Жёсткий диск

Запрос «HDD» перенаправляется сюда; см. также другие значения.

Жёсткий Диск

2.5" SATA жёсткий диск

Воспроизвести медиафайл

Работа жёсткого диска в разобранном виде

Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках или НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск, в компьютерном сленге «винче́стер» — запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома — магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной («парковочной») зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Также, в отличие от гибкого диска, носитель информации обычно совмещают с накопителем, приводом и блоком электроники. Такие жёсткие диски часто используются в качестве несъёмного носителя информации.

Название «винчестер»

По одной из версий, название «винчестер» (англ. Winchester) накопитель получил благодаря работавшему в фирме IBM Кеннету Хотону (англ. Kenneth E. Haughton), руководителю проекта, в результате которого в 1973 году был выпущен жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 мегабайт каждый, что по созвучию совпало с обозначением популярного охотничьего оружия — винтовки Winchester Model 1894, использующего винтовочный патрон .30-30 Winchester. Также существует версия, что название произошло исключительно из-за названия патрона, также 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 немедленно завоевал широчайшую популярность.

В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус, а в компьютерном сленге сократилось до слова «винт» или «хард» (наиболее используемый вариант, чуть реже используется «винч»).

Технологии записи данных

Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке за счёт электромагнитной индукции.

С середины 1990-х на рынке устройств хранения информации начали применяться головки на основе эффекта гигантского магнитного сопротивления (ГМС).
С середины 2000-х в головки на основе эффекта ГМС стали заменяться на головки на основе туннельного магниторезистивного эффекта (в них изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления в зависимости от изменения напряжённости магнитного поля; подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации, особенно при больших плотностях записи информации). В 2007 году устройства на основе туннельного магниторезистивного эффекта с оксидом магния (эффект открыт в 2005) полностью заменили устройства на основе эффекта ГМС.

Метод продольной записи

Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов. При этом вектор намагниченности домена расположен продольно, то есть параллельно поверхности диска. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от направления намагниченности.

Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². К 2010 году этот метод был практически вытеснен методом перпендикулярной записи.

Метод перпендикулярной записи

Метод перпендикулярной записи — технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Предыдущий метод записи, параллельно поверхности магнитной пластины, привел к тому что в определенный момент инженеры упёрлись в «потолок» — дальше увеличивать плотность информации на дисках было невозможно. И тогда вспомнили о другом способе записи, который был известен еще с 70-х годов прошлого века.

Плотность записи при этом методе резко подскочила — на свыше 30 % еще на первых образцах (на 2009 год — 400 Гбит/дюйм² / 62 Гбит/см²). А теоретический предел отодвинулся на порядки и составляет 1 Тбит на квадратный дюйм.

Жёсткие диски с перпендикулярной записью стали доступны на рынке с 2006 года. Благодаря перпендикулярной записи^{[источник не указан 19 дней]} винчестеры продолжают бить рекорды ёмкости, вмещая уже по 8 и даже 10 Терабайт.

Перспективные

Метод черепичной магнитной записи

Метод черепичной магнитной записи (англ. Shingled Magnetic Recording, SMR) был реализован в начала 2010-х. В нём используется тот факт, что ширина области чтения меньше, чем ширина записывающей головки. Запись дорожек в этом методе производится с частичным наложением в рамках групп дорожек (пакетов). Каждая следующая дорожка пакета частично закрывает предыдущую (подобно черепичной кровле), оставляя от нее узкую часть, достаточную для считывающей головки. Черепичная запись увеличивает плотность записанной информации, однако осложняет перезапись - при каждом изменении требуется полностью перезаписать весь пакет перекрывающихся дорожек.

Метод тепловой магнитной записи

Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording, HAMR) остается перспективным, продолжаются его доработки и внедрение. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На 2009 год были доступны только экспериментальные образцы, плотность записи которых составляла 150 Гбит/см². Специалисты Hitachi называют предел для этой технологии в 2,3−3,1 Тбит/см², а представители Seagate Technology — 7,75 Тбит/см².

Структурированные носители данных

Структурированный (паттернированный) носитель данных (англ. Bit patterned media), — перспективная технология хранения данных на магнитном носителе, использующая для записи данных массив одинаковых магнитных ячеек, каждая из которых соответствует одному биту информации, в отличие от современных технологий магнитной записи, в которых бит информации записывается на нескольких магнитных доменах.

