Жесткий диск

«Жесткий диск» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о других значениях, см. Жесткий диск (значения) .

2,5-дюймовый жесткий диск со снятой крышкой

Конец 3,5-дюймового жесткого диска с интерфейсом Serial ATA (SATA).

Обзор того, как работают жесткие диски

Жесткий диск ( HDD ), жесткий диск , жесткий диск или фиксированный диск представляет собой электромеханическое устройство хранения данных , которое сохраняет и извлекает цифровые данные с помощью магнитного накопителя с одной или несколькими жесткими быстро вращающимися пластинами , покрытыми магнитным материалом. Пластины соединены с магнитными головками , обычно расположенными на подвижном рычаге привода , которые считывают и записывают данные на поверхности пластин. Доступ к данным осуществляется в произвольном порядке, что означает, что отдельные блоки данных могут храниться и извлекаться в любом порядке. Жесткие диски — это тип энергонезависимого хранилища , сохраняющего сохраненные данные при выключении питания. Современные жесткие диски обычно имеют форму небольшой прямоугольной коробки .

Жесткие диски были представлены компанией IBM в 1956 году. и были доминирующим дополнительным устройством хранения данных для компьютеров общего назначения с начала 1960-х годов. Жесткие диски сохранили эту позицию и в современную эпоху серверов и персональных компьютеров , хотя персональные вычислительные устройства, производимые в больших объемах, такие как мобильные телефоны и планшеты , полагаются на устройства хранения данных с флэш-памятью . более 224 компаний Исторически производили жесткие диски , хотя после обширной консолидации отрасли большинство устройств производятся компаниями Seagate , Toshiba и Western Digital . Жесткие диски доминируют в объеме производимого хранилища ( экзабайт в год) для серверов. Хотя производство растёт медленно (на отгруженные эксабайты ), доходы от продаж и объемы поставок снижаются, поскольку твердотельные накопители (SSD) имеют более высокую скорость передачи данных, более высокую плотность хранения данных, несколько лучшую надежность, и гораздо меньшая задержка и время доступа.

Доходы от SSD, большинство из которых используют флэш-память NAND , в 2018 году немного превысили доходы от HDD. По состоянию на 2017 год выручка от флэш-накопителей более чем в два раза превысила доход от жестких дисков. . Хотя твердотельные накопители имеют в четыре-девять раз более высокую стоимость за бит, они заменяют жесткие диски в приложениях, где важны скорость, энергопотребление, небольшой размер, высокая емкость и долговечность. По состоянию на 2019 год , стоимость одного бита твердотельных накопителей падает, а ценовая надбавка по сравнению с жесткими дисками сократилась.

Основными характеристиками жесткого диска являются его емкость и производительность . Емкость указывается в префиксах единиц , соответствующих степеням 1000: накопитель емкостью 1 терабайт (ТБ) имеет емкость 1000 гигабайт , где 1 гигабайт = 1 000 мегабайт = 1 000 000 килобайт (1 миллион) = 1 000 000 000 байт ( 1 миллиард). Обычно некоторая часть емкости жесткого диска недоступна пользователю, поскольку она используется файловой системой компьютера и операционной системой и, возможно, встроенным резервированием для исправления ошибок и восстановления. Может возникнуть путаница в отношении емкости хранилища, поскольку производители жестких дисков указывают емкость в десятичных гигабайтах (степень 1000), тогда как наиболее часто используемые операционные системы сообщают о емкости в степени 1024, что приводит к меньшему числу, чем заявлено. Производительность определяется как время, необходимое для перемещения головок к дорожке или цилиндру (среднее время доступа), время, необходимое для перемещения нужного сектора под головку (средняя задержка , которая является функцией физического скорость вращения в оборотах в минуту ) и, наконец, скорость, с которой передаются данные (скорость передачи данных).

Двумя наиболее распространенными форм-факторами современных жестких дисков являются 3,5-дюймовый для настольных компьютеров и 2,5-дюймовый, преимущественно для ноутбуков. Жесткие диски подключаются к системам с помощью стандартных интерфейсных кабелей, таких как кабели SATA (Serial ATA), USB , SAS ( Serial Attached SCSI ) или PATA (Parallel ATA).

История

Основная статья: История жестких дисков

Жесткий диск

Частично разобранный жесткий диск IBM 350 (RAMAC)
Дата изобретения	24 декабря 1954 г ( 1954-12-24 )
Изобретён	Команда IBM под руководством Рей Джонсона

Duration: 17 seconds.0:17

Видео работы современных HDD (крышка снята)

Duration: 40 seconds.0:40

Работа жесткого диска сервера (крышка снята)

Улучшение характеристик HDD с течением времени

Параметр	Началось с (1957)	Улучшено до	Улучшение
Емкость (отформатированный)	3,75 мегабайт	32 терабайта (по состоянию на 2024 г. )	8,5 миллиона к одному
Физический объем	68 кубических футов (1,9 м 3 )	2,1 кубических дюйма (34 см 3 )	56 000 к одному
Масса	2000 фунтов (910 кг )	2,2 унции (62 г )	15 000 к одному
Среднее время доступа	ок. 600 миллисекунд	от 2,5 мс до 10 мс; RW зависит от ОЗУ	о 200 к одному
Цена	9200 долларов США за мегабайт (1961; 97 500 долларов США в 2022 году)	14,4 доллара США за терабайт к концу 2022 года.	6,8 миллиарда к одному
Плотность данных	2000 бит на квадратный дюйм	1,4 терабита на квадратный дюйм в 2023 году	700 миллионов к одному
Средняя продолжительность жизни	в. 2000 часов наработки на отказ	в. 2 500 000 часов (~ 285 лет) наработка на отказ	1250 к одному

Первый серийный жесткий диск IBM, 350 disk Storage , был выпущен в 1957 году как компонент системы IBM 305 RAMAC. Он был размером примерно с два больших холодильника и хранил пять миллионов шестибитных символов (3,75 мегабайта ). на стеке из 52 дисков (используется 100 поверхностей). У модели 350 был один рычаг с двумя головками чтения/записи, одна обращена вверх, а другая вниз, которые перемещались как горизонтально между парой соседних пластин, так и вертикально от одной пары пластин ко второму набору. Вариантами IBM 350 были IBM 355 , IBM 7300 и IBM 1405 .

В 1961 году IBM анонсировала, а в 1962 году выпустила дисковое устройство хранения данных IBM 1301. который заменил IBM 350 и подобные накопители. Модель 1301 состояла из одного (для модели 1) или двух (для модели 2) модулей, каждый из которых содержал по 25 пластин, каждая пластина примерно Толщина 1 ⁄ 8 дюйма (3,2 мм) и диаметр 24 дюйма (610 мм). В то время как более ранние дисководы IBM использовали только две головки чтения/записи на каждое плечо, в модели 1301 использовался массив из 48 головок. головки (гребень), каждый массив перемещается горизонтально как единое целое, по одной головке на каждую используемую поверхность. Поддерживались операции чтения/записи в цилиндрическом режиме , а головки летали на высоте около 250 микродюймов (около 6 мкм) над поверхностью пластины. Движение блока головок зависело от бинарной сумматорной системы гидравлических приводов, которая обеспечивала повторяемость позиционирования. Шкаф 1301 был размером с три больших холодильника, расположенных рядом, и хранил эквивалент примерно 21 миллиона восьмибитных байтов на модуль. Время доступа составляло около четверти секунды.

Также в 1962 году IBM представила дисковод модели 1311 , который был размером со стиральную машину и хранил два миллиона символов на съемном блоке дисков . Пользователи могли покупать дополнительные пакеты и менять их по мере необходимости, подобно катушкам магнитной ленты . Более поздние модели съемных накопителей от IBM и других стали нормой в большинстве компьютерных установок и к началу 1980-х годов достигли емкости 300 мегабайт. Несъемные жесткие диски назывались «несъемными дисками».

В 1963 году IBM представила модель 1302. с вдвое большей емкостью гусениц и вдвое большим количеством гусениц на цилиндр, чем у 1301. Модель 1302 имела один (для модели 1) или два (для модели 2) модуля, каждый из которых содержал отдельную гребенку для первых 250 гусениц и последних 250 гусениц.

Некоторые высокопроизводительные жесткие диски производились с одной головкой на дорожку, например , Burroughs B-475 в 1964 году, IBM 2305 в 1970 году, так что не терялось времени на физическое перемещение головок на дорожку, и единственной задержкой было время для желаемого блок данных для поворота в положение под головой. Известные как диски с фиксированной головкой или головкой на дорожку, они были очень дорогими и больше не производятся.

