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Ausgabe Experten-Wissen 2017 CPU-Grundlagen SSD, NAS, Mainboard erklärt Multimedia-Standards Schnelles WLAN für alle Tests und Beratung Premium-Notebooks Mini-PCs 4K-Monitore
Grafikkarten ctspecial.de Festplatten und SSDs www. Praxis-Lösungen Mini-PC lüfterlos umbauen Umzug zur SSD PC clever aufrüsten Technik optimal einsetzen
Editorial
Lieber Leser, als technische Instanz in Familie und Freundeskreis kennen Sie die regelmäßigen Fragen nach Beratung und praktischer Problemlösung. Neue Standards, gestiegene Anforderungen an die Hardware und Verschleiß haben aus der vormals neuen Technik der Lieben Elektroschrott gemacht. In diesem Heft zeigen wir wichtige Hardware-Entwicklungen des Jahres. Der c’t Hardware-Guide 2017 bringt Ihnen die aktuellen Trends nahe und erklärt relevante Technik aus Festplatten, SSDs und Router. Dazu lichten wir den Dschungel der Standards und erklären, welche Tücken im Bereich 4K und HDR lauern. In unserem Testbereich haben wir Geräte von Mainboard bis Mini-PC, Riesen- Festplatte bis SSD und Grafikkarte bis 4K-Monitor unter die Lupe genommen. Dazu stellen wir Ihnen auf mehr als 20 Seiten Windows-Notebook-Alternativen zum MacBook vor. Zum Schluss erfahren Sie, wie Sie neue Hardware auswählen, um bestehende Systeme aufzurüsten und dabei Probleme zu vermeiden. So zeigen wir anschau- lich, wie Sie von der Festplatte auf eine schnelle SSD umsteigen, wie Sie Ihr System für 150 Euro clever aufrüsten und welche Besonderheiten beim Upgrade von Notebooks und Mini-PCs zu beachten sind.
Thomas Hoffmann
c’t Hardware-Guide 2017 3 Inhalt INHALT
Know-how und Test Beratung Bei all den Neuvorstellungen verliert man schnell den Überblick. Wir haben Mainboards, Mini-PCs, Wie funktioniert ein Mainboard? Was befindet Festplatten, SSDs, Grafikkarten, Notebooks und sich in einem NAS? Wie löse ich Hardware- weitere Peripherie getestet. Probleme? Wir geben Antworten und erklären Ihnen anschaulich den Stand der Technik. 44 Sparsame Mainboards für Skylake-Prozessoren 48 Mini-PCs für Büro und Wohnzimmer 6 Aufbau und Funktionsweise von Mainboards 54 Mini-PC-Barebone 8 Energiesparfunktionen moderner Prozessoren 56 Mini-STC-PC MSI Cubi 2 Plus 10 Mini-PCs von HDMI-Stick bis Mini-ITX 58 PC-Barebone Shuttle SZ170R8 14 Der Aufbau moderner Magnetspeicher 60 Helium-gefüllte Festplatten 16 Aufbau und Funktionsweise von SSDs 62 USB-Festplatten mit 8 TByte 18 Die Technik von Netzwerkspeichern 68 SATA- und PCIe-SSDs 20 Moderne WLAN-Router erklärt 72 Terabyte-SSDs für Desktop und Notebook 22 Aufbau einer Grafikkarte 76 2-GHz-Grafikkarten 24 Tools zur Hardware-Diagnose unter Windows 84 Grafikkarten der Serien RX470/480 und GTX 1060 28 So funktionieren farbstarke 10-Bit-Monitore 88 Fünf UHD-Monitore ab 32 Zoll 32 Neue Standards fürs TV 94 Windows -Notebooks vs. MacBook 38 Dolby Vision greift nach der HDR-Krone 106 Premium-Notebooks 118 Dell Inspiron 17 7000 120 WLAN-Router mit Multi-User-MIMO 128 Laser-Farbmultifunktionsgeräte
4 c’t Hardware-Guide 2017 8 6, 16, 18 32 20
94 Selbstbau 48 88 76 Ihre Hardware ist noch nicht komplett veraltet? Wir zeigen Ihnen, wie Sie Ihren PC für 150 Euro 60 clever aufrüsten können. Dazu erfahren Sie, was 152 es beim Umstieg von Festplatte auf SSD zu beachten gilt und wie Sie Notebooks und Mini- 146 PCs auf den Stand der Technik bringen können. 138
138 Desktop-PCs und Notebooks preiswert und gezielt aufrüsten 142 PC-Hauptspeicher vergrößern 144 Flash-Speicher als Systembeschleuniger 146 Windows auf eine SSD umziehen 150 Aufrüsten von Notebooks und Mini-PCs 152 Mini-PC Intel NUC zum lüfterlosen Rechner umbauen
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3 Editorial 4 Inhalt 154 Impressum
c’t Hardware-Guide 2017 5 Know-how und Beratung | Mainboards
Benjamin Benz Aufbau und Funktionsweise von Mainboards
Das Mainboard bildet das Rückgrat eines PC. Es entscheidet über Zuverlässigkeit, Funktionsumfang, Effizienz und Aufrüstpotenzial.
anz unten in Ihrem PC, versteckt hinter wird, residiert er bei Desktop-PCs in einer den alle Partner gemeinsam nutzen. PCIe Kabeln, Laufwerken und Erweiterungs- Fassung. Darauf sitzen dann der Kühlkörper gibt es mit unterschiedlich vielen Lanes res- Gkarten, sitzt das Mainboard. Es verbin- und letztendlich ein Lüfter. Die Fassung gibt pektive unterschiedlicher Slot-Länge. Ferner det den Prozessor mit dem Arbeitsspeicher, vor, welche CPUs passen und auf diesem existieren drei verschiedene Generationen schaufelt Daten aus dem Internet auf den USB- Board funktionieren. und damit letztlich Geschwindigkeiten. Stick und vom Kartenleser auf die Festplatte. Es Tipp: Welche Fassung Ihr Mainboard hat, Faustregel: Eine PCIe-Lane der ersten Gene- sorgt für Rundumton beim Spielen und schickt steht entweder auf der Fassung oder direkt ration wuppt 250 MByte pro Sekunde und bei vielen PCs sogar das Bild aufs Display. Kurz- auf der Platine. Leider verdecken meist Richtung. Jede neue Generation hat diesen um es ist die Hauptschlagader eines modernen Kühlkörper diese Beschriftungen. Einfacher Wert verdoppelt. Die Transferraten parallel PC. Dennoch taucht es im Windows-Gerätema- geht es, wenn Sie die genaue Bezeichnung geschalteter Lanes addieren sich. nager nicht selbst auf – wohl aber all seine Ihrer CPU googeln. Aktuell sind bei Intel Grafikkarten kommen in den ersten PEG- Komponenten. Die wiederum brauchen jeweils LGA1151 und LGA2011v3 sowie bei AMD oder auch PCIe-x16-Slot – der Vorgänger Treiber und können durchaus für den ein oder FM2+ (bald AM4). AGP ist ausgestorben. Der PEG-Slot hängt anderen Hakler verantwortlich sein. bei aktuellen Rechnern mit 16 PCIe-3 0-Lanes PC-Mainboards gibt es in unterschiedlichen Steckplätze direkt an der CPU – schafft also rund 16 Formaten, sprich mit mehr oder weniger Er- GByte/s. Umgekehrt reicht eine einzelne weiterungsmöglichkeiten. Ein