HDD

HDD (hard (magnetic) disk drive, HMDD), накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД) - устройство хранения информации с произвольным доступом. Жесткий диск, работающий по принципу магнитной записи. Является основным накопителем данных для большинства компьютеров.

Почему HDD называют "жестким диском"? Дело в том, что информация в HDD записывается на жесткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, которые покрыты слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома — магнитные диски. Есть еще понятие «гибкий диск», оно подразумивает под собой ничто иное, как дискету. В отличие от гибкого диска, носитель информации HDD часто совмещают с накопителем, приводом и блоком электроники. Такие жесткие диски используются в основном в качестве несъемного носителя информации.

В HDD применяется одна или несколько пластин на одной оси. В рабочем режиме считывающие головки не касаются поверхности пластин. Это происходит благодаря образуемой прослойке набегающего воздуха у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском равняется нескольким нанометрам (около 10 Нм). Отсутствие механического контакта обеспечивает длительный срок службы устройства. Когда вращение дисков не происходит, головки находятся у шпинделя или за пределами диска, в безопасной зоне, там полностью исключен нештатный контакт с поверхностью дисков.

Жесткий диск «Винчестер»

Название «винчестер» (Winchester), как гласит одна из версий, HDD получил благодаря работавшему в компании IBM Кеннету Хотону (Kenneth E. Haughton), являющемуся руководителем проекта, в результате которого в 1973 году был выпущен жесткий диск модели 3340. Модель впервые в истории объединила в одном неразъемном корпусе несколько пластин диска со считывающими головками. В ходе разработки инженерами было использовано кодовое название проекта - «30-30». Оно обозначало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 МБ каждый. Название было очень созвучно с обозначением популярного охотничьего оружия — винтовки Winchester Model 1894, использующего винтовочный патрон .30-30 Winchester. Кроме того, существует версия, что название «винчестер» произошло от названия патрона, выпускавшегося Winchester Repeating Arms Company, первого созданного в США боеприпаса для гражданского оружия «малого» калибра на бездымном порохе, который превосходил патроны старых поколений по всем показателям и был очень популярен.

В русском языке данное название сохранилось и получило полуофициальный статус, в компьютерном сленге оно сократилось до слова «винт».

Технические характеристики и показатели

Интерфейс. Современные серийные внутренние жесткие диски могут использовать интерфейсы ATA (IDE и PATA), SATA, eSATA, SCSI, SAS, FireWire, SDIO и Fibre Channel. 

Емкость. Емкость современных HDD (с форм-фактором 3,5 дюйма) на сентябрь 2011 года достигла 4000 ГБ (4 TB) и приближается к 5 TB.  Любопытный факт, что в отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину, производители HDD при обозначении емкости своих жестких дисков используют величины, кратные 1000. Так, емкость жесткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет всего 186,2 ГиБ.

Форм-фактор. Практически все современные накопители для ПК и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма, она заточена под размер стандартных креплений для них в настольных компьютерах и ноутбуках, соответственно. Кроме того, получили распространение и форматы 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращен выпуск накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.

Время произвольного доступа. Диапазон данного параметра составляет от 2,5 до 16 мс. Обычно, минимальным временем обладают серверные диски, а самым большим — диски для портативных устройств. К примеру, для сравнения, у SSD-накопителей данный параметр меньше 1 мс.

Скорость вращения шпинделя. Данный параметр в значительной степени определяет время доступа и среднюю скорость передачи данных. Сегодня выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 5900, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и рабочие станции). Что касается ноутбуков, то увеличению скорости вращения шпинделя в винчестерах в их случае препятствует гироскопический эффект.

Надежность. Это среднее время наработки на отказ (MTBF). Большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T.

Кол-во операций ввода-вывода в секунду. Современные диски производят порядка 50 операций в секуду при произвольном доступе к накопителю, и около 100 операций в секуду при последовательном доступе.

Потребление энергии. Является весьма важным показателем особенно для мобильных устройств.

Сопротивляемость ударам. Сопротивляемость резким перепадам давления и другим воздействиям измеряется в единицах допустимой перегрузки во включенном и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных при последовательном доступе:

  • внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;
  • внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.

