Hdd-schnittstellen Erklärt: Typen, Funktionen Und Entwicklung

Eine Festplattenschnittstelle ist ein Verbindungsstandard, über den die Festplatte mit dem Motherboard eines Computers kommunizieren kann. Eine Schnittstelle legt u.a. fest, wie Daten übertragen werden, wie Befehle verarbeitet werden und wie das Laufwerk mit Strom versorgt wird, damit es korrekt funktioniert. 

Ein Laufwerk benötigt eine standardisierte Schnittstelle, unabhängig davon, wie fortschrittlich seine internen Komponenten sind. Tatsächlich hängt die Effizienz eines Laufwerks weitgehend von der Geschwindigkeit und Leistung der verwendeten Schnittstelle ab. Wenn eine Schnittstelle gut konzipiert ist, sorgt sie für schnelle Datenübertragungsraten, minimale Signalstörungen und eine reibungslose Kommunikation zwischen dem Speicher und dem Betriebssystem . Andererseits kann eine langsame oder veraltete Schnittstelle einen erheblichen Engpass für die Leistung des Laufwerks darstellen.

Gemeinsam genutzte HDD-Schnittstellen

Hier finden Sie eine Übersicht über die Schnittstellen der Laufwerke, die im Laufe der Jahre von den Herstellern standardisiert wurden:

• PATA (Parallel ATA): Eine der frühesten Schnittstellen; inzwischen veraltet.
• SATA (Serial ATA): Eine schnellere und effizientere Schnittstelle, die heute weit verbreitet ist.
• SCSI (Small Computer System Interface): Wird in älteren Unternehmenssystemen verwendet; Vorgänger von SAS.
• SAS (Serial Attached SCSI): Üblich in modernen Unternehmensumgebungen für höhere Leistung.
• NVMe (Non-Volatile Memory Express): Eine moderne Hochgeschwindigkeitsschnittstelle für SSDs.

Wir werden nun untersuchen, wie Schnittstellen funktionieren, um die entscheidende Funktion zu verstehen, die sie erfüllen.

Funktionen der Festplattenschnittstelle

Schnittstellen ermöglichen eine Standardisierung der Konnektivität, indem sie eine universelle Methode zum Anschluss von Speichergeräten an Computer bieten. Eine Schnittstelle für Laufwerke stellt die Kompatibilität zwischen verschiedenen Herstellern sicher, so dass keine proprietären Lösungen mehr erforderlich sind. So kann beispielsweise ein SATA-Laufwerk an jedes SATA-kompatible Motherboard angeschlossen werden, unabhängig von der Marke, die entweder das Motherboard oder die Festplatte hergestellt hat.

Schnittstellen verwalten auch die Datenübertragung und die Ausführung von Befehlen. Sie steuern, wie Daten zwischen einem Laufwerk und dem Speicher der CPU (RAM) übertragen werden. Die Schnittstelle verarbeitet alle Lese- und Schreibanfragen und sorgt dafür, dass die Daten korrekt abgerufen und gespeichert werden.

Schnittstellen sorgen für Fehlererkennung und Datenintegrität. Eine Festplattenschnittstelle verfügt über Fehlererkennungs- und -korrekturprotokolle, die sicherstellen, dass die Datenübertragung zuverlässig ist. Schnittstellen wie z.B. SATA verwenden den CRC-Algorithmus (Cyclic Redundancy Check), um Fehler bei der Datenübertragung zu korrigieren.

Verschiedene Schnittstellen erfüllen diese Funktionen auf unterschiedliche Weise, was bedeutet, dass einige besser sind als andere. Wir werden dies im nächsten Abschnitt erörtern, in dem wir die Entwicklung der Laufwerk-Schnittstellen untersuchen.

Entwicklung von HDD-Schnittstellen

Die Reise begann in den frühen 1980er Jahren. Der erste Meilenstein in der Entwicklung von Schnittstellen für Festplatten war die ST-506 Festplattenschnittstelle, die 1980 von Shugart Technology (heute Seagate) eingeführt wurde. Sie verwendete ein 20-poliges Kabel für den Datenaustausch, ein 34-poliges Kabel für Steuersignale und eines für die Stromversorgung. Die Datenrate der ST-506 betrug 5 Mbit/s (625 KB/s) mit einer Suchzeit von 85 ms, während ihre aktualisierte Version, die ST412, eine Suchzeit von 30 ms hatte.

Hinweis: Das ST-506 war das erste Laufwerk mit einem 5,25-Zoll-Formfaktor. Die in ihm und dem ST-412 verwendete Schnittstelle wurde zum Standard für Personal Computer und blieb es bis in die frühen 1990er Jahre. 

Der nächste Meilenstein war die Einführung der PATA-Schnittstelle (Parallel Advanced Technology Attachment), die von Western Digital und Compaq eingeführt wurde. PATA sollte ein Industriestandard werden, bei dem sich der Controller des Laufwerks direkt auf dem Laufwerk befindet. Zu diesem Zeitpunkt hatten sich die Übertragungsraten auf bis zu 133 MB/s für ATA-7 verbessert, wofür 80-polige Kabel erforderlich waren. PATA trug maßgeblich dazu bei, dass Laufwerke in Personal Computern bei den Verbrauchern beliebter wurden.