В 1973 году IBM представила новый тип жестких дисков под кодовым названием « Винчестер ». Его основной отличительной особенностью было то, что головки дисков не извлекались полностью из стопки дисковых пластин при выключении накопителя. Вместо этого головкам позволялось «приземлиться» на специальную область поверхности диска при замедлении вращения, а затем снова «взлететь», когда диск был позже включен. Это значительно снизило стоимость приводного механизма головки, но не позволило извлекать из привода только диски, как это делалось с дисководами того времени. Вместо этого первые модели накопителей с «винчестерской технологией» имели съемный дисковый модуль, который включал в себя как дисковый блок, так и узел головки, оставляя приводной двигатель в приводе после снятия. Позже накопители «Винчестеры» отказались от концепции съемных носителей и вернулись к несъемным пластинам.

В 1974 году IBM представила привод с поворотным рычагом, который стал возможен благодаря тому, что записывающие головки Winchester хорошо функционируют при наклоне к записываемым дорожкам. Простая конструкция привода IBM GV (Gulliver), изобретенный в британской лаборатории Hursley Labs IBM, стал самым лицензированным электромеханическим изобретением IBM. за всю историю привод и система фильтрации были приняты в 1980-х годах в конечном итоге для всех жестких дисков и по-прежнему универсальны почти 40 лет и 10 миллиардов единиц оружия спустя.

Как и в первом съемном пакетном накопителе, в первых накопителях «Винчестер» использовались пластины диаметром 14 дюймов (360 мм). В 1978 году IBM представила привод с поворотным рычагом IBM 0680 (Piccolo) с восьмидюймовыми пластинами, исследуя возможность того, что меньшие пластины могут дать преимущества. Затем последовали другие восьмидюймовые диски, затем Дисководы размером 5 + 1 ⁄ 4 дюйма (130 мм), способные заменить современные дисководы для гибких дисков . Последние в первую очередь предназначались для тогда еще молодого рынка персональных компьютеров (ПК).

Со временем, когда плотность записи значительно увеличилась, дальнейшее уменьшение диаметра диска до 3,5 дюймов и 2,5 дюймов оказалось оптимальным. В этот период мощные редкоземельные магнитные материалы стали доступными и стали дополнением к конструкции привода с поворотным рычагом, что позволило создать компактные форм-факторы современных жестких дисков.

В начале 1980-х жесткие диски были редкой и очень дорогой дополнительной функцией ПК, но к концу 1980-х их стоимость снизилась до такой степени, что они стали стандартными для всех компьютеров, кроме самых дешевых.

Большинство жестких дисков в начале 1980-х годов продавались конечным пользователям ПК как внешняя дополнительная подсистема. Подсистема продавалась не под названием производителя накопителя, а под названием производителя подсистемы, например Corvus Systems и Tallgrass Technologies , или под названием производителя системы ПК, например Apple ProFile . IBM PC/XT в 1983 году включал внутренний жесткий диск емкостью 10 МБ, и вскоре после этого внутренние жесткие диски получили распространение на персональных компьютерах.

Внешние жесткие диски долгое время оставались популярными на Apple Macintosh . Многие компьютеры Macintosh, выпущенные в период с 1986 по 1998 год, имели порт SCSI на задней панели, что упрощало внешнее расширение. Старые компактные компьютеры Macintosh не имели доступных пользователю отсеков для жестких дисков (действительно, Macintosh 128K , Macintosh 512K и Macintosh Plus вообще не имели отсека для жестких дисков), поэтому на этих моделях внешние SCSI-диски были единственным разумным вариантом. для расширения любого внутреннего хранилища.

Улучшения в сфере жестких дисков были обусловлены увеличением плотности их размещения , указанной в таблице выше. В течение 2000-х годов области применения расширялись: от мейнфреймов конца 1950-х годов до большинства приложений для хранения данных большой емкости, включая компьютеры и потребительские приложения, такие как хранение развлекательного контента.

В 2000-х и 2010-х годах NAND начала вытеснять жесткие диски в приложениях, требующих портативности или высокой производительности. Производительность NAND улучшается быстрее, чем у жестких дисков, а приложения для жестких дисков теряют свою актуальность. В 2018 году самый большой жесткий диск имел емкость 15 ТБ, а самый большой SSD — 100 ТБ. По состоянию на 2018 год , согласно прогнозам, емкость жестких дисков достигнет 100 ТБ примерно к 2025 году, но по состоянию на 2019 год ожидаемые темпы улучшения были сокращены до 50 ТБ к 2026 году. Меньшие форм-факторы, 1,8 дюйма и ниже, были сняты с производства примерно в 2010 году. Стоимость твердотельных накопителей (NAND), представленная законом Мура , растет быстрее, чем жесткие диски. NAND имеет более высокую ценовую эластичность спроса , чем жесткие диски, и это стимулирует рост рынка. В конце 2000-х и 2010-х годах жизненный цикл жестких дисков вступил в зрелую фазу, и замедление продаж может указывать на начало фазы спада.

в Наводнение в Таиланде 2011 году нанесло ущерб производственным предприятиям и отрицательно повлияло на стоимость жестких дисков в период с 2011 по 2013 год.

В 2019 году Western Digital закрыла свой последний завод по производству жестких дисков в Малайзии из-за падения спроса, чтобы сосредоточиться на производстве твердотельных накопителей. У всех трех оставшихся производителей жестких дисков спрос на их жесткие диски снижается с 2014 года.

Технология

с помощью магнитного сечения и частотной модуляции Двоичные данные, закодированные

Магнитная запись

См. Также: Магнитное хранилище.

Современный жесткий диск записывает данные путем намагничивания тонкой пленки ферромагнитного материала. с обеих сторон диска. Последовательные изменения направления намагничивания представляют собой биты двоичных данных . Данные считываются с диска путем обнаружения переходов намагниченности. Пользовательские данные кодируются с использованием схемы кодирования, такой как кодирование с ограниченной длиной серии , который определяет, как данные представляются магнитными переходами.

Типичная конструкция жесткого диска состоит из шпиндель , на котором установлены плоские круглые диски, называемые пластинами , на которых хранятся записанные данные. Пластины изготавливаются из немагнитного материала, обычно из алюминиевого сплава , стекла или керамики . Они покрыты неглубоким слоем магнитного материала, обычно 10–20 нм , с внешним слоем углерода для защиты. толщиной Для справки: стандартный лист копировальной бумаги имеет толщину 0,07–0,18 мм (70 000–180 000 нм). толстый.

Разрушен жесткий диск, видна стеклянная пластина

Схема с обозначением основных компонентов жесткого диска компьютера

Запись одиночных намагничений битов на HDD-плату емкостью 200 МБ (запись становится видимой с помощью CMOS-MagView)

продольной записи (стандартная) и перпендикулярной записи Схема

Пластины современных жестких дисков вращаются со скоростью от 4200 об/мин в энергоэффективных портативных устройствах до 15 000 об/мин в высокопроизводительных серверах. Первые жесткие диски вращались со скоростью 1200 об/мин. и в течение многих лет нормой было 3600 об/мин. По состоянию на ноябрь 2019 г. В большинстве жестких дисков потребительского класса пластины вращаются со скоростью 5400 или 7200 об/мин.

Информация записывается и считывается с пластины, когда она вращается мимо устройств, называемых головками чтения и записи , которые расположены для работы очень близко к магнитной поверхности, а их высота полета часто составляет десятки нанометров. Головка чтения и записи используется для обнаружения и изменения намагниченности материала, проходящего непосредственно под ней.

В современных приводах на каждую поверхность магнитного диска шпинделя приходится одна головка, закрепленная на общем кронштейне. Рычаг привода (или рычаг доступа) перемещает головки по дуге (примерно радиально) по дискам во время их вращения, позволяя каждой головке получить доступ почти ко всей поверхности диска во время его вращения. Рычаг перемещается с помощью привода звуковой катушки или, в некоторых старых конструкциях, шагового двигателя . Ранние жесткие диски записывали данные с постоянной скоростью в битах в секунду, в результате чего все дорожки имели одинаковый объем данных на дорожку, но современные накопители (начиная с 1990-х годов) используют зонную побитовую запись , увеличивая скорость записи от внутренней зоны к внешней и тем самым хранение большего количества данных на дорожку во внешних зонах.