Характеристики

Интерфейс (англ. interface) — техническое средство взаимодействия 2-х разнородных устройств, что в случае с жёсткими дисками является совокупностью линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии (контроллеры интерфейсов), и правил (протокола) обмена. Современные серийно выпускаемые внутренние жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, eSATA, SCSI, SAS, FireWire, SDIO и Fibre Channel.

Ёмкость (англ. capacity) — количество данных, которые могут храниться накопителем. С момента создания первых жёстких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная ёмкость непрерывно увеличивается. Ёмкость современных жёстких дисков (с форм-фактором 3,5 дюйма) на начало 2015 года достигает 6000 Гб (6 терабайт). В отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину (см.: двоичные приставки), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 ГиБ.

Физический размер (форм-фактор; англ. dimension) — почти все накопители 2001—2008 годов для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма — под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках. Также получили распространение форматы 1,8, 1,3, 1 и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.

Время произвольного доступа (англ. random access time) — среднее время, за которое винчестер выполняет операцию позиционирования головки чтения/записи на произвольный участок магнитного диска. Диапазон этого параметра — от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают диски для серверов (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — это 3,7 мс), самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5 мс). Для сравнения, у SSD-накопителей этот параметр меньше 1 мс.

Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки); 5400, 5700, 5900, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры); 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции). Увеличению скорости вращения шпинделя в винчестерах для ноутбуков препятствует гироскопический эффект, влияние которого пренебрежимо мало в неподвижных компьютерах.

Надёжность (англ. reliability) — определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF). Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T.

Количество операций ввода-вывода в секунду (англ. IOPS) — у современных дисков это около 50 оп./с при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств.

Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate) при последовательном доступе:

• внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;^{[когда?]}
• внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.^{[когда?]}

Объём буфера — буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных дисках он обычно варьируется от 8 до 128 Мб.

Уровень шума

Силиконовые втулки для крепления жёстких дисков. Уменьшают вибрацию и шум

См. также: Бесшумный персональный компьютер#Жёсткие диски

Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

Для снижения шума от жёстких дисков применяют следующие методы:

• Программный, c помощью настройки, встроенной в большинство современных дисков, системы AAM. Переключение жёсткого диска в малошумный режим приводит к снижению производительности в среднем на 5—25 %, но делает шум при работе практически неслышным.
• Использование шумопоглощающих устройств, закрепления дисков на резиновых или силиконовых шайбах или даже полная замена крепления на гибкую подвеску.

Устройство

Схема устройства накопителя на жёстких магнитных дисках

Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.

Гермозона

Разобранный жёсткий диск Samsung HD753LJ ёмкостью 750 Гб

Магнит соленоидного малоинерционного двигателя, который перемещает головку жёсткого диска

Разобранный жёсткий диск

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, в некоторых моделях разделённые сепараторами, а также блок головок с устройством позиционирования, и электропривод шпинделя.

Вопреки расхожему мнению, в подавляющем большинстве устройств внутри гермозоны нет вакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом, а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления (например, в самолёте) и температуры, а также при прогреве устройства во время работы.

Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр — пылеуловитель.

Блок головок — пакет кронштейнов (рычагов) из сплавов на основе алюминия, совмещающих в себе малый вес и высокую жёсткость (обычно по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла (IBM), но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика — окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения составляют коммерческую тайну. Большинство бюджетных устройств содержит одну или две пластины, но существуют модели с бо́льшим числом пластин.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (от 3600 до 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин. Шпиндельный двигатель жёсткого диска трёхфазный синхронный, что обеспечивает стабильность вращения магнитных дисков, смонтированных на оси (шпинделе) двигателя. Статор двигателя содержит три обмотки, включённых «звездой» с отводом посередине, а ротор — постоянный секционный неодимовый магнит.

Сепаратор (разделитель) — пластина, изготовленная из пластика или алюминия, находящаяся между пластинами магнитных дисков и над верхней пластиной магнитного диска. Используется для выравнивания потоков воздуха внутри гермозоны.