Hinweis: PATA wurde ursprünglich als ATA oder IDE (Integrated Drive Electronics) bezeichnet. In den 1990er Jahren gab es mehrere Aktualisierungen, wie EIDE (ATA-2), ATAPI, ATA-4 und UATA. Erst nach der Einführung von SATA (Serial ATA) im Jahr 2003 wurde es in PATA umbenannt, um den Unterschied in der Konfiguration zu betonen. 

Der nächste Schritt erfolgte 1998, als Fujitsu seine erste Fibre Channel (FC) HDD einführte. Mit Fiber Channel erreichte Fujitsu neue Leistungsniveaus bei den Datenübertragungsraten (bis zu 100 MB/s) für speicherbasierte Laufwerke, die in Rechenzentren eingesetzt werden.

Zur Jahrhundertwende kam die nächste große Veränderung mit der Ankündigung der SATA-Schnittstelle, die versprach, alle Einschränkungen von PATA zu überwinden. Sie bot dünnere serielle Verbindungen anstelle von sperrigen parallelen Kabeln. Die Datenübertragungsraten waren höher als bei PATA. Darüber hinaus bot die SATA-Schnittstelle Funktionen wie Hot-Plug-Unterstützung und Native Command Queuing (NCQ).

Insgesamt konnten die Laufwerke höhere Geschwindigkeiten und Leistungen für die Verbraucher bieten. Im Jahr 2004 war die SATA Revision 2.0 verfügbar, die Datenübertragungsraten von bis zu 300 MB/s bot.

Im Jahr 2004 machte die Branche mit der Einführung von Serial Attached SCSI (SAS) einen weiteren Schritt nach vorn. SAS konnte die hohen Übertragungsraten von SATA imitieren, war aber robuster für die Anforderungen von Laufwerken der Unternehmensklasse und verfügte über zusätzliche Funktionen wie ein robusteres Steuerungsprotokoll, Dual-Port-Konnektivität und bessere Fehlertoleranz.

Die SATA Revision 3.0 wurde 2008 fertiggestellt. Sie erhöhte die Datenraten auf bis zu 6,0 GB/s.

Der nächste große Sprung kam 2011 mit der Einführung der ersten Spezifikation 1.0 von NVM (Non-Volatile Memory Host Responsible) Express. NVMe wurde entwickelt, um die Geschwindigkeit von Flash-Speichern (SSDs) zu optimieren. Es nutzte PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) Lanes, um die Einschränkungen herkömmlicher Schnittstellen zu umgehen. Dies setzte neue Leistungsstandards für Speichergeräte und war ein wichtiger Faktor für die allgemeine Akzeptanz von SSDs als Konkurrenten von HDDs.

Der nächste große Meilenstein in den 2010er Jahren kam 2015 mit Thunderbolt 3, als der USB-C-Anschluss eingeführt wurde. Thunderbolt 3 integrierte PCIe und DisplayPort in eine Schnittstelle. Das Ergebnis war eine Hochgeschwindigkeitsverbindung für externe Festplattenlaufwerke.

*Angaben zur Firma/Organisation

• ANSI: American National Standards Institute (über 1400 Mitglieder)
• IEEE SA: Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association (ca. 500 Mitglieder)
• USB-IF: USB Implementers Forum, Inc. (900+ Mitglieder)
• SATA-IO: SATA International Organisation (57 Mitglieder, 32 Beitragszahler und 4 Sponsoren)
• NVM Express Konsortium (100+ Mitglieder)
• SD Association (ca. 800 Mitglieder)

HDD-Schnittstelle - aktuelle und zukünftige Trends

Heute sind die SATA- und SAS-Schnittstellen die am weitesten verbreiteten und für Hochgeschwindigkeits-SSD-Speicher ist die PCIe-basierte NVMe-Schnittstelle die am häufigsten verwendete. Die Überarbeitungen der SATA-Schnittstelle haben die Übertragungsraten exponentiell verbessert, aber es gibt eine Einschränkung aufgrund der verwendeten Legacy-Architektur. 

Ähnlich verhält es sich mit SAS, das zwar viele Vorteile gegenüber parallelem SCSI bietet, aber dennoch seine Grenzen hat. NVMe wurde speziell für nichtflüchtige Speicher entwickelt und überwindet die meisten dieser Engpässe. Es nutzt das PCIe-Bussystem, wodurch es eine sehr hohe Bandbreite und eine niedrige Latenzzeit bietet. In naher Zukunft werden Upgrades für die PCIe-Versionen erwartet, so dass die NVMe-Schnittstelle wahrscheinlich weiterhin sehr beliebt sein wird.

Seit 1980 haben wir uns von einer Datenübertragungsrate von etwa 5 MB pro Sekunde auf 30+ GB pro Sekunde entwickelt. Schnittstellen werden auch weiterhin ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung der Datenspeicherung sein, denn trotz der Qualität der internen Komponenten des Speichermediums und der Brillanz seiner Architektur ist es die Schnittstelle, die letztlich die Anlieferung des Versprechens einer großen Leistung bestimmt und zur Realität werden lässt.