sehr gebräuch- Damit der Prozessor flott rechnen kann, PCIe-2.0-Lane mit 0,5 GByte/s gerade so aus, liches Format ist Micro ATX (μATX) mit bis zu braucht er Arbeitsspeicher. Für diesen halten um für einen USB-3.0-Chip nicht zur Bremse 24,4 cm x 24,4 cm Kantenlänge. Das kompak- die meisten Mainboards zwei oder vier DIMM- zu werden. Eine solche Steckkarte wäre also tere Mini-ITX (17 cm x 17 cm) erfordert diverse Slots bereit. Derzeit erfolgt ein Generations- gut in einem x1-Slot untergebracht. Kompromisse, während es umgekehrt für die wechsel von DDR3 auf DDR4. Auf die gefühlte Außerdem gibt es noch Slots der Baulängen zusätzlichen Slots von ATX (30,5 cm x 24,4 cm) Geschwindigkeit hat das aber ähnlich wenig x4 und x8. Die mechanische Länge des Slots kaum noch Bedarf gibt. Alle drei haben diesel- Einfluss wie kleine Unterschiede bei Transfer- sagt aber nicht viel aus, da nicht alle Lanes be- ben Anschlussfelder und Netzteilbuchsen. raten oder Timings. Entscheidend ist hinge- schaltet sein müssen. Umgekehrt funktionieren Auch die Befestigungslöcher sind so platziert, gen die Menge: Weniger als 4 GByte bremsen kurze Karten auch in langen Slots. Bei manchen dass kleine Boards in große Gehäuse passen. den PC aus, 8 GByte sind wünschenswert. Boards teilen sich mehrere Slots auch die Allerdings weichen einige große PC-Hersteller Tipp: Was für Riegel im System stecken, ver- Lanes. Im Zweifellsfall hilft hier nur ein Blick ins von diesen Konventionen ab. rät das kostenlose Diagnose-Programm CPU-Z. Handbuch. Das gilt auch für die Beschaltung Sowohl für Erweiterungskarten als auch der M.2- und SATA-Express-Anschlüsse. Diese CPU-Fassung aufs Mainboard aufgelötete Zusatzchips hat bieten modernen SSDs sowohl SATA- als auch sich PCI Express als Standard-Kommunikati- PCIe-Verbindungen an. Der wichtigste Bewohner des Mainboards ist onsweg etabliert. Dabei handelt es sich um Auf dem Mainboard sitzen noch viele wei- der Prozessor. Während er bei den meisten Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, nicht mehr – tere Chips. Der wichtigste davon ist der Chip- Notebooks und Mini-PCs fest eingelötet wie bei PCI – um einen herkömmlichen Bus, satz oder auch Platform Controller Hub. Er
ATX-Anschlussfeld SPDIF liefert Rundumton eSATA wird Gigabit- an die Heimkinoanlage. durch USB 3.0 Ethernet obsolet.
PS2 (veraltet)
USB 2.0-Ports
HDMI versorgt Display DisplayPort DVI VGA (veraltet) USB 3.0-Ports analoge mit Bild und Ton. Audioanschlüsse
6 c’t Hardware-Guide 2017 Bestandteile eines Mainboards
CPU-Fassung CPU-Stromversorgung (ATX 12V) Gehäuse- und CPU-Lüfter
Steckplätze für Speicherriegel Netzwerkchip CPU-Spannungswandler M.2-Slot (SSD) Stromversorgung Mainboard (ATX Main Power)
USB 3.0 für zwei Frontanschlüsse
Chipsatz mit Kühler
SATA Express
SATA
ATX- Anschlussfeld
PCIe x1 (div. Karten)
PCIe x16 (Grafikkarte) Front- LED und Taster Zusatz-Chip USB 3.1 USB 2.0 für je zwei Frontanschlüsse Super I/O-Chip Steckplatz für TPM Batterie Audio-Chip (Uhr und Einstellungen)
RS-232/COM-Port (veraltet) PCI (veraltet) Audio Front-Anschluss PCIe-Slot (8 Lanes, volle Baulänge) verbindet die CPU mit Laufwerken, Erweite- wandert üblicherweise von der Grafikeinheit Treiber rungsslots und dem Gros der externen An- per HDMI oder DisplayPort zum Receiver. schlüsse. Lediglich Audio- und Ethernet- Trusted Platform Modules (TPM) sind bei Keine andere PC-Komponente braucht so viele Ports haben ihre eigenen Chips. USB 3.0 hat Business-Rechnern und Workstations Stan- verschiedene Treiber wie das Mainboard. Doch längst Einzug in die Chipsätze gehalten, dard, bei Consumer-Geräten nicht vorhan- die meisten davon bringen aktuelle Windows- während das noch recht junge USB 3.1 Gen den und bestenfalls nachrüstbar. Sie dienen Versionen bereits mit. Bei der Installation ist 2 alias Super Speed Plus spezielle Chips er- als sicherer Ablageort für gerätespezifische daher Umsicht geboten. Unser Vorgehen: Zu- fordert. Auf teuren Boards sorgen Zusatz- Schlüssel und liefern so ein Fundament für erst Windows (10) installieren, dann LAN-Trei- chips außerdem für weitere SATA-Ports. Verdongelung von Software oder Festplat- ber von der Webseite des Board-Herstellers Die Audio-Chips auf den Boards haben tenverschlüsselung. Außerdem enthalten sie holen und einspielen. Danach werfen wir die eine Klangqualität erreicht, die vor ein paar Zufallszahlengeneratoren. Update-Funktion an. Sie liefert mittlerweile Jahren noch Soundkarten vorbehalten war – Wer nicht vorhat, seinen PC zu übertak- sehr viele Treiber. Danach schauen wir im Ge- für Brüllwürfel und Kopfhörer allemal ausrei- ten, muss sich um Spannungswandler, spe- rätemanager nach, wo es noch klemmt (Ausru- chend. Interessantes Detail: Mit dem richtigen zielle Kondensatoren oder Marketing-Slo- fezeichen vor den Geräten). Die fehlenden Trei- Treiber können viele Audio-Chips die vorde- gans wie „Ultra Durable“, „Military Class“ ber – typischerweise Audio und Intels RST – ren Kopfhörerausgänge getrennt von den oder „Super Alloy“ und die Anzahl der Wand- holen wir von der Homepage des Mainboard- hinteren Buchsen bespielen – praktisch, wenn ler-Phasen nicht kümmern. Für Stromspar- oder PC-Herstellers. Es gibt keinen Grund, pau- man während des Skype-Gesprächs die Musik füchse gilt für Spannungswandler wie Zu- schal alles von den mitgelieferten Treiber-CDs nicht ausschalten will. Digitaler Rundumton satzchips: Je weniger desto besser. einzuspielen. (ciw) c
c’t Hardware-Guide 2017 7 Know-how und Beratung | Energiesparfunktionen
Christian Hirsch Energiesparfunktionen moderner Prozessoren
Trotz rund 1,7 Milliarden Transistoren kommt eine Quad-Core-CPU mit Intels aktueller Skylake- Architektur bei ruhendem Desktop mit weniger als einem Watt aus. Damit das ohne Einbußen bei der Performance klappt, nutzt der Prozessor fein abgestufte Energiesparmechanismen.