В современных приводах малый размер магнитных областей создает опасность потери их магнитного состояния из-за тепловых эффектов ⁠ ⁠ — термоиндуцированной магнитной нестабильности, которая широко известна как « суперпарамагнитный предел ». Чтобы противостоять этому, пластины покрыты двумя параллельными магнитными слоями, разделенными трехатомным слоем немагнитного элемента рутения , и два слоя намагничены в противоположной ориентации, тем самым усиливая друг друга. Другая технология, используемая для преодоления тепловых эффектов и обеспечения большей плотности записи, — это перпендикулярная запись (PMR), впервые представленная в 2005 году. и по состоянию на 2007 год , используемый в некоторых жестких дисках. Перпендикулярная запись может сопровождаться изменениями в изготовлении головок чтения/записи для увеличения силы магнитного поля, создаваемого головками.

В 2004 году был представлен носитель записи более высокой плотности, состоящий из связанных магнитомягких и магнитотвердых слоев. Так называемая носителей с обменной пружиной технология магнитного хранения , также известная как композитный носитель с обменной связью , обеспечивает хорошую возможность записи благодаря вспомогательному при записи характеру мягкого слоя. Однако термическая стабильность определяется только самым твердым слоем и не зависит от мягкого слоя.

Управление потоком MAMR (FC-MAMR) позволяет увеличить емкость записи на жестком диске без необходимости использования новых материалов пластин жесткого диска. Жесткие диски MAMR оснащены генератором вращательного момента (STO), генерирующим микроволновое излучение, на головках чтения/записи, что позволяет записывать на пластины физически меньшие биты, увеличивая плотность записи. Обычно записывающие головки жесткого диска имеют полюс, называемый основным полюсом, который используется для записи на пластины, а рядом с этим полюсом находится воздушный зазор и экран. Записывающая катушка головки окружает полюс. Устройство СТО размещается в воздушном зазоре между полюсом и экраном для увеличения силы магнитного поля, создаваемого полюсом; Технически FC-MAMR не использует микроволны, а использует технологию, применяемую в MAMR. STO имеет слой генерации поля (FGL) и слой спиновой инжекции (SIL), а FGL создает магнитное поле с использованием спин-поляризованных электронов, возникающих в SIL, что является формой энергии спинового крутящего момента.

Компоненты

Жесткий диск со снятыми дисками и ступицей двигателя, обнажая катушки статора медного цвета, окружающие подшипник в центре двигателя шпинделя. Оранжевая полоса вдоль боковой части рычага представляет собой тонкий печатный кабель, подшипник шпинделя находится в центре, а привод — вверху слева.

Печатная плата 2,5-дюймового жесткого диска Samsung MP0402H

Типичный жесткий диск имеет два электродвигателя: двигатель шпинделя, который вращает диски, и привод (двигатель), который позиционирует узел головки чтения/записи поперек вращающихся дисков. Дисковый двигатель имеет внешний ротор, прикрепленный к дискам; обмотки статора зафиксированы на месте. Напротив привода на конце рычага поддержки головки находится головка чтения-записи; тонкие кабели с печатной платой соединяют головки чтения и записи с электроникой усилителя , установленной на оси привода. Рычаг поддержки головы очень легкий, но при этом жесткий; в современных приводах ускорение на голове достигает 550 g .

Стек головок с катушкой привода слева и головками чтения/записи справа.

Крупный план одиночной головки чтения и записи : видна сторона, обращенная к диску.

The Привод представляет собой двигатель с постоянным магнитом и подвижной катушкой , который поворачивает головки в желаемое положение. Металлическая пластина поддерживает с высоким магнитным потоком из неодима -железа-бора (NIB) приземистый магнит . Под этой пластиной находится подвижная катушка, часто называемая звуковой катушкой по аналогии с катушкой в ​​громкоговорителях , которая прикреплена к ступице привода, а под ней находится второй магнит NIB, установленный на нижней пластине двигателя (некоторые приводы имеют только один магнит).

Сама звуковая катушка имеет форму наконечника стрелы и изготовлена ​​из медной магнитной проволоки с двойным покрытием . Внутренний слой представляет собой изоляцию, а внешний — термопласт, который скрепляет катушку после намотки на форму, делая ее самонесущей. Части катушки вдоль двух сторон наконечника стрелки (которые указывают на центр подшипника привода) затем взаимодействуют с магнитным полем фиксированного магнита. Ток, текущий радиально наружу по одной стороне наконечника стрелы и радиально внутрь по другой, создает тангенциальную силу . Если бы магнитное поле было однородным, каждая сторона создавала бы противоположные силы, которые нейтрализовали бы друг друга. Таким образом, поверхность магнита представляет собой половину северного полюса и половину южного полюса, с радиальной разделительной линией посередине, в результате чего две стороны катушки видят противоположные магнитные поля и создают силы, которые складываются, а не уничтожаются. Токи вдоль верхней и нижней части катушки создают радиальные силы, которые не вращают головку.

Электроника жесткого диска управляет движением привода и вращением диска, а также передает данные в/из контроллера диска . Обратная связь электроники привода осуществляется посредством специальных сегментов диска, предназначенных для обратной связи сервопривода . Это либо полные концентрические круги (в случае специальной сервотехнологии), либо сегменты с вкраплениями реальных данных (в случае встроенной сервосистемы, иначе известной как секторная сервотехнология). Сервообратная связь оптимизирует соотношение сигнал/шум датчиков GMR, регулируя двигатель звуковой катушки для вращения рычага. В более современной сервосистеме также используются милли- и/или микроактуаторы для более точного позиционирования головок чтения/записи. Для вращения дисков используются шпиндельные двигатели с жидкостным подшипником. Современная прошивка диска способна эффективно планировать операции чтения и записи на поверхности пластин и переназначать вышедшие из строя сектора носителя.

Частота ошибок и обработка

В современных приводах широко используются коды исправления ошибок (ECC), в частности исправление ошибок Рида-Соломона . Эти методы сохраняют дополнительные биты, определяемые математическими формулами, для каждого блока данных; дополнительные биты позволяют незаметно исправить многие ошибки. Дополнительные биты сами по себе занимают место на жестком диске, но позволяют использовать более высокую плотность записи, не вызывая неисправимых ошибок, что приводит к значительному увеличению емкости хранилища. Например, типичный жесткий диск емкостью 1 ТБ с секторами по 512 байт обеспечивает дополнительную емкость около 93 ГБ для данных ECC .

В новейших накопителях по состоянию на 2009 г. , коды проверки четности низкой плотности (LDPC) вытесняли Рида – Соломона; Коды LDPC обеспечивают производительность, близкую к пределу Шеннона , и, таким образом, обеспечивают самую высокую доступную плотность хранения.

Типичные жесткие диски пытаются «пересопоставить» данные в физическом секторе, который вышел из строя , в запасной физический сектор, предоставляемый «пулом запасных секторов» диска (также называемым «резервным пулом»). при этом полагаясь на ECC для восстановления сохраненных данных, в то время как количество ошибок в поврежденном секторе все еще достаточно низкое. Функция SMART ( технология самоконтроля, анализа и отчетности ) подсчитывает общее количество ошибок на всем жестком диске, исправленных с помощью ECC (хотя и не на всех жестких дисках, поскольку соответствующие атрибуты SMART «Аппаратное восстановление ECC» и «Мягкая коррекция ECC») не поддерживается постоянно), а также общее количество выполненных переназначений секторов, поскольку появление большого количества таких ошибок может предсказать отказ жесткого диска .

«Формат No-ID», разработанный IBM в середине 1990-х годов, содержит информацию о том, какие сектора повреждены и где расположены переназначенные сектора.

Лишь небольшая часть обнаруженных ошибок оказывается неисправимой. Примеры указанных коэффициентов ошибок чтения неисправленных битов включают:

• В спецификациях корпоративных дисков SAS 2013 года указано, что частота ошибок составляет одну неисправленную ошибку чтения битов из каждых 10. ¹⁶ биты читаются,
• В спецификациях потребительских жестких дисков SATA 2018 года указано, что частота ошибок составляет одну неисправленную ошибку чтения бита из каждых 10. ¹⁴ биты.

В пределах модели данного производителя частота неисправленных битовых ошибок обычно одинакова, независимо от емкости накопителя.

Худший тип ошибок — это скрытое повреждение данных , то есть ошибки, не обнаруженные микропрограммой диска или операционной системой хоста; некоторые из этих ошибок могут быть вызваны неисправностями жесткого диска, тогда как другие возникают в других местах соединения между диском и хостом.

