Жёсткий диск

Эта статья входит в число готовых статей
Эта статья прошла проверку экспертом
Материал из «Знание.Вики»
Современный жёсткий диск без верхней крышки

Жёсткий диск (англ. hard disk drive, сокращение от HDD), часто называемый жёстким диском, разг. винчестером , представляет собой магнитный носитель компьютерной техники, в котором данные записываются на поверхность вращающихся дисков. Для записи жесткое магнитное покрытие поверхности диска намагничивается бесконтактным способом в соответствии с записываемой информацией. За счёт остаточности (остаточной намагниченности) происходит сохранение информации. Считывание информации осуществляется путем бесконтактного сканирования намагниченной поверхности диска.

В отличие от носителей с последовательной адресацией, таких как магнитная лента или перфолента, жсткие диски относятся к носителям с прямой адресацией (DASD)[1], поскольку для доступа к определенному месту хранения данных не требуется линейный проход. До использования в области ПК, начиная с 1980-х годов, жёсткие диски использовались в основном в области мэйнфреймов. Данные могут храниться на жёстких дисках в различных организационных формах. Жёсткие диски, организованные с использованием CKD (count key data), содержат блоки данных различной длины в зависимости от формата записи[2]. Организованные жёсткие диски с фиксированной блочной архитектурой (FBA) содержат блоки данных одинаковой длины, обычно размером 512 или 4096 байт. Доступ всегда должен состоять из целого числа блоков.

Видео работы жесткого диска

С 2007 года на рынке конечных потребителей также предлагаются флэш-накопители (так называемые твердотельные накопители, сокращенно SSD)[3] . По состоянию на 2022 год стоимость дешевого твердотельного накопителя для настольных ПК примерно в 2 раза выше, чем у дешевого обычного жесткого диска, но позволяет значительно сократить время доступа и повысить скорость записи и чтения. Из-за более низкой цены за единицу хранения традиционные жёсткие диски находят применение, особенно в приложениях, требующих большой емкости, но не требующие высокой скорости (например, при использовании в NAS для хранения мультимедиа в частном хранилище), а также для многократного использования.

Приблизительно 224 компании производили жёсткие диски в прошлом, хотя после объединения отрасли большинство жёстких дисков производится компаниями Seagate, Western Digital и Toshiba. При этом жёсткие диски занимают лидирующие позиции по объему производимого хранилища (эксабайты в год). Хотя производство растет медленно, выручка от продаж и поставки накопителей снижается из-за того, что твердотельные накопители (SSD) имеют более высокую скорость передачи данных, более высокую плотность хранилища, лучшую надежность.

Производительность жесткого диска определяется временем, необходимым для перемещения головок на дорожку или цилиндр (среднее время доступа), путем добавления времени, необходимого для перемещения желаемого сектора под головкой (средняя задержка, которая является функцией физической скорости вращения на оборотах в минуту) и, наконец, скорость, с которой передаются данные (скорость передачи данных).

История

IBM 350 RAMAC disk
Альберт Ферт

Первый жёсткий диск, представленный в 1956 году, был Ramac I,[4] который был выпущен вместе с компьютером IBM 350: его вес составлял тонну, а его емкость составляла 3.75 МБ. Его размер был больше чем у современного холодильника, но он все еще работал с вакуумным клапаном и для его работы нужна была отдельная консоль.

Габариты составляли 152 см в ширину, 173 см в высоту и 74 см в глубину, вес — 972 кг. Внутри работали 50 магнитных дисков с 50.000 секторами в сумме.

Его заслуга в том, что время доступа было относительно постоянным в некоторых ячейках памяти. Этот тип доступа известен как произвольный доступ. На магнитной ленте необходимо было наматывать и разворачивать катушки, пока не будут найдены необходимые данные. Это потребовало бы много времени доступа для каждой позиции. Этот тип доступа известен как последовательный.

Петер Грюнберг

Технология производства жесткого диска была достаточно простой. Он был изготовлен из магнитного покрытия металлического диска магнитным материалом, который был отформатирован в концентрические дорожки, которые затем были разделены на сектора. С помощью магнитной головки можно было кодировать информацию, намагничивая крошечные участки жесткого диска, используя двоичный код «нулей и единиц». Записанные таким образом биты и двоичные цифры могут быть сохранены в течение многих лет. Первоначально каждый бит имел горизонтальное расположение на магнитной поверхности диска, но позже было обнаружено, как записывать информацию более компактным образом.

Nokia N91 с жёстким диском

Заслугой француза Альберта Ферта и немца Петера Грюнберга (оба лауреаты Нобелевской премии по физике за вклад в область магнитных накопителей) стало открытие явления[5], известного как гигантское магнитосопротивление, которое позволило сконструировать более чувствительные считывающие и записывающие головки и более компактировать биты на поверхности жесткого диска. Эти открытия, независимо сделанные этими исследователями, привели к резкому росту емкости жёстких дисков, которая в 1990-х годах увеличивалась на 60 % ежегодно.

В 1992 году 3,5-дюймовые жёсткие диски вмещали 250 МБ[6], тогда как 10 лет спустя они превысили 40 ГБ (40 960 МБ). Сейчас для повседневного использования уже доступны жёсткие диски объемом более 22 ТБ.

