optischen Speichermedien zu unterscheiden: CD-ROM (Compact Disk-Read Only Memory), WORM (Write Once Read Many) und wiederbeschreibbare optische Platten (DVD-RAM und CD-RW).

CD-ROMs sind die bei weitem populärste Form von optischen Speichermedien. Sie sind leider jedoch nur lesbar. Mittels Lasern werden Master CD-ROMs hergestellt, von denen eine Preßform gefertigt wird. Flüssiges Plastik wird in diese Form eingespritzt und unter hohem Druck, wie eine Schallplatte, gepreßt. Das typische Einsatzgebiet von CD-ROMs liegt daher in der Verteilung großer Datenmengen und Dokumente sowie bei Multimediaapplikationen und bei der Installation größerer Softwarepakete.

WORM-Geräte wie z.B. CD-R werden hauptsächlich zu Archivierungszwecken verwendet, sowie für Daten, bei denen es darauf ankommt, daß sie nicht mehr geändert oder gelöscht werden können (Dokumente, Bilanzen etc.).

Wiederbeschreibbare Medien (CD-RW, neuerdings DVD) dienen zum Backup und zur Archivierung größerer Datenmengen, wie z.B. Bilddatenbanken. Leider sind sowohl Geräte als auch Medien immer noch verhältnismäßig teuer. Ein künftiger Einsatz der DVD-Geräte als Ersatz gängiger bandbasierter Videorekorder könnte die Geräte- und Medienpreise jedoch schnell drücken.

Magnetooptische Systeme

Magnetooptische Systeme (MO) kombinieren die Technologie traditioneller magnetischer Medien mit optischer Technologie. Die dadurch erreichte Kapazitätssteigerung erlaubt es, mehrere hundert Megabyte auf einer 3,5" Diskette unterzubringen, die der traditionellen Floppy sehr ähnlich ist. MO-Systeme kommen hauptsächlich im 3,5" und 5,25" Formfaktor vor. Ihr Magnetmaterial ist so aufgebaut, daß es bei Zimmertemperatur auch großen magnetischen Feldern widerstehen kann.

PC Karten

Der PCMCIA-Standard ist international akzeptiert als Beschreibung für PC-Karten. Diese Karten sind entweder als Speicher- oder I/O-Karten erhältlich. Da ihr Stromverbrauch gering und ihre Größe minimal sind, eignen sie sich ideal für den Einsatz in Notebooks und Palmtops, PDAs und Kommunikationsgeräten. Da die Größe des in Festspeicherkarten enthaltenen Speichers ungefähr mit den Produktionskosten skaliert, normale Festplatten jedoch bei Kapazitätsvergrößerung nur unwesentlich teurer werden, behalten Festplatten ihre Vormachtstellung im Desktopbereich.

Ausblick

Jede neue Entwicklung auf dem Sekundärspeichersektor zieht eine neue Runde im Konkurrenzkampf der führenden Hersteller nach sich. Bei den Festplatten vollzog sich in kaum einem Jahrzehnt ein Wandel weg von 8" Laufwerken hin zu 3,5" und 2,5" Größen. Auch 1,8" und 1,3" Laufwerke befinden sich momentan in der Entwicklung. Die durchschnittliche Zugriffszeit sank von 40ms auf unter 10ms. Zudem hat sich auf den Speichereinheiten ein Wandel vollzogen. Heutige Laufwerkselektroniken beinhalten ganze Mikroprogramme, die zum Teil nachträglich verändert werden können, um ihre Leistung bei speziellen Einsätzen z.B. im Multimedia- oder Datenbankbereich zu optimieren. Sie enthalten ein komplexes Cachesystem und befreien durch Busmastering die zentrale Steuereinheit von einem Großteil der Datenverwaltung, was ein Vorteil in aktuellen Multitasking- und Netzwerkumgebungen ist. All dies erfordert heute nur noch wenige integrierte Chips auf einer einzigen Steuerplatine.

Einhergehend mit der fortschreitenden Miniaturisierung speziell der PC-Karten hält der Massenspeichermarkt heute Einzug in viele Bereiche der Konsumerelektronik - intelligente Waschmaschinen, Telefone, Scanner, Drucker, Faxgeräte, und Stereoanlagen mit menügesteuerter Programmführung sind schon heute eine Selbstverständlichkeit.

Schneller, Kleiner, billiger

Das Schrumpfen der physikalischen Größe von Massenspeicherprodukten war schon immer eines der größten Entwicklungsziele im Massenspeichermarkt. Größe allein ist allerdings in einem stark segmentierten Markt heute nur eine der Faktoren, die Hersteller berücksichtigen müssen, wenn sie neue Produkte planen und entwickeln. Das Massenspeicherkonzept der Zukunft ist kurzfristig noch nicht in Sicht. Vielmehr ist eine fortschreitende Spezialisierung von Gerätetypen zu beobachten. Als Beispiel sind wieder die Festplattenlaufwerke zu nennen. Obwohl 2,5"-Laufwerke heute schon vielerorts eingesetzt werden, hat sich der 3,5"-Faktor als Optimum für den Einsatz in Desktop-PCs bewährt. Der Einsatz kleinerer Laufwerke wäre nicht nur aus Kostengründen nocht nicht sinnvoll, denn 3,5"-Laufwerke bieten maximale Kapazitäten bei geringen Kosten pro MB. Auch skaliert die Zugriffszeit momentan nicht optimal mit der Größe der Laufwerke. Sicher ist dies jedoch auch eine direkte Folge der Optimierung solch kleiner Geräte hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme und den damit verbundenen geringeren Umdrehungsgeschwindigkeiten.

Wenn im Jahr 2000 wie geplant Laufwerke mit einer Datendichte von 4.300 MB pro 3,5"-Platte möglich werden, eventuell mit einer Technik, die es erlaubt, die Schreib-/Leseköpfe direkt auf der Platte aufsetzen zu lassen, wird es vielleicht erforderlich werden, auf das 2,5"-Format herunterzugehen, um eine weitere Optimierung der Zugriffsgeschwindigkeit zu erreichen. Denkbar wäre dann ein Plattenstapel mit mehreren unabhängig voneinander arbeitenden Köpfen. Auch wird eine flexiblere Cachestrategie in Zukunft dazu beitragen, Laufwerke genauer für bestimmte Einsatzzwecke anzupassen.