HD & SSD

--- still under construction ---

Übersicht

klassische Festplatte
Bilder einer PC-Platte am Atari-ST
Schnittstellen und Maße
Solid state disk
M.2 Standard
Empfehlung zu nicht flüchtigen Speicher
Windows Umzug: Von der Festplatte zur SSD auf extra Seite
Quellen

klassische Festplatte

🖫 ist meist das Symbol für ein Speichermedium. 🖫
Um magnetische Daten auf rotierenden Scheiben schreiben zu können,
müssen die Daten in einen seriellen Datenstrom umgewandelt werden.
Des weiteren dürfen nicht zu viele Einsen oder Nullen in Folge auftreten,
denn aufgrund von Drehzahlschwankungen
kann ich sonst nicht mehr die richtige Anzahl an Bits rekonstruieren.
Aus Taktrückgewinnungs-Gründen → Taktbit
wurden die magnetischen Informationen kodiert.
Desweiteren bemüht man sich so wenig Flußwechsel wie möglich durchzuführen,
da nur eine bestimmte Anzahl an Wechsel je Länge/Umfang möglich ist.

MFM Kodierung

1 → x_t = 1; x_t-1 = 0
0 → x_t = 0; x_t-1 = NOT (x_t-2 OR x_t-3)

Eine Möglichkeit der Kodierung ist die MFM - Modified Frequency Modulation.
Die Datenbits werden von links nach rechts in MFM-Bits umgewandelt.
Jede 1 führt zum Wechsel des Magnetfeldes beziehungsweise der Flußrichtung.
Beim Lesen der Platte erzeugt jeder Flußwechsel einen Spannungs-Impuls.

Nr.	0 1	2 3	4 5	6 7	8 9	10 11	12 13	14 15	16 17	18 19	20 21	22 23
In	1	0	0	0	1	0	1	1	1	0	0	1
MFM	0 1	0 0	1 0	1 0	0 1	0 0	0 1	0 1	0 1	0 0	1 0	0 1
Fluß	N S	S S	N N	S S	S N	N N	N S	S N	N S	S S	N N	N S

Man kann aus obiger Tabelle sehen, das etwa doppelt so viele MFM Bits benötigt werden
als in der Ursprungsinformation enthalten ist.
Bei Eins gibt es stehts einen Flußwechsel.
Wird nur eine Null von Einsen umschlossen, spare ich mir einen Flußwechsel.
Das kommt bei den Zahlen 0 - 255 hintereinander geschrieben 206 mal vor.
Also 1 - 206 / 2⁸⁺³ Bits ≈ 0,899 Flußwechsel/Bit
MFM wurde z.B. bei Disketten verwendet.

RLL Kodierung

Bei Festplatten hat sich relativ schnell
ein etwas aufwändigeres Verfahren etabliert.
Bei der sogenannten Lauflängen-Kodierung wird die Anzahl der 0-Bits limitiert.
Z. B. bei RLL 2,7 - run length limited sind 2 bis 7 0-Bits erlaubt.
Es dürfen also maximal 4 vor und maximal 3 Nullen nach einer 1 vorkommen.
Die Kodierung erfolgt über eine statische Tabelle.

Daten Bits	RLL 2,7	RLL Bits	1 /Bits	Wahrscheinl.
10	0100	4/2	1/4	1/4
11	1000	4/2	1/4	1/4
000	000100	6/3	1/6	1/8
010	100100	6/3	2/6	1/8
011	001000	6/3	1/6	1/8
0010	00100100	8/4	2/8	1/16
0011	00001000	8/4	1/8	1/16

Durchschnitt		2	0,232	1

Der gebräuchlichste RLL 2,7 ist also wesentlich effektiver als MFM Kodierung,
da je Bit wesentlich weniger Flußwechsel nötig sind.
Somit lassen sich nur durch Änderung der Kodierung ohne Sicherheitseinbußen
mehr Bits auf gleichen Raum speichern.

Schon relativ früh hat sich bei der Größenangabe von Festplatten eine Unart etabliert.
Durch Umdefinition wird mehr Speicher suggeriert, als tatsächlich vorhanden ist.
So wird z.B. 1 MB = 1.000.000 Bytes geschrieben, was vergleichbar ist,
als ob ich auf eine 1 L Milchtüte schreiben würde, es sind nur 954 ml enthalten.
Bei 1 GB kommen dann entsprechend 93% heraus und bei 1 TB sind es schon 91%.
Von der Computer fremden Bezeichnung GiB halte ich überhaupt nichts.
1 GB resultiert aus 2³⁰ Bytes, also 30 nötige Adressleitungen zur Ansteuerung jedes Bytes = 2³ Bits.