Устройство позиционирования

Разобранный жёсткий диск. Снята верхняя пластина статора соленоидного двигателя

Устройство позиционирования головок (жарг. актуатор) представляет собой малоинерционный соленоидный двигатель. Он состоит из неподвижной пары сильных неодимовых постоянных магнитов, а также катушки (соленоид) на подвижном кронштейне блока головок. Двигатель, совместно с системой считывания и обработки записанной на диск сервоинформации и контроллером (VCM controller) образует сервопривод.

Система позиционирования головок может быть и двухприводной. При этом основной электромагнитный привод перемещает блок с обычной точностью, а дополнительный пьезоэлектрический механизм совмещает головки с магнитной дорожкой с повышенной точностью.

Принцип работы двигателя заключается в следующем: обмотка находится внутри статора (обычно два неподвижных магнита), ток, подаваемый с различной силой и полярностью, заставляет её точно позиционировать кронштейн (коромысло) с головками по радиальной траектории. От скорости работы устройства позиционирования зависит время поиска данных на поверхности пластин.

В каждом накопителе существует специальная зона, называемая парковочной, именно на ней останавливаются головки в те моменты, когда накопитель выключен, либо находится в одном из режимов низкого энергопотребления. В состоянии парковки кронштейн (коромысло) блока головок находится в крайнем положении и упирается в ограничитель хода. При операциях доступа к информации (чтение/запись) одним из источников шума является вибрация вследствие ударов кронштейнов, удерживающих магнитные головки, об ограничители хода в процессе возвращения головок в нулевую позицию. Для снижения шума на ограничителях хода установлены демпфирующие шайбы из мягкой резины. Значительно уменьшить шум жёсткого диска можно программным путём, меняя параметры режимов ускорения и торможения блока головок. Для этого разработана специальная технология — Automatic Acoustic Management. Официально возможность программного управления уровнем шума жёсткого диска появилась в стандарте ATA/ATAPI-6 (для этого нужно менять значение управляющей переменной), хотя некоторые производители делали экспериментальные реализации и ранее.

Блок электроники

В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM- или RLL-контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управления шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких 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 жёсткого диска с остальной системой.

Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя), приёма и обработки сигналов с датчиков устройства (система датчиков может включать в себя одноосный акселерометр, используемый в качестве датчика удара, трёхосный акселерометр, используемый в качестве датчика свободного падения, датчик давления, датчик угловых ускорений, датчик температуры).

Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.

Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например, метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood — максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнение принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец, наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.

• 

  Макрофото магнитной головки

• 

  Запаркованная магнитная головка

• 

  Плата контроллера на 3,5" 73-гигабайтном SAS-диске Fujitsu

• 

  Механическая и электрическая составляющие привода магнитных головок

• 

  Последствие касания магнитной головкой поверхности диска

• 

  Для подключения к материнской плате диска MFM требуется контроллер

• 

  Плата контроллера на старом IDE-диске

Производство

Процесс производства жёстких дисков состоит из нескольких этапов:

• Алюминий поступает в Зону механической обработки в виде длинных цилиндрических болванок.
• От болванок отрезаются заготовки. Далее заготовке алмазным резцом придают нужные точные размеры и обрабатывают фаски.
• Далее на плоскополировальном станке рабочие поверхности заготовок полируют до нужной чистоты.
• Заготовки очищают, кладут в кассеты и перемещают в Зону проверки и транспортировки (эта зона имеет класс чистоты 100), где происходит контроль заготовок.

Для нанесения магнитного покрытия заготовки перемещают в Зону нанесения магнитных покрытий (расположена внутри зоны проверки, имеет класс 10).

• Там установлена автоматическая гальваническая линия по нанесению многослойных покрытий. Работу выполняют роботы под контролем оператора.

После завершения процесса нанесения магнитных покрытий диски укладывают в кассеты и вновь перемещают в Зону проверки.

• По конвейеру кассеты с дисками едут к сертификатору, который представляет собой достаточно большой (самый крупный в цехе) агрегат, который имеет несколько шпинделей и систему автоматической установки дисков из кассет. Также сертификатор имеет головки для записи и чтения установленных на шпиндели дисков. Диски форматируются, одним длинным сектором на весь трек. При считывании выявляются дефекты, которые заносятся в базу данных.
• Проверенные блины укладываются в кассеты и отправляются на склад.

