Aufbau einer Festplatte - Was ist in einer Festplatte drin?

Blog Single

Rund um die Festplatte gibt es viele Geheimnisse. Das ist auch kein Wunder, denn dieses kleine Wunderwerk der Technik bewahrt unsere Daten auf. In diesem Blog-Beitrag möchte ich zeigen, wie so eine Festplatte überhaupt aufgebaut ist, was sich in der Festplatte befindet, und wie eine Festplatte funktioniert.

Um Ihnen das zu zeigen, haben wir eine SATA Festplatte aufgeschraubt und präsentieren hier die Details. Aber fangen wir mal von vorne an. Hier haben wir eine 80 GB SATA Festplatte von Seagate, es ist eine Barracuda 7200.7 Festplatte, Modell ST380013AS.

Vorderseite einer Festplatte Rückseite einer Festplatte

Auf den ersten Blick sieht man zwei Teile der Festplatte. Die grüne Platine mit den Anschlüssen an den Rechner und der Elektronik wird PCB (Printed Circuit Board) genannt. Der schwarze Teil der Festplatte, in dem die eigentliche Platte und die Leseköpfe verbaut sind, nennt man HDA (Head and Disk Assembly). Doch schauen wir uns zuerst einmal das PCB an.

Die Platine einer Festplatte

Unten auf der PCB sieht man die bekannten Anschlüsse, den SATA Port der Festplatte sowie den Strom Anschluss. Über den SATA Port findet die Kommunikation mit dem Rechner statt und über den 15-Poligen Stromanschluss wird die Festplatte mit 5V (roter Leiter) und 12V (gelber Leiter) versorgt.

Links neben den Anschlüssen, die jeder kennt, der schon mal eine Festplatte eingebaut hat, befindet sich der serielle Terminal Port. Über diesen Port lassen sich einige Diagnosedaten der Festplatte auslesen bzw. auch Konfigurationen durchführen.

Über dem SATA-Anschluss befindet sich der SATA Controller, der das Bindeglied zwischen dem Computer und dem Festplatten-Controller ist. Der Festplatten-Controller selbst ist ein kleiner Mikrocomputer. Die Software (oder auch Firmware genannt), die der Festplatten-Controller benötigt, befindet sich auf dem Flash-Speicher auf der PCB. Dies ist jedoch nur ein sehr kleiner Teil der Software, der Rest der Software (SA-Teil genannt) befindet sich auf der Scheibe der Festplatte in sogenannten negativen Blöcken, auf die ein Benutzer in der Regel nicht zugreifen kann.

Über dem Festplatten-Controller befindet sich ein Speicher-Baustein. Diesen Baustein nutzt der Controller, um seine eigene Software auszuführen und um Daten zu cachen. Auf Daten, die sich in diesem Chip befinden, kann der Controller viel schneller zugreifen, als auf Daten, die sich auf der drehenden Scheibe befinden.

Rechts oben befindet sich der Motor-Controller. Er ist dafür zuständig, die Platte in einer konstanten Geschwindigkeit drehen zu lassen.

Die Rückseite der Platine einer Festplatte

Auf der Rückseite der Platine befinden sich die Kontakte zu den Schreib- und Leseköpfen und zum Motor. In einigen Festplatten befinden sich die Elektronik und die Kontakte auf der gleichen Seite. Wie man es sehr gut sehen kann, sind die Kontakte oxidiert und in einem sehr schlechtem Zustand. Das kann schon dazu führen, dass Daten nicht mehr richtig gelesen werden können.

Werfen wir noch einen kurzen Blick auf die Rückseite der HDA.

Die Rückseite der Head Disk Assembly

Passend zu den Kontakten auf der PCB befinden sich auf der HDA ebenfalls Kontakte zu den Schreib- und Leseköpfen und zum Motor. Außerdem befindet sich dort ein Atemloch (Breath hole). Über dieses Loch kann die Festplatte atmen, also je nach Temperatur oder Druck die Luft in der HDA anpassen. Auf der Innenseite des Atemlochs befindet sich ein Filter, der den Staub und Feuchtigkeit aus der Luft herausfiltert.

Doch nun ist es Zeit ins Innere der HDA hineinzuschauen.

Das Innere einer Festplatte

Im Inneren des HDA sehen wir als erstes die runde Datenplatte. Die Datenplatten bestehen entweder aus Aluminium oder aus Glas, das mit unterschiedlichen Materialien beschichtet wurde, unter anderem einer Schicht aus einem ferromagnetischem Material, in dem die eigentlichen Daten gespeichert werden. In diesem Modell der Festplatte ist nur eine zweiseitige Datenplatte vorhanden.

Auf jeder Seite der Datenplatte befindet sich ein Lese und Schreibkopf. Dieses Gebilde nennt man HSA (Head Stack Assembly). Die Köpfe befinden sich übrigens so in der Parkposition. Bei 2.5“ Festplatten ist die Parkposition außerhalb der Datenplatte. Der Grund dafür ist, dass die Datenplatte und der Lesekopf bzw. der sogenannte Slider extrem glatte Flächen sind. Würden die Datenplatten aufhören sich zu drehen während die Köpfe noch auf den Scheiben sind, dann würden die Köpfe auf den Platten kleben bleiben. Der Motor der Festplatte ist aber nicht stark genug, um die Datenplatten gegen die Haftung zu beschleunigen. In einigen neueren 3.5“ Festplatten befindet sich die Parkposition ebenfalls außerhalb der Datenplatte.

Oben rechts befindet sich ein Filter. Im Gegensatz zur geläufigen Meinung befindet sich in der Festplatte kein Gas oder Vakuum und sie ist auch nicht Luftdicht. Eine Festplatte muss in der Lage sein zu atmen, da die Köpfe der Festplatte mit Hilfe des Sliders über der Oberfläche der Datenplatte fliegen. Der Abstand beträgt 5-10 Nanometer. Im Vergleich ist ein menschliches Haar 25.000 Nanometer dick. Deshalb ist jedes Staubkorn im Inneren der Festplatte ein Problem. Durch die Rotation der Datenscheiben wird die Luft im Inneren in Bewegung gebracht und passiert immer wieder den Filter und wird so gereinigt und übrigens auch getrocknet.

Auf der linken Seite befindet sich eine Kontaktplatte, über die die Köpfe der Platte mit der PCB verbunden sind. Oben drüber befindet sich der obere Magnet. Mit dem oberen Magnet kann sich das HSA bewegen. Wie wir später sehen werden, befindet sich auf dem HSA eine Spule, die ein Magnetfeld aufbaut.

Festplatte Closeup auf Leseköpfe

Auf diesem Bild ist sehr gut zu sehen, wie der Kopf auf der Datenscheibe geparkt ist. Der vordere und starre Bereich des Lesekopfes wird Arm genannt, der hintere Bereich ist federnd in Richtung der Datenplatte und nennt sich HGA (Head Gimbal Assembly). Wie man hier sehr gut sehen kann, besteht diese Festplatte nur aus einer Scheibe. Der obere Arm hat somit keine HGA. Auch rechts sieht man, dass eine Datenscheibe durch einen abstandshaltenden Ring ersetzt wurde.

Magnet aus einer Festplatte Festplatte ohne Top Magneten

Schauen wir uns nun einmal den HSA genauer an.

Head Stack Array einer Festplatte
Head Stack Array einer Festplatte

Das HSA ist sowohl am Boden des HDA als auch an dem Deckel des HDA mit jeweils einer Schraube befestigt. In der HSA befindet sich ein Lager, der es dem HSA erlaubt sich frei zu bewegen. In diesem Modell wird die Bewegung des HSA durch Stopper eingeschränkt, die verhindern, dass der HSA die Datenplatte in Richtung Motor oder Gehäuse verlässt.

Die auf beiden Seiten des HSA angebrachte Spule wird Voice Coil genannt und bildet mit dem oberen und unteren Magneten VCM (Voice Coil Motor) genannt.

Über ein Flex-Kabel ist der HSA mit den Kontakten verbunden, die zum PCB gehen. Über dieses Kabel werden vom Controller Positionierungsdaten des HSA übertragen und auch (vorher verstärkte) Daten von den Leseköpfen empfangen.

Head Gimbal Assembly - HGA Closeup

Hier ist noch eine vergrößerte Aufnahme des HGA zu sehen. Das schwarze Rechteck ist der sogenannte Slider. Er sorgt dafür, dass die Köpfe in einem bestimmten Abstand über der Datenplatte fliegen. Die eigentlichen Köpfe sind die kleinen goldenen Punkte am Ende des HGA, zu denen die Flex-Kabel führen. Der Rest ist einfach nur die Aufhängung. Bei einem Headcrash der Festplatte wird genau dieser Teil beschädigt.

Vorverstärker einer Festplatte als Chip on Flex

Ein weiterer wichtiger Teil des HSA ist der Vorverstärker, der sich als Chip on Flex Bauteil auf dem Flex-Kabel befindet. Die Signale der Köpfe sind sehr schwach und haben eine Frequenz von über 1 GHz, ohne den Vorverstärker würden die Signale auf dem Weg zum Controller einfach im Rauschen untergehen.

Festplatte ohne HSA

Hier ist das HDA mit ausgebautem HSA zu sehen. Unten links befindet sich der untere Magnet, der ein Teil des VCM ist, damit sich der HSA auf der Datenplatte bewegen kann. Machen wir nun weiter und lösen die Halterung der Datenplatte. Wie man sehr gut sehen kann, sind die Schrauben der Halterung in einer Wabenform angeordnet. Die Wabenform ist sehr nahe an einer Kreisform. Die Kreisförmige Bewegung ist sehr wichtig für die Datenscheibe, da eine Gewichtsverlagerung oder Veränderung der Form eine Unwucht entstehen lassen würde. Folge wäre eine ungleichmäßige Rotation der Datenscheibe. Die Schrauben sind auch extrem stark angezogen um eine Verschiebung der Datenplatten zueinander zu verhindern.

Abstandshalter und Plattenhalter

Hier ist das Bild der Halterung und des Abstandsrings. Das was aussieht, wie ein einfacher Ring ist in Wirklichkeit ein Präzisionsbauteil, hergestellt aus einer nicht-magnetischen Legierung oder – je nach Modell und Hersteller – aus einem Polymer.

Datenplatte einer Festplatte

Kommen wir nun zur Datenplatte. Auf der Datenplatte sind die eigentlichen Daten gespeichert. Die Datenplatte ist auf beiden Seiten unter anderem mit einer ferromagnetischen Schicht beschichtet. Die Oberfläche ist extrem glatt und gleichförmig, damit während der Rotation keine Luftwirbel entstehen. Was viele überrascht, ist dass die Datenplatten sehr schwer sind und einen Großteil des Festplattengewichts ausmachen.

Leere HDA einer Festplatte

Von der Festplatte ist nun sehr wenig übrig geblieben. Schauen wir noch einmal ins HDA rein. Links oben sehen wir einen weiteren Filter. Dieser Filter sitzt auf dem Atemloch der Festplatte und filtert Partikel und Luftfeuchtigkeit aus der Luft.

Rechts daneben ist die Spindel des Festplatten-Motors. Der Motor der Festplatte beschleunigt die Datenplatten auf eine Geschwindigkeit von 7.200 rpm / Umdrehungen pro Minute. Bei manchen Platten sogar bis zu 10.000 rpm oder bei sparsamen Platten auf 5.400 rpm. Der Motor der Festplatte ist ein geregelter Brushless Motor, der für den Dauerbetrieb von mehreren Jahren ausgelegt ist.

Und damit sind wir am Ende unserer Reise ins Innere der Festplatte. Ich hoffe, dass die Informationen aber auch die Fotos euch fasziniert haben. Wenn Du noch Fragen oder Anregungen zu den Bildern hast, dann schreibe uns einfach eine E-Mail über datenrettung@port29.net oder über unser Kontaktformular. Hast du momentan eine defekte Festplatte und brauchst eine Datenrettung, dann wende dich gerne an uns. Wir können dir in unserem Labor weiterhelfen.

Brauchen Sie eine Datenrettung Ihrer Festplatte, dann kontaktieren Sie uns einfach