Разработка

Передовые плотности площади жестких дисков с 1956 по 2009 год по сравнению с законом Мура. К 2016 году прогресс значительно замедлился и оказался ниже экстраполированной тенденции плотности.

Темпы роста плотности площади были аналогичны закону Мура (удвоение каждые два года) до 2010 года: 60% в год в течение 1988–1996 годов, 100% в течение 1996–2003 годов и 30% в течение 2003–2010 годов. Выступая в 1997 году, Гордон Мур назвал этот рост «ошеломляющим». позже заметив, что рост не может продолжаться вечно. Повышение цен замедлилось до −12% в год в течение 2010–2017 гг. поскольку рост плотности площади замедлился. Темпы роста плотности застройки замедлились до 10% в год в течение 2010–2016 гг. и возникли трудности с переходом от перпендикулярной записи к более новым технологиям.

По мере уменьшения размера битовой ячейки на одну пластину диска можно поместить больше данных. В 2013 году серийный жесткий диск емкостью 3 ТБ (с четырьмя пластинами) для настольных ПК имел плотность записи около 500 Гбит/дюйм. ² что составило бы битовую ячейку, содержащую около 18 магнитных зерен (11 на 1,6 зерен). С середины 2000-х годов прогресс в области поверхностной плотности сталкивается с проблемой суперпарамагнитной трилеммы, включающей размер зерна, магнитную силу зерна и способность головки писать. Чтобы поддерживать приемлемое соотношение сигнал/шум, требуются более мелкие зерна; Зерна меньшего размера могут самообращаться ( электротермическая нестабильность ), если их магнитная сила не увеличена, но известные материалы пишущих головок не способны генерировать достаточно сильное магнитное поле, достаточное для записи на носителе во все меньшем пространстве, занимаемом зернами.

Технологии магнитных накопителей разрабатываются для решения этой трилеммы и конкурируют с флэш-памяти на основе твердотельными накопителями (SSD). В 2013 году компания Seagate представила черепичную магнитную запись (SMR). задуман как своего рода «промежуточная» технология между PMR и предполагаемым преемником Seagate магнитной записи с подогревом (HAMR). SMR использует перекрывающиеся дорожки для увеличения плотности данных за счет усложнения конструкции и более низких скоростей доступа к данным (особенно скорости записи и скорости произвольного доступа 4K).

Напротив, HGST (теперь часть Western Digital ) сосредоточилась на разработке способов герметизации накопителей, наполненных гелием вместо обычного фильтрованного воздуха. Поскольку турбулентность и трение уменьшаются, можно достичь более высокой плотности площади за счет использования меньшей ширины гусеницы, а также снижается энергия, рассеиваемая из-за трения, что приводит к снижению потребляемой мощности. Более того, в одно и то же пространство корпуса можно поместить больше пластин, хотя утечку гелия, как известно, трудно предотвратить. Таким образом, гелиевые накопители полностью герметичны и не имеют вентиляционного отверстия, в отличие от своих воздушно-наполненных аналогов.

Другие технологии записи либо находятся в стадии исследования, либо были коммерчески внедрены для увеличения плотности записи, включая магнитную запись с подогревом от Seagate (HAMR). HAMR требует другой архитектуры с переработанными носителями и головками чтения/записи, новыми лазерами и новыми оптическими преобразователями ближнего поля. Ожидается, что HAMR поступит в продажу в конце 2020 или 2021 года. Технические проблемы задержали внедрение HAMR на десятилетие по сравнению с предыдущими прогнозами 2009 года. 2015, 2016, и первая половина 2019 года. В некоторых накопителях используются двойные независимые рычаги привода, чтобы увеличить скорость чтения/записи и составить конкуренцию твердотельным накопителям. Планируемый преемник HAMR, побитовая запись (BPR), был исключен из планов действий Western Digital и Seagate. Магнитная запись с использованием микроволнового излучения (MAMR) компании Western Digital. также называемый магнитной записью с энергетической поддержкой (EAMR), был опробован в 2020 году, а первый привод EAMR, Ultrastar HC550, поступит в продажу в конце 2020 года. Двумерная магнитная запись (TDMR) (CPP / GMR) с «током, перпендикулярным плоскости» . гигантского магнитосопротивления и в исследовательских работах появились головки Концепция вакуумного привода с 3D-приводом (3DHD) и 3D-магнитная запись были предложены.

В зависимости от предположений о возможности и сроках внедрения этих технологий, Seagate прогнозирует, что плотность площадей будет расти на 20% в год в течение 2020–2034 годов.

Емкость

Два накопителя Seagate Barracuda 2003 и 2009 года выпуска соответственно по 160 ГБ и 1 ТБ. По состоянию на 2022 год Western Digital предлагает емкость до 26 ТБ.

SSD mSATA поверх 2,5-дюймового жесткого диска

Жесткие диски самой высокой емкости, которые поступят в продажу в 2024 году, составят 32 ТБ. Емкость жесткого диска, сообщаемая операционной системой конечному пользователю, меньше, чем объем, заявленный производителем, по нескольким причинам, например, операционная система использует некоторое пространство, использование некоторого пространства для избыточности данных, использование пространства для структур файловой системы. Путаница десятичных и двоичных префиксов также может привести к ошибкам.

Расчет

Современные жесткие диски представляются своему хост-контроллеру как непрерывный набор логических блоков, а общая емкость диска рассчитывается путем умножения количества блоков на размер блока. Эту информацию можно получить из спецификации продукта производителя, а также из самого накопителя посредством использования функций операционной системы, которые вызывают команды накопителя низкого уровня. Более старые IBM и совместимые диски, например IBM 3390, использующие формат записи CKD , имеют записи переменной длины; такие расчеты емкости накопителя должны учитывать характеристики записей. Некоторые новые DASD имитируют CKD, и применяются те же формулы емкости.

Общая емкость старых секторных жестких дисков рассчитывается как произведение количества цилиндров на зону записи, количества байтов на сектор (чаще всего 512) и количества зон накопителя. Некоторые современные накопители SATA также сообщают о емкости сектора головки блока цилиндров (CHS), но это не физические параметры, поскольку сообщаемые значения ограничены историческими интерфейсами операционной системы. Схема C/H/S была заменена адресацией логических блоков (LBA), простой схемой линейной адресации, которая находит блоки по целочисленному индексу, который начинается с LBA 0 для первого блока и увеличивается в дальнейшем. При использовании метода C/H/S для описания современных больших накопителей количество головок часто устанавливается равным 64, хотя типичный современный жесткий диск имеет от одной до четырех пластин. В современных жестких дисках резервная емкость для управления дефектами не включена в заявленную емкость; однако на многих ранних жестких дисках определенное количество секторов было зарезервировано как запасные, тем самым уменьшая емкость, доступную операционной системе. Более того, многие жесткие диски хранят свою прошивку в зарезервированной служебной зоне, которая обычно недоступна пользователю и не учитывается при расчете емкости.

Для RAID подсистем требования к целостности данных и отказоустойчивости также снижают реализованную емкость. Например, массив RAID 1 имеет около половины общей емкости в результате зеркалирования данных, а массив RAID 5 с n дисками теряет 1/n емкости (что соответствует емкости одного диска) из-за хранения информации о четности. . Подсистемы RAID представляют собой несколько дисков, которые кажутся пользователю одним диском или несколькими дисками, но обеспечивают отказоустойчивость. Большинство поставщиков RAID используют контрольные суммы для улучшения целостности данных на уровне блоков. Некоторые производители разрабатывают системы, использующие жесткие диски с секторами размером 520 байт, содержащие 512 байт пользовательских данных и восемь байтов контрольной суммы, или используя отдельные 512-байтовые сектора для данных контрольной суммы.

Некоторые системы могут использовать скрытые разделы для восстановления системы, уменьшая емкость, доступную конечному пользователю, не владеющему специальными утилитами разметки диска , такими как diskpart в Windows .

Форматирование

Основная статья: Форматирование диска

Данные хранятся на жестком диске в виде серии логических блоков. Каждый блок ограничен маркерами, определяющими его начало и конец, информацией об обнаружении и исправлении ошибок, а также пространством между блоками, позволяющим допускать незначительные изменения во времени. Эти блоки часто содержали 512 байт полезных данных, но использовались и другие размеры. По мере увеличения плотности дисков инициатива, известная как Advanced Format, увеличила размер блока до 4096 байтов полезных данных, что привело к значительному сокращению объема дискового пространства, используемого для заголовков блоков, данных проверки ошибок и интервалов.