Производители

См. также: Список компаний, производивших жёсткие диски

Изначально на рынке было большое разнообразие жёстких дисков, производившихся множеством компаний. В связи с ужесточением конкуренции, бурным ростом ёмкости, требующим современных технологий, и понижением норм прибыли большинство производителей было либо куплено конкурентами, либо перешло на другие виды продукции.

В середине 1990-х годов существовала компания Conner Peripherials, которую впоследствии купила Seagate. В первой половине 1990-х существовала фирма Micropolis, производившая очень дорогие SCSI-диски premium-класса для серверов. Но при выпуске первых в отрасли винчестеров на 7200 об/мин ею были использованы некачественные подшипники шпинделя, поставлявшиеся фирмой Nidec, и Micropolis понесла фатальные убытки на возвратах, разорилась и была полностью выкуплена компанией Seagate. Жёсткие диски выпускала и компания NEC.

Fujitsu продолжает выпускать жёсткие диски для ноутбуков и SCSI-диски, но покинула массовый рынок настольных накопителей в 2001 году из-за фатальной неудачи, связанной с массово выходившей из строя микросхемой контроллера Cirrus Logic на самом диске, до этого жёсткие диски Fujitsu считались лучшими в секторе настольных компьютеров, имея превосходные характеристики вращающихся поверхностей, практически без перенесённых на заводе секторов. В 2009 году производство жёстких дисков было полностью передано компании Toshiba

Подразделение IBM, диски которого доселе считались практически эталонными, после фатальных неудач, связанных с массовыми отказами дисков для настольных компьютеров в начале 2000-х (окислялись контакты неудачно выполненного разъёма гермобанки), купила фирма Hitachi в 2002 году.

Достаточно яркий след в истории жёстких дисков оставила компания Quantum, но и она в начале 2000-х потерпела неудачи, даже ещё более фатальные, чем IBM и Fujitsu — в жёстких дисках Quantum серии CX выходила из строя микросхема коммутатора головок, расположенная в гермобанке диска, что приводило к весьма дорогостоящему извлечению данных с вышедшего из строя диска.

Одним из лидеров в производстве дисков являлась компания Maxtor. В 2001 году Maxtor выкупила подразделение жёстких дисков компании Quantum и тоже не избежала проблем с репутацией из-за так называемых «тонких» дисков. В 2006 году Maxtor приобрела компания Seagate.

Весной 2011 года производство Hitachi приобрела компания Western Digital (заводы 3,5-дюймовых дисков были переданы Toshiba в 2012 году); в то же время Samsung продала своё HDD-подразделение компании Seagate.

С 2012 года осталось всего 3 основных производителя — Seagate, Western Digital и Toshiba.

Рынок жёстких дисков

Последствия наводнения в Таиланде (2011)

В результате наводнения в Таиланде 2011 года были затоплены несколько индустриальных зон, где расположены заводы по производству жёстких дисков, что, по мнению экспертов, вызвало дефицит жёстких дисков на мировом рынке. По оценкам Piper Jaffray, в IV квартале 2011 года дефицит жёстких дисков на мировом рынке составит 60—80 миллионов единиц при объёме спроса в 180 миллионов, по состоянию на 9 ноября 2011 года цены на жёсткие диски уже выросли в пределах от 10 до 60 %.

1 декабря 2011 года компания Western Digital отчиталась о работах по восстановлению производства в Таиланде и предложила свою оценку состояния отрасли накопителей на жёстких дисках в четвёртом квартале 2011 года и на последующие периоды.

Стоимость

С начала выпуска жёстких дисков в 1956 году их цена снизилась с десятков тысяч долларов до десятков долларов в 2015 году. Стоимость ёмкости снизилась от $9200 до $0,000 035 за один мегабайт.

Низкоуровневое форматирование

На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин форматируются — на них формируются дорожки и секторы. Конкретный способ определяется производителем и/или стандартом, но, как минимум, на каждую дорожку наносится магнитная метка, обозначающая её начало.

Существуют утилиты, способные тестировать физические секторы диска и ограниченно просматривать и править его служебные данные. Конкретные возможности подобных утилит сильно зависят от модели диска и технических сведений, известных автору программного обеспечения соответствующего семейства моделей.

Геометрия магнитного диска

С целью адресации пространства поверхности пластин диска делятся на дорожки — концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки — секторы. Адресация CHS предполагает, что все дорожки в заданной зоне диска имеют одинаковое число секторов.