CMR & SMR

Normalerweise sind die Spuren (konzentische Kreise auf der Festplattenscheibe) so weit voneinander entfernt,
dass keine Beeinflussungen stattfinden. → CMR - Conventional Magnetic Recording
Um bei Consumer Produkten noch mehr Daten speichern zu können,
wurde neuerdings der Abstand so weit reduziert, das eine Beinflussung stattfindet
→ SMR - Shingled Magnetic Recording
Das hat zur Folge das die Betroffenen Gebiete erneut geschrieben werden müssen,
was zusätzliche Zeit kostet und zusätzlichen Verscheiß und geringere Datensicherheit bedeutet.
Natürlich versuchte man so etwas zu nächst nicht zu erwähnen.
Das fällt aber beim Schreiben größerer Datenmengen sofort auf und findet man daher im Internet.
Daher würde ich darauf achten nur CMR-Platten zu kaufen.

NAS Festplatten Beispiele

Händler Preis Datum	€ / TB Speicher Cache Rec.	Durchsatz MTBF Verbrauch dB	Workload Fehler Upm SATA	Bezeichnung Notizen
minfactory 99 +8,99 20.7.21 ama 104,90 21.7.21 notebooksbi 101,90 +3,99 21.7.21 reichelt 102 +5,95 21.7.21	26,50 4000 GB 64 MB CMR	180 MB/s 1E6 4,0 … 4,8 W 25 dB	180 TB/Jahr 1e-14 5900 U/min	4TB Seagate IronWolf ST4000VN008 256MB 3.5" (8.9cm) SATA
minfactory 168,95 22.3.26 cyberport 159,69 +6,99 22.3.26	42,24 4000 GB 256 MB CMR	202 MB/s 1E6 4,0 … 4,8 W 27 dB	180 TB/Jahr 1e-14 5400 U/min SATA 600	Seagate IronWolf ST4000VN006 20,2 mm hoch
notebooksbi 172,86 21.7.21 reichelt 194 21.7.21 mindf 172,81 21.7.21 mindf 257,29 22.7.21 mindfactory 168 09.11.21	28,00 6000 GB 256 MB CMR	190 MB/s 1E6 0,25…5,3 W 26 dB	180 TB/Jahr 1e-14 5400 U/min	Seagate IronWolf ST6000VN001 von 2019
mindfactory 177 09.11.21	29,50 6000 GB 256 MB CMR	- 2E6 6…12 W -	- 1e-15 7200 U/min	ST6000NM021A 256MB 3.5" 6000GB Seagate Exos E 7E8 commercial Serverplatte 1e-15
reichelt 189,90 21.7.21	31,50 6000 GB 128 MB CMR	241 MB/s 1E6 …6,7 W 30 dB	180 TB/Jahr - 7200 U/min	HDWN160EZSTA (Retail) HDWN160UZSVA (Bulk) Toshiba N300 – NAS 241 MB/s, ohne Fehlerrate
mindfactory 144 09.11.21	24,00 6000 GB 256 MB SMR	180 MB/s 1E6 0,6…4,8 W 27 dB	180 TB/Jahr 1e-14 5400 U/min	WD60EFAX 256MB 3.5" 6000GB WD Red günstig aber leider SMR
rechelt 168,90 21.7.21 mindfac 163 22.7.21	27,17 6000 GB 128 MB CMR	185 MB/s 1E6 0,4 … 6,2 W 25 dB	180 TB/Jahr - 5640 U/min	WD Red Plus (2021) WD60EFZX ohne Fehlerrate
minfactory 302,04 22.3.26	37,76 8 TB 256 MB CMR Air	202 MB/s 1E6 0,3 … 3,4 W 27 dB	180 TB/Jahr 1e-15 5400 U/min SATA 600	8 TB Seagate IronWolf NAS HDD ST8000VN002 256MB 3.5" (8.9cm) 26,11 mm hoch
minfactory 353,33 22.3.26	35,30 10 TB 256 MB CMR Air	210 MB/s 1E6 1,0 … 7,8 W 32 dB	180 TB/Jahr 1e-15 7200 U/min SATA 600	10 TB Seagate IronWolf NAS HDD ST10000VN000 3.5" (8.9cm) 26,11 mm hoch

Die Preise vor ca. 6 Jahren waren offensichtlich günstig.

