Жесткий диск что это
Перейти к содержимому

Жесткий диск что это

  • автор:

Устройство и принцип работы жесткого диска. HDD и SSHD под крышкой

Жёсткий диск может хранить в себе большое количество данных, но знаете ли вы как он устроен внутри или принцип его работы? Так вот я вам наглядно покажу.

HDD состоит из двух частей. Корпус, чёрного цвета и прикрытый крышкой, это гермоблок. Плата на обратной стороне, это контроллер. О нём я расскажу чуть позже. А сейчас посмотрим что внутри гермоблока.

Корпус и контроллер HDD

Открыв крышку, сразу бросается в глаза большая блестящая пластина, занимающая большую часть корпуса и зажатая шайбой. Это и есть сам жесткий диск, их кстати может быть несколько расположенных один над другим.

HDD без крышки

Пластины крепятся на шпиндель электромотора, который заставляют их вращаться со скоростью 7200 об/мин, а контроллер поддерживает постоянную скорость вращения при помощи контактов на обратной стороне корпуса, через них же и осуществляется питание. Именно на пластинах хранятся все данные, причём не только пользовательские, но и служебные необходимые самому устройству.

Магнитные пластины

Чем больше пластин, тем больше информации может вместить устройство, а выполнены они обычно из металлических сплавов (хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но они были не долговечны, встречаются даже керамические диски).

Пластины на шпиндельном электромоторе

Покрыты пластины ферромагнитным слоем, который и хранит всю информацию. Этот слой разбивается на сотни тысяч узких дорожек, каждая из дорожек разделена на секторы это позволяет определять, куда записывать и где считывать информацию. А вся карта о секторах и дорожках находится в памяти контроллера.

Разметка диска

Чтобы записать данные, над диском с большой скоростью движется металлический кронштейн, который называется коромысло, на его конце находятся слайдеры с магнитными головками.

Привод и коромысло (актуатор)

Головка проходя над дорожкой намагничивает микроскопическую область на ферромагнитном слое, устанавливая магнитный момент такой ячейки в одно из состояний «0» или «1», а с помощью улавливания магнитного потока происходит считывание информации, когда головка проходит над областью с измененной полярностью, она фиксирует импульс напряжения, этот импульс считывается как единица, а его отсутствие как 0,(каждый такой 0 и 1 называется «бит»).

Магнитные головки над диском с информацией

Считываемые головкой сигналы очень слабы и перед отправкой на контроллер должны проходить через усилитель. Отвечающий за это чип находится сбоку коромысла (preamplifier).

Предусилитель жёсткого диска (preamplifier)

Вся эта конструкция приводится в движение при помощи привода основанном на электромагнетизме. Который называется сервопривод. Он позиционирует коромысло в то место, куда нужно записать или откуда считать информацию и управляется интегральной микросхемой.

Внутри он состоит из двух мощных неодимовых магнитов, катушки и фиксатора. Фиксатор предотвращает какие-либо движения головок в отключённом состоянии и пока шпиндель не наберёт обороты. Всё это важно, потому что от этой конструкции зависит долговечность головок, а от скорости и точности перемещения коромысла зависит время поиска данных на поверхности пластин.

Сервопривод внутри

Интересно ещё то что головка коромысла обычно не соприкасается с дисками, а парит над ними при помощи прослойки набегающего потока воздуха, на расстоянии примерно 10 нанометров от крутящейся пластины, благодаря аэродинамической форме слайдера.

Головки над пластинами

А так как это очень маленькие расстояния, и все детали движутся на огромных скоростях. Внутри корпуса есть циркуляционный фильтр (recirculation filter), он находится на пути потоков воздуха, создаваемый вращением пластин, этот фильтр постоянно собирает и задерживает мельчайшие частицы которые могли бы повредить пластины и хранящуюся на них информацию или вывести из строя магнитную головку.

Циркуляционный фильтр (recirculation filter)

Кроме него, на обратной стороне корпуса и на крышке имеются маленькие, почти незаметное отверстия (breath hole). Они служит для выравнивания давления и прикрыты фильтром (breath filter), которые так же задерживают частицы пыли и влаги.

Breath filter на корпусе и крышке HDD

Внутренности гермоблока мы рассмотрели, давайте теперь вернёмся к контроллеру, так как очень сложная и важная часть жёсткого диска. Эта плата с разъёмами представляет собой интегральную схему, которая синхронизирует работу диска с компьютером и управляет всеми всеми процессами внутри HDD. Перевернув плату, можно увидеть что это целый микрокомпьютер со своим процессором, оперативной и постоянной памятью и есть своя система ввода/вывода.

MSU или SoC

Чип с большим количеством ножек это MCU — контроллер который занимается всеми расчётами и преобразует аналоговый сигнал с головки в цифровой и наоборот. Для ускорения этих операций рядом распаян чип с памятью DDR SDRAM. Который служит в роли буфера для хранения промежуточных данных, которые уже считанны с жесткого диска, но еще не были переданы для дальнейшей обработки, а также для хранения данных, к которым система обращается довольно часто.

DDR память в HDD

Два других крупных чипа это Flash память и её контроллер. Они действует как большой кэш для часто используемых данных, для повышения производительности. Но эти чипы устанавливаются только в гибридных HDD и в большенстве дисков их нет.

(по сути это SSD внутри hdd=SSHD)

Контроллер, Flash память в SSHD

Так же, важным чипом является контроллер управления двигателем и головками VCM controller, так как, он управляет питанием MCU, Блоком магнитных головок внутри гермозоны и двигателем HDD.

VCM Контроллер

Так же на плату устанавливаются датчики вибрации (shock sensor) которые определяет уровень тряски и в случаи высокой интенсивности отправляют сигнал VCM контролеру на корректировку движения головок или на их парковку и выключение HDD.

В действительности, эти датчики плохо работают, так что лучше не трясти и не ронять жёсткий.

Датчик вибрации (shock sensor)

Компоненты HDD мы рассмотрели, давайте теперь свяжем всё это вместе чтобы был понятен сам принцип работы жесткого диска.

При подаче питания на Жёсткий диск, двигатель расположенный внутри корпуса начинает раскручивать шпиндель на котором закреплены магнитные пластины. И пока пластины ещё не набрали обороты, чтобы между головкой коромысла и диском образовалась воздушная подушка, головки запаркованы у шпинделя у центра, чтобы не навредить секторам с информацией и самой головке.

Парковочная зона

Как только обороты достигают нужного уровня, сервопривод (электромагнитный двигатель) приводит в движение коромысло, которое уже позиционируется в то место, откуда нужно считать служебную информацию о состоянии жесткого диска и других необходимых сведениях о нем, эта область со служебной информацией называется нулевой дорожкой. После неё уже считываются все остальные данные хранящиеся на диске.

Магнитная головка над пластиной жёсткого диска

В случае когда питание, резко прекращается, двигатель переходит в режим генератора, и энергия от вращения шпинделей превращается в электрическую энергию, благодаря которой, головки безопасно паркуются и не повреждаются.