Объем буфера. Буфер - это промежуточная память, задачей которой является сглаживание различий скорости чтения/записи и передачи по всему интерфейсу. Он обычно варьируется от 8 до 64 Мб.

Уровень шума. Производимый механикой шум накопителя во время его работы. Рассчитывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума примерно 26 дБ и ниже. Шум устройства заключается в двух источниках шума: от вращения шпинделя и от позиционирования.

Как снизить шум жесткого диска?

Чтобы снизить уровень шума в жестком диске применяются следующие методы:

  • Программный (используются настройки, встроенной системы AAM). Переключение жесткого диска в малошумный режим приводит к снижению производительности на 5-25 %, но делает шум практически незаметным.
  • Использование шумопоглощающих устройств. Резиновые или силиконовые крепления дисков (применяются также шайбы), специальная гибкая подвеска для крепления.

Производители HDD

Первоначально на рынке существовало огромное разнообразие жестких дисков, и их производителей. Однако, по мере ужесточения конкуренции, и параллельного бурного роста емкости устройств, с пропорциональным снижением уровня и нормы прибыли, большинство производителей было куплено более крупными игроками, остальные же перешли на другие виды продукции.

Компания Fujitsu выпускает жесткие диски для ноутбуков и SCSI-диски, но покинула массовый рынок настольных накопителей в 2001 году из-за массово выходившей из строя микросхемы контроллера Cirrus Logic на самом диске. В 2009 году производство жестких дисков было полностью передано компании Toshiba. До этого момента жесткие диски Fujitsu считались лучшими в секторе настольных компьютеров, имея превосходные характеристики вращающихся поверхностей.

Компания Toshiba является основным производителем 2,5- и 1,8-дюймовых HDD для ноутбуков. Достаточно громкой в истории жестких дисков была компания Quantum, которая в начале 2000-х потерпела фатальные неудачи: в жестких дисках Quantum серии CX выходила из строя микросхема коммутатора головок, расположенная в гермобанке диска, что приводило к весьма дорогостоящему изъятию данных из вышедшего из строя диска. 

Компания NEC также занималась выпуском жестких дисков, и являлась одним из лидеров. Очень высокие позиции в производстве дисков занимала и компания Maxtor. В 2001 году Maxtor выкупила подразделение жестких дисков компании Quantum, ей также не удалось избежать проблем, связанных с выпуском так называемых «тонких» дисков. В 2006 году произошло слияние компаний Seagate и Maxtor. 

В середине 90-х годов существовала такая компания Conner Peripherials, которую впоследствии выкупила Seagate. В первой половине 90-х существовала фирма Micropolis, выпускавшая очень дорогие SCSI-диски премиум-класса для серверов. Но при выпуске первых в отрасли винчестеров на 7200 об/мин компания использовала некачественные подшипники шпинделя, которые поставлялись фирмой Nidec. Вследствие этого компания Micropolis понесла серьезные убытки на возвратах, разорилась и была полностью выкуплена компанией Seagate. Бывшее подразделение IBM, диски которой до сих пор считались эталонными, после ряда неудач, связанных с массовыми отказами дисков для настольных компьютеров в начале 2000-х годов, было выкуплено компанией Hitachi. Весной 2011 года ее приобрела компания Western Digital.

В тот же момент Samsung продали свое HDD подразделение Seagate. 

В 2011 году на рынке осталось всего 3 производителя, занимающихся HDD: Seagate Technology, Western Digital и Toshiba. В связи с продвижением на рынок внешних накопителей и развитием технологий типа SSD количество фирм, предлагающих свежие решения, вновь возросло.

Устройство

Схема устройства накопителя на жестких магнитных дисках.

Гермозона

Гермозона состоит из корпуса, вылитого из прочного сплава, самой пластины с магнитным покрытием. В некоторых моделях HDD эти пластины разделены сепараторами. Также в гермозоне имеется блок головок с устройством позиционирования, и электропривод шпинделя.