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Bilder einer PC-Platte am Atari-ST

Anbei ein paar Bilder einer RRL-Platte, welche mit einen Omti-Controller angesteuert wird.
Über eine kleine c't Platine wird das für einen Atari-ST tauglich.

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Schnittstellen

IDE - Integrated Drive Electronics wird später zum AT Bus Attachment.
Ist ein Art abgespeckte 16 Bit ISA Bus Schnittstelle.
Die Daten werden übertragen über ein Flachbandkabel mit 40 poligen Buchsenleisten.
→ programmed input/output PIO Mode 0 mit max. 3,3 MB/s wird direkt von der CPU bedient.
ATA-1 1986 → parallel ATA (im Vergleich zu SATA)
Einführung von PIO 1, 2 bis max. 8,1 MB/s und single word DMA Mode 0, 1, 2 bis max. 8,3 MB/s
Adressraum ist auf 28 Bit logical block addressing LBA erweitert → 128 GB
ATA-2 1996 nicht nur für HD, sondern nun auch für CD, Zip drive, Floppy möglich.
PIO 3, 4 bis max. 16,7 MB/s, multi word DMA 1, 2 bis max. 16,7 MB/s
Bis ATA-3 gibt es nur einen Befehl zur Zeit, der erst abgeschlossen sein muss, bis nächster bearbeitet wird.
Einführung von S.M.A.R.T. - Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology
ATA-4 Einführung des Ultra DMA Mode 0, 1, 2 bzw. 16 - 33,3 MB/s = UDMA/33
Einführung von tagged command queuing - TCQ
ATA-5 UDAM/66 oder Ultra DMA 3, 4 bis 66,7 MB/s
Ultra ATA oder ATA-6 2002 mit 48 Bit LBA Adressraum → 128 Peta Bytes
UDMA/100 oder UDMA 5 bis 100 MB/s
SATA 2003 serial ATA Rev. 1.0 oder SATA-300 1,5 GBits/s &aprox; 140 MB/s
Je Richtung ein differentielles LVDS -Signal in 8b/10b Kodierung zur Taktrückgewinnung und Gleichspannungsfreiheit.
1 lane Transmit A+ A- 1 lane Receive B+ B- Power 3,3 V, 5 V, 12 V
2004 SATA 2.0 oder SATA-300 3 GBits/s ≈ 270 MB/s
Mit mechanischer Verriegelung
2009 SATA 3.0 oder SATA-600 6 GBits/s ≈ 550 MB/s
NCQ - native command queuing eingeführt
2011 SATA 3.1 6 GBits/s Trim command
4x PCIe 2.0 20 Gbits/ s
4x PCIe 3.0 32 Gbits/s
4x PCIe 4.0 64 Gbits/s

Mechanische Abmessungen

Manchmal ist es hilfreich die Dokumenten-Namen zu kennen.
Form factor 3.5 inch SFF-8301
Form factor 3.5 inch SFF-8323 SATA connector
Form factor 2.5 inch SFF-8201
Form factor 2.5 inch

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Solid State Disk

Noch unbearbeitet:
IOPS - wieviele Ein- und Ausgabe-Befehle je Sekunde TBW - Total Bytes Written 25 50 75 µs 1e5 5000 1000 write cycles SATA, PCIe EPROM mit UV-Licht der Wellenlänge 2537 A EEPROM 100k bei PIC 12F1840 Flash 100k write cycles NAND Flash 1E6 write cycles SST39SF010A-70 128 K x 8 NOR-Flash 100k write cycles SST25WF040B 4Mbit 1,8 V SPI serial flash 100k write cycles wear-leveling - EPROM, EEPROM, Flash SLC - single level cell 1 Bit/cell MLC - multi-level cell 2 Bits/cell TLC - triple-level cell 3 Bits/cell? QLC - quad-level cell 4 Bits/cell? PLC - pent 3D NAND

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M.2 Standard

Urspünglich wurde dieser Formfaktor NGFF - Next Generation Form Factor bezeichnet
und wurde ca. 2012 eingeführt und dient nicht nur als Speicher-Interface.
Um Abwärtskompatibilität zu gewährleisten,
wird auch die 6 Gbit/s SATA3-Schnittstelle via AHCI unterstützt.
Werden die bis zu 4 PCIe Lanes verwendet,
kann das NVMe - Non-Volatile Memory Express Protokoll verwendet werden.
Hier sind bei 4x PCIe 3.0 bis zu 32 GBits/s möglich.
PCIe 4.0 verdoppelt bzw. PCIe 5.0 vervierfacht diese Datenrate.
Die unterschiedlich unterstützten Interfaces kann man an der Key ID erkennen.
Wobei als Massenspeicher primär Key B und M interessant ist.