Ниже представлю анимированную версию статьи (трёхмерную визуализацию). Может кому-то видео будет интересней.

Как вы видите, жёсткий диск удивительное и сложное инженерное устройство. Надеюсь, что я смог достаточно понятно и подробно представить для вас базовую информацию об его устройстве.

Что такое HDD, жёсткий диск и винчестер?

Жёсткий диск — это постоянное запоминающее устройство компьютера, то есть, его основная функция — долговременное хранение данных. HDD в отличие от оперативной памяти не считается энергозависимой памятью, то есть, после отключения питания от компьютера, а потом как следствие и от жёсткого диска, вся информация, ранее сохранённая на этом накопителе, обязательно сохранится. Получается, что жёсткий диск служит лучшим местом на компьютере для хранения личной информации: файлы, фотографии, документы и видеозаписи, явно будут долго храниться именно на нём, а сохранённую информацию можно будет использовать и в дальнейшем в своих нуждах. Операционная система, чаще всего это именно Windows, тоже устанавливается в раздел жёсткого диска. Сама информация, сохранённая на компьютерном жёстком диске совсем не обязательно должна храниться на нём вечно, а даже наоборот, по мере её ненадобности, HDD нужно от неё очищать, путём её удаления. Распространённые названия жёсткого диска, откуда появилось название «Винчестер».

HDD или HMDD — здесь всё просто, перевод с английского языка — накопитель на жёстких магнитных дисках. Жёсткий диск и почему не мягкий, всё просто внутри жёсткого диска имеются пластины, они твёрдые, примерно в одно время с ним появились дискеты, у этого носителя информации, составляющей частью были гибкие (мягкие) магнитные диски — флоппи. Поэтому смех, вызванный из-за фразы: почему жёсткий диск не мягкий совершенно не обоснованный, разве только у незнающего человека. Само название винчестер ближе уже к профессиональному сленгу, появление данного названия наверняка, не известно, но существует наиболее популярная трактовка.

Что такое жёсткий диск? HDD — это устройство хранения информации по принципу магнитной записи. Информация записывается на пластины, имеющие покрытие ферримагнитным материалом, которые расположены на одной оси. Пластины называют магнитными дисками, а в самом винчестере могут использоваться несколько магнитных пластин. Запись ровно так же, как и чтение осуществляется при помощи частей подвижной считывающей головки. Хорошим и наглядным примером работы HDD будет сравнение с работой граммофона и его пластинками, но в отличие от его иглы, которая соприкасается с грампластинкой, головка жёсткого диска делает свою работу на расстояние. Само расстояние очень мало, что сквозь воздушный зазор могут пройти частицы пыли или даже табачного дыма. По мнению экспертов, в прокуренных и запылённых помещения жёсткие диски выходят из строя гораздо чаще. Головка парит во время работы, а точнее её части для записи и считывания данных, но во время отключения она возвращаются к месту окончанию работы и её же начала, парковочной зоне.

Так же к немаловажной внутренней составляющей жёсткого диска относятся:

Двигатели, предназначенные для вращения магнитных пластин HDD и блок управляющей электроники — руководящий всеми процессами. Для хранения информации HDD форматируют, то есть он разбит на равные дорожки, которые разбиваются на секторы свою очередь образующие кластеры. Необходимо знать, что сам жёсткий диск не герметичен, а герметичен его гермоблок, вскрытие которого непременно приведёт к неработоспособности всего жёсткого диска. Внешние HDD ещё называют переносными, сами по себе такие носители информации являются обыкновенными жёсткими дисками, но в их основе лежит низкое электропотребление, ведь они подключаются к интерфейсам USB и IEEE 1394, а их размеры должны быть наименьшими, это: 1.8

и 2.5 дюйма. Такие переносные устройства чаще всего имеют ударозащитный корпус и выполняют роль мобильный устройств хранения данных. Как же это удобно, когда необходимости взять всю нужную информацию с собой. К гибридным HDD относятся те накопители в состав которой входит флешь память. Такие жёсткие диски можно назвать более быстрыми в обмене данных: при записи и чтение информации.

Основные особенности жёстких дисков.

Существует довольно много особенностей HDD, но для выбора или работы необходимы лишь некоторые:

1. Объём HDD и скорость вращения шпинделя

Размер памяти жёсткого диска — с увеличением размеров информации, требуется место для её хранения, поэтому размер считается одной из важнейших основополагающих HDD. Необходимо понимать, что производители жёстких дисков немного не честны к покупателям, округляя значения размера памяти: 1 килобайт равен 1000 байт, хотя на самом деле 1024 байта, поэтому заявленный размер памяти отличается от того, который имеется на самом деле. Скорость обмена данными зависит от вращения шпинделя, на котором крепятся магнитные пластины с данными, принято считать обороты вращения в минуту: 5400 оборотов в минуту — жёсткие диски с такими оборотами вращения используются чаще всего в некоторых моноблоках и ноутбуках, низкая скорость вращения обуславливает большую вероятность безотказной работы и более низкие энергозатраты, пониженные шумовыделение и тепловыделение. 7200 оборотов в минуту – наибольшее количество компьютерных систем оборудованы именно HDD с такой скоростью вращения шпинделя, более производительны чем винчестеры с более низкой скоростью вращения шпинделя. Так как ПК имеют постоянный источник питания в отличие от ноутбуков, энергопотребление не является главной характеристикой при выборе, но их производительность будет выше при больших оборотах вращения всё того же шпинделя. Такие носители информации являются оптимальными для большинства компьютеров. 10000 и 15000 оборотов в минуту — такие винчестеры имеют наибольшую производительность, но их надежность ставится по сомнение, ведь такие большие обороты вращения обуславливают излишний нагрев пластин, механический износ, повышенное энергопотребление и уровень шума скорее всего будет выше.Существуют и другие скорости вращения, но они не столь популярны чем описанные выше или уже совсем не используются в современных компьютерных системах.

2. Рамер кеш-памяти HDD

Кеш-память (cache memory англ.) работает по принципу оперативной памяти (буфера памяти), используется для хранения часто используемых данных и хранения информации которая пока ещё не передана жёсткому диску, но вот-вот будет на нём. В современных винчестерах кеш-память имеет размер 8, 16, 32 и 64 мегабайта, что обуславливает производительность жёсткого диска, хотя не всегда используется в полной мере, поэтому кеш-память может быть 16 мегабайт, а в работе разницы от памяти 32 мегабайта можно совсем и не заметить.

3. Популярный HDD интерфейсы подключения

Интерфейс необходим для обеспечения взаимодействия HDD и системной платы ПК. ATA/PATA (IDE) — этот параллельный интерфейс служит не только для подключения жёстких дисков, но и устройств для чтения дисков — оптических приводов. Ultra ATA является самым продвинутым представителем стандарта и имеет возможную скорость использования данных информации до 133 мегабайт в секунду. Указанный способ передачи данных считается сильно устаревшим и в

сегодняшние дни используются в устаревших компьютерах, на современных системных платах разъёма IDE уже найти не получится.