Внутри гермозоны большинства устройств не существует вакуума. Какие-то производители делают ее полностью герметичной (поэтому и такое название), заполняя очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами (азотом), а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. В этому случае, внутри корпуса жесткого диска предусматривается небольшой карман для пакетика силикагеля, абсорбирующего водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации. Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие, толщиной в несколько микрометров, частицы. Но в этом случае выравнивается и влажность, а также появляется риск проникновения вредных газов. Выравнивание давления требуется для предотвращения деформации корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления или температуры, а также при прогреве устройства в ходе работы.

Пыль, оказавшаяся при сборке в гермозоне и попавшая на поверхность диска, при вращении, сносится на еще один фильтр — специально установленный пылеуловитель.

Блок головок представляет собой пакет кронштейнов, выполненных из упругой стали. Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска, а на других концах закреплены головки, прямо над дисками.

Диски с пластинами обычно изготавливаются из металлического сплава. Хотя и были попытки делать их из пластика и даже стекла (IBM), но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, как на магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика — окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения являются коммерческой тайной. Большинство бюджетных устройств содержит одну или две пластины.

Диски крепко устанавливаются на шпинделе. В ходе работы частота вращения шпинделя достигает нескольких тысяч оборотов в минуту (3600, 4200, 5000, 5400, 5900, 7200, 9600, 10 000, 12 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создается мощный воздушный поток, приподнимающий головки и заставляющий их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. До тех пор, пока диски не достигли скорости «взлета» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки, что предотвращает повреждение головок, а также самой рабочей поверхности. Шпиндельный двигатель жесткого диска - трехфазный синхронный, и обеспечивает стабильное вращение магнитных дисков, смонтированных на шпинделе двигателя. Статор двигателя состоит из трех обмоток, включенных «звездой» с отводом посередине, ротором выступает постоянный секционный магнит.

Сепаратор представляет собой пластину, изготовленную из пластика или алюминия, находящуюся между пластинами магнитных дисков. Используется он для выравнивания потоков воздуха внутри гермозоны.

Устройство позиционирования

Устройство позиционирования (актуатор) головок - это малоинерционный соленоидный двигатель, состоящий из неподвижной пары неодимовых постоянных магнитов, а также катушки, стоящей на подвижном кронштейне блока головок.

Принцип работы двигателя состоит в следующем: обмотка находится внутри статора (обычно двух неподвижных магнитов), ток, подаваемый с различной силой и полярностью, направляет ее точно на кронштейн с головками по радиальной траектории. Скорость поиска данных на поверхности пластин прямым образом зависит от скорости работы устройства позиционирования.

Каждый накопитель имеет специальную зону (парковочную), на которой головки останавливаются в те моменты, когда накопитель выключен или находится в одном из режимов низкого энергопотребления. В парковочном состоянии кронштейн блока головок находится в крайнем положении и упирается в ограничитель хода. При операциях чтения/записи основным источником шума является вибрация, появляющаяся вследствие ударов кронштейнов, удерживающих магнитные головки, об ограничители хода в процессе возвращения головок в нулевую позицию. Чтобы сократить уровень шума на ограничителях хода устанавливаются демпфирующие шайбы из мягкой резины. Существенно сократить уровень шума жесткого диска можно программным путем, меняя параметры режимов ускорения и торможения блока головок. Для этих целей разработана специальная технология — Automatic Acoustic Management. Официально возможность программного управления уровнем шума жесткого диска появилась в стандарте ATA/ATAPI-6, хотя и некоторые производители делали экспериментальные реализации и в более младших версиях. Управление осуществляется путем изменения значения управляющей переменной в диапазоне от 128 до 254, что позволяет регулировать шум, производительность, температуру, потребление электроэнергии и срок эксплуатации жесткого диска.

Блок электроники

Более ранние жесткие диски имели управляющую логику вынесенную на MFM или RLL контроллер компьютера. Плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управления шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. По мере увеличения скоростей передачи данных разработчики уменьшали до предела длину аналогового тракта. Так, в современных жестких дисках блок электроники обычно содержит управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала. Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жесткого диска с остальной системой.

Блок управления - это система управления, принимающая электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающая управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутацию информационных потоков с различных головок, управление работой всех остальных узлов, прием и обработку сигналов с датчиков устройства. Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, служебную информацию жесткого диска.

