Жесткий диск ( HDD ) — это электромеханическое устройство хранения данных, которое использует магнитное хранилище для хранения и извлечения цифровой информации с использованием одного или нескольких жестких быстро вращающихся дисков ( пластин ), покрытых магнитным материалом. Платтеры соединены с магнитными головками , обычно расположенными на движущемся рычаге привода , которые считывают и записывают данные на поверхности пластин. Доступ к данным осуществляется произвольным образом, что означает, что отдельные блоки данных могут храниться или извлекаться в любом порядке и не только последовательно. Жесткие диски являются типом энергонезависимого хранилища , сохраняя сохраненные данные даже при выключенном питании.
Введенные IBM в 1956 году, HDD стали доминирующим вторичным устройством хранения для компьютеров общего назначения к началу 1960-х годов. Постоянно улучшенные, жесткие диски сохранили это положение в современную эпоху серверов и персональных компьютеров. Более 200 компаний выпускают жесткие диски исторически, хотя после обширной консолидации отрасли большинство единиц выпускаются компаниями Seagate , Toshiba и Western Digital. Жесткие диски доминируют над объемом производимого хранилища ( экзабайт в год) для серверов. Хотя производство растет медленно, доходы от продаж и единицы поставок снижаются, поскольку твердотельные накопители (SSD) имеют более высокие скорости передачи данных, более высокую плотность хранения данных, лучшую надежность, и значительно меньшую задержку и время доступа.
Доходы для SSD, большинство из которых используют NAND, немного превышают доходы для жестких дисков. Хотя SSD имеют почти в 10 раз большую стоимость на бит, они заменяют жесткие диски, где важны скорость, энергопотребление, малый размер и долговечность.
Основными характеристиками жесткого диска являются его емкость и производительность. Емкость указана в единичных префиксах, соответствующих мощностям 1000: 1- терабайтный (ТБ) накопитель имеет емкость 1000 гигабайт (ГБ, где 1 гигабайт = 1 млрд. Байт ). Как правило, некоторые из возможностей жесткого диска недоступны для пользователя, поскольку он используется файловой системой и операционной системой компьютера и, возможно, встроенным программным обеспечением для исправления ошибок и восстановления. Производительность определяется временем, требуемым для перемещения головок на дорожку или цилиндр (среднее время доступа) плюс время, необходимое для того, чтобы желаемый сектор двигался под головкой (средняя латентность , которая является функцией физической скорости вращения в оборотах в минуту ) и, наконец, скорость передачи данных.
Два наиболее распространенных форм-фактора для современных жестких дисков — 3,5 дюйма для настольных компьютеров и 2,5 дюйма, в основном для ноутбуков. Жесткие диски подключаются к системам с помощью стандартных интерфейсных кабелей, таких как кабели PATA (Parallel ATA), SATA (Serial ATA), USB или SAS ( Serial Attached SCSI ).
История
Улучшение характеристик hdd с течением времени
| Вместимость(форматированный) | 3.75 мегабайт | 14 терабайт |
| Физический обьем | 1.9 m3 | 34 cm3 |
| Вес | 910 kg | 62 g |
| Среднее время доступа | Около 600 миллисекунд | От 2.5 ms до 10 ms; |
| Цена | US$9,200 за мегабайт (1961) | US$0.032 за гигабайт по состоянию на 2015 |
| Плотность данных | 2,000 bits на квадратный дюйм | 1.3 терабайт на квадратный дюйм 2015 |
| Средняя продолжительность жизни | около 2000 часов MTBF | около 2,500,000 часов MTBF |
Первый серийный жесткий диск IBM — 350 дисковых накопителей, поставляемых в 1957 году в качестве компонента системы IBM 305 RAMAC. Он был примерно размером с два холодильника среднего размера и хранил пять миллионов шестибитных символов (3,75 мегабайта ) на стеке из 50 дисков.
В 1962 году IBM 350 был заменен дисковым накопителем IBM 1301, который состоял из 50 пластин, каждый размером около 1/8 дюйма и 24 дюйма в диаметре. В то время как IBM 350 использовала только две головки чтения / записи, 1301 использовал массив головок, один на пластинку, перемещался как единое целое. Были поддержаны операции чтения / записи в режиме цилиндра, и головки пролетели над поверхностью пластин примерно на 250 микронов (около 6 мкм). Движение головной решетки зависело от системы бинарных сумматоров гидравлических приводов, которая обеспечивала повторное позиционирование. Шкаф 1301 был примерно размером из трех домашних холодильников, расположенных рядом друг с другом, сохраняя эквивалент около 21 миллиона восьмибитовых байтов. Время доступа составляло около четверти секунды.
Также в 1962 году IBM представила диск модели 1311 , который был размером с стиральную машину и сохранил два миллиона символов на съемном диске. Пользователи могли купить дополнительные пакеты и поменять их по мере необходимости, подобно катушкам магнитной ленты. Более поздние модели сменных накопителей от IBM и других компаний стали нормой в большинстве компьютерных установок и достигли мощности в 300 мегабайт к началу 1980-х годов. Несъемные жесткие диски назывались жесткими дисками.
Некоторые высокопроизводительные жесткие диски были изготовлены с одной головкой на дорожку (например, IBM 2305 в 1970 году), так что время не терялось, физически перемещая головки на дорожку. Известные как дисковые накопители с фиксированной или голосовой дорожкой, они были очень дорогими и больше не выпускались.