Key ID	Pin Lücke Pins davor	Funktion
A	8 - 15	2x PCIe (1x mit NVMe, 1x ohne), USB, I²C, 4x DP
B	12 - 19 6 Pins	2x PCIe mit NVMe, 2x SATA, USB, PCM, UART, I²C, SMBus
E	16 - 23	2x PCIe mit NVMe, USB, PCM, UART, IC
M	59 - 66 5 Pins	4x PCIe mit NVMe, SATA, SMBus

Die M.2 Karte gibt es in verschiedenen Längen und Breiten.
Die gebräuchlichen Maße habe ich wieder Fett dargestellt.
Breite [mm] 12, 20, 22, 25, 28, 30
Länge [mm] 16, 20, 24, 26, 28, 30, 42, 60, 80, 110
Die nur 0,8 mm dicke Platine ist nur für 60 Steckzyklen ausgelegt
und sie ist nicht hot-pluggable!

Die Maße spiegeln sich häufig, aber nicht immer, in der Bezeichnung nieder.
z.B. 1TB Kingston NV3 M.2 2280 PCIe 4.0 3D-NAND QLC (SNV3S/1000G) → 22x80 mm
z.B. 1TB Samsung 990 PRO M.2 PCIe 4. 3D-NAND TLC (MZ-V9P1T0BW)

M2 PCIe SSD Beispiele

Händler Preis Datum	€ / TB Speicher RD MB/s WR MB/s	Verbrauch MTBF RD IOPS 4k WR IOPS 4k	Workload Controller SLC MLC TLC PCIe Ver.	Bezeichnung Notizen
129,- Mindfactory 04.10.19 119,90 Mind 02.11.19 126,49 Mind. 15.11.19	125 960 GB 3480 MB/s 3000 MB/s	9,6 W 1,8E6 610 570	1,7 PBW Phison PS5012-E12 3D-NAND TLC 4x PCIe 3.0	Corsair Force Series MP510 CSSD-F960GBMP510
164,85 Mindfactory 169,90 Amazon 18.06.18 174,50 Reichelt 161,89 Mindf 28.06.18 102,51 Mind 02.11.19 99,30 Mind. 15.11.19	198 500 GB 3400 MB/s 2300 MB/s	10 W 5,7 W 1,5E6 450 370	300 TBW Samsung Phoenix 3D-NAND TLC 4x PCIe 3.0	Samsung 970 Evo M.2 2280 MZ-V7E500BW
107,90 Mindfactory 23.3.22 112,95 Reichelt 23.3.22 109 Mindf 15.04.22 114,90 Mindf 29.04.22	108 1 TB 3500 MB/s 3300 MB/s	6 W 1,5E6 ? 550	600 TBW Phoenix S4LR020 3D-NAND TLC 4x PCIe 3.0	ssd-tester.de Samsung 970 Evo Plus MZ-V7S1T0BW
189 Mindf 22.03.26 179 ama 22.3.26	189 1 TB 7450 MB/s 6900 MB/s	5,4 W 1,5E6 1200 k 1150 k	600 TBW Pascal S4LV008 3D-NAND TLC 4x PCIe 4.0	ssd-tester.de 1TB Samsung 990 PRO M.2 2280 (MZ-V9P1T0BW) 1 GB DDR4 Cache 5 Jahre Garantie

Auch wenn der Vergleich etwas hinkt, da eine PCIe 3.0 SSD mit einer PCIe 4.0 SSD verglichen wird,
so kommt man März 2026 / März 2022 auf einen 1,75 fachen Preis.
Also zur Zeit ist keine Zeit um SSDs oder Festplatten zu kaufen.