Процесс инициализации этих логических блоков на пластинах физического диска называется низкоуровневым форматированием , которое обычно выполняется на заводе и обычно не изменяется на месте. При форматировании высокого уровня записываются структуры данных, используемые операционной системой для организации файлов данных на диске. Это включает в себя запись структур разделов и файловой системы в выбранные логические блоки. Например, часть дискового пространства будет использоваться для хранения каталога имен дисковых файлов и списка логических блоков, связанных с конкретным файлом.

Примеры схемы сопоставления разделов включают главную загрузочную запись (MBR) и таблицу разделов GUID (GPT). Примеры структур данных, хранящихся на диске для извлечения файлов, включают таблицу размещения файлов (FAT) в файловой системе DOS и индексные дескрипторы во многих файловых системах UNIX , а также другие структуры данных операционной системы (также известные как метаданные ). Как следствие, не все пространство на жестком диске доступно для пользовательских файлов, но эта системная нагрузка обычно невелика по сравнению с пользовательскими данными.

Единицы

См. Также: Дисководы с двоичным префиксом §.

префиксов десятичных и двоичных единиц Интерпретация

Емкость, заявленная производителями		Ожидаемая мощность некоторых потребителей		Заявленная мощность
				Окна	macOS версии 10.6+
С префиксом	Байты	Байты	Диф.
100 ГБ	100,000,000,000	107,374,182,400	7.37%	93,1 ГБ	100 ГБ
1 ТБ	1,000,000,000,000	1,099,511,627,776	9.95%	931 ГБ	1000 ГБ, 1000000 МБ

На заре вычислительной техники общая емкость жестких дисков определялась семью-девять десятичными цифрами, часто сокращаемыми идиомой « миллионы» . К 1970-м годам общая емкость жестких дисков определялась производителями с использованием десятичных префиксов SI , таких как мегабайты (1 МБ = 1 000 000 байт), гигабайты (1 ГБ = 1 000 000 000 байт) и терабайты (1 ТБ = 1 000 000 000 000 байт). Однако объемы памяти обычно указываются с использованием двоичной интерпретации префиксов, то есть с использованием степени 1024 вместо 1000.

Программное обеспечение сообщает о емкости жесткого диска или памяти в различных формах, используя десятичные или двоичные префиксы. Семейство операционных систем Microsoft Windows использует двоичное соглашение при сообщении о емкости хранилища, поэтому жесткий диск, предлагаемый его производителем как диск емкостью 1 ТБ, сообщается этими операционными системами как жесткий диск емкостью 931 ГБ. Mac OS X 10.6 (« Snow Leopard ») использует десятичное представление при сообщении о емкости жесткого диска. Поведение по умолчанию df Утилита командной строки в Linux должна сообщать о емкости жесткого диска как количество единиц по 1024 байта.

Разница между интерпретацией десятичной и двоичной префиксов вызвала некоторое замешательство потребителей и привела к коллективным искам против производителей жестких дисков . Истцы утверждали, что использование десятичных префиксов эффективно вводило потребителей в заблуждение, в то время как ответчики отрицали какие-либо правонарушения или ответственность, утверждая, что их маркетинг и реклама соответствовали закону во всех отношениях и что ни один член группы не понес никакого ущерба или травм. В 2020 году суд Калифорнии постановил, что использование десятичных префиксов с десятичным значением не вводит в заблуждение.

Форм-факторы

Основная статья: Список форм-факторов жестких дисков

8-, 5,25-, 3,5-, 2,5-, 1,8- и 1-дюймовые жесткие диски вместе с линейкой для отображения размеров пластин и головок чтения-записи.

Новый 2,5-дюймовый (63,5 мм) жесткий диск емкостью 6495 МБ по сравнению со старым 5,25-дюймовым жестким диском полной высоты емкостью 110 МБ.

Первый жесткий диск IBM, IBM 350 , имел стопку из пятидесяти 24-дюймовых пластин, хранил 3,75 МБ данных (приблизительно размер одного современного цифрового изображения) и имел размер, сравнимый с двумя большими холодильниками. В 1962 году IBM представила диск модели 1311 , в котором использовалось шесть 14-дюймовых (номинальный размер) пластин в съемном корпусе, и он был размером примерно со стиральную машину. На протяжении многих лет этот размер пластин стал стандартным и использовался и другими производителями. В IBM 2314 использовались пластины одинакового размера в упаковке по одиннадцать штук и была реализована компоновка «диск в ящике», иногда называемая «печью для пиццы», хотя «ящик» не был полным приводом. В 1970-е годы жесткие диски предлагались в отдельных шкафах разных размеров, содержащих от одного до четырех жестких дисков.

Начиная с конца 1960-х годов предлагались накопители, полностью помещающиеся в шасси, которое можно было установить в 19-дюймовую стойку . и RL01 компании Digital RK05 были ранними примерами, в которых использовались отдельные 14-дюймовые пластины в съемных блоках, при этом весь диск помещался в стойке высотой 10,5 дюймов (шесть стоек). В середине-конце 1980-х годов популярным продуктом был Fujitsu Eagle аналогичного размера , в котором (по совпадению) использовались 10,5-дюймовые пластины.

С ростом продаж микрокомпьютеров со встроенными дисководами для гибких дисков (FDD) стали желательны жесткие диски, подходящие для крепления FDD. Начиная с Shugart Associates SA1000 , форм-факторы жестких дисков первоначально соответствовали форм-факторам 8-дюймовых, 5¼-дюймовых и 3½-дюймовых дискет. Несмотря на эти номинальные размеры, фактические размеры этих трех дисков соответственно составляют 9,5 дюйма, 5,75 дюйма и 4 дюйма в ширину. Поскольку не существовало дисководов для гибких дисков меньшего размера, жесткие диски меньшего форм-фактора, такие как 2½-дюймовые диски (фактически 2,75 дюйма). широкий), разработанный на основе предложений продуктов или отраслевых стандартов.

По состоянию на 2019 год , 2½-дюймовые и 3½-дюймовые жесткие диски являются наиболее популярными размерами. К 2009 году все производители прекратили разработку новых продуктов для форм-факторов 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма из-за падения цен на флэш-память . который не имеет движущихся частей. Номинальные размеры указаны в дюймах, фактические размеры указаны в миллиметрах.

ТТХ

Основная статья: Характеристики производительности жесткого диска

Факторы, ограничивающие время доступа к данным на жестком диске, в основном связаны с механической природой вращающихся дисков и движущихся головок, в том числе:

• Время поиска — это мера того, сколько времени требуется головке, чтобы добраться до дорожки диска, содержащей данные.
• Задержка вращения возникает из-за того, что нужный сектор диска может находиться не непосредственно под головкой, когда запрашивается передача данных. Средняя задержка вращения показана в таблице на основе статистического соотношения, согласно которому средняя задержка составляет половину периода вращения.
• Скорость передачи данных или скорость передачи данных (когда головка находится в правильном положении) создает задержку, которая зависит от количества переданных блоков; обычно относительно небольшой, но может быть довольно длинным при передаче больших последовательных файлов.

Задержка также может возникнуть, если приводные диски остановлены для экономии энергии.

Дефрагментация — это процедура, используемая для минимизации задержки при получении данных путем перемещения связанных элементов в физически ближайшие области на диске. Некоторые операционные системы компьютера выполняют дефрагментацию автоматически. Хотя автоматическая дефрагментация предназначена для уменьшения задержек доступа, производительность будет временно снижена во время выполнения процедуры.

Время доступа к данным можно сократить за счет увеличения скорости вращения (таким образом уменьшая задержку) или за счет сокращения времени, затрачиваемого на поиск. Увеличение плотности размещения увеличивает пропускную способность за счет увеличения скорости передачи данных и увеличения объема данных в наборе головок, тем самым потенциально уменьшая активность поиска для заданного объема данных. Время доступа к данным не поспевает за ростом пропускной способности, которая сама по себе не поспевает за ростом битовой плотности и емкости хранилища.

Задержка

Характеристики задержки, типичные для жестких дисков

Скорость вращения [об/мин]	Средняя задержка вращения [РС]
15,000	2
10,000	3
7,200	4.16
5,400	5.55
4,800	6.25

Скорость передачи данных

По состоянию на 2010 год Типичный настольный жесткий диск со скоростью вращения 7200 об/мин имеет устойчивую скорость передачи данных «диск- буфер » до 1030 Мбит/с . Эта ставка зависит от местоположения пути; скорость выше для данных на внешних дорожках (где на один оборот приходится больше секторов данных) и ниже по направлению к внутренним дорожкам (где на один оборот приходится меньше секторов данных); и обычно несколько выше для приводов со скоростью 10 000 об/мин. В настоящее время широко используемым стандартом интерфейса «буфер-компьютер» является SATA 3,0 Гбит/с , который может передавать около 300 мегабайт/с (10-битное кодирование) из буфера на компьютер и, таким образом, по-прежнему удобно работать. впереди сегодняшнего скорость передачи данных с диска в буфер. Скорость передачи данных (чтение/запись) можно измерить, записав большой файл на диск с помощью специальных инструментов-генераторов файлов, а затем прочитав файл обратно. На скорость передачи могут влиять фрагментация файловой системы и расположение файлов.

Скорость передачи данных на HDD зависит от скорости вращения пластин и плотности записи данных. Поскольку тепло и вибрация ограничивают скорость вращения, повышение плотности становится основным методом улучшения скорости последовательной передачи. Более высокие скорости требуют более мощного двигателя шпинделя, который выделяет больше тепла. Хотя плотность записи увеличивается за счет увеличения как количества дорожек на диске, так и количества секторов на дорожку, только последний увеличивает скорость передачи данных при заданных оборотах. Поскольку производительность скорости передачи данных отслеживает только один из двух компонентов плотности площади, ее производительность улучшается с меньшей скоростью.

Другие соображения

с учетом качества Другие соображения, связанные с производительностью, включают цену , энергопотребление, звуковой шум, а также устойчивость к ударам как в рабочем, так и в нерабочем состоянии.

Доступ и интерфейсы

Основная статья: Интерфейс жесткого диска

Внутренний вид жесткого диска Seagate 1998 года выпуска , использовавшего Parallel ATA. интерфейс

2,5-дюймовый диск SATA поверх 3,5-дюймового диска SATA: крупным планом показаны разъемы для передачи данных (7-контактный) и разъемы питания (15-контактный).

Современные жесткие диски подключаются к компьютеру через один из нескольких типов шин , включая параллельный ATA , Serial ATA , SCSI , Serial Attached SCSI (SAS) и Fibre Channel . Некоторые накопители, особенно внешние портативные накопители, используют IEEE 1394 или USB . Все эти интерфейсы являются цифровыми; электроника привода обрабатывает аналоговые сигналы от головок чтения/записи. Современные накопители представляют собой согласованный интерфейс с остальной частью компьютера, независимый от схемы кодирования данных, используемой внутри, и независимо от физического количества дисков и головок внутри накопителя.

Обычно DSP в электронике внутри привода принимает необработанные аналоговые напряжения со считывающей головки и использует PRML и коррекцию ошибок Рида-Соломона. для декодирования данных, а затем отправляет эти данные через стандартный интерфейс. Этот DSP также отслеживает частоту ошибок, обнаруженных с помощью обнаружения и исправления ошибок , и выполняет переназначение поврежденных секторов , сбор данных для технологий самоконтроля, анализа и отчетности , а также другие внутренние задачи.

Современные интерфейсы подключают привод к интерфейсу хоста с помощью одного кабеля данных/управления. Каждый привод также имеет дополнительный кабель питания, обычно прямой к блоку питания. Более старые интерфейсы имели отдельные кабели для сигналов данных и сигналов управления приводом.

• Интерфейс малой компьютерной системы (SCSI), первоначально названный SASI от системного интерфейса Shugart Associates, был стандартным для серверов, рабочих станций, компьютеров Commodore Amiga , Atari ST и Apple Macintosh до середины 1990-х годов, когда большинство моделей были переведены на более новые интерфейсы. . Ограничение длины кабеля передачи данных позволяет использовать внешние устройства SCSI. Набор команд SCSI до сих пор используется в более современном интерфейсе SAS .
• Интегрированная электроника привода (IDE), позже стандартизированная под названием AT Attachment (ATA, с псевдонимом PATA ( Parallel ATA ), добавленным задним числом после появления SATA), переместила контроллер жесткого диска с интерфейсной карты на дисковод. Это помогло стандартизировать интерфейс хоста/контроллера, снизить сложность программирования драйвера хост-устройства, а также снизить стоимость и сложность системы. 40-контактное соединение IDE/ATA передает по кабелю передачи данных одновременно 16 бит данных. Первоначально кабель для передачи данных был 40-жильным, но позже более высокие требования к скорости привели к использованию режима «ультра-DMA» (UDMA) с использованием 80-жильного кабеля с дополнительными проводами для уменьшения перекрестных помех на высокой скорости.
• EIDE был неофициальным обновлением (от Western Digital) исходного стандарта IDE, ключевым улучшением которого было использование прямого доступа к памяти (DMA) для передачи данных между диском и компьютером без участия ЦП . Это усовершенствование было принято позже. по официальным стандартам ATA. Путем прямой передачи данных между памятью и диском DMA устраняет необходимость для ЦП копировать байт за байтом, что позволяет ему обрабатывать другие задачи во время передачи данных.
• Fibre Channel (FC) является преемником параллельного интерфейса SCSI на корпоративном рынке. Это последовательный протокол. В дисковых накопителях обычно Fibre Channel Arbitrated Loop используется топология подключения (FC-AL). FC имеет гораздо более широкое применение, чем просто дисковые интерфейсы, и является краеугольным камнем сетей хранения данных (SAN). другие протоколы для этой области, такие как iSCSI и ATA over Ethernet Недавно были разработаны и . Как ни странно, в приводах обычно для Fibre Channel используются медные витые пары, а не оптоволокно. Последние традиционно предназначены для более крупных устройств, таких как серверы или контроллеры дисковых массивов .
• SCSI с последовательным подключением (SAS). SAS — это протокол последовательной связи нового поколения для устройств, предназначенный для обеспечения гораздо более высокой скорости передачи данных и совместимый с SATA. SAS использует механически совместимый разъем для передачи данных и питания со стандартными 3,5-дюймовыми жесткими дисками SATA1/SATA2, а многие серверные RAID-контроллеры SAS также способны обращаться к жестким дискам SATA. SAS использует последовательную связь вместо параллельного метода, используемого в традиционных устройствах SCSI, но по-прежнему использует команды SCSI.
• Серийный АТА (SATA). Кабель передачи данных SATA имеет одну пару данных для дифференциальной передачи данных на устройство и одну пару для дифференциального приема от устройства, как и EIA-422 . Для этого необходимо, чтобы данные передавались последовательно. Аналогичная система дифференциальной сигнализации используется в RS485 , LocalTalk , USB , FireWire и дифференциальном SCSI . SATA I–III разработаны с учетом совместимости и использования подмножества команд SAS и совместимых интерфейсов. Таким образом, жесткий диск SATA можно подключить к контроллеру жесткого диска SAS и управлять им (за некоторыми незначительными исключениями, такими как диски/контроллеры с ограниченной совместимостью). Однако их нельзя подключить наоборот — контроллер SATA нельзя подключить к диску SAS.

Честность и неудача

Основные статьи: Сбой жесткого диска , Сбой головки и Восстановление данных.

См. также: Твердотельный накопитель § Надежность твердотельного накопителя и режимы сбоя , а также RAID § Неустранимые ошибки чтения во время восстановления.

Крупный план головки жесткого диска, лежащей на диске; на поверхности диска видно его зеркальное отражение. Если головка не находится в зоне приземления, касание головок дисков во время работы может иметь катастрофические последствия.

Из-за чрезвычайно малого расстояния между головками и поверхностью диска жесткие диски уязвимы к повреждению в результате сбоя головки – отказа диска , при котором головка царапает поверхность пластины, часто стирая тонкую магнитную пленку и вызывая потерю данных. потеря. Сбой головки может быть вызван электронным сбоем, внезапным отключением питания, физическим ударом, загрязнением внутреннего корпуса накопителя, износом, коррозией или некачественным изготовлением пластин и головок.

