Жесткий диск (магнитный накопитель, винчестер, HDD)

Принцип работы

Принцип работы жесткого диска достаточно прост. Типичный винчестер состоит из нескольких основных узлов, как то:

• корпус из ударопрочного сплава,
• пластины с магнитным покрытием,
• блок головок с устройством для позиционирования,
• блок электроники и
• электропривод.

Многие пользователи считают, что жесткие диски герметичны. Однако это не так — внутри требуется поддерживать постоянное давление при колебаниях температур. В связи с этим жесткий диск оснащен фильтром, который задерживает частицы диаметром до нескольких микрометров.

Блок электроники содержит собственное запоминающее устройство и несколько подблоков, которые отвечают за цифровую обработку сигнала, управление и работу с интерфейсом. Работа самого жесткого диска сильно напоминает структуру магнитофона. Рабочая поверхность диска движется с определенной скоростью относительно считывающей головки. Во время процедуры записи или чтения головки парят над поверхностью диска на воздушной подушке. Если в зазор между диском и головкой попадет пылинка, то головки могут удариться о поверхность, испортить диск и даже сгореть.

Магнитный диск может быть сделан не только из металла, но и из стекла, как это было в моделях от IBM. На поверхности диска находится магнитный слой, который и служит основой для записи информации. Биты информации записываются с помощью головки, которая проходя над поверхностью вращающегося диска намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности. Как DevOps-сервис помогает «разгрузить» высоконагруженные системы BPMSoft

Изначально поверхность блина абсолютно пустая, то есть магнитные домены никак не ориентированы. Для ориентирования блока магнитных головок на магнитный диск наносятся специальные метки — серво-метки. Это осуществляется «родным» блоком магнитных головок, который управляется в свою очередь внешним устройством. После разметки жесткий диск сам в состоянии читать информацию и записывать на поверхность. При больших объемах винчестера в него устанавливается несколько магнитных дисков, которые закрепляются на шпиндельном двигателе, и образуют стопку блинов.

Характеристики

Интерфейс — в общем случае определяет место или способ соединения/соприкосновения/связи. Этот термин используется в разных областях науки и техники. Современные накопители могут использовать интерфейсы SATA, IDE, USB, IEEE 1394 и т. д.

Физический размер (форм-фактор) — установленный типоразмер жесткого диска. Накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер 3.5 дюйма. Винчестеры в формате 2.5 дюйма чаще применяются в ноутбуках. Другие распространённые форматы — 1.8 дюйма, 1.3 дюйма и 0.85 дюйма.

Скорость вращения шпинделя — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).

Время произвольного доступа — Параметр своеобразной оценки скорости работы жесткого диска. В английском языке используется аналог random access time. Среднее время доступа для современных моделей колеблется от 3 до 15 мс. Чем меньше значение, тем лучше. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски.

Рынки HDD

Основные статьи:

• Жесткие диски (мировой рынок)
• Жесткие диски (рынок России)

История

Название

Для словосочетания типа Hard Disk Drive (HDD) лингвисты используют название-ретроним – термин, придуманный лингвистами для уже нового названия существующего явления, чтобы отличать его от чего-то более нового, в данном случае от гибких дисков. И вот странная ситуация: гибких дисков нет, потребности различать гибкие диски от жестких нет, а ретроним остался, но теперь он служит для отличия HDD от твердотельных накопителей Solid State Drive/Disk (SSD), которые в общем и дисками то не являются.

Нынешняя волна публичного интереса к SDD не должна вводить в сомнение относительного будущего HDD, эти диски жили и будут жить, постоянно развиваясь и совершенствуясь. В ближайшее время появится диск емкостью 20 Тб, а общий выпуск растет постоянно на 1–3% в год.

Подробнее об эволюции СХД читайте здесь.

Огромные магнитофоны

Успех дисков выглядит как некоторый казус. В механическом устройстве, ставшем неотъемлемой частью электронных систем, время перемещения головок измеряется совсем иными величинами, нежели скорость электронных процессов. На отсутствие гармонии в союзе между электроникой и механикой обратили внимание давно, еще в пятидесятые годы, когда создавались первые диски. Но тогда механике не было альтернативы, поскольку полупроводниковые технологии делали только первые шаги, пришлось сознательно пойти на неравный брак ради достижения цели, однако он оказался более чем успешным. Целью же был прямой доступ к большим (по тем меркам) объемам данным, который оставался невозможен до тех пор, пока данные считывались в потоке либо с ленты, либо с перфокарт. Считанные с носителя данные можно было разместить либо в крошечной оперативной памяти, либо делать своппинг и подкачивать данные с барабана. В некоторых операционных системах были утилиты для чтения файлов с лент, но это был ужасно медленный процесс.