В 1973 году IBM представила новый тип жесткого диска с кодовым названием «Winchester». Его основной отличительной особенностью было то, что головки дисков не были полностью извлечены из стопки дисковых пластин, когда привод был выключен. Вместо этого головам разрешалось «приземляться» на специальную поверхность площади диска после выключения, «взлетая» снова, когда диск был позже включен. Это значительно сократило стоимость механизма привода головки. Вместо этого на первых моделях дисков «Winchester technology» был установлен съемный дисковый модуль, включающий как диск, так и головной узел, оставляя приводной двигатель в приводе при снятии. Позже диски «Винчестер» отказались от концепции съемных носителей и вернулись к несъемным пластинам.
Как и первый съемный накопитель, первые диски «Винчестер» использовали пластины диаметром 14 дюймов (360 мм). Несколько лет спустя дизайнеры изучали возможность того, что физически более мелкие диски могут предложить преимущества. Появились диски с несъемными восьмидюймовыми пластинами, а затем диски, которые использовали 1/4 дюйма (130 мм) (ширина крепления, эквивалентная ширине монтажа, используемой современными дисководами гибких дисков ). Последние были в основном предназначены для рынка тогдашнего персонального компьютера (ПК).
Начиная с 1980-х годов, жесткие диски были редкой и очень дорогой дополнительной функцией на ПК, но к концу 1980-х годов их стоимость была сокращена до такой степени, что они были стандартными для всех, кроме самых дешевых компьютеров.
Большинство жестких дисков в начале 1980-х годов были проданы конечным пользователям ПК в качестве внешней подсистемы надстройки. Подсистема не была продана под именем производителя диска, но под именем производителя подсистемы, таким как Corvus Systems и Tallgrass Technologies , или под именем производителя ПК, например Apple ProFile. IBM PC / XT в 1983 году включала внутренний жесткий диск емкостью 10 МБ, а вскоре после этого на персональных компьютерах распространялись внутренние жесткие диски.
Внешние жесткие диски оставались популярными гораздо дольше на Apple Macintosh. Многие компьютеры Macintosh, созданные в период с 1986 по 1998 год, отличались портами SCSI на задней панели, что упрощало внешнее расширение. У старых компактных компьютеров Macintosh не было доступных для пользователя отсеков для жестких дисков (на самом деле Macintosh 128K , Macintosh 512K и Macintosh Plus вообще не имели отсека для жестких дисков), поэтому на этих моделях внешние диски SCSI были единственным разумным вариантом для расширения на любом внутреннем хранилище.
Нападения в Таиланде в 2011 году нанесли ущерб заводам-производителям и негативно повлияли на стоимость жесткого диска в период с 2011 по 2013 год.
Благодаря постоянно растущей плотности площадей магнитной записи жесткие диски постоянно улучшаются. Некоторые основные моменты перечислены в таблице выше. Приложения рынка расширялись в 2000-х годах с компьютеров мейнфреймов конца 1950-х годов до большинства приложений для массового хранения, включая компьютеры и потребительские устройства, такие как хранение развлекательного контента.
Производительность NAND улучшается быстрее, чем жесткие диски, а устройства для жестких дисков постепенно сходят на нет. Меньшие форм-факторы, 1,8 дюйма и ниже, были прекращены в 2010 году. Цена твердотельного хранилища (NAND), представленная законом Мура , улучшается быстрее, чем жесткие диски. NAND обладает более высокой ценовой эластичностью спроса, чем жесткие диски, и это стимулирует рост рынка. В конце 2000-х и 2010-х годов жизненный цикл продуктов на жестких дисках вошел в зрелую фазу, и замедление продаж может указывать на начало фазы снижения.
Технологии
Магнитная запись
Современный жесткий диск записывает данные путем намагничивания тонкой пленки из ферромагнитного материала на диске. Последовательные изменения направления намагничивания представляют двоичные биты данных. Данные считываются с диска путем обнаружения переходов при намагничивании. Пользовательские данные кодируются с использованием схемы кодирования, такой как ограниченная по длине кодировка, которая определяет, как данные представлены магнитными переходами.
Типичный дизайн жесткого диска состоит из. Шпиндель, который содержит плоские круговые диски, также называемые пластинами , в которых хранятся записанные данные. Пластины изготовлены из немагнитного материала, обычно из алюминиевого сплава, стекла или керамики, и покрыты мелким слоем магнитного материала, обычно толщиной 10-20 нм , с наружным слоем углерода для защиты. Для справки, стандартный лист копировальной бумаги составляет 0,07-0,18 мм (70 000-180 000 нм).
Платформы на современных жестких дисках вращаются со скоростью от 4200 об / мин в энергосберегающих портативных устройствах до 15 000 об / мин для высокопроизводительных серверов. Первые жесткие диски вращались со скоростью 1200 об / мин, и в течение многих лет 3600 об / мин были нормой. По состоянию на декабрь 2013 года пластинки в большинстве потребительских жестких дисков вращаются на скорости 5400 об / мин или 7200 об / мин.
Информация записывается и считывается с диска, когда он вращает головами чтения и записи , которые расположены для работы очень близко к магнитной поверхности, причем их высота над диском часто находится в диапазоне десятков нанометров. Головка чтения и записи используется для обнаружения и изменения намагничивания материала, проходящего непосредственно под ним.