Буферная память смягчает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя благодаря применению быстродействующей статической памяти. Увеличение размера буферной памяти иногда позволяет увеличить скорость работы накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала очищает считанный аналоговый сигнал и его декодирование. Цифровая обработка осуществляется различными методами (к примеру, метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood)). Сравнение принятого сигнала с образцами, при котором выбирается образец, наиболее похожий по форме и временным характеристикам на декодируемый сигнал. Заключительный этап сборки устройства предполагает форматирование поверхности пластин: на них формируются дорожки и секторы. Конкретный способ определяется производителем и/или стандартом, но, обязательно на каждую дорожку наносится магнитная метка с обозначением начала.

Есть такие утилиты, которые способны тестировать физические секторы диска, и ограниченно просматривать/править служебные данные. Возможности таких утилит в большей степени зависят от модели диска и технических данных.

Адресация данных

Сектор - минимальная область данных на HDD. Размер сектора равен 512 байтам. В 2006 году IDEMA объявила о переходе на размер сектора 4096 байт, который был завершен к 2010 году.

Western Digital начала использовать новую технологию форматирования «Advanced Format» первой, и выпустила серию накопителей, применяющих такую технологию. К этой серии относятся линейки AARS/EARS и BPVT в отличие от BEVT, которые при тех же характеристиках используют «старый» 512-байтный сектор.

Существует 2 основных способа адресации секторов на диске: цилиндр-головка-сектор (CHS) и линейная адресация блоков (LBA). При первом способе сектор адресуется по его физическому положению на диске 3 координатами — номером цилиндра, номером головки и номером сектора. При втором способе адрес блоков на носителе задается логическим линейным адресом. LBA-адресация начала использоваться в 1994 году, вместе со стандартом EIDE (Extended IDE). 

Запись данных на HDD

Принцип работы HDD очень схож с принципом работы магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки. При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки возникает переменное магнитное поле. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, а это, в свою очередь, приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке (эффекта электромагнитной индукции).

Для считывания в последнее время активно применяется магниторезистивный эффект, в дисках применяются магниторезистивные головки. Изменение магнитного поля в этих головках приводит к изменению сопротивления, которое зависит от изменения напряженности магнитного поля. Такие головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации.

Методы записи

Продольная запись

Информация записывается при помощи маленькой головки. Она проходит над поверхностью вращающегося диска и намагничивает горизонтальные дискретные области. Вектор намагниченности домена расположен продольно (параллельно поверхности диска). Каждая из этих областей представляет собой логический ноль или единицу, в зависимости от направления намагниченности. Максимально достижимая плотность записи при этом методе составляет порядка 23 Гбит/см². В 2010 году данный метод был вытеснен методом перпендикулярной записи.

Перпендикулярная запись

Технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах, что позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у нынешных образцов составляет 400 Гбит на кв/дюйм (62 Гбит/см²). HDD с перпендикулярной записью вышли на рынок в 2005 году.

Тепловая магнитная запись (HAMR)

Данный метод записи в настоящее время является самым перспективным из существующих, он активно разрабатывается и по сей день. Суть данного метода такова: в нем применяется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После охлаждения диска, намагниченность «закрепляется». На рынке HDD данного типа пока мало, есть лишь экспериментальные образцы, плотность записи которых 150 Гбит/см². Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно-таки давно, но эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. К примеру, компания Hitachi называет предел в 2,3−3,1 Тбит/см², а Seagate Technology уверены, что плотность записи HAMR-носителей достигнет 7,75 Тбит/см². Широкое распространение данной технологии началось только в 2012 году.

Структурированные носители данных

Структурированный носитель данных (Bit patterned media), — перспективная технология хранения данных на магнитном носителе, в которой для записи используются массивы одинаковых магнитных ячеек, каждая из которых соответствует одному биту информации. Этим она отличается от представителей современных технологий магнитной записи, где бит информации записывается на нескольких магнитных доменах.