in geübter Zehnfingertipper erreicht der Prozessor das letzte Wort. Ausnahmen Wach auf! in der Minute 300 und mehr Tastatur- bilden die supersparsamen System-on-Chip- Eanschläge. Was für einen Menschen Modelle der Skylake-Architektur Core m und Damit der Prozessorkern bei neuen Arbeits- viel Konzentration erfordert, lässt einen mo- Core i3/i5/i7U mit SpeedShift-Technik, bei aufträgen nach dem Wiederaufwachen nahtlos dernen Prozessor nur müde lächeln. Bei denen der Prozessor die Taktfrequenz selbst- weiterrechnen kann, legt er den kompletten 3 GHz Taktfrequenz absolviert eine CPU zwi- ständig steuert (siehe c’t-Link). Architekturzustand mit allen Registereinträgen schen zwei Tastenanschlägen immer noch Selbst wenn sich alle Kerne im tiefsten Per- in eigens dafür vorgesehenen SRAM-Speicher- 600 Millionen Taktzyklen und langweilt sich formance-Zustand befinden, liegt die Leis- zellen ab. Static RAM hat gegenüber dem beim ansonsten. tungsaufnahme eines einzelnen Desktop-Pro- Arbeitsspeicher verwendeten DRAM den Vor- Leerlaufzeiten machen bei Desktop-PCs zessors nach unseren Messungen bei über teil, dass sein Inhalt nicht periodisch aufge- und Notebooks im Alltag rund 95 Prozent 7 Watt. Hinzu kommen die Wandlerverluste frischt werden muss. der Betriebszeit aus. Um die Energiebilanz zu auf dem Mainboard und im Netzteil sowie der Doch warum gibt es die zahlreichen Zwi- verbessern, reduzieren Chiphersteller nicht Energiebedarf der übrigen Komponenten. schenstufen – die Prozessorkerne könnten mehr nur die Spitzenleistungsaufnahme, Um die Leistungsaufnahme weiter zu drü- doch auch direkt aus dem C0 in den C8 wech- sondern konzentrieren sich vor allem auf den cken, wechseln arbeitslose CPU-Kerne des- seln? Das könnte die Rechenleistung mindern, Energiebedarf während des Nichtstuns. Statt halb in einen der tieferen Schlafzustände. weil das Aufwachen aus tiefen Schlafzustän- mit maximaler Taktfrequenz und Kernspan- Dabei schaltet der Prozessor zunächst das den deutlich länger dauert und zudem mehr nung Däumchen zu drehen, treten bei mo- Taktsignal von arbeitslosen CPU-Kernen ab Energie kostet als aus niedrigen Energiespar- dernen Prozessoren ausgeklügelte Energie- (C1) und reduziert die Kernspannung noch modi. Für den Wechsel zurück aus dem C3- sparfunktionen in Aktion, die den Energiebe- weiter (C1E). Im C3-Zustand (Deep Sleep) Zustand benötigt ein CPU-Kern rund 50 Mi- darf erheblich reduzieren. werden darüber hinaus Level-1- und Level-2- krosekunden, also mehr als das Zehntausend- Caches geleert und der Taktgeber abge- fache im Vergleich zum Wechsel aus C1. Um Schrittchenweise schaltet. Im Endzustand C6 (Deeper Power die L1- und L2-Caches zu füllen, müssen Down) gehen schließlich alle Lichter im CPU- Daten aus dem Level-3-Cache beziehungs- Kern aus: L1- und L2-Caches sind ebenso weise aus dem Arbeitsspeicher geladen wer- Bei den CPU-Kernen klappt das inzwischen vom Strom getrennt wie die Recheneinhei- den. Bei noch tieferen Schlafzuständen ver- sehr gut. In Leerlaufphasen reduzieren sie ten. Die Zustände C7 und C8 unterscheiden längert sich die Aufwachzeit auf mehr als 250 von selbst Taktfrequenz und Spannung und sich beim einzelnen Kern nicht von C6, spie- Mikrosekunden. schalten schrittweise Funktionseinheiten ab. len aber bei den C-States des gesamten Deshalb ist es in vielen Situationen effizien- Das passiert geordnet nach im ACPI-Stan- Chips (Package) eine Rolle. ter, dass der Kern nicht ganz so tief schläft, wie dard (Advanced Configuration and Power In- terface) festgelegten Energiesparzuständen, die auch als C-States bezeichnet werden. Schlafzustände moderner Prozessoren Führt ein CPU-Kern Berechnungen durch, befindet er sich im aktiven Zustand C0. Aber Je tiefer ein Prozessor schläft, desto weniger Strom braucht er. Allerdings verlängert auch dabei sind Taktfrequenz und Spannung sich die Aufwachzeit, zudem kostet das Wiederbefüllen von Caches zusätzliche Energie. nicht unveränderlich, sondern die Prozesso- ren verweilen abhängig vom Arbeitspensum Zustand C0 (aktiv) C3 C6/C7/C8 Package C8 in unterschiedlichen Performance-Zustän- Kernspannung den, den P-States. Diese Funktion heißt bei Taktgeber aus aus aus Intel Speedstep (EIST), bei AMD Cool’n’Quiet. Core-i-Prozessoren der sechsten Genera- L1/L2-Caches geleert geleert aus tion können ihre Taktfrequenz in 100-MHz- L3-Cache aus Schritten zwischen 800 MHz und der höchs- ten Turbo-Frequenz variieren – beim Aufwachzeit aktiv schnellsten Modell Core i7-6700K sind das Leerlauf-Leistungsaufnahme aktiv 4,2 GHz. Über den Wechsel zwischen diesen Energiebedarf beim Aufwachen aktiv Stufen entscheidet in der Regel das Betriebs- system; nur bei den Turbo-Frequenzen hat
8 c’t Hardware-Guide 2017 Energiesparfunktionen | Know-how und Beratung er eigentlich könnte. Dies regelt die Funktion neues Bild berechnet, fällt die Versorgungs- States ins Wanken bringen. Funken ein zicki- „C-State Auto-Demotion“. Dabei wertet die spannung der GPU fast auf Null, was den ges USB-Gerät oder ein schlecht program- CPU aus, wie häufig sie zwischen welchen Energiebedarf bei unserem Testsystem um mierter Treiber permanent die CPU an, verhin- Schlafzuständen gewechselt hat. Gab es 5 Watt reduzierte. dern sie, dass das Prozessor-Package in einen dabei innerhalb kurzer Zeit viele Wechsel zwi- Wie bei einer Kette bestimmt allerdings Schlafzustand wechseln kann. In der Praxis schen C6 und C0, dann schaltet die CPU für auch hier das schwächste Glied, in welchen haben wir beispielsweise festgestellt, dass der die nächste Zeit erst mal nicht tiefer als in C3 Schlafzustand der gesamte Prozessor wech- Standard-AHCI-Treiber von Windows das oder C1 um. Verweilt der Kern wieder länger seln kann. Um etwa in den Package-C-State SATA Link Power Management nicht be- in den Schlafzuständen, stehen auch wieder C3 zu gelangen, müssen sich alle CPU-Kerne herrscht. Nach dem Installieren des RST-Trei- die tieferen C-States zur Verfügung. jeweils im C3- und die GPU im RC6-Zustand bers von Intel (Rapid Storage Technology) befinden. Erst dann schalten sich große Teile sank die Leerlaufleistungsaufnahme auf dem Drumherum des System Agent ab und der Arbeitsspei- Testsystem um 3 Watt ab. cher wechselt in den Self-Refresh. Damit ein Desktop-Rechner mit 10 Watt Bei modernen Quad-Core-Prozessoren neh- Im tieferen Schlafmodi C6 leert der Prozes- oder weniger auskommt, reicht es jedoch men die CPU-Kerne weniger als die Hälfte sor zusätzlich den Level-3-Cache und schaltet nicht aus, dass alle Energiesparfunktionen des der Chipfläche ein. Um den Energiebedarf ihn ab. Alle CPU-Kerne sind dabei vom Strom Prozessors dank passender Treiber und opti- weiter zu senken, müssen folglich die soge- getrennt. Im tiefsten Energiesparzustand C8 maler BIOS-Einstellungen funktionieren. Solch nannten Uncore-Bestandteile wie Grafikein- arbeitet schließlich nur noch die Display-Engi- eine geringe Leistungsaufnahme klappt nur, heiten, System Agent mit PCI Express Root ne, sonst würde der Monitor nur noch wenn Board und Netzteil mit effizienten Span- Hub, Display-Treiberstufen und Speicher- Schwarz zeigen. Der gesamte Prozessor unse- nungswandlern ausgestattet sind. Zusatz- Controller sowie der von allen Komponenten res Testrechners konsumierte in diesem Zu- Chips für Legacy-Schnittstellen wie PCI sowie gemeinsam genutzte Level-3-Cache glei- stand lediglich 0,4 Watt. Mobile Skylake-Pro- für weitere SATA-6G- und USB-3.1-Ports trei- chermaßen Sparfunktionen beherrschen. zessoren der Serien Core i3/5/7-6000U bezie- ben den Energiebedarf ihres Rechners eben- Die GPU kann ebenso wie die CPU-Kerne hungsweise Core m3/5/7-6Y schaffen es in- falls nach oben. Sparsame Boards, mit denen ihre Taktfrequenz und damit die Leistungs- zwischen sogar bis in den C10. Dabei werden sich ein 10-Watt-PC bauen lässt, haben wir auf aufnahme anhand der Auslastung steuern. zusätzlich teilweise die Spannungswandler Seite 44 getestet. (chh) c Den größten Spareffekt bei der Prozessorgra- auf der Hauptplatine abgeschaltet. fik erzielt jedoch der Render-Standby-Modus Schon kleine Störungen können das kom- Neue Stromsparfunktionen von Skylake: RC6. In Leerlaufzeiten, in denen sie kein plexe Zusammenspiel bei den Package-C- ct.de/w4rc Know-how und Beratung | Mini-PCs
Christof Windeck Mini-PCs
Vom winzigen HDMI-Stick bis zum erweiterbaren Mini-ITX-Quader reicht die Vielfalt an Mini-PCs. Die kleinsten machen sich fast unsichtbar, die größten taugen auch für 3D-Spiele. Die Miniaturisierung zwingt jedoch zu Abstrichen, etwa bei den Aufrüstmöglichkeiten.