В современных приводах имеется одна головка для каждой поверхности магнитного диска на шпинделе, установленная на общей штанге. Ручка привода (или рычаг доступа) перемещает головки на дуге (грубо радиально) по пластинам при их вращении, позволяя каждой головке проникать почти на всю поверхность пластины, когда она вращается. Рычаг перемещается с помощью исполнительного механизма звуковой катушки или в некоторых старых моделях шагового двигателя. Ранние жесткие диски записывали данные с некоторыми постоянными битами в секунду, в результате чего все треки имели одинаковое количество данных на дорожку, но современные диски (с 1990-х годов) использовали запись в битах зоны — увеличение скорости записи из внутренней во внешнюю зону и, тем самым, сохранение больше данных на дорожку во внешних зонах.
В современных приводах малый размер магнитных областей создает опасность того, что их магнитное состояние может быть потеряно из-за термических эффектов , термически индуцированной магнитной неустойчивости, которая обычно известна как « суперпарамагнитный предел ». Чтобы противостоять этому, пластинки покрыты двумя параллельными магнитными слоями, разделенными 3-атомным слоем немагнитного элемента рутения, и два слоя намагничены в противоположной ориентации, усиливая друг друга. Другая технология, используемая для преодоления тепловых эффектов, позволяющая увеличить плотность записи , — перпендикулярная запись , впервые отправленная в 2005 году, а с 2007 года технология использовалась на многих жестких дисках.
В 2004 году была введена новая концепция, позволяющая дополнительно увеличить плотность данных при магнитной записи, используя записывающие среды, состоящие из связанных мягких и жестких магнитных слоев. То, что так называемые обменные пружинные среды, также известные как комбинированные композитные материалы с обменными связями, обеспечивают хорошую удобочитаемость из-за характерной для записи мягкого слоя. Однако термическая стабильность определяется только самым твердым слоем и не зависит от мягкого слоя.
Типичный жесткий диск имеет два электродвигателя. Шпиндельный двигатель, который вращает диски и привод (двигатель), который позиционирует узел головки чтения / записи по вращающимся дискам. Дисковый двигатель имеет внешний ротор, прикрепленный к дискам, обмотки статора закреплены на месте. Напротив привода на конце опорной головки плеча является головка чтения-записи. Тонкие кабели печатной платы соединяют головки чтения и записи с электроникой усилителя, установленной на оси поворота привода. Головной кронштейн очень легкий, но также жесткий. В современных приводах ускорение на голове достигает 550 г
Привод представляет собой постоянный магнит и двигатель подвижной катушки, который поворачивает головки в нужное положение. Металлическая пластина поддерживает приповерхностный магнит с высоким потоком неодима и железа-бора (NIB). Под этой пластиной находится движущаяся катушка, которую часто называют звуковой катушкой по аналогии с катушкой в громкоговорителях , которая прикреплена к ступице исполнительного механизма, а под ним находится второй магнит NIB, установленный на нижней пластине двигателя (некоторые диски имеют только один магнит).
Сама звуковая катушка имеет форму наконечника стрелы и выполнена из проволоки с медным магнитом с двойным покрытием. Внутренний слой представляет собой изоляцию, а внешний — термопластичный, который связывает катушку вместе после того, как она намотана на форму, делая ее самонесущей. Части катушки вдоль двух сторон наконечника стрелки (которые указывают на центр подшипника привода) взаимодействуют с магнитным полем неподвижного магнита. Ток, протекающий радиально наружу вдоль одной стороны наконечника стрелы, а радиально внутрь — другой, создает тангенциальную силу. Если бы магнитное поле было однородным, каждая сторона создавала бы противостоящие силы, которые отменяли бы друг друга. Поэтому поверхность магнита — половина северного полюса и половина южного полюса, с радиальной разделительной линией в середине, заставляя две стороны катушки видеть противоположные магнитные поля и создавать силы, которые добавляют вместо отмены. Токи вдоль верхней и нижней части катушки создают радиальные силы, которые не вращают голову.
Электроника жесткого диска управляет движением привода и вращением диска и выполняет чтение и запись по требованию с контроллера диска. Обратная связь электроники привода осуществляется с помощью специальных сегментов диска, предназначенных для обратной связи с сервоприводом. Это либо полные концентрические круги (в случае специализированной сервотехнологии), либо сегменты, чередующиеся с реальными данными (в случае встроенной сервотехнологии). Обратная связь с сервомотором оптимизирует отношение сигнал / шум датчиков GMR, регулируя звуковую катушку приводного рычага. Вращение диска также использует сервомотор. Современная дисковая прошивка способна эффективно планировать чтение и запись на поверхностях пластин и переназначить сектора среды, которые потерпели неудачу.
Современные диски широко используют коды коррекции ошибок (ECC), в частности коррекцию ошибок Рида-Соломона. Эти методы хранят дополнительные биты, определенные математическими формулами, для каждого блока данных. дополнительные биты позволяют исправлять многие ошибки незаметно. Кроме того, дополнительные биты занимают место на жестком диске, но позволяют использовать более высокую плотность записи, не вызывая ошибок, которые могут привести к некорректным результатам, что приводит к значительному увеличению емкости хранилища. Например, типичный жесткий диск 1 ТБ с 512-байтовыми секторами обеспечивает дополнительную пропускную способность около 93 ГБ для данных ECC.