Разъёмы HDD sata и питания.

SATA (Serial ATA) – представляет из себя последовательный интерфейс, который стал хорошей заменой для устаревшего PATA и в отличие от него имеется возможность для подключения только одного устройства, но на бюджетных системных платах, имеется несколько разъёмов для подключения. Стандарт подразделяется на ревизии, имеющие разные скорости передачи/обмена данных:

SATA имеет скорость обмена данных возможную до 150 Мб/с. (1.2 Гбит/с);

SATA rev. 2.0 — у данной ревизии скорость обмена данными в сравнение с первым SATA интерфейсом выросла в 2 раза до 300 МБ/с (2,4 Гбит/с);

SATA rev. 3.0 — обмен данных у ревизии стал ещё выше до 6 Гбит/с (600 МБ/с).

Все вышеописанные интерфейсы подключения семейства SATA взаимозаменяемы, но подключив, например, жёсткий диск с интерфейсом SATA 2 в разъём материнской платы SATA, обмен данных с жёстким диском будет проходит на основе самой старшей ревизии, в данном случает SATA ревизии 1.0.

USB (Universal Serial Bus) – этот интерфейс и служит он для обмена/передачи данных с различных подключаемых к компьютеру устройств, в том числе и переносных жёстких дисков. В отличие от работы жесткого диска в других интерфейсах, данный, поддерживает извлечение устройства во время работы ПК, исключая возможность потери уже сохранённой информации. У USB rev 3.0 скорость обмена данных возросла до 380 Мб/с, а это 4,8 Гбит/с.

К другим интерфейсам подключения HDD относятся:

SCSI — стандарт имеющий, а возможно и ещё имеющий применения в серверных версия вычислительных устройств.

SAS — стандарт являющейся заменой SCSI и имеет совместимость со стандартом SATA, но тут важно понимать, что подключить винчестер SATA интерфейса можно нему, но никак не наоборот.

IEEE 1394 (FireWire) — используется для подключения различных устройств мультимедиа и как правило реже для переносных жёстких дисков.

Также существуют такой стандарт как Thunderbolt — возможность обмена данных доступна до 10 Гбит/с, так же возможно единовременное соединение со множеством устройств, при поддержке разных протоколов и горячее отключение.

4. Наиболее популярные форм-факторы жёстких дисков

Технологии постоянно совершенствуются, то же происходит и с жёсткими дисками, и на момент публикации статьи широкое применение имели жёсткие диски с форм-факторами (габаритами) 2.5 и 3.5 дюйма. Фактором для применения является место их установки, в ноутбуке устанавливаются более меньшие по габаритам HDD, а в домашнем компьютере, где размеры не ограничиваются корпусом и энергопотреблением 3.5 дюйма. Так же существуют и другие

размеры винчестеров, но они илу уже устарели, такие как 5.25 и 8 дюймов или еще не получили широкого применения. Для внешних жёстких дисков подойдёт лучше именно HDD с размером корпуса 2.5 или 1.8 дюйма, менее энерготребовательны и более компактны. К особенностям HDD также относятся: время наработки на отказ, ударостойкость и уровень шума.

RAID — это дисковый массив жёсткого диска

Установив в компьютер 2, 4 — несколько HDD, работать они будут независимо друг от друга, но если воспользоваться возможностями RAID, можно обеспечить или более высокую скорость обмена данных или же более высокую надёжность хранения информации, а также существует возможность объединить эти преимущества.

RAID 0 — дисковый массив, служащий для увеличения скорости чтения и записи, позволяет объединить в себе до четырёх жёстких дисков, которые будут являться одним целым пространством, сама информация разбивается на части и записывается на разные винчестеры практически одновременно, поэтому при выходе из строя хотя бы одного HDD, информация может пропасть навсегда. Данный недостаток компенсируется высокой скоростью обмена данных.

RAID 1 — зеркальный дисковый массив, ориентированный на высокую надёжность хранения данных, важно, чтобы пары винчестеров были идентичны, впрочем, как и при RAID 0, ведь после записи информации на одном диске, она дублируется и на других. Здесь уже поломка какого-либо одного жёсткого диска не сможет повлиять на потерю важной информации. Оба массива используются обычно в крупных организациях, в которых важны скорость и высокая надёжность, но лучшим вариантом будет RAID 0 + RAID 1, подходящий как для дублирования информации, так и распределения её по памяти информационных носителей. Для такого массива нужно не мене двух пар идентичных жёстких дисков, и дополнительное охлаждение, что ещё более увеличит уровень шума.

Что такое HDD — в материале статьи описано довольно чёткое понятие этого термина, основы работы и его устройство. Жесткий диск с каждым годом модернизируется и совершенствуется: увеличиваются размеры памяти, понижается энергопотребление и скорость обмена данными так же увеличивается, а хорошим примером служит гибридный винчестер. Альтернативным вариантом для хранения информации на компьютере является твердотельный накопитель, который можно установить на один компьютер вместе с жёстким диском обеспечив преимущества SSD и HDD.

Устройство жёсткого диска

Как выглядит современный жёсткий диск (HDD) внутри? Как его разобрать на части? Как называются части и какие функции в общем механизме хранения информации выполняют? Ответы на эти и другие вопросы можно узнать здесь, ниже. Кроме того, мы покажем связь между русскоязычной и англоязычной терминологиями, описывающими компоненты жёстких дисков.

Для наглядности, разберём 3.5-дюймовый SATA диск. Это будет совершенно новый терабайтник Seagate ST31000333AS. Осмотрим нашего подопытного кролика.

жесткий диск

Зелёная закреплённая винтами пластина с проступающим узором дорожек, разъёмами питания и SATA называется платой электроники или платой управления (Printed Circuit Board, PCB). Она выполняет функции электронного управления работой жёсткого диска. Её работу можно сравнить с укладкой в магнитные отпечатки цифровых данных и распознание обратно по первому требованию. Например, как прилежный писарь с текстами на бумаге. Чёрный алюминиевый корпус и его содержимое называется гермоблоком (Head and Disk Assembly, HDA). В среде специалистов принято называть его «банкой». Сам корпус без содержимого также называют гермоблоком (base).

Теперь снимем печатную плату (понадобиться отвертка «звёздочка» T-6) и изучим размещённые на ней компоненты.

печатная плата

Первым в глаза бросается большой чип, расположенный посередине – Система на кристалле (System On Chip, SOC). В ней можно выделить два крупных составляющих:

  1. Центральный процессор, который производит все вычисления (Central Processor Unit, CPU). Процессор имеет порты ввода-вывода (IO ports) для управления остальными компонентами, расположенными на печатной плате, и передачи данных через SATA-интерфейс.
  2. Канал чтения/записи (read/write channel) – устройство, преобразующее поступающий с головок аналоговый сигнал в цифровые данные во время операции чтения и кодирующий цифровые данные в аналоговый сигнал при записи. Так же выполняет слежение за позиционированием головок. Иными словами, создает магнитные образы при записи и распознает их при чтении.