leiner Rechner, große Leistung: treffen: Die winzigen HDMI-Sticks sind bei- Schrumpfprozess Einem größeren Publikum wurde das spielsweise günstig und manche arbeiten Kvor mehr als zehn Jahren bewusst, als obendrein geräuschlos, sind aber sehr mager Es gibt mehrere Ansätze für besonders Apple den ersten Mac mini zeigte. Seither ist ausgestattet. Umgekehrt bekommt man platzsparende Rechner: Man kann schlicht- die Auswahl an Mini-Computern geradezu mittlerweile die Rechenleistung eines Mittel- weg ein Notebook nehmen oder ein noch explodiert, Intels „Next Units of Computing“ klasse-PC im Volumen von zwei Zigaretten- flacheres Tablet. Sind stationärer Betrieb (NUCs) haben den Trend ab 2012 forciert. schachteln, aber dann wird es teuer und und großes Display gewünscht, kann es Die großen Unterschiede zwischen den unter Last möglicherweise laut. Wer die Mini- auch ein All-in-One-PC sein, bei dem Pro- Rechenzwergen machen es jedoch mittler- Technik versteht, findet das passende Gerät zessor, Grafikchip, RAM und Festplatte un- weile schwer, eine gute Kaufentscheidung zu für seinen individuellen Bedarf. sichtbar im Gehäuse verschwinden. Genau
10 c’t Hardware-Guide 2017 Mini-PCs | Know-how und Beratung wie bei Notebooks kann man die PC-Technik dabei jedoch nicht unabhängig vom Monitor wählen und das Display auch nicht weiter nutzen, wenn der PC-Teil veraltet ist oder aus- fällt. Dann doch lieber Mini-PCs, von denen sich viele an den VESA-Gewindebohrungen hinter Monitoren befestigen lassen. Oder sie verschwinden wie die bereits erwähnten HDMI-Sticks sowieso hinter dem Display. Der Nutzer eines solchen Pseudo-All-in- One-PC kommt allerdings nicht mehr so leicht an den Einschalter oder an USB-Buch- sen heran. Doch das lässt sich lösen: Ersteres per Wake-on-Keyboard oder mit einer Schaltsteckdose, letzteres mit einem USB- Hub, wie er auch in manchen Monitoren ein- gebaut ist. Mit der Größe des PC-Gehäuses schrump- fen nicht bloß die Ausstattung und deren Flexibilität, sondern auch die Performance: Es passen keine großen CPU-Kühler hinein, geschweige denn 3,5-Zoll-Festplatten, PCIe- Erweiterungskarten oder Netzteile – letztere fliegen irgendwo herum und sind manchmal erstaunlich groß im Vergleich zum eigentli- chen Computer. Ein optisches Laufwerk müsste man ebenfalls per USB nachrüsten – die meisten Minis haben keins, weil ihre Ge- Die Neuen und der Urahn: Der silberne Mac mini, der oben auf dem Mini-ITX-Gehäuse häuse zu winzig dafür sind. liegt, wirkt im Vergleich zu aktuellen Mini-PCs wuchtig. Spezial-Rechner mit Kühlrippen Bei den HDMI-Sticks lässt sich intern über- kommen ohne Lüfter aus. haupt nichts um- oder nachrüsten, denn darin stecken bloß anders verpackte Tablet- Chips wie Intels Atom x5-Z8300. 1 bis 4 GByte RAM sowie 8 bis 64 GByte Flash- 4 Zoll. Deshalb spricht Intel auch von „4 x die Gehäuse brauchen genau passende Speicher sind fest verlötet. Zur Erweiterung 4“ (Four-by-Four), manchmal auch von Aussparungen für die jeweils vorhande- müssen ein Micro-SD-Kartenleser und ein bis Ultra-Compact Form Factor (UCFF). Die nen Buchsen. Es gibt sogar unterschiedli- zwei USB-Ports reichen, Letztere nicht immer Mainboards lassen sich nicht zwischen che Netzteilspannungen, 12 oder 19 Volt mit USB-3.0-Geschwindigkeit. Meistens feh- verschiedenen NUCs austauschen, denn sind üblich. len auch Audio-Klinkenbuchsen und Ether- net-Anschlüsse. Mehr Flexibilität bieten die zahlreichen Mini-PCs, die Intels NUC gleichen – einige stellt der Artikel ab Seite 126 vor. Hier ist die CPU zwar auch fest eingelötet und die An- schlussmöglichkeiten sind beschränkt, aber Stick-PC Asus Chromebit mit Chrome OS immerhin passen ein oder zwei Speichermo- dule, WLAN-Kärtchen sowie Notebook-Fest- Eine Besonderheit unter den HDMI-Sticks zige USB-2.0-Buchse bereit. Im Leerlauf kommt platten oder SSDs hinein. Den flachsten mit ARM-SoCs ist der Asus Chromebit, denn der lüfterlose Chromebit inklusive Steckernetz- NUC-Versionen fehlt Platz für 2,5-Zoll-Plat- statt Android läuft darauf Googles Betriebs- teil mit 1,8 Watt aus, mehr als 5 Watt schluckte ten, hier muss es stattdessen eine SSD in system Chrome OS für Cloud-Geräte, das er in unseren Versuchen nie. man von den Chromebooks kennt. Der einer der Kartenbauformen mSATA oder M.2 Die Inbetriebnahme mit einem Google-Ac- Chromebit-B002C kostet 130 Euro und ist sein – die sind immerhin auch schon mit count ist simpel. Das System aktualisiert sich mit dem ARM-SoC Rockchip RK3288C be- 1 TByte zu haben. Vorsicht: M.2-SSDs gibt es automatisch, es gibt sehr wenige Einstellmög- stückt. Der Prozessor ähnelt jenen in Billig- mit verschiedenen Schnittstellen (SATA, PCIe lichkeiten – unbedarfte Nutzer können fast Smartphones: vier Cortex-A17-Kerne mit bis AHCI, PCIe NVMe) und in unterschiedlichen nichts „kaputtspielen“. Webseiten öffnen sich zu 1,8 GHz plus ARM-GPU Mali-T760 inklusi- einigermaßen rasch, anspruchsvolle Cloud- Längen (4,2 bis 11 cm), die nicht jedes Gerät ve Hardware-Decodern für H.264, H.265 Apps wie die Bildbearbeitung brauchen beim verträgt. Bei den billigsten NUC-Typen mit (HEVC) und wohl auch VP9. Die maximale Start einige Sekunden. Die meisten Chromebit- nur einer SO-DIMM-Fassung sind höchstens Bildschirmauflösung beträgt 1920 x Anwendungen laufen im Chrome-Browser. 8 GByte RAM möglich, bei Versionen mit 1200 Pixel. Daten lassen sich auf dem knappen internen zwei Slots für DDR4-RAM können es Das RAM fasst 2 GByte und der eingebaute Speicher ablegen, aber ausgelegt ist Chrome 32 GByte werden. (eMMC-)Flash-Speicher 16 GByte. WLAN- OS für Google Drive und Googles Cloud-Apps. In NUCs und Konsorten stecken oft und Bluetooth-Adapter sind eingebaut, Zum Browsen und für einfache Büroarbeiten quadratische Mainboards mit rund außer dem HDMI-Stecker steht nur eine ein- reicht ein Chromebit aus. 10 Zentimetern Kantenlänge, also rund
c’t Hardware-Guide 2017 11 Know-how und Beratung | Mini-PCs
Die kleinsten PC-Zwerge lassen sich nicht erweitern: Außer CPU sind auch RAM und Flash-Speicher fest verlötet.