Цилиндр — совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жёсткого диска. Номер головки задает используемую рабочую поверхность, а номер сектора — конкретный сектор на дорожке.

Чтобы использовать адресацию CHS, необходимо знать геометрию используемого диска: общее количество цилиндров, головок и секторов в нём. Первоначально эту информацию требовалось задавать вручную; в стандарте ATA-1 была введена функция автоопределения геометрии (команда Identify Drive).

Влияние геометрии на скорость дисковых операций

Геометрия жёсткого диска влияет на скорость чтения записи. Ближе ко внешнему краю пластины диска возрастает длина дорожек (вмещается больше секторов) и, соответственно, количество данных, которые устройство может считать или записать за один оборот. При этом скорость чтения может изменяться от 210 до 30 Мб/с. Зная эту особенность, целесообразно размещать корневые разделы операционных систем именно здесь. Нумерация секторов начинается от внешнего края диска с нуля.

Особенности геометрии жёстких дисков со встроенными контроллерами

Зонирование

На пластинах современных «винчестеров» дорожки сгруппированы в несколько зон (англ. Zoned Recording). Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако на дорожках внешних зон секторов больше, чем на дорожках внутренних. Это позволяет, используя бо́льшую длину внешних дорожек, добиться более равномерной плотности записи, увеличивая ёмкость пластины при той же технологии производства.

Резервные секторы

Для увеличения срока службы диска на каждой дорожке могут присутствовать дополнительные резервные секторы. Если в каком-либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён резервным (англ. remapping). Данные, хранившиеся в нём, при этом могут быть потеряны или восстановлены при помощи ECC, а ёмкость диска останется прежней. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая — в процессе эксплуатации. Границы зон, количество секторов на дорожку для каждой зоны и таблицы переназначения секторов хранятся в ПЗУ блока электроники.

Логическая геометрия

По мере роста ёмкости выпускаемых жёстких дисков их физическая геометрия перестала вписываться в ограничения, накладываемые программными и аппаратными интерфейсами (см.: Объём жёсткого диска). Кроме того, дорожки с различным количеством секторов несовместимы со способом адресации CHS. В результате контроллеры дисков стали сообщать не реальную, а фиктивную, логическую геометрию, вписывающуюся в ограничения интерфейсов, но не соответствующую реальности. Так, максимальные номера секторов и головок для большинства моделей берутся 63 и 255 (максимально возможные значения в функциях прерывания BIOS INT 13h), а число цилиндров подбирается соответственно ёмкости диска. Сама же физическая геометрия диска не может быть получена в штатном режиме работы и другим частям системы неизвестна.

Адресация данных

Минимальной адресуемой областью данных на жёстком диске является сектор. Размер сектора традиционно равен 512 байт. В 2006 году IDEMA объявила о переходе на размер сектора 4096 байт, который планируется завершить к 2010 году.

Компания Western Digital уже сообщила о начале использования новой технологии форматирования, названной Advanced Format, и выпустила серию накопителей, использующих новую технологию. К этой серии относятся линейки AARS/EARS и BPVT.

Перед использованием накопителя с технологией Advanced Format для работы в Windows XP необходимо выполнить процедуру выравнивания с помощью специальной утилиты. Если разделы на диске создаются Windows Vista, Windows 7 и Mac OS, выравнивание не требуется.

В Windows Vista, Windows 7, Windows Server 2008 и Windows Server 2008 R2 присутствует ограниченная поддержка дисков с увеличенным размером сектора.

Существует 2 основных способа адресации секторов на диске: цилиндр-головка-сектор (англ. cylinder-head-sector, CHS) и линейная адресация блоков (англ. linear block addressing, LBA).

CHS

При этом способе сектор адресуется по его физическому положению на диске 3 координатами — номером цилиндра, номером головки и номером сектора. В дисках объёмом больше 528 482 304 байт (504 Мб) со встроенными контроллерами эти координаты уже не соответствуют физическому положению сектора на диске и являются «логическими координатами» (см. выше).

LBA

При этом способе адрес блоков данных на носителе задаётся с помощью логического линейного адреса. LBA-адресация начала внедряться и использоваться в 1994 году совместно со стандартом EIDE (Extended IDE). Необходимость LBA была вызвана, в частности, появлением дисков больших объёмов, которые нельзя было полностью использовать с помощью старых схем адресации.