Чип памяти (memory chip) представляет собой обычную DDR SDRAM память. Объём памяти определяет размер кэша жёсткого диска. На этой печатной плате установлена память Samsung DDR объемом 32 Мб, что в теории даёт диску кэш в 32 Мб (и именно такой объём приводится в технических характеристиках жёсткого диска), но это не совсем верно. Дело в том, что память логически разделена на буферную память (кэш) и память прошивки (firmware). Процессору требуется некоторый объём памяти для загрузки модулей прошивки. Насколько известно, только производитель HGST указывают действительный объём кэша в описании технических характеристик; относительно остальных дисков, о реальном объёме кэша остаётся только гадать. В спецификации ATA составители не стали расширять ограничение, заложенное в ранних версиях, равное 16 мегабайт. Поэтому, программы не могут отобразить объем более максимального.

Следующий чип – контроллер управления шпиндельным двигателем и звуковой катушкой, перемещающий блок головок (Voice Coil Motor and Spindle Motor controller, VCM&SM controller). На жаргоне специалистов – это «крутилка». Кроме того, этот чип управляет вторичными источниками питания, расположенными на плате, от которых питается процессор и микросхема предусилителя-коммутатора (preamplifier, preamp), расположенная в гермоблоке. Это главный потребитель энергии на печатной плате. Он управляет вращением шпинделя и движением головок. Так же при отключении питания переключает останавливающийся двигатель в режим генерации и полученную энергию подает на звуковую катушку для плавной парковки магнитных головок. Ядро VCM-контроллера может работать даже при температуре в 100°C.

Часть программы управления (прошивки) диска хранится во флэш-памяти (на рисунке обозначено: Flash). При подаче питания на диск микроконтроллер загружает сначала маленькое boot-ПЗУ внутри себя, а дальше переписывает содержимое флэш-чипа в память и приступает к исполнению кода уже из ОЗУ. Без корректно загруженного кода, диск даже не пожелает запускать двигатель. Если на плате отсутствует флэш-чип, значит, он встроен в микроконтроллер. На современных дисках (где-то с 2004 года и новее, однако исключение составляют жёсткие диски Samsung и они же с наклейками от Seagate) flash-память содержит таблицы с кодами настроек механики и головок, которые уникальны для данного гермоблока и не подойдут к другому. Поэтому операция «перекинуть контроллер» всегда заканчивается либо тем, что диск «не определяется в BIOS», либо определяется заводским внутренним названием, но все равно доступ к данным не даёт. Для рассматриваемого диска Seagate 7200.11 утрата оригинального содержимого flash-памяти приводит к полной потере доступа к информации, так как подобрать или угадать настройки не получится (во всяком случае, автору такая методика не известна).

На youtube-канале R.Lab есть несколько примеров перестановки платы с перепайкой микросхемы c неисправной платы на исправную:
PC-3000 HDD Toshiba MK2555GSX PCB change
PC-3000 HDD Samsung HD103SJ PCB change

Датчик удара (shock sensor) реагирует на опасную для диска тряску и посылает сигнал об этом контроллеру VCM. Контроллер VCM немедленно паркует головки и может остановить вращение диска. Теоретически, такой механизм должен защищать диск от дополнительных повреждений, но на практике он не работает, так что не роняйте диски. Ещё при падении может заклинить шпиндельный двигатель, но об этом позже. На некоторых дисках датчик вибрации обладает повышенной чувствительностью, реагируя на малейшие механические колебания. Полученные с датчика данные позволяют контроллеру VCM корректировать движение головок. На таких дисках установлено, кроме основного, ещё два дополнительных датчика вибрации. На нашей плате дополнительные датчики не припаяны, но места под них есть — обозначены на рисунке как «Vibration sensor».

На плате имеется ещё одно защитное устройство – ограничитель переходного напряжения (Transient Voltage Suppression, TVS). Он защищает плату от скачков напряжения. При скачке напряжения TVS перегорает, создавая короткое замыкание на землю. На этой плате установлено два TVS, на 5 и 12 вольт.

Электроника для старых дисков была менее интегрированная, и каждая функция была разделена на одну и более микросхем.

Теперь рассмотрим гермоблок.

гермоблок

Под платой находятся контакты мотора и головок. Кроме того, на корпусе диска имеется маленькое, почти незаметное отверстие (breath hole). Оно служит для выравнивания давления. Многие считают, что внутри жёсткого диска находится вакуум. На самом деле это не так. Воздух нужен для аэродинамического взлета головок над поверхностью. Это отверстие позволяет диску выровнять давление внутри и снаружи гермозоны. С внутренней стороны это отверстие прикрыто фильтром (breath filter), который задерживает частицы пыли и влаги.

Теперь заглянем внутрь гермозоны. Снимем крышку диска.

крышка винчестера

Сама крышка не представляет собой ничего интересного. Это просто стальная пластина с резиновой прокладкой для защиты от пыли. Наконец, рассмотрим начинку гермозоны.

гермозона

Информация хранится на дисках, называемых также «блинами», магнитными поверхностями или пластинами (platters). Данные записываются с двух сторон. Но иногда с одной из сторон головка не установлена, либо физически головка присутствует, но отключена на заводе. На фотографии вы видите верхнюю пластину, соответствующую головке с самым большим номером. Пластины изготавливаются из полированного алюминия или стекла и покрываются несколькими слоями различного состава, в том числе ферромагнитным веществом, на котором, собственно, и хранятся данные. Между пластинами, а также над верхней из них, мы видим специальные вставки, называемыми разделителями или сепараторами (dampers or separators). Они нужны для выравнивания потоков воздуха и снижения акустических шумов. Как правило, их изготавливают из алюминия или пластика. Алюминиевые разделители успешнее справляются с охлаждением воздуха внутри гермозоны. Ниже приведен пример модели прохождения потока воздуха внутри гермоблока.

поток воздуха внутри гермоблока

Вид на пластины и сепараторы сбоку.

пластины винчестера

Головки чтения-записи (heads), устанавливаются на концах кронштейнов блока магнитных головок, или БМГ (Head Stack Assembly, HSA). Парковочная зона – это область, в которой должны находиться головки исправного диска, если шпиндель остановлен. У этого диска, парковочная зона расположена ближе к шпинделю, что видно на фотографии.

парковочная зона

На некоторых накопителях, парковка производится на специальных пластиковых парковочных площадках, расположенных за пределами пластин.

специальные парковочные площадки

Парковочная площадка накопителя Western Digital 3.5”

В случае парковки головок внутри пластин для съёма блока магнитных головок нужен специальный инструмент, без него снять БМГ очень сложно без повреждения. Для внешней парковки можно вставить между головками пластиковые трубочки, подходящие по размеру, и вынуть блок. Хотя, и для этого случая так же есть съемники, но они более простой конструкции.