Große Zwerge terungen möglich – etwa zwei 2,5-Zoll-Plat- ten und kurzzeitig benötigt wird, etwa für ten. Für eine Grafikkarte reicht der Platz aller- Büroarbeiten. Manche Hersteller bauen Intels NUC-Technik dings nicht. Zotac und Shuttle haben eine ganze in eigene Gehäuse ein, etwa zwecks Passiv- Zentrale Probleme bei modularen, flexibel Reihe ab Werk passiv gekühlter Minis in ihren kühlung. Doch größere Flexibilität bei der konfigurierbaren Mini-Rechnern sind Strom- Sortimenten, einige Zotac-Geräte wurden im Ausstattung bringt das nicht. Wer die benö- versorgung und Kühlung: Oft ist es zu viel Test jedoch recht warm. Intel bestückt seine tigte und trotzdem einen kompakten Rech- oder zu wenig. ASRock legt seinem Mini-STX- NUCs durchweg mit Lüftern, aber es gibt – ner wünschte, musste bisher zu modularen Barebone beispielsweise ein klotziges 90- etwa von Akasa – Umrüst-Gehäuse mit Kühl- Komponenten im Mini-ITX-Format greifen. Watt-Netzteil bei, was Platzbedarf, Gewicht, rippen für Passivkühlung. Das ist etwas Fum- Die wirken im Vergleich zu einem NUC gera- Kosten und vermutlich auch die Leistungs- melarbeit, klappt aber ganz gut. dezu gigantisch: Die Kantenlänge der Boards aufnahme im Leerlauf hochtreibt. Der Platz beträgt hier 17 cm und manche ITX-Gehäuse für einen großen Kühlkörper, der eine 65- Schwachpunkt Grafik sind für interne Netzteile in den Formaten Watt-CPU auch unter längerer Volllast flüs- SFX, TFX oder Flex ATX ausgelegt. terleise kühlen könnte, fehlt wiederum. 3D-Performance ist die Achillesferse der Als Zwischending zwischen NUC und ITX Mancher wünscht sich einen lüfterlosen, Minis. Wer einen NUC neben eine High-End- gibt es nun „5 x 5“ alias Mini-STX auf der also beim Einsatz einer SSD statt Festplatte Grafikkarte stellt, sieht schon an der Baugrö- Basis von Platinen mit 13-Zentimeter-Kanten komplett lautlosen Mini. Doch Passivküh- ße, den riesigen Lüftern und den zahlreichen – siehe Seite 134. Während in der NUC-Klasse lung birgt Tücken: Wird die CPU zu heiß, Stromanschlüssen des 3D-Boliden, wo der ausschließlich fest aufgelötete Mobilprozes- drosselt sie sich, dann sackt auch die Re- Hase im Pfeffer liegt: In kleinen Gehäusen soren stecken, ist Mini-STX für wechselbare chenleistung ab. Das Problem zeigt sich der- lässt sich die für hohe 3D-Performance nöti- Desktop-CPUs gedacht, derzeit konkret für zeit oft bei lüfterlosen Tablet-Notebook-Hy- ge Leistungsaufnahme nicht handhaben. Intel-Skylake-Chips mit maximal 65 Watt briden, bei denen je nach Kühlsystem ein Hier und da gibt es Mini-Rechner mit zusätz- Thermal Design Power (TDP). In puncto Re- Core m3 schneller rennt als ein teurerer Core lichen Grafikchips, aber die sind recht teuer chenleistung pro Euro geht bei Mini-STX da- m7. Fürs spätere Auf- oder Umrüsten ist Pas- und meistens unter Last laut. Wie die Tabelle durch viel mehr, denn schon der 35-Euro- sivkühlung ebenfalls hinderlich und ständig mit den 3DMark-FireStrike-Werten zeigt, Prozessor Celeron G3900 rechnet ähnlich zu große Hitze kann die Lebensdauer einzel- kommt praktisch kein Mini bei der 3D-Leis- schnell wie die deutlich teurere Notebook- ner Komponenten verkürzen. Grundsätzlich tung an einen ATX- oder Mini-ITX-PC heran, CPU Core i3-6100U. Außerdem sind mehr sind Passiv-Minis eher für Einsatzszenarien in dem eine 120-Euro-Grafikkarte wie die Ge- Schnittstellen und etwas mehr interne Erwei- sinnvoll, wo die maximale Performance sel- Force GTX 750 Ti steckt.
