Жесткий диск

Жёсткий диск

'''Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках''' или '''НЖМД''' ({{lang-en|hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD}}), ''жёсткий диск'', в компьютерном сленге ''винче́стер'', ''«винт»'', ''хард'', ''харддиск'' — Компьютерная память(устройство хранения информации), основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

В отличие от «гибкого»  диска , информация в НЖМД записывается на жёсткие алюминиевые или стеклянные пластина жёсткого диска, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего оксид хрома. 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).

Также, в отличие  от гибкого диска, носитель информации совмещён с накопителем, приводом и  блоком электроники и (в персональных компьютерах в подавляющем количестве случаев) обычно установлен внутри системного блока компьютера.

Название  «Винчестер»

По одной из версий название «винчестер» (Winchester) накопитель получил благодаря работавшему в фирме IBM Кеннету Хотону , руководителю проекта в результате которого в 1973 году был выпущен жёсткий диск модели IBM 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, что по созвучию совпало с обозначением популярного охотничьего оружия — Винчестер (винтовка) Winchester Model 1894 использующего оружейный патрон. Также существует версия, что название произошло исключительно из-за названия патрона, также выпускаемого 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.

Характеристики 

''Интерфейс''— совокупность  линий связи, сигналов, посылаемых  по этим линиям, технических средств,  поддерживающих эти линии, и  правил (протокола) обмена. Серийно  выпускаемые жёсткие диски могут использовать интерфейсы [[ATA]] (он же IDE и PATA), [[SATA]], [[eSATA]], [[SCSI]], [[Serial Attached SCSI|SAS]], [[FireWire]], [[SDIO]] и [[Fibre Channel]].

''Ёмкость''— количество  данных, которые могут храниться  накопителем. С момента создания  первых жестких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная емкость непрерывно увеличивается. Ёмкость современных жестких дисков с форм-фактором 3,5 дюйма, на июнь 2010 г., достигает 3000 Гб (3 Терабайта начала продажу 3-терабайтовых жестких дисков).

''Физический размер  форм-фактор'' .Почти все современные (2001—2008 года) накопители 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 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.

''Время произвольного  доступа''— время, за которое  винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик — от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 ).

''Скорость вращения  шпинделя''— 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, 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''— 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'' — 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.

''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.

''Сопротивляемость  ударам''— сопротивляемость накопителя  резким скачкам давления или  ударам, измеряется в единицах  допустимой перегрузки во включённом  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.

''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 64 Мб.

Производители

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

На сегодняшний  день бо́льшая часть всех винчестеров  производится всего несколькими компаниями: Seagate, Western Digita,Samsung, а также ранее принадлежавшим  IBM подразделением по производству дисков фирмы Hitachi, Fujitsu продолжает выпускать жёсткие диски для ноутбуков и SCSI-диски, но покинула массовый рынок в 2001 году в 2009 году производство жёстких дисков было полностью передано компании Toshiba является основным производителем 2,5- и 1,8-дюймовых ЖД для ноутбуков. Достаточно яркий след в истории жёстких дисков оставила компания  Quantum. Одним из лидеров в производстве дисков являлась компания Maxtor. В 2001 году Maxtor выкупила подразделение жёстких дисков компании Quantum. В 2006 году состоялось слияние Seagate и Maxtor. В середине 1990-х годов существовала компания Conner, которую купила Seagate. В первой половине 1990-х существовала фирма Micropolis, производившая очень дорогие диски premium-класса. Но при выпуске первых в отрасли винчестеров на 7200 об/мин ею были использованы некачественные подшипники главного вала, поставляемые фирмой Nidec, и Micropolis понесла фатальные убытки на возвратах, разорилась и была на корню куплена вышеупомянутой Seagate.

Устройство

Жёсткий диск состоит  из гермозоны и блока электроники

Гермозона

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, шпинделя.

Блок головок —  пакет рычагов из пружинистой  стали (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, 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 держатся в секрете. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с бо́льшим числом пластин. 

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 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.

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.

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 (то есть конкретную дорожку из цилиндра), а ''номер сектора'' — конкретный сектор на дорожке. 

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

|url=ftp://ftp.t10.org/t13/project/d0791r4c-ATA-1.pdf

|title=Спецификация  стандарта ATA-1

|publisher=???

|lang=en

|accessdate=???

}}</ref> 

Особенности геометрии жёстких  дисков со встроенными  контроллерами

Зонирование

На пластинах современных  «винчестеров» дорожки сгруппированы  в несколько зон. 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. 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 ЗУ блока электроники.

Логическая  геометрия 

По мере роста  емкости выпускаемых жёстких  дисков их физическая геометрия перестала  вписываться в ограничения, накладываемые программными и аппаратными интерфейсами. 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. В спецификациях АТА и SCSI отсутствуют команды для этого и другим частям системы неизвестна.

Адресация данных

Минимальной адресуемой областью данных на жёстком диске является ''сектор''. Размер сектора традиционно равен 512 байт.Во всех серийно используемых стандартах, начиная с ST-412, разработанного в начале 1980-х годов. В 2006 году IDEMA объявила о переходе на размер сектора 4096 байт, который планируется завершить к 2010 году.

18 июня 2009 Western Digitals уже сообщил о начале использования новой технологии форматирования, названой Advanced Format, и выпустил накопитель (WD10EARS-00Y5B1) использующий новую технологию.

В окончательной  версии Windows Vista, вышедшей в 2007 году, присутствует ограниченная поддержка дисков с таким размером сектора.

Существует 2 основных способа адресации секторов на диске: ''цилиндр-головка-сектор'' и ''линейная адресация блоков''.

CHS

При этом способе  сектор адресуется по его физическому положению на диске 3 координатами — ''номером цилиндра'', ''номером головки'' и ''номером сектора''. В современных дисках со встроенными контроллерами эти координаты уже не соответствуют физическому положению сектора на диске и являются «логическими координатами».

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). Стандарты ATA требуют однозначного соответствия между режимами CHS и LBA:

LBA = [ (Cylinder * no of heads + heads) * sectors/track ] + (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. 
 

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 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 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 намагниченности.

Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². В настоящее время  происходит постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.

Метод перпендикулярной записи

Метод перпендикулярной записи — это 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. Плотность записи у современных образцов — 60 Гбит/см².

Жёсткие диски с  перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.

Метод тепловой магнитной записи

Термоассистируемая  магнитная запись

Метод тепловой магнитной  записи на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он 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». На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на 2009 год), есть лишь экспериментальные образцы, плотность записи которых 150 Гбит/см². освоила 1 терабит на квадратный дюйм. Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 2,3−3,1 Тбит/см², а представители Seagate Technology предполагают, что они смогут довести плотность записи HAMR-носители до 7,75 Тбит/см². Широкого распространения данной технологии следует ожидать в 2011—2012 годах.

История прогресса  накопителей 

Шесть жёстких дисков, образовавшихся в ходе их развития.

* [[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 байт (3,5 Мб в пересчёте на 8-битные байты).

* [[1980 год]] — первый 5,25-дюймовый Winchester, Seagate Technology ST-506, 5 Мб.

* [[1981 год]] — 5,25-дюймовый Shugart ST-412, 10 Мб.

* [[1986 год]] — стандарты SCSI, ATA(IDE).

* [[1991 год]] — максимальная  ёмкость 100 Мб.

* [[1995 год]] — максимальная  ёмкость 2 Гб.

* [[1997 год]] — максимальная  ёмкость 10 Гб.

* [[1998 год]] — стандарты  UDMA/33 и ATAPI.

* [[1999 год]] — IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 Мб.

* [[2002 год]] — стандарт ATA/ATAPI-6 и накопители емкостью  свыше 137 Гб.

* [[2003 год]] — появление SATA.

* [[2005 год]] — максимальная  ёмкость 500 Гб.

* [[2005 год]] — стандарт Serial ATA 3G (или SATA II).

* [[2005 год]] — появление Serial Attached SCSI (Serial Attached SCSI).

* [[2006 год]] — применение  перпендикулярного метода записи  в коммерческих накопителях.

* [[2006 год]] — появление  первых «гибридных» жёстких дисков, содержащих блок флеш-памяти.

* [[2007 год]] — Hitachi представляет первый коммерческий накопитель ёмкостью 1 терабайт.

* [[2009 год]] — на  основе 500-гигабайтных пластин Western Digital, затем Seagate Technology LLC выпустили модели ёмкостью 2 Тб.

* [[2009 год]] — Samsung выпустила первые жесткие диски с интерфейсом USB 2.0 .

* [[2009 год]] — Western Digital объявила о создании 2,5-дюймовых HDD объемом 1 Тб (плотность записи  — 333 Гб на одной пластине)

* [[2009 год]] — появление  стандарта SATA 3.0 (SATA 6G).

* [[2010 год]] — Seagate выпускает жесткий диск объемом  3 Тб .

* [[2010 год]] — Samsung выпускает жесткий диск с пластинами, у которых плотность записи  — 667 Гб на одной пластине .