На раннем этапе развития компьютерных систем типовые жесткие диски были лишь экспериментальными моделями. Компьютеры были похожи на огромные магнитофоны. В принципе запись и чтение информации ничуть не отличались от обыкновенного кассетника — данные располагались линейно. Те, кто также помнит ПК на основе носителей с магнитной пленкой, знают, каково это дожидаться загрузки очередного уровня — обыкновенной перемотки кассеты на нужное место.

Первые персональные компьютеры использовали в качестве накопителя обычный кассетный аудио магнитофон. Дисковод для них был непозволительной роскошью. Те пользователи, у которых вместе с ПК поставлялся дисковод, уже могли почувствовать некоторое подобие свободы действий. Первые компьютеры фирмы IBM поставлялись с одним или двумя дисководами.

Диски Рабинова

Идея диска как устройства с перемещающимся по пространству головками лежала на поверхности и попытки ее реализовать предпринимались многими компаниями. В Компьютерном музее в Маунтин Вью хранится несколько вариантов дисков. Коммерческий успех раньше других пришел к IBM, способной потратить на разработку больше остальных, поэтому во всех хрониках эволюции дисков в качестве начальной точки указывается дата 1956 год и накопитель на дисках, входивший в состав компьютера IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control), в названии которого прямо указано на его уникальную по тому времени возможность произвольного доступа – Random Access Method.

Но IBM не была первой. Раньше всех работающий накопитель сделал самородок-изобретатель Яков Рабинов (1910-1999) в 1951 году, отдавший всю жизнь работе в Национальном бюро стандартов. Он родился в Харькове, в оригинале его фамилия была Рабинович, после революции в 1921 году он с родителями через Китай перебрался в США, а потом почти 70 лет проработал в исследовательском подразделении Национального бюро стандартов. Рабинов не стал ученым, но он был гением практических изобретений, среди них, например, усовершенствованная технология чеканки, продлевающая срок жизни монет, изобретение принесло Государственному казначейству много миллиардов экономии на выпуске металлической мелочи. Однако, лишь одно из его изобретений – устройство, которое называлось Notched-Disk Magnetic Memory Device – не принесло ему ни денег, ни прижизненного признания. Оно состояло из десяти 18-ти дюймовых «блинов», так в последующем стали называть собственно диски, с вырезанным сегментом, чтобы их можно было менять на оси.

Эксперты из IBM изучали изобретение Рабинова и не скрывали приоритет. Проанализировав диск Рабинова, в 1953 году они выпустили отчет «Предложения по произвольному доступу к файлам данных» (A Proposal for Rapid Random Access File), который стал основой проекта RAMAC.

Подробнее об эволюции СХД читайте здесь.

1956: IBM RAMAC - шкаф 975 кг

Первый накопитель IBM на дисках не существовал как отдельно взятый продукт, он был частью компьютера IBM 305 RAMAC и состоял из пятидесяти 24-ти дюймовых блинов, вращавшихся со скоростью 2000 об/мин, общая емкость составляла 3,75 Мб, что эквивалентно 64 000 перфокартам.

Размеры винчестера были просто огромны. На деле это был шкаф весом 975 кг, который содержал в себе 50 пластин диаметром около 60 см каждая. Пластины были смонтированы на вращающемся шпинделе, а механический кронштейн содержал головки чтения и записи. Он перемещался вверх и вниз на вертикальном стержне, причем время транспортировки головки до нужной магнитной дорожки составляло около одной секунды. Если учесть, что сейчас на выполнение этой процедуры требуются миллисекунды, то сегодня такая цифра вызывает улыбку.

Устройство весом около тонны не продавалось, его можно было только взять в лизинг. В последующем та же стратегия сохранялась при выпуске моделей 650, 1401, 1410 и 7070 и только в 1962 году появился накопитель Model 1301, который поставлялся отдельно от компьютера. В нем впервые появились плавающие головки, они были расположены на гребенке по одной головке на каждый блин. Емкость Model 1301 составляла 28 Мбайт.