CPU-Performance im Vergleich 3D-Leistung im Vergleich
CPU-Typ Kerne Takt Cinebench R15 Single-/Multi-Thread [Punkte] GPU 3DMark FireStrike [Punkte] besser > Basis/Turbo besser > Desktop-PC-Grafikkarten Desktop-PC-Prozessoren Nvidia GeForce GTX 950 5954 Core i7-6700 4 + HT 4,0/4,2 GHz 182/885 Nvidia GeForce GTX 750 Ti 4030 141/522 Core i5-6400 4 2,7/3,3 GHz Notebook-Grafikchips AMD A10-7870K 4 3,9/4,1 GHz 95/321 Nvidia GeForce GTX 960M 3734 Celeron G3900 2 2,8/– GHz 108/218 Nvidia GeForce 930M 1304 Notebook-Prozessoren AMD Radeon R7 M440 1346 149/712 Core i7-6770HQ 4 + HT 2,6/3,5 GHz Integrierte Grafik (IGP) für Desktops Core i5-6200U 2 + HT 2,3/2,8 GHz 105/291 AMD Radeon R7 (A10-7870K) 1628 84/253 Core i3-6100U 2 + HT 2,3/– GHz Integrierte Grafik (IGP) für Notebooks Celeron 3955U 2 2,0/– GHz 85/163 Intel Iris Pro 580 (i7-6770HQ) 1924 Celeron N3150 4 1,6/2,1 GHz 34/126 AMD Radeon R5 (A10-9600P) 1077 Tablet-Prozessor Intel HD 520 (i5-6200U) 919 Atom x5-Z8300 4 1,44/1,84 GHz 28/95 Intel HD (Celeron N3150) 234
12 c’t Hardware-Guide 2017 Mini-PCs | Know-how und Beratung
Übersicht Mini-PC-Bauformen Bauform HDMI-Stick NUC-Klasse Mini-STX Mini-ITX Gehäusevolu- < 0,1 Liter < 1 Liter ca. 2 Liter > 3,5 Liter men Grundfläche ca. 11 cm x 3–5 cm ca. 12 cm x 12 cm ca. 16 cm x 16 cm > 20 cm x 20 cm CPU-Typen Tablet-SoCs: Intel Atom, ARM Atom-Celerons, 15-Watt-Mobilprozessoren Desktop-CPU LGA1151 (Skylake) bis 65 Watt alle (U-Typen) max. RAM 2–4 GByte (aufgelötet) bis 32 GByte (1–2 x SO-DIMM) bis 32 GByte (2 x SO-DIMM) bis 64 GByte und mehr (Serverboards) SSD/Platte 8–64 GByte eMMC (aufgelötet) mind. 1 x M.2 oder mSATA, oft plus 1 x 2,5" M.2 oder mSATA plus 2 x 2,5" bis 4 x 3,5" plus 2 x 2,5" (NAS-Gehäuse) diskrete GPU – – – möglich, onboard oder in größeren Gehäusen (1 x PCIe x16) Preisbereich 50–500 e 130 (Barebone mit CPU)–1000 e ab 150 e (Barebone ohne CPU) ab 120 e (Board plus Gehäuse und Netzteil) Passivkühlung möglich, eher bei ARM-SoCs möglich, Gehäuse dann größer bisher nicht möglich, Spezialgehäuse, GPU schwierig Netzteil intern – – – möglich Betriebssysteme Android, Windows 10, Chrome OS, Linux wählbar wählbar wählbar geeignet für Medien-Streaming, Office-Apps mit sehr mit Atom-Celeron: einfache Aufgaben, Medien- die meisten PC-Anwendungen, auch mit je nach Mainboard, CPU und Grafikkarte wie nor- geringen Ansprüchen, Cloud-Apps Streaming bis Full HD; mit U-Prozessoren: wie höherem Bedarf an Rechenleistung maler PC Business-Notebooks ungeeignet für/ alles, was Rechenleistung, 3D-Beschleunigung, RAM Gaming, Anwendungen mit großem Bedarf an 3D-Spiele, Anwendungen mit großem Bedarf an deutlich größer als andere Minis, Mini-ITX mit Nachteile oder Speicherplatz braucht; nicht erweiterbar RAM oder Massenspeicher Festplattenplatz Platz für Grafikkarte fast schon wie Micro-ATX vˇvorhanden –ˇnichtˇvorhanden k.ˇA.ˇkeineˇAngabe
Besser sieht es in Bezug auf hohe Display- Wie die Tabelle mit CPU-Benchmarks dia-Streaming gut eignet, aber kaum für Text- Auflösungen und 4K-Video-Decoding aus, zeigt, liegen die Mini-PC-Prozessoren bei der verarbeitung & Co. – die Bedienung per Maus auch mit den jüngsten HEVC-(H.265-)Codecs: Rechenleistung weit auseinander. Sofern es und Tastatur ist keine Stärke von Android. Die GPUs der Skylake-Prozessoren können das Budget erlaubt, ist ein Core i5 empfeh- Eine Alternative ist der Asus Chromebit mit damit umgehen und liefern per DisplayPort lenswert: Dank Turbo taktet ein einzelner Google Chrome OS, er kostet aber über 4K-Auflösung mit 60 Hz. Per HDMI klappt das Kern besonders hoch und verarbeitet dabei 100 Euro und fühlt sich auch nicht flinker an hier nicht, dazu ist HDMI 2.0 nötig, was erst auch Single-Thread-Software zügig. Die ist als ein Atom-Stick mit Windows 10. Die Hard- die jüngste AMD-APU-Generation be- leider noch immer weit verbreitet, weshalb ware-Einheiten fürs HEVC-Decoding lassen herrscht – die sich bisher nicht in Minis findet sich Quad-Cores mit schwachen Einzelker- sich unter Windows 10 leicht nutzen und – oder mit Intels kommenden Kaby-Lake- nen oft deutlich langsamer anfühlen. funktionieren auch beim Chromebit, unter CPUs. Bei den aktuellen Versionen der Billig- Die meisten Mini-PCs mit x86- bezie- Linux sind Schwierigkeiten nicht selten. heimer Atom und Celeron N ist 4K zwar hungsweise x86-64-Prozessoren eignen sich möglich, aber mit höchstens 30 Hz, selbst sowohl für Windows als auch für Linux – per DisplayPort. Hier läuft HEVC-Decoding außer den Atom-Sticks mit ihrem exotischen Miniatur-Wunderland nur bis zur 1080p-Auflösung ruckelfrei – bei 32-Bit-UEFI-BIOS. Die viel billigeren HDMI- 4K-Videos hakelt es je nach Kodierprofil Sticks mit ARM-SoCs sind meistens mit An- Die Verkleinerung der PC-Technik fasziniert, manchmal. droid ausgestattet, das sich zwar für Multime- ein HDMI-Stick mit Atom-CPU liefert mehr Rechenleistung als einst ein Pentium 4. Aller- dings sind beide nicht mehr zeitgemäß: Die schwächsten Minis taugen bloß für Einsatz- zwecke, die sehr geringe Anforderungen an die Hardware stellen und sich über lange Intels Core-Wirrwarr Zeit nicht ändern. Wie viele Jahre die winzi- gen Lüfter mancher Kleinrechner durchhal- Core i7, Core i5, Core i3, Core m: Die Buch- Boards. Mobil-Quads gibt es zwar als Core i5 ten, dürfte auch von der Umgebung – Rau- staben und Ziffern von Intels Core-Prozes- und i7, dann hängen aber Buchstaben wie „H“ cher, Staub – abhängen. Auf- und Umrüsten soren suggerieren Orientierung bei der Ein- oder „HQ“ an der Typennummer. lassen sie sich jedenfalls nicht und vermut- schätzung der Rechenleistung. Ein Core i7 lich auch schlecht reparieren. Weitere Verwirrung droht bei Pentiums und ist schneller als ein Core i5, ein i5 schneller Besser sieht es ab der NUC-Klasse aus: Celerons, bei denen es zwei sehr unterschied- als ein i3 – könnte man meinen. So einfach lich leistungsfähige Typenfamilien gibt. Sehr Mit einem gescheiten Prozessor wie dem ist es jedoch bloß dann, wenn man entwe- sparsam und billig, aber auch recht lahm sind 15-Watt-Core-i5 ersetzen diese Kistchen lo- der nur Mobilprozessoren oder nur Desk- die mit N oder J in den Modellbezeichnungen, cker die meisten Büro-PCs. Wie bei flachen top-Prozessoren untereinander vergleicht. etwa der Celeron N3150. Diese Chips sind Notebooks muss man aber auf ein opti- Ob ein bestimmter Chip aber nun für Note- eng mit den Atoms für Tablets verwandt; sches Laufwerk verzichten und die bezahl- books oder Desktops gedacht ist, bekommt deren Rechenwerke schaffen pro Kern und man nicht so einfach heraus. baren Dual-Cores kommen an ihre Gren- Takt zyklus deutlich weniger als die von den zen, wenn etwa größere Mengen an Raw- Vielen Notebook-Käufern ist etwa nicht be- Core-Prozessoren abgeleiteten Celerons und Fotos bearbeitet werden sollen oder Video- wusst, dass in den sparsamen „U“-Mobilver- Pentiums mit den Buchstaben G und U in den schnitt im Pflichtenheft steht. Nur für sionen von Core i7 und i5 stets bloß zwei Typenbezeichnungen – siehe Tabelle. Die PC-Spieler taugen solche Bauformen bisher Kerne stecken – und nicht vier wie bei den „guten“ Celerons und Pentiums haben alle bloß Desktop-Versionen des i5 oder sogar bis zu zwei Kerne. Im Zweifel kennt die Datenbank nicht: Sie stecken sich besser einen Micro- zehn wie bei den teuersten i7 für LGA2011- ark.intel.com Kern-Anzahl und Taktfrequenz. ATX-Rechner mit ordentlicher Grafikkarte zusammen. (ciw) c
c’t Hardware-Guide 2017 13 Know-how und Beratung | Festplatten
Lutz Labs Der Aufbau moderner Magnetspeicher
Wer viele Daten speichern möchte, kommt um eine Festplatte kaum herum: Die magnetischen Datenträger sind pro Terabyte einfach viel günstiger als SSDs. Beim Blick in die Innereien einer Festplatte erläutern wir zudem, welche Tricks die Hersteller zur Kapazitätssteigerung nutzen.