В новейших дисках по состоянию на 2009 год коды контроля четности низкой плотности (LDPC) вытесняли Рида-Соломона. Коды LDPC обеспечивают производительность, близкую к пределу Шеннона, и обеспечивают максимальную плотность хранения.
Типичные жесткие диски пытаются «переназначить» данные в физическом секторе, которые не имеют резервный физический сектор, предоставленный «резервным пулом» накопителя (также называемый «резервным пулом»), полагаясь на ECC на восстановить сохраненные данные, в то время как количество ошибок в плохом секторе все еще достаточно низкое. Технология SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) учитывает общее количество ошибок во всем жестком диске, зафиксированное ECC (хотя не на всех жестких дисках, так как соответствующие атрибуты SMART «Hardware ECC Recovered» и «Soft ECC Correction» являются не поддерживается последовательно) и общее количество выполненных перераспределений сектора, так как появление многих таких ошибок может спрогнозировать отказ жесткого диска .
Формат «No-ID Format», разработанный IBM в середине 1990-х годов, содержит информацию о том, какие сектора являются плохими, и где расположены переназначенные сектора.
Только незначительная часть обнаруженных ошибок заканчивается как не исправляемая. Например, спецификация для диска SAS предприятия (модель с 2013 года) оценивает эту долю как одну некорректированную ошибку в каждых 10 16 бит, и другой диск предприятия SAS с 2013 года указывает аналогичные коэффициенты ошибок. Еще один современный (с 2013 года) корпоративный диск SATA определяет частоту ошибок менее 10 неисправимых ошибок чтения в каждых 10 16 бит. Корпоративный диск с интерфейсом Fibre Channel , который использует 520-байтовые сектора для поддержки стандарта Field Integrity Data для борьбы с повреждением данных, указывает на аналогичные показатели ошибок в 2005 году.
Худший тип ошибок — это молчание данных, которые являются ошибками, необнаруженными прошивкой диска или операционной системой хоста; some of these errors may be caused by hard disk drive malfunctions. некоторые из этих ошибок могут быть вызваны сбоями жесткого диска.
Разработка
Скорость распространения ареальной плотности была аналогична закону Мура (удвоение каждые два года) до 2010 года: 60% в год в течение 1988-1996 годов, 100% в 1996-2003 годах и 30% в течение 2003-2010 годов. Гордон Мур (1997) назвал увеличение «flabbergasting», наблюдая позже, что рост не может продолжаться вечно. Снижение цен замедлилось до -12% в год в течение 2010-2017 гг. поскольку рост ареальной плотности замедлился. Темпы роста плотности ареала замедлились до 10% в год в течение 2010-2016 гг. и было трудно перейти от перпендикулярной записи к более новым технологиям.
По мере уменьшения размера бит-ячейки, большее количество данных может быть помещено на одно дисковое устройство. В 2013 году производственный настольный жесткий диск 3 ТБ (с четырьмя пластинами) имел бы плотную плотность около 500 Гбит / дюйм 2, которая составляла бы бит-ячейку, содержащую около 18 магнитных зерен (11 на 1,6 зерна). Начиная с середины 2000-х годов прогресс в области плотности все чаще оспаривается суперпарамагнитной триллемой, включающей размер зерна, магнитную прочность зерна и способность головы писать. Для поддержания приемлемого сигнала к шуму требуются меньшие зерна. Меньшие зерна могут самообращаться ( электротермическая неустойчивость ), если их магнитная прочность не увеличивается, но известные материалы для записи не способны генерировать магнитное поле, достаточное для записи среды. В настоящее время разрабатывается несколько новых технологий хранения данных для преодоления или, по крайней мере, уменьшения этой триллемы и, следовательно, сохранения конкурентоспособности жестких дисков в отношении таких продуктов, как твердотельные накопители на основе флэш-памяти (твердотельные накопители).
В 2013 году Seagate представила одну из таких технологий, с черепичной магнитной записью (SMR). Кроме того, SMR обладает сложностями проектирования, которые могут привести к снижению производительности записи. Другие новые технологии записи, которые по состоянию на 2016 год все еще находятся в стадии разработки, включают магнитную запись с магнитным захватом (HAMR), магнитную запись с магнитной записью (MAMR) записи двумерной магнитной записи (TDMR), с битовым рисунком (BPR), и «магнитные магнитосопротивления (CPP / GMR)« перпендикулярно плоскости».
Темпы роста плотности ареала упали ниже нормы закона Мура, составляющего 40% в год, и ожидается, что замедление продолжится, по крайней мере, до 2020 года. В зависимости от предположений о целесообразности и сроках этих технологий средний прогноз от наблюдателей и аналитики на 2020 и последующие годы для роста плотности ареала составляют 20% в год с диапазоном 10-30%. Достижимый предел для технологии HAMR в сочетании с BPR и SMR может составлять 10 Tbit / in 2 , который был бы в 20 раз выше, чем 500 Gbit / in 2 к 2013 году производят настольные жесткие диски. С 2015 года жесткие диски HAMR задерживаются на несколько лет и ожидаются в 2018 году. Они требуют другой архитектуры с переработанными носителями и головами чтения / записи, новыми лазерами и новыми оптическими преобразователями ближнего поля.