1960-е: Развитие рынка

Изобретение Рабинова не было защищено патентным правом внутри США, поэтому в дисковый бизнес мгновенно ринулось множество компаний, на пике их общее число достигло 138, но по мере усложнения технологий производства большая часть из них ушла с рынка, и к 2015 году остались Seagate, Toshiba и Western Digital, каждой из трех принадлежит примерно треть рынка.

На первых порах одной из наиболее успешных стала компания Bryant Computer Products, которая раньше других применила плавающие головки и зонирование (запись данных пропорционально длине дорожки, изменяющейся по диаметру). Bryant выпустила накопитель с самыми большими блинами диаметром 39 дюймов, их было 26, и суммарная емкость тоже была рекордной – 205 Мб.

Очередной шаг в развитии дисковых накопителей был сделан IBM в 1962 году с выпуском накопителя Model 1311,он отличался от предшественников появлением съемного носителя, в котором уменьшенные до 14 дюймов блины, сбирались на шпиндель внутри пакета. Этот шаг был революционным: во-первых, ценовой компромисс – на один дорогой привод стало возможным ставить в неограниченном количестве дешевые пакеты, во-вторых, снималось ограничение на объем хранимых данных и, в третьих, безопасность – пакеты можно был содержать вне компьютерного зала. Устройства этого типа стали стандартом де-факто не только для мэйфреймов, но и для более многочисленных миникомпьютеров.

Погрузка 5–мегабайтового жесткого диска компании IBM, США, 1965 год.

В производство пакетов емкостью 100 или 200 Мб по стандарту IBM включилось большое число компаний, сложился определенный стандарт де-факто, в итоге 14-ти дюймовые диски продержались на рынке более 20 лет вплоть до массового распространения дисков-винчестеров.

1973: Появление термина "винчестер"

Название «винчестер» жесткий диск получил в 1973 году при создании блока памяти IBM 3340, впервые объединившего в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. Руководитель проекта Кернет Хортон предложил так назвать устройство по аналогии с охотничьим ружьем Winchester 30-30. Дело в том, что во время работы над диском инженеры использовали рабочее название 30-30, поскольку носитель состоял из двух модулей по 30 Мбайт каждый.

1970-е: Улучшение характеристик

В семидесятые годы сосуществовали два направления в развитии дисков. Одно наследовало идеи, сохранившиеся со времени IBM Model 1301, оно предполагало строить большие, быстрые, но очень дорогие накопители наподобие IBM 3380 Direct Access Storage Device, который первым преодолел гигабайтный рубеж. Потребителями таких штучных устройств могли быть только государственные организации или крупнейшие корпорации.

Второй путь – развитие идеи съемных пакетов, отличающихся от 14-ти дюймовых тем, что в пакете помимо собственно дисков размещаются и коромысла с приводами.

Примером этого направления стал накопитель IBM 3340 Direct Access Storage Facility, его кодовое имя на момент проектирования было Winchester, он впервые появился в 1973 году. Это прозвище сохранилось за IBM 3340 по той причине, что в него устанавливались два пакета по 30 Мб, 30-30, как в известном ружье. Любопытно, что слова винчестер, а также ксерокс, в качестве нарицательных называний, как в русском, в английском не используются.

Переход к винчестерам стал возможен за счет предварительной разметки дисков, на поверхность которых наносятся управляющие серводорожки. На рисунке (а) показана схема работы диска RAMAC, на (b) – 14-дюймового диска, в них устанавливаются дорогие прецизионные приводы. А на винчестерах (c) и (d) привод существенно проще, здесь требуется только лишь подвести коромысло к нужной дорожке, головка «вцепляется в нее, между серводорожкой и головкой устанавливается обратная связь, и она сохранятся до следующего перемещения коромысла.

На этом предыстория дисков заканчивается и начинается совсем другая новейшая история, она менее наглядна, но чрезвычайно интересна с инженерной точки зрения.

Времена уникальных дисковых устройств остались в прошлом, прежде всего под влиянием массового производства ПК, для которых потребовались дешевые, небольшие по размеру, но большие по емкости накопители. Эту потребность можно было удовлетворить, наладив массовое производство дисков с диаметром 5, 3,5 и 2,5 дюймов и приняв стандарты интерфейсов SCSI и ATA. Из этих дисков оказалось возможным собирать по технологии RAID надежные и высокопроизводительные массивы. Отдельного и более детального рассмотрения заслуживают файловые системы, технологии виртуализации и распределенные системы хранения и, конечно же твердотельные накопители, современные интерфейсы и сетевые технологии, применяемые с СХД.