n der grundlegenden Technik von Scheiben noch etwas dünner ausfallen, da Recording herausbringen; Ende 2016 will Festplatten hat sich seit vielen Jah- das dünne Edelgas im Inneren zu weniger Seagate erste Modelle an Pilotkunden auslie- Aren nichts geändert: Mit magneti- Verwirbelungen führt und damit die Kräfte fern. Diese Festplatten arbeiten mit schmale- sierbarem Material beschichtete Scheiben auf die Scheiben sinken. ren Köpfen. Damit die Magnetpartikel den- rotieren, bewegliche Schreib-Lese-Köpfe Maximal sieben Scheiben auf einer ge- noch magnetisierbar sind, heizt man sie magnetisieren punktweise winzige Bereiche meinsamen Achse passen in ein 3,5-Zoll-Ge- durch einen Laser in wenigen Nanosekun- und lesen die so geschriebenen Informatio- häuse, mit Luftfüllung sind es maximal sechs. den vor dem Beschreiben auf rund 450 °C nen wieder aus. Die Fortschritte liegen im Da sie beidseitig beschichtet sind, kommen Grad auf – so reicht die geringere Feldstärke Detail. bis zu 14 Schreib-Lese-Köpfe zum Einsatz, die für die Magnetisierung aus. Die Scheiben rotieren in 3,5-Zoll-Fest- auf einem gemeinsamen Kopfträger in den Bei immer dünneren Spuren wird jedoch platten mit bis zu 7200 U/min. Auf den äu- Plattenstapel hineinragen. In Festplatten mit auch das Lesen der Daten immer schwieri- ßeren Spuren rauschen die Daten also mit geringerer Kapazität setzen die Hersteller ger, die Signale verschwinden im Rauschen. fast 130 km/h an den Schreib-Leseköpfen weniger Scheiben ein. Dagegen setzen die Hersteller Two Dimen- vorbei, bei mit 15.000 U/min rotierenden sional Magnetic Recording (TDMR). Hier 2,5-Zoll-Server-Festplatten sogar mit bis zu Kapazitätssteigerung kommen ein oder zwei zusätzliche Leseköp- 180 km/h. Die Köpfe fliegen auf einem Luft- fe zum Einsatz, die die unerwünschten Sig- polster von weniger als 10 nm Höhe. Würde Aktuell liegt die maximale Kapazität einer nale benachbarter Spuren ausfiltern sollen. ein Kopf die Scheibe berühren, käme es zu einzelnen Magnetscheibe bei rund 1,4 TByte, Weitere kapazitätssteigernde Techniken einem Headcrash; die Festplatte wäre de- die Datenspuren sind etwa 70 nm breit. Da werden bereits erforscht, sind aber noch fekt. Beim Ausschalten werden die Köpfe die Schreibköpfe eine bestimmte magneti- nicht in der Nähe der Serienreife angelangt. auf Rampen gefahren und von den Schei- sche Feldstärke aufbringen müssen, können Dazu gehören Bit Patterned Media (BPM), ben abgehoben. Bei Notebook-Festplatten die Hersteller sie nicht beliebig verkleinern. eine Technik, die mit nichtmagnetischen sorgt ein Beschleunigungssensor zudem Um die Aufzeichnungsdichte und damit Vertiefungen arbeitet, sowie Heat Dot Mag- dafür, dass dies auch bei plötzlichen Lage- die Kapazität weiter zu steigern, greifen die netic Recording (HDMR), eine Kombination änderungen wie einem Sturz passiert. Auf Entwickler zu Tricks [1]. Bereits im Einsatz ist aus BPMR und HAMR. Bis 2025 soll die Kapa- den Scheiben selbst dürfen die Köpfe nicht – neben dem schon erwähnten Helium, das zität einer einzelnen Festplatte damit auf liegenbleiben, da die extrem glatte Oberflä- den Einbau einer weiteren Scheibe erlaubt – 100 TByte steigen. (ll) c che dazu führen würde, dass die Köpfe an ein geändertes Aufzeichnungsverfahren: den Scheiben kleben bleiben und die Platte Beim Shingled Magnetic Recording (SMR) [2] nicht mehr anläuft. werden die einzelnen Spuren leicht überlap- Literatur Die Magnetscheiben bestehen meistens pend geschrieben (wie Dachschindeln, eng- aus einer formstabilen Magnesium- oder lisch Shingle). Da die Leseköpfe etwas [1] Boi Feddern, Streben nach Größerem, Auf- Aluminium-Legierung, WD setzt nach eige- schmaler sind als die Schreibköpfe, lassen zeichnungsverfahren und Speichertechni- nen Angaben in einigen 2,5-Zoll-Festplatten sich die Spuren dennoch wieder auslesen. ken für die Festplatten der Zukunft, auch Glas ein. Sie sind etwa einen Millimeter Solche Platten hat etwa Seagate bereits im c’t 24/13, S. 172 dick, die darauf aufgebrachte Magnetschicht Programm. [2] Lutz Labs, Dicke Brummer, 8-TByte-Fest- nur einen Mikrometer. Bei Festplatten mit Im nächsten Schritt werden die Hersteller platten von HGST und Seagate, c’t 6/15, Helium-Füllung (siehe S. 60) können die wohl Festplatten mit Heat Assisted Magnetic S. 58
14 c’t Hardware-Guide 2017 Festplatten | Know-how und Beratung
Bestandteile einer Festplatte anhand einer WD WD30EFRX
Der komplette Stapel aus Spindel, Befesti- Das Gehäuse einer Festplatte besteht gungsmuttern und Magnetscheiben muss meistens aus einem Aluminium- sehr gut ausgewuchtet sein, damit im Gussteil. Die Ränder werden immer Betrieb möglichst geringe Vibrationen dünner, um möglichst große auftreten. Der den Stapel antreibende Motor Scheiben einzubauen – daher fehlen ist für den größten Teil des Energiebedarfs bei einigen Modellen die mittleren der Festplatte verantwortlich. Gewindebohrungen.