$\mathrm{LBA} = \bigl( (\mathrm{Cylinder} \times \mathrm{No\ of\ \mathrm{heads}} + \mathrm{heads}) \times \mathrm{sectors/track} \bigr) + (\mathrm{Sector}-1)$

Метод LBA соответствует Sector Mapping для SCSI. BIOS SCSI-контроллера выполняет эти задачи автоматически, то есть для SCSI-интерфейса метод логической адресации был характерен изначально.

Сравнение интерфейсов

	Пропускная способность, Гбит/с	Максимальная длина кабеля, м	Требуется ли кабель питания	Количество накопителей на канал	Число проводников в кабеле	Другие особенности
UltraATA/133	1,2	0,46	Да (3,5") / Нет (2,5")	2	40/80	Controller+2Slave, горячая замена невозможна
SATA-300	2,4	1	Да	1	7	Host/Slave, возможна горячая замена на некоторых контроллерах
SATA-600	4,8	нет данных	Да	1	7
FireWire/400	0,4	4,5 (до 72 м при последовательном соединении)	Да/Нет (зависит от типа интерфейса и накопителя)	63	4/6	устройства равноправны, горячая замена возможна
FireWire/800	0,8	4,5 (до 72 м при последовательном соединении)	Да/Нет (зависит от типа интерфейса и накопителя)	63	9	устройства равноправны, горячая замена возможна
USB 2.0	0,48 (реально — 0,25)	5 (до 72 м при последовательном соединении через хабы)	Да/Нет (зависит от типа накопителя)	127	4	Host/Slave, горячая замена возможна
USB 3.0	4,8	нет данных	Да/Нет (зависит от типа накопителя)	нет данных	9	Двунаправленный, совместим с USB 2.0
Ultra-320 SCSI	2,56	12	Да	16	50/68	устройства равноправны, горячая замена возможна
SAS	2,4	8	Да	Свыше 16384		горячая замена; возможно подключение SATA-устройств в SAS-контроллеры
eSATA	2,4	2	Да	1 (до 15 с умножителем портов)	7	Host/Slave, горячая замена возможна