Подробнее об эволюции СХД читайте здесь.

1981: Вес диска на 1ГБ 34 кг, цена - от $81 000

Так выглядел жесткий диск емкостью 1 ГБ в 1981 году. Вес такого винчестера — 34 кг, а стоимость начиналась от $81 000.

2000-е: Перпендикулярная магнитная запись

Когда производители HDD столкнулись с пределом вместимости в начале 2000-х, Toshiba и Seagate упорядочили расположение битов данных на пластине диска. Изменение с продольной на перпендикулярную магнитную запись увеличило емкость HDD ни много ни мало в 10 раз.

2012: Плотность размещения информации на дисках может удвоиться к 2016 году

Максимальная плотность размещения информации на жестких дисках может удвоиться к 2016 году, по данным очередного исследования IHS iSuppli, опубликованного в 2012 году. Ранее с аналогичным прогнозом уже выступил производитель жестких дисков компания Seagate. По мнению аналитиков, это расширит возможности использования HDD в системах с большими объемами данных, в том числе аудио и визуальных системах.

Увеличить плотность жестких дисков позволят ряд технологий, над которым сейчас работают вендоры, в частности, технология тепло-магнитной записи (heat-assisted magnetic recording, HAMR), которую Seagate запатентовала еще в 2006 году. Компания также заявила, что сможет выпустить 3,5-дюймовый диск на 60 Тб к 2016 году. Диски ноутбуков могут к этому же времени достичь уже 10-20 Тб, говорится в прогнозе IHS iSuppli.

Аналитики также отмечают, что плотность записи вырастет до максимальных 1800 Гбит на квадратный дюйм к 2016 году, на 2011 год аналогичный показатель составлял 744 Гбит. По данным IHS iSuppli, плотность записи информации на диск увеличится к 2016 году до 1800 Гбит на квадратный дюйм с 744 Гбит в 2011 году. С 2011 по 2016 год увеличение плотности записи на HDD будет увеличиться в среднем на 19% в год.

На дату выхода исследования HDD с максимальной плотностью выпущен Seagate в сентябре 2011 года: на нем помещается 4Тб данных, размер диска – 3,5 дюйма. Плотность диска составляет 625 Гбит на квадратный дюйм.

2013-2014: Наложенные дорожки записи и заполненные гелием диски

Когда индустрия HDD снова столкнулась с пределом вместимости в 2013, Seagate наложила дорожки записи друг на друга как кровельный гонт, увеличив вместимость на 25%; затем в 2014, HGST представила заполненные гелием диски, увеличив вместимость на 50%.

2016

Разработка HAMR HDD

По мере того как в 2016 году цены на SSD продолжают падать вслед за внедрением технологии увеличения плотности флэш памяти, таких как 3D NAND, производители жестких дисков планируют свои собственные технологические апгрейды. Наглядный пример: HAMR HDD, который использует лазер на головке чтения\записи жесткого диска чтобы более плотно располагать меньшие биты на вращающемся диске по сравнению с традиционной магнитной записью.

Western Digital и Seagate обе работают над HAMR HDD.

Современное представление о дисках

Диски эволюционировали по нескольким магистральным направлениям:

Нынешняя волна публичного интереса к SDD не должна вводить в сомнение относительного будущего HDD, эти диски жили и будут жить, постоянно развиваясь и совершенствуясь. В ближайшее время появится диск емкостью 20 Тб, а общий выпуск растет постоянно на 1–3% в год.

повышение скорости и емкости дисков; совершенствование доступа к записанным на них данным; поиск альтернативных твердотельных технологий;

Развитие по первому направлению привело к появлению таких HDD, которые способны хранить терабайтные объемы и поддерживать высокие скорости обмена.

По второму – к созданию поддерживающих работу дисков аппаратных и программных средств: файловых систем, способных поддерживать терабайтные диски и абстрагирования от физики хранения, в т.ч. скоростных интерфейсов, RAID-массивов, обеспечивающих высокую надежность хранения, сетей хранения SAN и сетевых накопителей NAS.

По третьему – к появлению совсем недавно созданных твердотельных устройств корпоративного уровня (Solid State Device, SSD) в сочетании с ориентированным на эти устройства интерфейсом NVMe. Теперь открылась возможность «умного хранения», то есть автоматического оптимального по затратам перераспределения хранения данных между SSD, HDD и лентами в зависимости от востребованности данных.

Подробнее об эволюции СХД читайте здесь.