Жёсткий диск – механизм точного позиционирования, и для его нормальной работы требуется очень чистый воздух. В процессе использования внутри жёсткого диска могут образовываться микроскопические частицы металла и смазки. Для немедленной очистки воздуха внутри диска имеется циркуляционный фильтр (recirculation filter). Это высокотехнологичное устройство, которое постоянно собирает и задерживает мельчайшие частицы. Фильтр находится на пути потоков воздуха, создаваемых вращением пластин

циркуляционный фильтр

Теперь снимем верхний магнит и посмотрим, что скрывается под ним.

верхний магнит hdd снимается при восстановлении данных

В жёстких дисках используются очень мощные неодимовые магниты. Эти магниты настолько мощны, что могут поднимать вес в 1300 раз больший их собственного. Так что не стоит класть палец между магнитом и металлом или другим магнитом – удар получится очень чувствительным. На этой фотографии изображены ограничители БМГ. Их задача – ограничить движение головок, оставляя их на поверхности пластин. Ограничители БМГ разных моделей устроены по-разному, но их всегда два, они используются на всех современных жёстких дисках. На нашем накопителе второй ограничитель расположен на нижнем магните.

Вот что можно там увидеть.

катушка винчестера

Ещё мы видим здесь катушку (voice coil), которая является частью блока магнитных головок. Катушка и магниты образуют привод БМГ (Voice Coil Motor, VCM). Привод и блок магнитных головок образуют позиционер (actuator) – устройство, которое перемещает головки.

Чёрная пластиковая деталь сложной формы называется фиксатором (actuator latch). Он бывает двух типов: магнитный и воздушный (air lock). Магнитный работает как простая магнитная защёлка. Высвобождение осуществляется подачей электрического импульса. Воздушная защёлка освобождает БМГ после того, как шпиндельный двигатель наберёт достаточное число оборотов, чтобы давление воздуха отодвинуло фиксатор с пути звуковой катушки. Фиксатор защищает головки от вылета головок в рабочую область. Если по какой-то причине фиксатор со своей функцией не справился (диск уронили или ударили во включенном состоянии), то головки прилипнут к поверхности. Для дисков 3.5“ последующее включение из-за большей мощности мотора просто оторвет головки. А вот у 2.5“ мощность мотора меньше и шансы восстановить данные, высвободив «из плена» родные головки, довольно высоки.

Теперь снимем блок магнитных головок.

блок магнитных головок

Точность и плавность движения БМГ поддерживается прецизионным подшипником. Самая крупная деталь БМГ, изготовленная из алюминиевого сплава, обычно называется кронштейном или коромыслом (arm). На конце коромысла находятся головки на пружинной подвеске (Heads Gimbal Assembly, HGA). Обычно сами головки и коромысла поставляют разные производители. Гибкий кабель (Flexible Printed Circuit, FPC) идёт к контактной площадке, стыкующейся с платой управления.

Рассмотрим составляющие БМГ подробнее.

Катушка, соединенная с кабелем.

катушка жесткого диска

подшипник

На следующей фотографии изображены контакты БМГ.

Прокладка (gasket) обеспечивает герметичность соединения. Таким образом, воздух может попасть внутрь блока с дисками и головками только через отверстие для выравнивания давления. У этого диска контакты покрыты тонким слоем золота для предотвращения окисления. А вот со стороны платы электроники окисление случается частенько, что приводит к неисправности HDD. Удалить окисление с контактов можно стирательной резинкой (eraser).

коромысло

Это классическая конструкция коромысла.

пружинная подвеска

Маленькие чёрные детали на концах пружинных подвесов называют слайдерами (sliders). Многие источники указывают, что слайдеры и головки – это одно и то же. На самом же деле слайдер помогает считывать и писать информацию, поднимая головку над поверхностью магнитных дисков. На современных жёстких дисках головки двигаются на расстоянии 5-10 нанометров от поверхности. Для сравнения: человеческий волос имеет диаметр около 25000 нанометров. Если под слайдер попадёт какая-нибудь частица, это может привести к перегреву головок из-за трения и выходу их из строя, именно поэтому так важна чистота воздуха внутри гермозоны. Ещё попадание пыли может вызвать царапины. От них образуются новые пылинки, но уже магнитные, которые прилипают к магнитному диску и вызывают новые царапины. Это приводит к тому, что диск быстро покрывается царапинами или на жаргоне «запиливается». В таком состоянии ни тонкий магнитный слой, ни магнитные головки уже не работают, и жёсткий диск стучит (клик смерти).

Сами считывающие и записывающие элементы головки находятся на конце слайдера. Они так малы, что разглядеть их можно только в хороший микроскоп. Ниже приведен пример фотографии (справа) через микроскоп и схематическое изображение (слева) взаимного расположения пишущего и читающего элементов головки.

слайдер

Рассмотрим поверхность слайдера поближе.

слайдер

Как видите, поверхность слайдера не плоская, на ней имеются аэродинамические канавки. Они помогают стабилизировать высоту полёта слайдера. Воздух под слайдером образует воздушную подушку (Air Bearing Surface, ABS). Воздушная подушка поддерживает почти параллельный поверхности блина полёт слайдера.

Вот ещё одно изображение слайдера.

слайдер винчестера

Здесь хорошо видны контакты головок.

Это ещё одна важная часть БМГ, которая пока не обсуждалась. Она называется предусилителем (preamplifier, preamp). Предусилитель – это чип, управляющий головками и усиливающий поступающий к ним или от них сигнал.

предусилитель

Предусилитель располагают прямо в БМГ по очень простой причине — сигнал, идущий с головок, очень слаб. На современных дисках он имеет частоту более 1 ГГц. Если вынести предусилитель за пределы гермозоны, такой слабый сигнал сильно затухнет по пути к плате управления. Установить же усилитель прямо на голове нельзя, так как она существенно нагревается во время работы, что делает не возможным работу полупроводникового усилителя, вакуумно-ламповых усилителей таких малых размеров ещё не придумали.

От предусилителя к головкам (справа) ведёт больше дорожек, чем к гермозоне (слева). Дело в том, что жёсткий диск не может одновременно работать более чем с одной головкой (парой пишущих и считывающих элементов). Жёсткий диск посылает сигналы на предусилитель, и он выбирает головку, к которой в данный момент обращается жёсткий диск.

Хватит о головках, давайте разбирать диск дальше. Снимем верхний сепаратор.

Вот как он выглядит.

верхний сепаратор

На следующей фотографии вы видите гермозону со снятыми верхним разделителем и блоком головок.

гермозона

Стал виден нижний магнит.

Теперь прижимное кольцо (platters clamp).

прижимное кольцо

Это кольцо удерживает блок пластин вместе, не давая им двигаться друг относительно друга.

Блины нанизаны на шпиндель (spindle hub).