Емкости
Емкость жесткого диска, о которой сообщает операционная система конечному пользователю, меньше, чем указано изготовителем по нескольким причинам: операционная система, использующая некоторое пространство, использование некоторого пространства для избыточности данных и использование пространства для структур файловой системы. Также разница в мощности, о которой сообщается в единицах префиксов SI с префиксом по сравнению с бинарными префиксами, может привести к ложному впечатлению отсутствия пропускной способности.
Вычисления
Современные жесткие диски отображаются на своем контроллере хоста как непрерывный набор логических блоков, а общая емкость накопителя рассчитывается путем умножения количества блоков на размер блока. Эта информация доступна из спецификации продукта производителя и самого накопителя с использованием функций операционной системы, которые вызывают команды низкого уровня привода.
Общая емкость старых жестких дисков рассчитывается как произведение количества цилиндров на зону записи, количество байтов на сектор (чаще всего 512) и количество зон диска. Некоторые современные диски SATA также сообщают о емкостях с цилиндрическим корпусом (CHS), но это не физические параметры, потому что сообщаемые значения ограничены историческими интерфейсами операционной системы. Схема C / H / S была заменена логической блочной адресацией (LBA), простой схемой линейной адресации, которая находит блоки по целочисленному индексу, который начинается с LBA 0 для первого блока и увеличивается с последующим. При использовании метода C / H / S для описания современных больших дисков количество головок часто устанавливается на 64, хотя типичный жесткий диск с 2013 года имеет от одной до четырех пластин.
В современных жестких дисках резервная емкость для управления дефектами не включена в опубликованную емкость. Однако на многих ранних жестких дисках определенное количество секторов было зарезервировано в качестве запасных частей, что уменьшало пропускную способность, доступную операционной системе.
Для подсистем RAID , целостность данных и требования к отказоустойчивости также уменьшают реализованную емкость. Например, массив RAID 1 имеет примерно половину общей емкости в результате зеркалирования данных, в то время как массив RAID 5 с дисками x теряет 1 / x емкости (что равно емкости одного диска) из-за хранения информации о четности. Подсистемы RAID представляют собой несколько дисков, которые кажутся одним приводом или более дисками для пользователя, но обеспечивают отказоустойчивость. Большинство производителей RAID используют контрольные суммы для повышения целостности данных на уровне блоков. Некоторые производители разрабатывают системы с использованием жестких дисков с секторами 520 байт, чтобы содержать 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.
Форматирование
Данные хранятся на жестком диске в серии логических блоков. Каждый блок разделяется маркерами, идентифицирующими его начало и конец, обнаружение ошибок и исправление информации, а также пробел между блоками, чтобы допускать незначительные изменения времени. Эти блоки часто содержали 512 байтов используемых данных, но были использованы другие размеры. По мере увеличения плотности диска инициатива, известная как « Расширенный формат», расширила размер блока до 4096 байтов используемых данных, что привело к значительному уменьшению 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 в поле. Высокоуровневое форматирование записывает структуры данных, используемые операционной системой для организации файлов данных на диске. Сюда входит запись разделов и структур файловой системы в выбранные логические блоки. Например, часть дискового пространства будет использоваться для хранения каталога имен файлов диска 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 распределения файлов (FAT) в файловой системе DOS и inodes 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 служебная информация обычно невелика по сравнению с пользовательскими данными.
Блоки
Общая емкость жестких дисков предоставляется производителями с использованием десятичных префиксов SI, таких как гигабайты (1 ГБ = 1 000 000 000 байт) и терабайты (1 ТБ = 1 000 000 000 000 байт). Эта практика восходит к ранним дням вычислений. К 1970-м годам «миллионы», «мега» и «М» последовательно использовались в десятичном значении для пропускной способности. Однако возможности памяти цитируются с использованием бинарной интерпретации префиксов, то есть с использованием полномочий 1024 вместо 1000.
Программное обеспечение сообщает жесткий диск или объем памяти в разных формах с использованием десятичных или двоичных префиксов. В операционных системах семейства Microsoft Windows используется двоичное соглашение при представлении данных о емкости хранилища, поэтому эти жесткие диски, предлагаемые его производителем как накопитель на 1 ТБ, сообщаются этими операционными системами как жесткий диск емкостью 931 ГБ. Mac OS X 10.6 (« Snow Leopard ») использует десятичное соглашение при сообщении о емкости жесткого диска. По умолчанию утилита командной строки df для Linux должна сообщать емкость жесткого диска как количество 1024-байтных единиц.
Разница между десятичной и двоичной префиксной интерпретацией вызвала некоторую потребительскую путаницу и привела к костюмам класса против производителей жестких дисков. Истцы утверждали, что использование десятичных префиксов эффективно вводило в заблуждение потребителей, в то время как ответчики отрицали какие-либо правонарушения или ответственность, заявляя, что их маркетинг и реклама во всех отношениях соблюдались законом и что ни один из участников не получал никаких повреждений или травм.
Форм-факторы
Первый жесткий диск IBM , IBM 350 , использовал стопку из пятидесяти 24-дюймовых пластин и имел размер, сопоставимый с двумя большими холодильниками. В 1962 году IBM представила диск модели 1311 , который использовал шесть 14-дюймовых (номинальных размеров) пластин в съемной упаковке и был примерно размером с стиральную машину. Это стало стандартным размером диска и форм-фактором накопителя на протяжении многих лет, также используемым другими производителями. IBM 2314 использовала пластинки одинакового размера в одиннадцатикратном пакете и представила макет «привод в ящике», хотя «выдвижной ящик» был не полным диском.