Система шпинделей жесткого диска опирается на плотность воздуха внутри дискового корпуса, поддерживая головки на правильной высоте полета во время вращения диска. Для правильной работы жестких дисков требуется определенный диапазон плотностей воздуха. Связь с внешней средой и плотностью происходит через небольшое отверстие в корпусе (шириной около 0,5 мм), обычно с фильтром внутри ( фильтр сапуна ). Если плотность воздуха слишком мала, то летящей головке не хватает подъемной силы, поэтому головка оказывается слишком близко к диску, и возникает риск поломки головки и потери данных. Для надежной работы на высоте более 3000 м (9800 футов) необходимы специально изготовленные герметичные диски под давлением. Современные диски включают в себя датчики температуры и адаптируют свою работу к операционной среде. Дыхательные отверстия можно увидеть на всех дисководах — обычно рядом с ними есть наклейка, предупреждающая пользователя не закрывать отверстия. Воздух внутри рабочего привода также постоянно движется, приводясь в движение за счет трения о вращающиеся диски. Этот воздух проходит через внутренний рециркуляционный (или «рециркуляционный») фильтр для удаления любых загрязнений, оставшихся после производства, любых частиц или химикатов, которые могли каким-либо образом попасть в корпус, а также любых частиц или газовыделений, образующихся внутри при нормальной работе. Очень высокая влажность, присутствующая в течение длительного периода времени, может привести к коррозии головок и дисков. Исключением являются герметичные жесткие диски, заполненные гелием, которые в значительной степени устраняют проблемы окружающей среды, которые могут возникнуть из-за изменений влажности или атмосферного давления. Такие жесткие диски были представлены компанией HGST в ходе их первой успешной реализации в больших объемах в 2013 году.

В частности, для гигантских магниторезистивных (GMR) головок незначительное повреждение головки из-за загрязнения (которое не удаляет магнитную поверхность диска) по-прежнему приводит к временному перегреву головки из-за трения о поверхность диска и может сделать данные нечитаемыми. на короткий период, пока температура головки не стабилизируется (так называемая «тепловая неровность», проблема, которую частично можно решить путем надлежащей электронной фильтрации считываемого сигнала).

Когда материнская плата жесткого диска выходит из строя, привод часто можно восстановить в рабочем состоянии, а данные восстановить, заменив печатную плату на одну из идентичных жестких дисков. В случае неисправности головок чтения-записи их можно заменить с помощью специализированных инструментов в беспыльной среде. Если пластины диска не повреждены, их можно перенести в идентичный корпус, а данные можно скопировать или клонировать на новый диск. В случае выхода из строя дисковых пластин может потребоваться их разборка и создание образа. различные инструменты, включая fsck в UNIX-подобных системах и CHKDSK в Windows можно использовать При логическом повреждении файловых систем для восстановления данных . Восстановление после логического повреждения может потребовать вырезания файлов .

Обычно ожидается, что жесткие диски, разработанные и продаваемые для использования на серверах, будут выходить из строя реже, чем диски потребительского уровня, обычно используемые в настольных компьютерах. Однако два независимых исследования Университета Карнеги-Меллон и Google обнаружил, что «класс» диска не связан с частотой его отказов.

В обзоре исследований Tom's Hardware за 2011 год, посвященных закономерностям отказов твердотельных накопителей и магнитных дисков , результаты исследования обобщены следующим образом:

• Среднее время наработки на отказ (MTBF) не указывает на надежность; годовой уровень отказов выше и обычно более актуален.
• Жесткие диски не выходят из строя в начале использования, а температура оказывает лишь незначительное влияние; вместо этого частота неудач неуклонно увеличивается с возрастом.
• SMART предупреждает о механических проблемах, но не о других проблемах, влияющих на надежность, и поэтому не является надежным индикатором состояния.
• Частота отказов накопителей, продаваемых как «корпоративные» и «потребительские», «очень схожа», хотя эти типы накопителей адаптированы для различных операционных сред.
• В массивах дисков отказ одного диска значительно увеличивает краткосрочный риск отказа второго диска.

По состоянию на 2019 год Компания Backblaze, поставщик систем хранения данных, сообщила о годовой частоте отказов в размере двух процентов в год для фермы хранения данных со 110 000 готовых жестких дисков, надежность которых сильно различается в зависимости от модели и производителя. Впоследствии компания Backblaze сообщила, что частота отказов жестких дисков и твердотельных накопителей одинакового возраста была одинаковой.

Чтобы минимизировать затраты и избежать сбоев отдельных жестких дисков, поставщики систем хранения данных используют резервные массивы жестких дисков. Вышедшие из строя жесткие диски заменяются на постоянной основе.

Сегменты рынка

Потребительский сегмент

Два высококлассных потребительских 2,5-дюймовых жестких диска SATA со скоростью вращения 10 000 об/мин, установленные на заводе в 3,5-дюймовые переходные рамки

Настольные жесткие диски

Жесткие диски для настольных ПК обычно имеют от двух до пяти внутренних пластин, вращаются со скоростью от 5400 до 10 000 об/мин и имеют скорость передачи данных 0,5 Гбит/с или выше (1 ГБ = 10 ⁹ байты; 1 Гбит/с = 10 ⁹ бит/с). Раньше (1980–1990-е годы) приводы имели более низкую скорость вращения. По состоянию на май 2019 г. , самые мощные настольные жесткие диски емкостью 16 ТБ , с планами выпустить накопители емкостью 18 ТБ позднее в 2019 году. В 2020 году выпущено HDD емкостью 18 ТБ . По состоянию на 2016 год , the typical speed of a hard drive in an average desktop computer is 7,200 RPM, whereas low-cost desktop computers may use 5,900 RPM or 5,400 RPM drives. For some time in the 2000s and early 2010s some desktop users and data centers also used 10,000 RPM drives such as Western Digital Raptor but such drives have become much rarer as of 2016 и в настоящее время широко не используются, поскольку их заменили твердотельные накопители на базе флэш-памяти NAND.

Мобильные (ноутбучные) жесткие диски

Меньше, чем их настольные и корпоративные аналоги, они, как правило, медленнее и имеют меньшую емкость, поскольку обычно имеют одну внутреннюю пластину и физический размер 2,5 или 1,8 дюйма вместо более распространенного для настольных компьютеров форм-фактора 3,5 дюйма. Мобильные жесткие диски вращаются со скоростью 4200 об. 5200 об/мин, 5400 об/мин или 7200 об/мин, причем наиболее распространенными являются 5400 об/мин; приводы со скоростью 7200 об/мин, как правило, более дорогие и имеют меньшую емкость, тогда как модели с частотой 4200 об/мин обычно имеют очень большую емкость из-за меньшего размера дисков. ), мобильные жесткие диски обычно имеют меньшую емкость, чем их настольные аналоги.

Жесткие диски для бытовой электроники

Эти приводы обычно вращаются со скоростью 5400 об/мин и включают в себя:

• Жесткие видеодиски , иногда называемые « жесткими дисками для наблюдения », встроены в цифровые видеорегистраторы и обеспечивают гарантированную пропускную способность даже при ошибках чтения и записи.
• Приводы встроенные в автомобильную технику ; они обычно рассчитаны на устойчивость к большим ударам и работу в более широком диапазоне температур.

Внешние и портативные жесткие диски

См. Также: Класс запоминающих устройств USB и Корпус диска.

Два 2,5-дюймовых внешних жестких диска USB

Современные внешние жесткие диски обычно подключаются через USB-C ; более ранние модели используют соединение USB-B (иногда с использованием пары портов для лучшей пропускной способности) или (редко) eSATA соединение . Варианты, использующие интерфейс USB 2.0, обычно имеют более низкую скорость передачи данных по сравнению с внутренними жесткими дисками, подключенными через SATA. Функциональность накопителя Plug and Play обеспечивает совместимость с системой, большие возможности хранения и портативный дизайн. По состоянию на март 2015 г. Доступная емкость внешних жестких дисков варьировалась от 500 ГБ до 10 ТБ. Внешние жесткие диски обычно доступны в виде собранных интегрированных продуктов, но их также можно собрать путем объединения внешнего корпуса (с USB или другим интерфейсом) с отдельно приобретенным диском. Они доступны в размерах 2,5 и 3,5 дюйма; 2,5-дюймовые варианты обычно называются портативными внешними дисками , а 3,5-дюймовые варианты называются внешними дисками для настольных компьютеров . «Портативные» накопители упакованы в меньшие по размеру и более легкие корпуса, чем «настольные» накопители; Кроме того, «портативные» накопители используют питание, обеспечиваемое USB-соединением, а «настольные» накопители требуют внешних блоков питания . Такие функции, как шифрование , подключение Wi-Fi , биометрическая безопасность или несколько интерфейсов (например, FireWire ) доступны по более высокой цене. Существуют предварительно собранные внешние жесткие диски, которые после извлечения из корпуса невозможно использовать внутри ноутбука или настольного компьютера из-за встроенного интерфейса USB на их печатных платах и ​​отсутствия интерфейсов SATA (или Parallel ATA ).