Сравнение интерфейсов

 

Пропускная способность, Мбит/с

Максимальная длина кабеля, м

Требуется ли кабель питания

Количество накопителей на канал

Число проводников в кабеле

Другие особенности

UltraATA/133

1064

0,46

Да (3,5") / Нет (2,5")

2

40/80

Controller+2Slave, горячая замена невозможна

SATA-300

3000

1

Да

1

7

Host/Slave, возможна горячая замена на некоторых контроллерах

SATA-600

6144

нет данных

Да

1

7

 

FireWire/400

400

4,5 (при последовательном соединении до 72 м)

Да/Нет (зависит от типа интерфейса и накопителя)

63

4/6

устройства равноправны, горячая замена возможна

FireWire/800

800

4,5 (при последовательном соединении до 72 м)

Нет

63

4/6

устройства равноправны, горячая замена возможна

USB 2.0

480

5 (при последовательном соединении, через хабы, до 72 м)

Да/Нет (зависит от типа накопителя)

127

4

Host/Slave, горячая замена возможна

USB 3.0

4800

нет данных

Да/Нет (зависит от типа накопителя)

нет данных

9

Двунаправленный, совместим с USB 2.0

Ultra-320 SCSI

2560

12

Да

16

50/68

устройства равноправны, горячая замена возможна

SAS

3000

8

Да

Свыше 16384

 

горячая замена; возможно подключение SATA-устройств в SAS-контроллеры

eSATA

3000

2

Да

1 (с умножителем портов до 15)

7

Host/Slave, горячая замена возможна


Хронология накопителей

  • 1956 год — жёсткий диск IBM 350 в составе первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC. Общий объем памяти составлял 5 миллионов 6-битных байт (3,5 MB в пересчете на 8-битные байты).
  • 1980 год — первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart ST-506, 5 MB.
  • 1981 год — 5,25-дюймовый Shugart ST-412, 10 MB.
  • 1985 год - стандарт ESDI, доработанный стандарт ST-412
  • 1986 год — стандарты SCSI, ATA(IDE).
  • 1990 год — максимальная емкость 320 MB.
  • 1995 год — максимальная емкость 2 GB.
  • 1997 год — максимальная емкость 10 GB.
  • 1998 год — стандарты UDMA/33 и ATAPI.
  • 1999 год — IBM выпускает Microdrive емкостью 170 и 340 MB.
  • 2000 год — IBM выпускает Microdrive емкостью 500 Мб и 1 Гб.
  • 2002 год — стандарт ATA/ATAPI-6 и накопители емкостью свыше 137 GB.
  • 2003 год — рождение SATA.
  • 2003 год — Hitachi выпускает Microdrive емкостью 2 GB.
  • 2004 год — Seagate выпускает ST1 — аналог Microdrive емкостью 2.5 и 5 GB.
  • 2005 год — максимальная емкость 500 GB.
  • 2005 год — стандарт Serial ATA 3G (или SATA II).
  • 2005 год — появление SAS (Serial Attached SCSI).
  • 2005 год — Seagate выпускает ST1 — аналог Microdrive емкостью 8 GB.
  • 2006 год — внедрение перпендикулярного метода записи в коммерческие накопители.
  • 2006 год — появление первых «гибридных» жестких дисков, содержащих блок флеш-памяти.
  • 2006 год — Seagate выпускает ST1 — аналог Microdrive емкостью 12 GB.
  • 2007 год — Hitachi представляет первый коммерческий накопитель емкостью 1 TB.
  • 2009 год — Модели емкостью 2 TB, построенные на основе 500-гигабайтных пластин Western Digital.
  • 2009 год — Samsung выпускает первые жесткие диски с интерфейсом USB 2.0
  • 2009 год — Western Digital объявила о создании 2,5-дюймовых HDD объемом 1 TB с плотностью записи в 333 GB на одной пластине)
  • 2009 год — появление стандарта SATA 3.0 (SATA 6G).
  • 2010 год — Seagate выпускает жесткий диск объёмом 3 TB.
  • 2010 год — Samsung выпускает жесткий диск с пластинами, у которых плотность записи — 667 GB на одной пластине
  • 2011 год — Western Digital выпустила первый диск на 750 GB пластинах.
  • 2011 год — Hitachi выпустила первый диск на 1 GB пластинах.
#