Более поздние диски были спроектированы так, чтобы полностью входить в шасси, которое смонтировано в 19-дюймовой стойке. Цифровые RK05 и RL01 были ранними примерами, использующими одиночные 14-дюймовые пластинки в съемных упаковках, весь приводный фитинг в стойке высотой 10,5 дюйма (шесть стойки). В середине 1980-х годов популярным продуктом был аналогичный Fujitsu Eagle , который использовал (по совпадению) 10,5-дюймовые пластинки.
Такие крупные пластинки никогда не использовались с микропроцессорными системами. С увеличением продаж микрокомпьютеров, имеющих встроенные флоппи-диски (FDD), желательны жесткие диски, которые соответствовали бы креплениям FDD. Таким образом , жесткий диск Форм — факторы , первоначально следуют те из 8-дюймовых, 5,25 дюйма, а также гибких дисков 3,5 дюйма. Несмотря на то, что эти номинальные размеры обозначаются такими номинальными размерами, фактические размеры для этих трех дисков соответственно равны 9,5 «, 5,75» и 4 дюйма. Поскольку не было меньших дисководов гибких дисков, меньшие форм-факторы жесткого диска, разработанные из предложений продуктов или отраслевых стандартов. 2.5- дюймовые диски на самом деле 2,75 дюйма.
По состоянию на 2012 год 2,5-дюймовые и 3,5-дюймовые жесткие диски были самыми популярными. К 2009 году все производители прекратили разработку новых продуктов для 1,3-дюймовых, 1-дюймовые и 0,85-дюймовых форм — факторов из — за падения цен на флэш — памяти, который не имеет подвижных частей. Хотя номинальные размеры указаны в дюймах, фактические размеры указаны в миллиметрах.
Технические характеристики
Факторы, ограничивающие время доступа к данным на HDD, в основном связаны с механическим характером вращающихся дисков и движущихся головок.
Время поиска — это показатель того, сколько времени занимает головная сборка для перемещения по дорожке диска, содержащего данные. Первый жесткий диск имел среднее время поиска около 600 мс. Некоторые ранние ПК-приводы использовали шаговый двигатель для перемещения головок, и в результате время поиска было таким же медленным, как и 80-120 мс, но это быстро улучшалось при срабатывании типа звуковой катушки в 1980-х годах, уменьшая время поиска до 20 мс. Время поиска продолжилось медленно со временем. Самые быстрые серверные диски сегодня имеют время поиска около 4 мс. Среднее время поиска — это строго время, чтобы сделать все возможные попытки, деленные на количество всех возможных поисков, но на практике определяется статистическими методами или просто аппроксимируется как время поиска более одной трети числа дорожек.
Задержка вращения возникает, потому что желаемый сектор диска может не находиться непосредственно под головкой при запросе передачи данных. Среднее время задержки вращения показано в таблице на основе статистического соотношения, что средняя латентность составляет половину периода вращения.
Скорость передачи битов или скорость передачи данных (как только головка находится в правильном положении) создает задержку, которая является функцией количества переданных блоков; обычно относительно небольшая, но может быть довольно длинной с переносом больших смежных файлов.
Задержка может также возникать, если дисководы останавливаются для экономии энергии.
Дефрагментация — это процедура, используемая для минимизации задержки при извлечении данных путем перемещения связанных элементов для физического аппроксимации областей на диске. Некоторые компьютерные операционные системы выполняют дефрагментацию автоматически. Хотя автоматическая дефрагментация предназначена для уменьшения задержки доступа, производительность будет временно уменьшена во время выполнения процедуры.
Время доступа к данным может быть улучшено за счет увеличения скорости вращения (таким образом уменьшая задержку) или путем сокращения времени, затрачиваемого на поиск. Увеличение плотности ареала увеличивает пропускную способность за счет увеличения скорости передачи данных и увеличения количества данных под набором головок, что потенциально уменьшает активность поиска для заданного объема данных. Время доступа к данным не ускорилось с увеличением пропускной способности, которые сами по себе не справились с ростом плотности битов и емкости хранилища.
Задержка
| 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 с рабочим объемом 7200 об / мин имеет постоянную скорость передачи данных «от диска до буфера» до 1030 Мбит / с. Эта скорость зависит от местоположения дорожки; скорость выше для данных на внешних дорожках (где на оборот больше секторов данных) и ниже по направлению к внутренним дорожкам (где на оборот меньше секторов данных); и, как правило, несколько выше для приводов 10 000 об / мин. Текущий широко используемый стандарт для интерфейса «буфер-компьютер» составляет 3.0 Гбит / сSATA, который может отправлять около 300 мегабайт / с (10-битное кодирование) из буфера в компьютер и, таким образом, по-прежнему комфортно опережает сегодняшние скорости передачи данных между дисками. Скорость передачи данных (чтение / запись) может быть измерена путем записи большого файла на диск с использованием специальных инструментов для создания файлов, а затем чтения файла. На скорость передачи может влиять фрагментация файловой системы и расположение файлов.