Jede Scheibe einer Festplatte speichert bis zu 1,4 TByte. Die Spuren sind nur rund 70 nm breit; insgesamt befinden sich mehr als 350.000 davon auf Die Schreib- und Lese-Köpfe einer Scheibe. Hochkapazitive fliegen auf einem extrem Festplatten enthalten bis zu dünnen Luftpolster. Sie sieben Scheiben. dürfen die Magnetscheiben im laufenden Betrieb nicht berühren, da es sonst zu einem Headcrash kommt.
Über diese Kunststoff- Die Festplattenköpfe rampen werden die Köpfe sitzen auf einem von den Magnetscheiben gemeinsamen abgehoben, wenn die Kopfträger, den Festplatte herunterfährt, ein extrem fein damit sie nie in den ansteuerbarer Kontakt mit den Scheiben Linearmotor geraten. positioniert.
SATA-Festplatten weisen getrennte Anschlüsse Die Anschlüsse dieses Jumperfeldes für Strom und Daten auf. Bei den in Servern sind nicht standardisiert. Hier lassen üblichen SAS-Festplatten verhindert ein Steg sich hersteller- und modellspezifische zwischen den beiden Steckern den Anschluss Optionen konfigurieren, etwa eine mit SATA-Kabeln. So kann man zwar langsamere Schnittstellengeschwindig- SATA-Festplatten an einen SAS-Controller keit oder ein langsameres Hochfahren, anschließen, aber nicht umgekehrt. um das Netzteil beim Start zu entlasten.
c’t Hardware-Guide 2017 15 Know-how und Beratung | Solid-State Disks
Lutz Labs Aufbau und Funktions - weise von SSDs
SSDs haben Festplatten mit ihren drehenden Magnetscheiben als Massenspeicher abgelöst. Doch was steckt in den kleinen Gehäusen drin und wie funktionieren SSDs überhaupt?
ine SSD besteht aus mindestens zwei Es gibt weltweit nur fünf Flash-Hersteller: eine möglichst große Anzahl an freien Pages Komponenten: Flash-Bausteinen zur Hynix, IMFT (Intel Micron Flash Technologies), bereitzustellen. ESpeicherung der Daten und einem Powerchip, Samsung und Sandisk/Toshiba. Die SSD bekommt nicht unbedingt mit, Controller für deren Verwaltung sowie die Gelegentlich findet man andere Namen auf dass Daten nicht mehr benötigt werden – Anbindung an den PC. Dazu kommen häufig den Chips, Hersteller sind sie dennoch nicht. löscht der Anwender eine Datei, verschwin- DRAM-Cache und ein Puffer-Kondensator, det lediglich der Eintrag im Dateisystem. der im Fall eines Stromausfalls ausreichend Controller Daher teilen moderne Betriebssysteme der Energie zum Speichern der noch im Cache SSD per Trim-Befehl mit, welche Blöcke nicht verbliebenen Daten liefern soll. Um die Verbindung zwischen Speicher-Chips mehr benötigt werden. Die SSD kann da- SSDs für Desktop-Computer und Note- und PC kümmert sich der Controller. Häufig durch ebenfalls aufräumen und weitere freie books haben meistens einen SATA-An- ist es ein Kombiprozessor (System on Chip) Pages bereitstellen. schluss. Server-SSDs mit PCIe-Interface sind mit zwei oder mehr Kernen. Einer kümmert Beim Schreiben erzeugt der Controller prinzipiell ähnlich aufgebaut; einige errei- sich um die Anbindung zum PC, der oder die Prüfsummen und speichert sie mit ab. Stim- chen über PCIe fast die zehnfache Geschwin- anderen um das Flash-Management. men diese beim Lesen nicht mehr, versucht digkeit von SATA. Zudem gibt es vor allem für Da Flash-Speicher zwar schnell gelesen der Controller mit Hilfe von Korrekturmecha- Mobilgeräte SSDs in der Größe einer halben werden kann, beim Beschreiben aber eher nismen die Daten zu korrigieren. Solche Feh- Scheckkarte, die unter den Bezeichnungen langsam ist, nutzt man verschiedene Verfah- ler treten vor allem bei fortschreitender Ab- M.2 und mSATA zu finden sind. ren zur Beschleunigung. Dazu gehören etwa nutzung der SSD auf. ein DRAM-Cache – typisch ist 1 MByte Cache Flash-Speicher lässt sich nicht beliebig oft Flash-Speicher pro GByte Speicherkapazität – sowie eine beschreiben. Aktuell verwenden die Herstel- möglichst große Anzahl von Speicherkanä- ler meistens MLC- oder TLC-Flash-Speicher, SSDs enthalten mindestens einen, meistens len. Damit kann der Controller die zu schrei- der zwei oder drei Bit pro Zelle speichert und jedoch mehrere nichtflüchtige Speicherbau- benden Daten parallel auf mehrere Speicher- durch die fortschreitende Miniaturisierung steine, die ihre Daten auch ohne externe bausteine verteilen. nur wenige tausend Löschzyklen übersteht. Stromversorgung nicht verlieren (NAND- Zu den Verwaltungsaufgaben des Control- Mit bis zu 100ˇ000 Löschzyklen deutlich ro- Flash). Flash-Speicher ist grundsätzlich in lers gehören Garbage Collection, Wear Leve- buster ist SLC-Speicher. Dieser speichert je- Blöcken organisiert, die wiederum in Pages ling, Prüfsummenbildung, Bad-Block-Ma- doch nur ein Bit pro Zelle und ist in der Her- zusammengefasst werden. Blöcke sind meis- nagement und Verschlüsselung. Viele SSDs stellung wesentlich teurer. ten 4 KByte groß, Pages häufig 128 KByte. speichern die Daten prinzipiell verschlüsselt Dem Verschleiß begegnen die Hersteller Der Speicher lässt sich nicht überschrei- ab, auch wenn der Anwender selbst gar kei- mit dem Wear Leveling: Es verteilt die ben, er muss zuvor gelöscht werden. Lö- nen Schlüssel vergeben hat. So dauert das Schreibzugriffe möglichst gleichmäßig auf schen lässt sich jedoch immer nur eine ganze vollständige Rücksetzen der SSD auf den die vielen Milliarden Zellen. Defekter Flash- Page. Damit auch bei gut gefüllter SSD in Werkszustand nur Sekundenbruchteile – man Speicher kommt zwar dennoch vor, aber jedem Fall ausreichend freie Pages zur Verfü- weist die SSD einfach an, ihren internen durch das Overprovisioning steht eine große gung stehen, benutzt der Hersteller einen Schlüssel gegen einen neuen zu tauschen. Anzahl von Reservezellen bereit, um diesen Teil des Speichers für diesen Zweck. Für das Die Garbage Collection läuft meistens im Verlust aufzufangen. sogenannte Overprovisioning reservieren Hintergrund, wenn die SSD gerade wenig zu Außerdem halten SSDs nach unseren Un- die meisten SSDs rund sieben Prozent der tun hat. Sie fasst Blöcke aus nicht vollständig tersuchungen deutlich mehr aus als die Her- Bruttokapazität. belegten Pages zusammen, um so wieder steller versprechen. (ll) c
SSDs in verschiedenen Darreichungsformen: als PCIe-Steckkarte, im 2,5-Zoll-Gehäuse mit SAS-, SATA- oder U.2-Anschluss sowie Speicherkärtchen im M.2- und mSATA- Format.
16 c’t Hardware-Guide 2017