шпиндель

Теперь, когда блины ничто не удерживает, снимем верхний блин. Вот что находится под ним.

разделительные кольца

Теперь понятно, за счёт чего создается пространство для головок – между блинами находятся разделительные кольца (spacer rings). На фотографии виден второй блин и второй сепаратор.

Разделительное кольцо – высокоточная деталь, изготовленная из немагнитного сплава или полимеров. Снимем его.

разделительное кольцо

Вытащим из диска все остальное, чтобы осмотреть дно гермоблока.

дно гермоблока

Так выглядит отверстие для выравнивания давления. Оно располагается прямо под воздушным фильтром. Рассмотрим фильтр внимательнее.

Так как поступающий снаружи воздух обязательно содержит пыль, фильтр имеет несколько слоёв. Он гораздо толще циркуляционного фильтра. Иногда он содержит частицы силикагеля для борьбы с влажностью воздуха. Однако, если жёсткий диск поместить в воду, то она наберется внутрь через фильтр! И это совсем не означает, что попавшая внутрь вода будет чистая. На магнитных поверхностях кристаллизуются соли и наждачка вместо пластин обеспечена.

Немного подробнее про шпиндельный двигатель. Схематически его конструкция показана на рисунке.

разделительное кольцо

Внутри spindle hub закреплен постоянный магнит. Обмотки статора, меняя магнитное поле, заставляют ротор вращаться.

дно гермоблока

Моторы бывают двух видов, с шариковыми подшипниками и с гидродинамическими (Fluid Dynamic Bearing, FDB). Шариковые перестали использовать более 10 лет назад. Это связано с тем, что у них биение высокое. В гидродинамическом подшипнике биения намного ниже и работает он значительно тише. Но есть и пару минусов. Во-первых, он может заклинить. С шариковыми такого явления не происходило. Шариковые подшипники если и выходили из строя, то начинали громко шуметь, но информация хоть медленно, но читалась. Сейчас же, в случае клина подшипника, нужно при помощи специального инструмента снять все диски и установить их на исправный шпиндельный двигатель. Операция очень сложная и редко приводит к удачному восстановлению данных. Клин может возникнуть от резкого изменения положения за счет большого значения силы Кориолиса, действующей на ось и приводящей к ее сгибанию. Например, есть внешние 3.5” диски в коробочке. Стояла коробочка вертикально, задели, упала горизонтально. Казалось бы, не далеко улетел то?! А нет — клин двигателя, и никакой информации уже не достать.

Во-вторых, из гидродинамического подшипника может вытечь смазка (она там жидкая, ее довольно много, в отличие от смазки-геля, используемой шариковых), и попасть на магнитные пластины. Чтобы предотвратить попадание смазки на магнитные поверхности используют смазку с частицами, имеющими магнитные свойства и улавливающими их магнитные ловушки. Еще используют вокруг места возможной протечки абсорбционное кольцо. Вытеканию способствует перегрев диска, поэтому важно следить за температурным режимом эксплуатации.

Автор статьи Артём Рубцов.

Уточнение связи между русскоязычной и англоязычной терминологией выполнено Леонидом Воржевым.

Обновление 2018, Сергей Яценко

Жесткий диск (магнитный накопитель, винчестер, HDD)

Жесткий диск (магнитный накопитель, винчестер, HDD) — устройство для хранения и записи информации в компьютерах, использующее в своей основе магнитные пластины.

Принцип работы

Принцип работы жесткого диска достаточно прост. Типичный винчестер состоит из нескольких основных узлов, как то:

  • корпус из ударопрочного сплава,
  • пластины с магнитным покрытием,
  • блок головок с устройством для позиционирования,
  • блок электроники и
  • электропривод.

Многие пользователи считают, что жесткие диски герметичны. Однако это не так — внутри требуется поддерживать постоянное давление при колебаниях температур. В связи с этим жесткий диск оснащен фильтром, который задерживает частицы диаметром до нескольких микрометров.

Блок электроники содержит собственное запоминающее устройство и несколько подблоков, которые отвечают за цифровую обработку сигнала, управление и работу с интерфейсом. Работа самого жесткого диска сильно напоминает структуру магнитофона. Рабочая поверхность диска движется с определенной скоростью относительно считывающей головки. Во время процедуры записи или чтения головки парят над поверхностью диска на воздушной подушке. Если в зазор между диском и головкой попадет пылинка, то головки могут удариться о поверхность, испортить диск и даже сгореть.

Магнитный диск может быть сделан не только из металла, но и из стекла, как это было в моделях от IBM. На поверхности диска находится магнитный слой, который и служит основой для записи информации. Биты информации записываются с помощью головки, которая проходя над поверхностью вращающегося диска намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности. Вручены награды TAdviser IT Prize в 16 номинациях

Изначально поверхность блина абсолютно пустая, то есть магнитные домены никак не ориентированы. Для ориентирования блока магнитных головок на магнитный диск наносятся специальные метки — серво-метки. Это осуществляется «родным» блоком магнитных головок, который управляется в свою очередь внешним устройством. После разметки жесткий диск сам в состоянии читать информацию и записывать на поверхность. При больших объемах винчестера в него устанавливается несколько магнитных дисков, которые закрепляются на шпиндельном двигателе, и образуют стопку блинов.

Характеристики

Интерфейс — в общем случае определяет место или способ соединения/соприкосновения/связи. Этот термин используется в разных областях науки и техники. Современные накопители могут использовать интерфейсы SATA, IDE, USB, IEEE 1394 и т. д.

Физический размер (форм-фактор) — установленный типоразмер жесткого диска. Накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер 3.5 дюйма. Винчестеры в формате 2.5 дюйма чаще применяются в ноутбуках. Другие распространённые форматы — 1.8 дюйма, 1.3 дюйма и 0.85 дюйма.

Скорость вращения шпинделя — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).

Время произвольного доступа — Параметр своеобразной оценки скорости работы жесткого диска. В английском языке используется аналог random access time. Среднее время доступа для современных моделей колеблется от 3 до 15 мс. Чем меньше значение, тем лучше. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски.

Рынки HDD

  • Жесткие диски (мировой рынок)
  • Жесткие диски (рынок России)

История

Название

Для словосочетания типа Hard Disk Drive (HDD) лингвисты используют название-ретроним – термин, придуманный лингвистами для уже нового названия существующего явления, чтобы отличать его от чего-то более нового, в данном случае от гибких дисков. И вот странная ситуация: гибких дисков нет, потребности различать гибкие диски от жестких нет, а ретроним остался, но теперь он служит для отличия HDD от твердотельных накопителей Solid State Drive/Disk (SSD), которые в общем и дисками то не являются.

Нынешняя волна публичного интереса к SDD не должна вводить в сомнение относительного будущего HDD, эти диски жили и будут жить, постоянно развиваясь и совершенствуясь. В ближайшее время появится диск емкостью 20 Тб, а общий выпуск растет постоянно на 1–3% в год.

