Определение
Накопитель на жёстких магнитных дисках, жёсткий диск или винчестер, (англ. Hard Disk Drive, HDD) — энергонезависимое,
перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных
компьютерах.
В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины,
покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности
пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой
и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках 5-10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает
долгий срок службы жёсткого диска. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя в безопасной зоне, где исключен
их контакт с поверхностью дисков.
Название «винчестер» жёсткий диск получил благодаря фирме IBM, которая в 1973 году выпустила 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 Мб каждый. Кеннет Хотон, руководитель
проекта, по созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья «Winchester 30-30»[1] предложил назвать этот диск «винчестером»[2].
В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в российском же компьютерном сленге название
«винчестер» сохранилось, сократившись до слова «винт».
Характеристики
Интерфейс — способ, использующийся для передачи данных. Современные накопители могут использовать интерфейсы ATA (AT Attachment,он же IDE – Integrated Drive Electronic), (EIDE), Serial ATA, SCSI (Small Computer System Interface), IEEE 1394, SAS, FireWire, USB, SDIO и Fibre Channel.
Ёмкость (англ. capacity) — количество данных, которые могут храниться накопителем. Ёмкость современных устройств достигает 1.5 Tб. В отличие от принятой в информатике системе приставок, обозначающих кратную 1024 величину (кило=1024, мега=1 048 576 и т. д.), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются кратные 1000 величины. Так, напр., «настоящая» ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 Гб», составляет 186,2 Гб.
Физический размер (форм-фактор) — почти все современные накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Последние чаще применяются в ноутбуках. Другие распространённые форматы - 1,8 дюйма, 1,3 дюйма и 0,85 дюйма
Время произвольного доступа (англ. random access time) — от 3 до 15 мс, как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 мс [1]), самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5 [2]).
Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) — 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).
Надёжность (англ. reliability) — определяется как среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failures, MTBF).
Количество операций ввода-вывода в секунду — у современных дисков это около 50 оп./сек при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.
Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств.
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.
Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки g во включённом и выключенном состоянии.
Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate):
Внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с
Внешняя зона диска: от 74,0 до 111,4 Мб/с
Устройство
Жёсткий диск состоит из двух основных узлов — герметического блока (гермоблока) и платы электроники. В гермоблоке
установлены сами жёсткие диски, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя и предварительный
усилитель сигнала. С предварительного усилителя гермоблока электрический сигнал поступает на блок электроники. Также
через него на головки поступает записывающий сигнал. Блок электроники обязательно 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 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).
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 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 пpавдоподобие пpи неполном отклике). Осуществляется сравнении принятого сигнала с образцами. При этом выбирается
образец наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.
Технологии записи данных
Принцип работы жестких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подачи переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора 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 из-за эффекта электромагнитной индукции.
В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки.
В них, изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля.
Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи
информации).
Метод параллельной записи
На данный момент это самая распространенная технология записи информации на НЖМД. Биты информации записываются с помощью
маленькой 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. На сегодняшний
день, домены становятся настолько малы, что остро встаёт вопрос о их стабильности. Дальнейшее развитие этой технологии под
вопросом, многие считают этот метод исчерпавшим себя. Плотность записи, при использовании этого метода, на данный момент
равна 150 Гбит/дюйм? (23Гбит/см?).
Метод перпендикулярной записи
Для того чтобы решить проблему с дальнейшим увеличением плотности, многие производители рассматривают технологию,
при которой биты информации сохранялись бы в вертикальных доменах. Это позволит использовать более сильные магнитные
поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у экспериментального прототипа —
200 Гбит/дюйм? (31 Гбит/см?), в дальнейшем планируется довести плотность до 400—500 Гбит/дюйм? (60—75 Гбит/см?).
Метод тепловой магнитной записи
Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat assisted magnetic recording — HAMR) на данный момент активно
разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке
намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется».
История прогресса накопителей
1956 — продажа первого коммерческого жёсткого диска, IBM 350 RAMAC, 5 Мб. Он весил около тонны,
занимал два ящика - каждый размером с большой холодильник, а общий объем памяти 50 вращавшихся в нем покрытых
чистым железом тонких дисков диаметром с большую пиццу составлял 5 мегабайтов.
1980 — первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart ST-506, 5 Мб.
1986 — Стандарт SCSI
1991 — Максимальная ёмкость 100 Мб
1995 — Максимальная ёмкость 2 Гб
1997 — Максимальная ёмкость 10 Гб
1998 — Стандарты UDMA/33 и ATAPI
1999 — IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 Мб
2002 — Взят барьер адресного пространства выше 137 Гб
2003 — Появление SATA
2005 — Максимальная ёмкость 500 Гб
2005 — Стандарт Serial ATA 3G
2005 — Появление SAS (Serial Attached SCSI)
2006 — Применение перпендикулярного метода записи в коммерческих накопителях
2006 — Появление «гибридных» жёстких дисков, содержащих дополнительный блок флэш-памяти ёмкостью в единицы гигабайт.