Скорость передачи данных на жестком диске зависит от скорости вращения пластин и плотности записи данных. Поскольку скорость вращения и вибрации ограничивают скорость вращения, повышающая плотность становится основным методом улучшения последовательных скоростей передачи. Для более высоких скоростей требуется более мощный двигатель шпинделя, который создает больше тепла. В то время как плотность площади увеличивается, увеличивая как количество дорожек на диске, так и количество секторов на дорожку, только последний увеличивает скорость передачи данных для заданного числа оборотов в минуту. Поскольку скорость передачи данных отслеживает только один из двух компонентов плотности ареала, его производительность улучшается с меньшей скоростью.
Доступ и интерфейсы
Текущие жесткие диски подключаются к компьютеру по одному из нескольких типов шин, включая параллельные ATA , Serial ATA , SCSI , Serial Attached SCSI (SAS) и Fibre Channel . Некоторые диски, особенно внешние портативные диски, используют IEEE 1394 или USB. Все эти интерфейсы являются цифровыми; электроника на приводе обрабатывает аналоговые сигналы от головок чтения / записи. Текущие накопители представляют собой согласованный интерфейс с остальной частью компьютера, независимо от используемой внутренней схемы кодирования данных, и не зависят от физического количества дисков и головок внутри накопителя.
Обычно DSP в электронике внутри привода принимает необработанные аналоговые напряжения от считывающей головки и использует PRML и коррекцию ошибок Рида-Соломона для декодирования данных, а затем отправляет эти данные из стандартного интерфейса. Этот DSP также отслеживает частоту ошибок, при обнаружении и исправлении ошибок , и выполняет плохую перенастройку сектора , сбор данных для Self-Monitoring, Analysis и Reporting Technology и другие внутренние задачи.
Современные интерфейсы соединяют привод с интерфейсом хоста с помощью одного кабеля данных / управления. Каждый привод также имеет дополнительный кабель питания, как правило, непосредственно к блоку питания. Более старые интерфейсы имели отдельные кабели для сигналов данных и сигналов управления приводом.
— Интерфейс системы малого компьютерного интерфейса (SCSI), первоначально названный SASI для системного интерфейса Shugart Associates, был стандартным для серверов, рабочих станций, компьютеров Commodore Amiga, Atari ST и Apple Macintosh в середине 1990-х годов, и к этому времени большинство моделей было переведено в IDE (и позже, SATA). Предел длины кабеля данных позволяет использовать внешние устройства SCSI.
— Интегрированная приводная электроника (IDE), позже стандартизованная под названием AT Attachment (ATA, с псевдонимом PATA (Parallel ATA), ретроактивно добавленным после внедрения SATA), переместила контроллер жесткого диска с интерфейсной платы на дисковод. Это помогло стандартизировать интерфейс хоста / контроллера, снизить сложность программирования в драйвере хост-устройства и снизить стоимость и сложность системы. 40-контактное соединение IDE / ATA передает 16 бит данных за раз по кабелю передачи данных. Кабель для передачи данных был первоначально 40-проводным, но более высокие требования к скорости привели к режиму «ультра DMA» (UDMA) с использованием 80-жильного кабеля с дополнительными проводами для уменьшения перекрестных помех на высокой скорости.
— EIDE было неофициальным обновлением (от Western Digital) до исходного стандарта IDE, при этом ключевым улучшением было использование прямого доступа к памяти (DMA) для передачи данных между диском и компьютером без участия ЦП, усовершенствование, принятое позднее по официальным стандартам ATA. Прямая передача данных между памятью и диском, DMA устраняет необходимость в том, чтобы CPU копировал байт на каждый байт, 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 используется топология соединения Fibre Channel Arbitrated Loop (FC-AL). FC имеет гораздо более широкое использование, чем просто интерфейсы на диске, и он является краеугольным камнем сетей хранения данных (SAN). Недавно были разработаны другие протоколы для этого поля, такие как iSCSI и ATA через Ethernet. Иногда, диски обычно используют медные витые пары для Fibre Channel, а не для волоконной оптики. Последние традиционно зарезервированы для более крупных устройств, таких как серверы или контроллеры дисковых массивов.
— Serial Attached SCSI (SAS). SAS — это протокол последовательной связи нового поколения для устройств, предназначенных для обеспечения гораздо более высокой скорости передачи данных и совместим с SATA. SAS использует механически идентичные данные и разъем питания для стандартных 3,5-дюймовых жестких дисков SATA1 / SATA2, а многие серверные SAS RAID-контроллеры также могут обращаться к жестким дискам SATA. SAS использует последовательную связь вместо параллельного метода, найденного в традиционных устройствах SCSI, но все еще использует команды SCSI.
Serial ATA (SATA). Кабель данных SATA имеет одну пару данных для дифференциальной передачи данных на устройство и одну пару для дифференциального приема с устройства, как и EIA-422 . Это требует, чтобы данные передавались последовательно. Аналогичная дифференциальная система сигнализации используется в RS485, LocalTalk, USB, FireWire и дифференциальном SCSI.
Целостность данных и ошибки
Из-за чрезвычайно близкого расстояния между головами и поверхностью диска жесткие диски уязвимы для повреждения при столкновении с головкой — сбоя диска, в котором головка царапается по поверхности диска, часто измельчая тонкую магнитную пленку и вызывая потери данных. Аварии на головках могут быть вызваны электронным сбоем, внезапным сбоем питания, физическим ударом, загрязнением внутреннего корпуса привода, износом, коррозией или плохо изготовленными пластинами и головами.