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Empfehlung zu nicht flüchtigen Speicher: SSD, Harddisk

Aufgrund der Geschwindigkeitsvergleiche zwischen CPU - RAM - SSD und HD,
kann man ein paar Prioritäten ableiten.

Wenn nur eine Platte möglich ist, wie z.B. bei Laptops,
so sollte das möglichst eine SSD - Solid State Disk (Halbleiter-Speicher) sein.
Gerade bei Laptops ist die verbaute 2,5" Festplatte eklatant langsamer als eine SSD.
Habe ich bei der SSD die Wahl zwischen einer PCIe (nur bei M.2)
oder einer SATA-Schnittstelle (M.2 oder 2,5"),
bevorzuge ich natürlich die wesentlich performantere 4x PCIe-Schnittstelle.
Habe ich verschiedene SSD's in die engere Wahl gezogen
(Schreib Performance: > 300 IOPS, > 2000 MByte/s; > 300 TBW Haltbarkeit; < 15ct / GB ),
fällt auf, das die größeren Modelle einer Serie meist bessere Daten haben.
Bei einer klassischen Festplatte - HD - Hard Disk (feste rotierende Scheiben, im Vergleich zur Floppy Disk)
bevorzuge ich eine etwas teurere und etwas langsamere 3,5" NAS-Platte (Network Attached Storage)
welche für 24x7 h (rund um die Uhr = Dauerbetrieb) ausgelegt ist.
Passen die Daten nicht mehr auf eine bezahlbare SSD,
speichere ich auf der SSD nur die Betriebssysteme inclusive der Anwendungen & Swap-Partition.
Auf die HD kommen dann die übrigen Daten,
wie Musik, Videos, Bilder, Texte, Diagramme, Dokumente, etc.
Die Linux Swap-Partition ist vergleichbar mit der Windows Auslagerungsdatei.

Neben der Technologie-Frage gibt es noch die Größen-Frage.
Daher ein paar Erfahrungswerte aktueller Betriebssysteme incl. Applikationen.

36 GB Win10 abgespeckt mit zusätzlich WSUS offline Update, AcrobatReader,
Steuersparerklärung, GarminExpress, Firefox, LTspice, PolarFlowSync, IrfanView
Aufzählung in absteigender Reihenfolge des Verbrauches...
35 GB Mint18 abgespeckt mit zusätzlich KiCad, MPLAB, Pure-Basic, FreeCAD
15 GB Mint22 abgespeckt, mit FreeCAD
9 GB DEB 9 +Swap Partition in der Std. Konfiguration (LibreOffice, PDF-Reader, etc.);
KiCad, FreeCad, Firefox, FileZilla, Thunderbird, Wireshark,
Audacity, vlc, Gparted, VirtualBox, Galculator, Krusader, etc.
11 GB DEB 10 mit xfce; Swap excl., frisch installiert, ohne weitere Gewürze ;-)
7 GB DEB 12 mit xfce; Swap excl., ohne Libre Office, parole, xfburn (Datei-Server)
11 GB DEB 13 frisch installiert via Calamares

Je nach Applikation unterschiedliche Konfiguration:

Für einen 24x7 Web-Server, würde ich versuchen nur mit einer 120 GB SSD auszukommen
um keine bewegten Teile zu haben und den Verbrauch zu minimieren.
Bei einen Backup-Rechner würde ich nur eine 4 TB NAS-Platte einbauen,
auch wenn die Performance ohne SSD schlechter ist.
Ebenso würde eine "Samba-Platte" aussehen.
Sprich: Ein Rechner mit Linux und Samba, stellt eine Windows-lesbare Netzwerkplatte dar.
Siehe z.B. pcwelt.de Netzwerkplatte mit Samba.
Ein dlna-Server zum Streamen von Musik und Video kann man ebenso realisieren.
Siehe z.B. tuxbyte.com Streaming mit minidlan (auf einem Raspberry) .
Bei einem Desktop-Rechner würde ich beides (480 GB SSD & 3 TB HD) einbauen
um zum Einen einen schnellen Zugriff aufs Betriebssystem und Programme zu haben
und zum Anderen eine HD um die Datenmengen handhaben zu können.

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Quellen

tiffe.de Prinzip der magnetischen Aufzeichnung pdf
gernoth.net Die Festplatte pdf
bugaco.com Seagate date code calculator
pc4u.org Home/Review/Best SSD 2018 (SATA, mSATA, M.2)
techtarget.com NAND flash memory

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