История прогресса накопителей

Шесть типоразмеров жёстких дисков. Рядом лежит дюймовая линейка

• 1956 год — жёсткий диск IBM 350 в составе первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC. Накопитель занимал ящик размером с большой холодильник и имел вес 971 кг, а общий объём памяти 50 вращавшихся в нём покрытых чистым железом тонких дисков диаметром 610 мм составлял около 5 миллионов 6-битных слов (3,5 Мб в пересчёте на 8-битные слова — байты).
• 1961 год — в жестком диске IBM 1301 головки чтения/записи впервые были установлены для каждого диска, 28 Мбайт.
• 1973 год — в жестком диске IBM 3340, названным Winchester, впервые были применены лёгкие головки чтения/записи, парящие над вращающимся диском под действием аэродинамических сил, что позволило значительно уменьшить воздушный зазор между диском и головкой. Также впервые пластины и головки были упакованы в гермокамеры, что исключило внешние воздействия на механизм, 30 Мбайт.
• 1979 год — в жестком диске IBM 3370 впервые магнитные головки были изготовлены по тонкоплёночной технологии, разрабатываемой с конца 1960-х годов. Благодаря этому плотность записи увеличилась до 7,53 Мбит на дюйм. Тонкоплёночные головки чтения/записи производились до 1991 года, после чего их заменили магниторезистивные головки.
• 1980 год — первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart ST-506, 5 Мб (промышленные накопители IBM достигали ёмкости в 1 Гбайт). Жесткие диски типоразмера 5,25” производились до 1998 года.
• 1981 год — 5,25-дюймовый Shugart ST-412, 10 Мб.
• 1983 год — первый 3,5 дюймовый жесткий диск, выпущенный небольшой шотландской компанией Rodime, 10 Мб. Данный форм-фактор был запатентован Rodime как собственное изобретение.
• 1985 год — стандарт ESDI, доработанный стандарт ST-412
• 1986 год — стандарты SCSI, ATA (IDE).
• 1990 год — максимальная ёмкость 320 Мб.
• 1991 год — IBM выпускает первый 2,5 дюймовый жесткий диск Tamba-1 ёмкостью 63 Мб и весом чуть более 200г.
• 1992 год — первый жесткий диск со скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин, 2,1 Гбайт.
• 1995 год — максимальная ёмкость 2 Гб.
• 1996 год — первый жесткий диск со скоростью вращения шпинделя 10 000 об/мин, Seagate Cheetah.
• 1997 год — максимальная ёмкость 10 Гб.
• 1998 год — стандарты UDMA/33 и ATAPI.
• 1999 год — IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 Мб.
• 2000 год — IBM выпускает Microdrive ёмкостью 500 Мб и 1 Гб. В этом же году появились первые жесткие диски со скоростью вращения шпинделя 15 000 оборотов в минуту, выпущенные Seagate и IBM. На этом гонка скоростей вращения прекратилась.
• 2002 год — стандарт ATA/ATAPI-6 и накопители ёмкостью свыше 137 Гб.
• 2003 год — появление SATA.
• 2003 год — Hitachi выпускает Microdrive ёмкостью 2 Гб.
• 2004 год — Seagate выпускает ST1 — аналог Microdrive ёмкостью 2,5 и 5 Гб.
• 2005 год — максимальная ёмкость 500 Гб.
• 2005 год — стандарт Serial ATA 3G (или SATA II).
• 2005 год — появление SAS (Serial Attached SCSI).
• 2005 год — Seagate выпускает ST1 — аналог Microdrive ёмкостью 8 Гб.
• 2006 год — применение перпендикулярного метода записи в коммерческих накопителях.
• 2006 год — появление первых «гибридных» жёстких дисков, содержащих блок флеш-памяти.
• 2006 год — Seagate выпускает ST1 — аналог Microdrive ёмкостью 12 Гб.
• 2007 год — Hitachi представляет первый коммерческий накопитель ёмкостью 1 Тб.
• 2009 год — на основе 500-гигабайтных пластин Western Digital, затем Seagate выпустили модели ёмкостью 2 Тб.
• 2009 год — Samsung выпустила первые жёсткие диски с интерфейсом USB 2.0
• 2009 год — Western Digital объявила о создании 2,5-дюймовых HDD объёмом 1 Тб (плотность записи — 333 Гб на одной пластине).
• 2009 год — появление стандарта SATA 3.0 (SATA 6G).
• 2010 год — Seagate выпускает жёсткий диск объёмом 3 Тб.
• 2010 год — Samsung выпускает жёсткий диск с пластинами, у которых плотность записи — 667 Гб на одной пластине
• 2011 год — Western Digital выпустила первый диск на 750-Гб пластинах.
• 2011 год — Hitachi выпустила первый диск на 1 Тб пластинах.
• 2011 год — Seagate представила первый в мире 3,5-дюймовый диск объемом 4 Тбайта.
• 2013 год — Western Digital выпускает диск на 6 ТБ с 7 пластинами вместо 5.
• 2014 год — Western Digital выпустила первый в мире диск на 10 ТБ с гелием вместо воздуха. Имеет 7 пластин.

Интересные факты

• Во времена создания первых жестких дисков, у IBM существовало правило: все модели должны были проходить через стандартный дверной проем в 75 см.
• Плотность записи на жестких дисках за 50 лет увеличилась в 60 млн раз.

См. также

• Advanced Host Controller Interface
• NCQ
• Раздел диска
• Список компаний, производивших жёсткие диски

Литература

• Мюллер С. Модернизация и ремонт ПК = Upgrading and Repairing PCs / Скотт Мюллер. — 17-е изд. — М.: Вильямс, 2007. — С. 653—700. — ISBN 0-7897-3404-4.
• Евгений aka Saturn История магнитного складирования // UPgrade : журнал. — 2011. — № 4 (508). — С. 20—25. — ISSN 1680-4694.

Ссылки

• Энциклопедия жёстких дисков
• 50 лет жёстким дискам // iXBT
• Работа жёсткого диска (видео)
• Сравнение производительности SSD и HDD // PC-hard.ru. — 2012.
• Андрианов С. Основные сведения о жестких дисках / Сергей Андрианов // MorePC. — 2002. — 21 июля. (Проверено 7 сентября 2014)
• Вишнякова Н. Устройство и принцип работы жесткого диска / Наталья Вишнякова // Компьютер с нуля. — 2012. — 26 марта. (Проверено 7 сентября 2014)