Подробнее об эволюции СХД читайте здесь.

Огромные магнитофоны

Успех дисков выглядит как некоторый казус. В механическом устройстве, ставшем неотъемлемой частью электронных систем, время перемещения головок измеряется совсем иными величинами, нежели скорость электронных процессов. На отсутствие гармонии в союзе между электроникой и механикой обратили внимание давно, еще в пятидесятые годы, когда создавались первые диски. Но тогда механике не было альтернативы, поскольку полупроводниковые технологии делали только первые шаги, пришлось сознательно пойти на неравный брак ради достижения цели, однако он оказался более чем успешным. Целью же был прямой доступ к большим (по тем меркам) объемам данным, который оставался невозможен до тех пор, пока данные считывались в потоке либо с ленты, либо с перфокарт. Считанные с носителя данные можно было разместить либо в крошечной оперативной памяти, либо делать своппинг и подкачивать данные с барабана. В некоторых операционных системах были утилиты для чтения файлов с лент, но это был ужасно медленный процесс.

На раннем этапе развития компьютерных систем типовые жесткие диски были лишь экспериментальными моделями. Компьютеры были похожи на огромные магнитофоны. В принципе запись и чтение информации ничуть не отличались от обыкновенного кассетника — данные располагались линейно. Те, кто также помнит ПК на основе носителей с магнитной пленкой, знают, каково это дожидаться загрузки очередного уровня — обыкновенной перемотки кассеты на нужное место.

Первые персональные компьютеры использовали в качестве накопителя обычный кассетный аудио магнитофон. Дисковод для них был непозволительной роскошью. Те пользователи, у которых вместе с ПК поставлялся дисковод, уже могли почувствовать некоторое подобие свободы действий. Первые компьютеры фирмы IBM поставлялись с одним или двумя дисководами.

Диски Рабинова

Идея диска как устройства с перемещающимся по пространству головками лежала на поверхности и попытки ее реализовать предпринимались многими компаниями. В Компьютерном музее в Маунтин Вью хранится несколько вариантов дисков. Коммерческий успех раньше других пришел к IBM, способной потратить на разработку больше остальных, поэтому во всех хрониках эволюции дисков в качестве начальной точки указывается дата 1956 год и накопитель на дисках, входивший в состав компьютера IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control), в названии которого прямо указано на его уникальную по тому времени возможность произвольного доступа – Random Access Method.

Но IBM не была первой. Раньше всех работающий накопитель сделал самородок-изобретатель Яков Рабинов (1910-1999) в 1951 году, отдавший всю жизнь работе в Национальном бюро стандартов. Он родился в Харькове, в оригинале его фамилия была Рабинович, после революции в 1921 году он с родителями через Китай перебрался в США, а потом почти 70 лет проработал в исследовательском подразделении Национального бюро стандартов. Рабинов не стал ученым, но он был гением практических изобретений, среди них, например, усовершенствованная технология чеканки, продлевающая срок жизни монет, изобретение принесло Государственному казначейству много миллиардов экономии на выпуске металлической мелочи. Однако, лишь одно из его изобретений – устройство, которое называлось Notched-Disk Magnetic Memory Device – не принесло ему ни денег, ни прижизненного признания. Оно состояло из десяти 18-ти дюймовых «блинов», так в последующем стали называть собственно диски, с вырезанным сегментом, чтобы их можно было менять на оси.

Эксперты из IBM изучали изобретение Рабинова и не скрывали приоритет. Проанализировав диск Рабинова, в 1953 году они выпустили отчет «Предложения по произвольному доступу к файлам данных» (A Proposal for Rapid Random Access File), который стал основой проекта RAMAC.

Подробнее об эволюции СХД читайте здесь.

1956: IBM RAMAC — шкаф 975 кг

Первый накопитель IBM на дисках не существовал как отдельно взятый продукт, он был частью компьютера IBM 305 RAMAC и состоял из пятидесяти 24-ти дюймовых блинов, вращавшихся со скоростью 2000 об/мин, общая емкость составляла 3,75 Мб, что эквивалентно 64 000 перфокартам.

Размеры винчестера были просто огромны. На деле это был шкаф весом 975 кг, который содержал в себе 50 пластин диаметром около 60 см каждая. Пластины были смонтированы на вращающемся шпинделе, а механический кронштейн содержал головки чтения и записи. Он перемещался вверх и вниз на вертикальном стержне, причем время транспортировки головки до нужной магнитной дорожки составляло около одной секунды. Если учесть, что сейчас на выполнение этой процедуры требуются миллисекунды, то сегодня такая цифра вызывает улыбку.

Устройство весом около тонны не продавалось, его можно было только взять в лизинг. В последующем та же стратегия сохранялась при выпуске моделей 650, 1401, 1410 и 7070 и только в 1962 году появился накопитель Model 1301, который поставлялся отдельно от компьютера. В нем впервые появились плавающие головки, они были расположены на гребенке по одной головке на каждый блин. Емкость Model 1301 составляла 28 Мбайт.

1960-е: Развитие рынка

Изобретение Рабинова не было защищено патентным правом внутри США, поэтому в дисковый бизнес мгновенно ринулось множество компаний, на пике их общее число достигло 138, но по мере усложнения технологий производства большая часть из них ушла с рынка, и к 2015 году остались Seagate, Toshiba и Western Digital, каждой из трех принадлежит примерно треть рынка.

На первых порах одной из наиболее успешных стала компания Bryant Computer Products, которая раньше других применила плавающие головки и зонирование (запись данных пропорционально длине дорожки, изменяющейся по диаметру). Bryant выпустила накопитель с самыми большими блинами диаметром 39 дюймов, их было 26, и суммарная емкость тоже была рекордной – 205 Мб.

Очередной шаг в развитии дисковых накопителей был сделан IBM в 1962 году с выпуском накопителя Model 1311,он отличался от предшественников появлением съемного носителя, в котором уменьшенные до 14 дюймов блины, сбирались на шпиндель внутри пакета. Этот шаг был революционным: во-первых, ценовой компромисс – на один дорогой привод стало возможным ставить в неограниченном количестве дешевые пакеты, во-вторых, снималось ограничение на объем хранимых данных и, в третьих, безопасность – пакеты можно был содержать вне компьютерного зала. Устройства этого типа стали стандартом де-факто не только для мэйфреймов, но и для более многочисленных миникомпьютеров.

Погрузка 5–мегабайтового жесткого диска компании IBM, США, 1965 год.

В производство пакетов емкостью 100 или 200 Мб по стандарту IBM включилось большое число компаний, сложился определенный стандарт де-факто, в итоге 14-ти дюймовые диски продержались на рынке более 20 лет вплоть до массового распространения дисков-винчестеров.