В 2005 году Samsung и Nokia представили первые мобильные телефоны с жёсткими дисками[7], хотя они были не очень успешными, поскольку флэш-память вытеснила их из-за увеличения емкости, большей выносливости и меньшего энергопотребления. Также компании Apple, Cowon, iRiver выпускали mp3-плееры, которые в качестве накопителя использовали жёсткие диски. Эти плееры выпускались в то время, когда флэш-память была дорогой и имела малые объемы памяти (от 32 до 256 мб).

Размеры

Размеры жёстких дисков традиционно указываются в дюймах. При этом речь идет не о точном размере, а о форм-факторе.[8] Обычными форм-факторами для ширины являются 5,25", 3,5", 2,5" и 1,8", а для высоты, например, 1", 1⁄2" и 3⁄8". Данные в дюймах обычно примерно соответствуют диаметру пластины, а не ширине корпуса накопителя. Однако в некоторых случаях пластины меньшего размера используются для обеспечения более высоких оборотов.

В ходе развития жёстких дисков размеры конструкции неоднократно сокращались в пользу меньших, поскольку они, помимо меньшей площади, имеют более низкий уровень энергопотребления. Правда, изначально меньшее пространство означает, что диск имеет меньшие пластины и, следовательно, меньше места для хранения. Быстрое развитие технологий в направлении увеличения плотности данных компенсирует это ограничение в краткосрочной перспективе.

Конструкция и функции

Открытый Жёсткий диск
Жёсткий диск, вид сбоку

Жёсткий диск состоит из следующих элементов:

1. Интегральная схема. Она синхронизирует работу диск с компьютером и управляет всеми процессами.[9]

2. Электромотор (шпиндель). Приводит к движению диск, который вращается на скорости 7200 об/мин, серверные накопители могут вращаться со скоростью 15 000 об/мин.

3. Рычаг перемещения головок, который может как записывать, так и считывать информацию. Головка рычага никогда не соприкасается с дисками, существует зазор между поверхностью диска и головкой, размер этого зазора примерно в пять тысяч раз меньше толщины человеческого волоса

4. Привод. Состоит из неподвижной пары неодимовых магнитов и катушки (соленоида) на подвижном кронштейне.

5. Катушка. Генерирует магнитное поле, которое реагирует на поле, созданное постоянными магнитами.

6. Циркуляционный фильтр, который находится на пути потоков воздуха, создаваемых вращением пластин, собирающие мельчайшие части и удерживает их внутри.

7. Пластины. Выполнены из металлических сплавов и покрыты ферромагнитным слоем, который и хранит информацию.

8. Корпус. Выполнен из пластмассы. Верхняя крышка всегда металлическая.

Принцип работы

Разобранный Жёсткий диск

Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов[10]. Поверхность диска движется относительно считывающей головки . При подаче тока на катушку головки, возникшее 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. Для считывания используется магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. Они меняют сопротивление, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля. Такие головки позволяют увеличить точность считывания информации (особенно при больших объемах записи).

Метод параллельной записи

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. При использовании этого метода максимальная плотность записи составляет около 23 Гбит/см². Сейчас идет процесс вытеснения данного метода методом перпендикулярной записью.

Технология перпендикулярной записи

Технология перпендикулярной записи — это технология, при которой бит информации сохраняется в вертикальных доменах. Этот способ позволяет использовать более мощные магнитные поля, чтобы снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Современные образцы имеют плотность записи в 60 Гбит/см². Жёсткие диски с перпендикулярной записи появились на рынке с 2005 года.

Метод тепловой магнитной записи

При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности.

Примечания

  1. ↑ Эволюция носителей информации. Часть 1: от перфокарт до DVD. www.ferra.ru. Дата обращения: 15 февраля 2023.
  2. ↑ Технологии магнитной записи HDD: просто о сложном. Хабр. Дата обращения: 15 февраля 2023.
  3. ↑ Что нужно знать об SSD сегодня и чего ждать от HDD завтра. 3DNews - Daily Digital Digest. Дата обращения: 15 февраля 2023.
  4. ↑ WIRED Staff. Tech Time Warp of the Week: The World's First Hard Drive, 1956 (en-US) // Wired. — ISSN 1059-1028.
  5. ↑ Намагниченный «Нобель». Газета.Ru. Дата обращения: 15 февраля 2023.
  6. ↑ Эволюция жестких дисков: как изменились винчестеры за 60 лет существования?. Хабр. Дата обращения: 15 февраля 2023.
  7. ↑ Samsung представил мобильник с жестким диском в 3 ГБ. CNews.ru. Дата обращения: 15 февраля 2023.
  8. ↑ Жесткие диски: то, о чем вы даже не подозревали. 3DNews - Daily Digital Digest. Дата обращения: 15 февраля 2023.
  9. ↑ Rar1ty. Анатомия накопителя: жесткие диски — Железо на DTF. DTF (11 января 2021). Дата обращения: 15 февраля 2023.
  10. ↑ Устройство и принцип работы жесткого диска. Компьютер с нуля.
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Жёсткий_диск&oldid=720502