Предприятия и бизнес-сегмент

Жесткие диски для серверов и рабочих станций

с возможностью горячей замены Корпус жесткого диска

Обычно используется на многопользовательских компьютерах, на которых установлено корпоративное программное обеспечение . Примеры: базы данных обработки транзакций, интернет-инфраструктура (электронная почта, веб-сервер, электронная коммерция), программное обеспечение для научных вычислений и программное обеспечение для управления хранилищем данных. Корпоративные приводы обычно работают непрерывно («24 часа в сутки, 7 дней в неделю») в требовательных средах, обеспечивая при этом максимально возможную производительность без ущерба для надежности. Максимальная емкость не является основной целью, поэтому диски часто предлагаются с емкостью, относительно низкой по сравнению с их стоимостью.

Самые быстрые корпоративные жесткие диски вращаются со скоростью 10 000 или 15 000 об/мин и могут достигать скорости последовательной передачи мультимедиа выше 1,6 Гбит/с. и устойчивая скорость передачи данных до 1 Гбит/с. В дисках, работающих со скоростью 10 000 или 15 000 об/мин, используются пластины меньшего размера, чтобы снизить повышенные требования к мощности (поскольку они имеют меньшее сопротивление воздуха ) и, следовательно, обычно имеют меньшую емкость, чем накопители для настольных ПК с максимальной емкостью. Корпоративные жесткие диски обычно подключаются через Serial Attached SCSI (SAS) или Fibre Channel (FC). Некоторые поддерживают несколько портов, поэтому их можно подключить к резервному адаптеру главной шины .

Корпоративные жесткие диски могут иметь размеры секторов более 512 байт (часто 520, 524, 528 или 536 байт). Дополнительное пространство для каждого сектора может использоваться аппаратными RAID-контроллерами или приложениями для хранения данных поля целостности данных (DIF) или расширений целостности данных (DIX), что приводит к повышению надежности и предотвращению скрытого повреждения данных .

Жесткие диски для наблюдения ;

Жесткие диски для записи видео, используемые в сетевых видеорегистраторах.

Экономика

Эволюция цен

Цена жесткого диска за байт снижалась на 40% в год в течение 1988–1996 годов, на 51% в год в течение 1996–2003 годов и на 34% в год в течение 2003–2010 годов. Снижение цен замедлилось до 13% в год в течение 2011–2014 годов, поскольку рост плотности площади замедлился, а наводнение в Таиланде в 2011 году повредило производственные мощности. и держались на уровне 11% в год в течение 2010–2017 гг.

Совет Федеральной резервной системы опубликовал индекс цен с поправкой на качество для крупномасштабных корпоративных систем хранения данных, включающих три или более корпоративных жестких диска и соответствующие контроллеры, стойки и кабели. Цены на эти крупномасштабные системы хранения снижались на 30% в год в течение 2004–2009 годов и на 22% в год в течение 2009–2014 годов.

Производители и продажи

См. Также: История жестких дисков и Список несуществующих производителей жестких дисков.

Схема консолидации производителей HDD

С течением времени жесткие диски производили более 200 компаний, но сегодня консолидация сконцентрировала производство всего на трех производителях: Western Digital , Seagate и Toshiba . Производство сосредоточено в основном в Тихоокеанском регионе.

Поставки жестких дисков достигли пика в 651 миллион единиц в 2010 году и с тех пор снижаются до 166 миллионов единиц в 2022 году. Наибольшую долю рынка имела компания Seagate с 43% единиц.

Конкуренция со стороны SSD

Жесткие диски вытесняются твердотельными накопителями (SSD) на рынках, где более высокая скорость (до 7 гигабайт в секунду для M.2 (NGFF) NVMe накопителей и 2,5 гигабайта в секунду для PCIe ) накопителей карт расширения ), надежность и меньшая мощность SSD важнее цены, поскольку битовая стоимость SSD в четыре-девять раз выше, чем у HDD. По состоянию на 2016 год Сообщается, что у жестких дисков частота отказов составляет 2–9% в год, а у твердотельных накопителей меньше отказов: 1–3% в год. Однако на твердотельных накопителях больше неисправимых ошибок данных, чем на жестких дисках.

SSD-накопители предлагают большую емкость (до 100 ТБ). чем самый большой жесткий диск и/или более высокая плотность хранения (твердотельные накопители емкостью 100 ТБ и 30 ТБ размещаются в корпусах для жестких дисков размером 2,5 дюйма, но имеют ту же высоту, что и жесткий диск 3,5 дюйма), хотя их стоимость остается непомерно высокой.

Лабораторная демонстрация чипа 3D NAND емкостью 1,33 ТБ с 96 слоями (NAND, обычно используемая в твердотельных накопителях (SSD)) имела пропускную способность 5,5 Тбит/дюйм. ² по состоянию на 2019 год , при этом максимальная плотность записи для жестких дисков составляет 1,5 Тбит/дюйм. ² . Плотность флэш-памяти удваивается каждые два года, аналогично закону Мура (40% в год), и быстрее, чем 10–20% в год для жестких дисков. По состоянию на 2018 год , максимальная емкость HDD составила 16 терабайт, и 100 терабайт для SSD. Жесткие диски использовались в 70% настольных компьютеров и ноутбуков, выпущенных в 2016 году, а твердотельные накопители — в 30%. Согласно одному из прогнозов, доля использования жестких дисков снижается и может упасть ниже 50% в 2018–2019 годах, поскольку твердотельные накопители заменяют жесткие диски меньшей емкости (менее одного терабайта) в настольных компьютерах, ноутбуках и MP3-плеерах.

Рынок чипов флэш-памяти на основе кремния (NAND), используемых в твердотельных накопителях и других приложениях, растет быстрее, чем рынок жестких дисков. В течение 2011–2017 годов мировой доход от NAND рос на 16% в год с 22 миллиардов долларов до 57 миллиардов долларов, а производство росло на 45% в год с 19 до 175 эксабайт.

См. также

• Автоматическое акустическое управление
• Чистое помещение
• Щелчок смерти
• Сравнение программного обеспечения для шифрования дисков
• Удаление данных
• Сопоставление дисков
• Контроль восстановления ошибок
• Характеристики производительности жесткого диска
• Гибридный привод
• Микродрайв
• Сетевой диск (файловый сервер, общий ресурс )
• Хранилище объектов
• Запись предкомпенсации

Дальнейшее чтение

• Кхеонг Чн, Санн (2005). «Введение в жесткий диск, моделирование, обнаружение и декодирование каналов магнитной записи» (PDF) . Одиннадцатая продвинутая международная конференция по телекоммуникациям . Проверено 10 января 2020 г.
• Мессмер, Ханс-Петер (2001). Незаменимая книга по аппаратному обеспечению ПК (4-е изд.). Аддисон-Уэсли. ISBN  978-0-201-59616-8 .
• Мюллер, Скотт (2011). Модернизация и ремонт компьютеров (20-е изд.). Que. ISBN  978-0-7897-4710-5 .

Внешние ссылки

• Энциклопедия жестких дисков
• Видео, демонстрирующее работу открытого HD
• Среднее время поиска на диске компьютера (в архиве)
• Хронология: 50 лет жестких дисков . Архивировано 6 октября 2013 года в Wayback Machine .
• Жесткий диск изнутри: дорожки и зоны. Насколько это может быть сложно?
• Взлом жесткого диска — модификации прошивки в восьми частях, вплоть до загрузки ядра Linux на обычную плату контроллера жесткого диска.
• Скрытие данных в служебных зонах жесткого диска (PDF), 14 февраля 2013 г., Ариэль Беркман (в архиве)
• Информационный листок с прямой связью по вращательному ускорению (RAFF) (PDF), Western Digital , январь 2013 г.
• Технология PowerChoice для экономии энергии и гибкости жесткого диска (PDF), Seagate Technology , март 2010 г.
• Магнитная запись с черепицей (SMR) , HGST , Inc., 2015 г.
• Дорога к гелию , HGST, Inc., 2015 г.
• Текст научной работы на тему «Перспективное использование магнитных фотопроводников в магнитооптическом хранении информации».