Шпиндельная система жесткого диска полагается на плотность воздуха внутри корпуса диска, чтобы поддерживать головки на их правильной высоте полета, пока диск вращается. Для жестких дисков требуется определенный диапазон плотности воздуха для правильной работы. Соединение с внешней средой и плотностью происходит через небольшое отверстие в корпусе (около 0,5 мм в ширину), обычно с фильтром на внутренней стороне (фильтр-фильтр). Если плотность воздуха слишком низкая, то для летающей головки недостаточно подъема, поэтому головка слишком близко находится на диске, и существует риск сбоев в работе головки и потери данных. Специально изготовленные герметизированные диски под давлением необходимы для надежной работы на высотах более 3000 м (9 800 футов). Современные диски включают датчики температуры и регулируют их работу в рабочей среде. Отверстия для дыхательных путей можно увидеть на всех дисках — у них обычно есть наклейка рядом с ними, предупреждая пользователя не закрывать отверстия. Воздух внутри приводного привода также постоянно перемещается, будучи перемещенным в результате трения с вращающимися пластинами. Этот воздух проходит через внутренний фильтр рециркуляции (или «recirc») для удаления любых оставшихся загрязнений из производства, любых частиц или химических веществ, которые каким-то образом попали в корпус, и любых частиц или дегазации, создаваемых внутренне при нормальной работе. Очень высокая влажность, присутствующая в течение длительных периодов времени, может разъедать головки и пластины.
Для гигантских магниторезистивных (GMR) головок, в частности, незначительная авария головы от загрязнения (которая не снимает магнитную поверхность диска) по-прежнему приводит к временному перегреву головки из-за трения с поверхностью диска и может сделать данные нечитаемыми в течение короткого периода времени до тех пор, пока температура головки не стабилизируется (так называемая «тепловая непрочность»), проблема, которая может быть частично решена путем правильной электронной фильтрации сигнала считывания).
Когда логическая плата жесткого диска выходит из строя, привод часто может быть восстановлен в порядке функционирования, а данные восстановлены путем замены печатной платы на один из идентичных жестких дисков. В случае сбоев головки чтения и записи их можно заменить с помощью специализированных инструментов без пыли. Если дисковые пластинки не повреждены, их можно перенести в идентичный корпус, и данные можно скопировать или клонировать на новый диск. В случае сбоев диска может потребоваться разборка и визуализация дисковых пластин. Для логического повреждения файловых систем для восстановления данных можно использовать множество инструментов, включая fsck для UNIX-подобных систем и CHKDSK для Windows.
Общим ожиданием является то, что жесткие диски, разработанные и продаваемые для использования на сервере, будут работать менее часто, чем диски потребительского класса, обычно используемые на настольных компьютерах. Однако в двух независимых исследованиях Университета Карнеги-Меллона и Google было обнаружено, что «класс» привода не относится к частоте отказов накопителя.
Резюме исследований в 2011 году, в SSD и моделях отказов магнитных дисков Tom’s Hardware обобщило результаты исследований следующим образом:
— Среднее время между отказами (MTBF) не указывает на надежность; годовой показатель отказов выше и, как правило, более уместен.
— Магнитные диски не имеют определенной тенденции к отказу во время раннего использования, а температура имеет лишь незначительный эффект; вместо этого показатели отказов неуклонно возрастают с возрастом.
— SMART предупреждает о механических проблемах, но не относится к другим проблемам, влияющим на надежность, и поэтому не является надежным индикатором состояния.
— Частота отказов приводов, продаваемых как «промышленные» и «потребительские», «очень похожа», хотя эти типы накопителей настроены для разных операционных сред.
— В дисковых массивах отказ одного накопителя значительно увеличивает кратковременный риск отказа второго диска.
Внешние жесткие диски
Внешние жесткие диски обычно подключаются через USB; варианты с интерфейсом USB 2.0 обычно имеют более низкую скорость передачи данных по сравнению с внутренними жесткими дисками, подключенными через SATA. Функциональность подключаемого модуля обеспечивает совместимость с системой и имеет большие возможности хранения и портативный дизайн. По состоянию на март 2015 года, доступные емкости для внешних жестких дисков варьировались от 500 до 10 ТБ.
Внешние жесткие диски обычно доступны как готовые интегрированные продукты, но могут быть также собраны путем объединения внешнего корпуса (с USB или другим интерфейсом) с отдельно приобретенным приводом. Они доступны в размерах 2,5 дюйма и 3,5 дюйма; 2.5-дюймовые варианты обычно называются портативными внешними дисками, а 3,5-дюймовые варианты называются внешними дисками для настольных ПК. «Портативные» диски упакованы в меньшие и более легкие корпуса, чем «настольные» диски; Кроме того, «портативные» приводы используют питание, обеспечиваемое USB-соединением, в то время как «настольные» приводы требуют внешнего энергетического кирпича.
Такие функции, как биометрическая защита или несколько интерфейсов (например, Firewire), доступны по более высокой цене. Есть предварительно собранные внешние жесткие диски, которые, вынимаемые из их корпусов, не могут использоваться внутри ноутбука или настольного компьютера из-за встроенного интерфейса USB на своих печатных платах, а отсутствие SATA (или Parallel ATA).