1973: Появление термина «винчестер»

Название «винчестер» жесткий диск получил в 1973 году при создании блока памяти IBM 3340, впервые объединившего в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. Руководитель проекта Кернет Хортон предложил так назвать устройство по аналогии с охотничьим ружьем Winchester 30-30. Дело в том, что во время работы над диском инженеры использовали рабочее название 30-30, поскольку носитель состоял из двух модулей по 30 Мбайт каждый.

1970-е: Улучшение характеристик

В семидесятые годы сосуществовали два направления в развитии дисков. Одно наследовало идеи, сохранившиеся со времени IBM Model 1301, оно предполагало строить большие, быстрые, но очень дорогие накопители наподобие IBM 3380 Direct Access Storage Device, который первым преодолел гигабайтный рубеж. Потребителями таких штучных устройств могли быть только государственные организации или крупнейшие корпорации.

Второй путь – развитие идеи съемных пакетов, отличающихся от 14-ти дюймовых тем, что в пакете помимо собственно дисков размещаются и коромысла с приводами.

Примером этого направления стал накопитель IBM 3340 Direct Access Storage Facility, его кодовое имя на момент проектирования было Winchester, он впервые появился в 1973 году. Это прозвище сохранилось за IBM 3340 по той причине, что в него устанавливались два пакета по 30 Мб, 30-30, как в известном ружье. Любопытно, что слова винчестер, а также ксерокс, в качестве нарицательных называний, как в русском, в английском не используются.

Переход к винчестерам стал возможен за счет предварительной разметки дисков, на поверхность которых наносятся управляющие серводорожки. На рисунке (а) показана схема работы диска RAMAC, на (b) – 14-дюймового диска, в них устанавливаются дорогие прецизионные приводы. А на винчестерах (c) и (d) привод существенно проще, здесь требуется только лишь подвести коромысло к нужной дорожке, головка «вцепляется в нее, между серводорожкой и головкой устанавливается обратная связь, и она сохранятся до следующего перемещения коромысла.

На этом предыстория дисков заканчивается и начинается совсем другая новейшая история, она менее наглядна, но чрезвычайно интересна с инженерной точки зрения.

Времена уникальных дисковых устройств остались в прошлом, прежде всего под влиянием массового производства ПК, для которых потребовались дешевые, небольшие по размеру, но большие по емкости накопители. Эту потребность можно было удовлетворить, наладив массовое производство дисков с диаметром 5, 3,5 и 2,5 дюймов и приняв стандарты интерфейсов SCSI и ATA. Из этих дисков оказалось возможным собирать по технологии RAID надежные и высокопроизводительные массивы. Отдельного и более детального рассмотрения заслуживают файловые системы, технологии виртуализации и распределенные системы хранения и, конечно же твердотельные накопители, современные интерфейсы и сетевые технологии, применяемые с СХД.

Подробнее об эволюции СХД читайте здесь.

1981: Вес диска на 1ГБ 34 кг, цена — от $81 000

Так выглядел жесткий диск емкостью 1 ГБ в 1981 году. Вес такого винчестера — 34 кг, а стоимость начиналась от $81 000.

2000-е: Перпендикулярная магнитная запись

Когда производители HDD столкнулись с пределом вместимости в начале 2000-х, Toshiba и Seagate упорядочили расположение битов данных на пластине диска. Изменение с продольной на перпендикулярную магнитную запись увеличило емкость HDD ни много ни мало в 10 раз.

2012: Плотность размещения информации на дисках может удвоиться к 2016 году

Максимальная плотность размещения информации на жестких дисках может удвоиться к 2016 году, по данным очередного исследования IHS iSuppli, опубликованного в 2012 году. Ранее с аналогичным прогнозом уже выступил производитель жестких дисков компания Seagate. По мнению аналитиков, это расширит возможности использования HDD в системах с большими объемами данных, в том числе аудио и визуальных системах.

Увеличить плотность жестких дисков позволят ряд технологий, над которым сейчас работают вендоры, в частности, технология тепло-магнитной записи (heat-assisted magnetic recording, HAMR), которую Seagate запатентовала еще в 2006 году. Компания также заявила, что сможет выпустить 3,5-дюймовый диск на 60 Тб к 2016 году. Диски ноутбуков могут к этому же времени достичь уже 10-20 Тб, говорится в прогнозе IHS iSuppli.

Аналитики также отмечают, что плотность записи вырастет до максимальных 1800 Гбит на квадратный дюйм к 2016 году, на 2011 год аналогичный показатель составлял 744 Гбит. По данным IHS iSuppli, плотность записи информации на диск увеличится к 2016 году до 1800 Гбит на квадратный дюйм с 744 Гбит в 2011 году. С 2011 по 2016 год увеличение плотности записи на HDD будет увеличиться в среднем на 19% в год.

На дату выхода исследования HDD с максимальной плотностью выпущен Seagate в сентябре 2011 года: на нем помещается 4Тб данных, размер диска – 3,5 дюйма. Плотность диска составляет 625 Гбит на квадратный дюйм.

2013-2014: Наложенные дорожки записи и заполненные гелием диски

Когда индустрия HDD снова столкнулась с пределом вместимости в 2013, Seagate наложила дорожки записи друг на друга как кровельный гонт, увеличив вместимость на 25%; затем в 2014, HGST представила заполненные гелием диски, увеличив вместимость на 50%.

2016

Разработка HAMR HDD

По мере того как в 2016 году цены на SSD продолжают падать вслед за внедрением технологии увеличения плотности флэш памяти, таких как 3D NAND, производители жестких дисков планируют свои собственные технологические апгрейды. Наглядный пример: HAMR HDD, который использует лазер на головке чтения\записи жесткого диска чтобы более плотно располагать меньшие биты на вращающемся диске по сравнению с традиционной магнитной записью.

Современное представление о дисках

Диски эволюционировали по нескольким магистральным направлениям:

Нынешняя волна публичного интереса к SDD не должна вводить в сомнение относительного будущего HDD, эти диски жили и будут жить, постоянно развиваясь и совершенствуясь. В ближайшее время появится диск емкостью 20 Тб, а общий выпуск растет постоянно на 1–3% в год.

повышение скорости и емкости дисков; совершенствование доступа к записанным на них данным; поиск альтернативных твердотельных технологий;

Развитие по первому направлению привело к появлению таких HDD, которые способны хранить терабайтные объемы и поддерживать высокие скорости обмена.

По второму – к созданию поддерживающих работу дисков аппаратных и программных средств: файловых систем, способных поддерживать терабайтные диски и абстрагирования от физики хранения, в т.ч. скоростных интерфейсов, RAID-массивов, обеспечивающих высокую надежность хранения, сетей хранения SAN и сетевых накопителей NAS.

По третьему – к появлению совсем недавно созданных твердотельных устройств корпоративного уровня (Solid State Device, SSD) в сочетании с ориентированным на эти устройства интерфейсом NVMe. Теперь открылась возможность «умного хранения», то есть автоматического оптимального по затратам перераспределения хранения данных между SSD, HDD и лентами в зависимости от востребованности данных.

Подробнее об эволюции СХД читайте здесь.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *