Пластины в жестких дисках. Что такое жесткий диск компьютера? Название части жесткого диска

Жесткие диски, или, как их еще называют, винчестеры, являются одной из самых главных составляющих компьютерной системы. Об это знают все. Но вот далеко не каждый современный пользователь даже в принципе догадывается о том, как функционирует жесткий диск. Принцип работы, в общем-то, для базового понимания достаточно несложен, однако тут есть свои нюансы, о которых далее и пойдет речь.

Вопросы предназначения и классификации жестких дисков?

Вопрос предназначения, конечно, риторический. Любой пользователь, пусть даже самого начального уровня, сразу же ответит, что винчестер (он же жесткий диск, он же Hard Drive или HDD) сразу же ответит, что он служит для хранения информации.

В общем и целом верно. Не стоит забывать, что на жестком диске, кроме операционной системы и пользовательских файлов, имеются созданные ОС загрузочные секторы, благодаря которым она и стартует, а также некие метки, по которым на диске можно быстро найти нужную информацию.

Современные модели достаточно разнообразны: обычные HDD, внешние жесткие диски, высокоскоростные твердотельные накопители SSD, хотя их именно к жестким дискам относить и не принято. Далее предлагается рассмотреть устройство и принцип работы жесткого диска, если не в полном объеме, то, по крайней мере, в таком, чтобы хватило для понимания основных терминов и процессов.

Обратите внимание, что существует и специальная классификация современных HDD по некоторым основным критериям, среди которых можно выделить следующие:

• способ хранения информации;
• тип носителя;
• способ организации доступа к информации.

Почему жесткий диск называют винчестером?

Сегодня многие пользователи задумываются над тем, почему называют винчестерами, относящимися к стрелковому оружию. Казалось бы, что может быть общего между этими двумя устройствами?

Сам термин появился еще в далеком 1973 году, когда на рынке появился первый в мире HDD, конструкция которого состояла из двух отдельных отсеков в одном герметичном контейнере. Емкость каждого отсека составляла 30 Мб, из-за чего инженеры дали диску кодовое название «30-30», что было в полной мере созвучно с маркой популярного в то время ружья «30-30 Winchester». Правда, в начале 90-х в Америке и Европе это название практически вышло из употребления, однако до сих пор остается популярным на постсоветском пространстве.

Устройство и принцип работы жесткого диска

Но мы отвлеклись. Принцип работы жесткого диска кратко можно описать как процессы считывания или записи информации. Но как это происходит? Для того чтобы понять принцип работы магнитного жесткого диска, в первую очередь необходимо изучить, как он устроен.

Сам жесткий диск представляет собой набор пластин, количество которых может колебаться от четырех до девяти, соединенных между собой валом (осью), называемым шпинделем. Пластины располагаются одна над другой. Чаще всего материалом для их изготовления служат алюминий, латунь, керамика, стекло и т. д. Сами же пластины имеют специальное магнитное покрытие в виде материала, называемого платтером, на основе гамма-феррит-оксида, окиси хрома, феррита бария и т. д. Каждая такая пластина по толщине составляет около 2 мм.

За запись и чтение информации отвечают радиальные головки (по одной на каждую пластину), а в пластинах используются обе поверхности. За которого может составлять от 3600 до 7200 об./мин, и перемещение головок отвечают два электрических двигателя.

При этом основной принцип работы жесткого диска компьютера состоит в том, что информация записывается не куда попало, а в строго определенные локации, называемые секторами, которые расположены на концентрических дорожках или треках. Чтобы не было путаницы, применяются единые правила. Имеется ввиду, что принципы работы накопителей на жестких дисках, с точки зрения их логической структуры, универсальны. Так, например, размер одного сектора, принятый за единый стандарт во всем мире, составляет 512 байт. В свою очередь секторы делятся на кластеры, представляющие собой последовательности рядом находящихся секторов. И особенности принципа работы жесткого диска в этом отношении состоят в том, что обмен информацией как раз и производится целыми кластерами (целым числом цепочек секторов).

Но как же происходит считывание информации? Принципы работы накопителя на жестких магнитных дисках выглядят следующим образом: с помощью специального кронштейна считывающая головка в радиальном (спиралевидном) направлении перемещается на нужную дорожку и при повороте позиционируется над заданным сектором, причем все головки могут перемещаться одновременно, считывая одинаковую информацию не только с разных дорожек, но и с разных дисков (пластин). Все дорожки с одинаковыми порядковыми номерами принято называть цилиндрами.

При этом можно выделить еще один принцип работы жесткого диска: чем ближе считывающая головка к магнитной поверхности (но не касается ее), тем выше плотность записи.

Как осуществляется запись и чтение информации?

Жесткие диски, или винчестеры, потому и были названы магнитными, что в них используются законы физики магнетизма, сформулированные еще Фарадеем и Максвеллом.

Как уже говорилось, на пластины из немагниточувствительного материала наносится магнитное покрытие, толщина которого составляет всего лишь несколько микрометров. В процессе работы возникает магнитное поле, имеющее так называемую доменную структуру.

Магнитный домен представляет собой строго ограниченную границами намагниченную область ферросплава. Далее принцип работы жесткого диска кратко можно описать так: при возникновении воздействия внешнего магнитного поля, собственное поле диска начинает ориентироваться строго вдоль магнитных линий, а при прекращении воздействия на дисках появляются зоны остаточной намагниченности, в которой и сохраняется информация, которая ранее содержалась в основном поле.

За создание внешнего поля при записи отвечает считывающая головка, а при чтении зона остаточной намагниченности, оказавшись напротив головки, создает электродвижущую силу или ЭДС. Далее все просто: изменение ЭДС соответствует единице в двоичном коде, а его отсутствие или прекращение - нулю. Время изменения ЭДС принято называть битовым элементом.

Кроме того, магнитную поверхность чисто из соображений информатики можно ассоциировать, как некую точечную последовательность битов информации. Но, поскольку местоположение таких точек абсолютно точно вычислить невозможно, на диске нужно установить какие-то заранее предусмотренные метки, которые помогли определить нужную локацию. Создание таких меток называется форматированием (грубо говоря, разбивка диска на дорожки и секторы, объединенные в кластеры).

Логическая структура и принцип работы жесткого диска с точки зрения форматирования

Что касается логической организации HDD, здесь на первое место выходит именно форматирование, в котором различают два основных типа: низкоуровневое (физическое) и высокоуровневое (логическое). Без этих этапов ни о каком приведении жесткого диска в рабочее состояние говорить не приходится. О том, как инициализировать новый винчестер, будет сказано отдельно.

Низкоуровневое форматирование предполагает физическое воздействие на поверхность HDD, при котором создаются секторы, расположенные вдоль дорожек. Любопытно, что принцип работы жесткого диска таков, что каждый созданный сектор имеет свой уникальный адрес, включающий в себя номер самого сектора, номер дорожки, на которой он располагается, и номер стороны пластины. Таким образом, при организации прямого доступа та же оперативная память обращается непосредственно по заданному адресу, а не ищет нужную информацию по всей поверхности, за счет чего и достигается быстродействие (хотя это и не самое главное). Обратите внимание, что при выполнении низкоуровневого форматирования стирается абсолютно вся информация, и восстановлению она в большинстве случаев не подлежит.

Другое дело - логическое форматирование (в Windows-системах это быстрое форматирование или Quick format). Кроме того, эти процессы применимы и к созданию логических разделов, представляющих собой некую область основного жесткого диска, работающую по тем же принципам.

Логическое форматирование, прежде всего, затрагивает системную область, которая состоит из загрузочного сектора и таблиц разделов (загрузочная запись Boot record), таблицы размещения файлов (FAT, NTFS и т. д.) и корневого каталога (Root Directory).

Запись информации в секторы производится через кластер несколькими частями, причем в одном кластере не может содержаться два одинаковых объекта (файла). Собственно, создание логического раздела, как бы отделяет его от основного системного раздела, вследствие чего информация, на нем хранимая, при появлении ошибок и сбоев изменению или удалению не подвержена.

Основные характеристики HDD

Думается, в общих чертах принцип работы жесткого диска немного понятен. Теперь перейдем к основным характеристикам, которые и дают полное представление обо всех возможностях (или недостатках) современных винчестеров.

Принцип работы жесткого диска и основные характеристики могут быть совершенно разными. Чтобы понять, о чем идет речь, выделим самые основные параметры, которыми характеризуются все известные на сегодня накопители информации:

• емкость (объем);
• быстродействие (скорость доступа к данным, чтение и запись информации);
• интерфейс (способ подключения, тип контроллера).

Емкость представляет собой общее количество информации, которая может быть записана и сохранена на винчестере. Индустрия по производству HDD развивается так быстро, что сегодня в обиход вошли уже жесткие диски с объемами порядка 2 Тб и выше. И, как считается, это еще не предел.

Интерфейс - самая значимая характеристика. Она определяет, каким именно способом устройство подключается к материнской плате, какой именно контроллер используется, как осуществляется чтение и запись и т. д. Основными и самыми распространенными интерфейсами считаются IDE, SATA и SCSI.

Диски с IDE-интерфейсом отличаются невысокой стоимостью, однако среди главных недостатков можно выделить ограниченное количество одновременно подключаемых устройств (максимум четыре) и невысокую скорость передачи данных (причем даже при условии поддержки прямого доступа к памяти Ultra DMA или протоколов Ultra ATA (Mode 2 и Mode 4). Хотя, как считается, их применение позволяет повысить скорость чтения/записи до уровня 16 Мб/с, но в реальности скорость намного ниже. Кроме того, для использования режима UDMA требуется установка специального драйвера, который, по идее, должен поставляться в комплекте с материнской платой.

Говоря о том, что собой представляет принцип работы жесткого диска и характеристики, нельзя обойти стороной и который является наследником версии IDE ATA. Преимущество данной технологии состоит в том, что скорость чтения/записи можно повысить до 100 Мб/с за счет применения высокоскоростной шины Fireware IEEE-1394.

Наконец, интерфейс SCSI по сравнению с двумя предыдущими является наиболее гибким и самым скоростным (скорость записи/чтения достигает 160 Мб/с и выше). Но и стоят такие винчестеры практически в два раза дороже. Зато количество одновременно подключаемых устройств хранения информации составляет от семи до пятнадцати, подключение можно осуществлять без обесточивания компьютера, а длина кабеля может составлять порядка 15-30 метров. Собственно, этот тип HDD большей частью применяется не в пользовательских ПК, а на серверах.

Быстродействие, характеризующее скорость передачи и пропускную способность ввода/вывода, обычно выражается временем передачи и объемом передаваемых расположенных последовательно данных и выражается в Мб/с.

Некоторые дополнительные параметры

Говоря о том, что представляет собой принцип работы жесткого диска и какие параметры влияют на его функционирование, нельзя обойти стороной и некоторые дополнительные характеристики, от которых может зависеть быстродействие или даже срок эксплуатации устройства.

Здесь на первом месте оказывается скорость вращения, которая напрямую влияет на время поиска и инициализации (распознавания) нужного сектора. Это так называемое скрытое время поиска - интервал, в течение которого необходимый сектор поворачивается к считывающей головке. Сегодня принято несколько стандартов для скорости вращения шпинделя, выраженной в оборотах в минуту со временем задержки в миллисекундах:

• 3600 - 8,33;
• 4500 - 6,67;
• 5400 - 5,56;
• 7200 - 4,17.

Нетрудно заметить, что чем выше скорость, тем меньшее время затрачивается на поиск секторов, а в физическом плане - на оборот диска до установки для головки нужной точки позиционирования пластины.

Еще один параметр - внутренняя скорость передачи. На внешних дорожках она минимальна, но увеличивается при постепенном переходе на внутренние дорожки. Таким образом, тот же процесс дефрагментации, представляющий собой перемещение часто используемых данных в самые быстрые области диска, - не что иное, как перенос их на внутреннюю дорожку с большей скоростью чтения. Внешняя скорость имеет фиксированные значения и напрямую зависит от используемого интерфейса.

Наконец, один из важных моментов связан с наличием у жесткого диска собственной кэш-памяти или буфера. По сути, принцип работы жесткого диска в плане использования буфера в чем-то похож на оперативную или виртуальную память. Чем больше объем кэш-памяти (128-256 Кб), тем быстрее будет работать жесткий диск.

Главные требования к HDD

Основных требований, которые в большинстве случаев предъявляются жестким дискам, не так уж и много. Главное - длительный срок службы и надежность.

Основным стандартом для большинства HDD считается срок службы порядка 5-7 лет со временем наработки не менее пятисот тысяч часов, но для винчестеров высокого класса этот показатель составляет не менее миллиона часов.

Что касается надежности, за это отвечает функция самотестирования S.M.A.R.T., которая следит за состоянием отдельных элементов жесткого диска, осуществляя постоянный мониторинг. На основе собранных данных может формироваться даже некий прогноз появления возможных неисправностей в дальнейшем.

Само собой разумеется, что и пользователь не должен оставаться в стороне. Так, например, при работе с HDD крайне важно соблюдать оптимальный температурный режим (0 - 50 ± 10 градусов Цельсия), избегать встрясок, ударов и падений винчестера, попадания в него пыли или других мелких частиц и т. д. Кстати сказать, многим будет интересно узнать, что те же частицы табачного дыма примерно в два раза больше расстояния между считывающей головкой и магнитной поверхностью винчестера, а человеческого волоса - в 5-10 раз.

Вопросы инициализации в системе при замене винчестера

Теперь несколько слов о том, какие действия нужно предпринять, если по каким-то причинам пользователь менял жесткий диск или устанавливал дполнительный.

Полностью описывать это процесс не будем, а остановимся только на основных этапах. Сначала винчестер необходимо подключить и посмотреть в настройках BIOS, определилось ли новое оборудование, в разделе администрирования дисков произвести инициализацию и создать загрузочную запись, создать простой том, присвоить ему идентификатор (литеру) и выполнить форматирование с выбором файловой системы. Только после этого новый «винт» будет полностью готов к работе.

Заключение

Вот, собственно, и все, что вкратце касается основ функционирования и характеристик современных винчестеров. Принцип работы внешнего жесткого диска здесь не рассматривался принципиально, поскольку он практически ничем не отличается от того, что используется для стационарных HDD. Единственная разница состоит только в методе подключения дополнительного накопителя к компьютеру или ноутбуку. Наиболее распространенным является соединение через USB-интерфейс, который напрямую соединен с материнской платой. При этом, если хотите обеспечить максимальное быстродействие, лучше использовать стандарт USB 3.0 (порт внутри окрашен в синий цвет), естественно, при условии того, что и сам внешний HDD его поддерживает.

В остальном же, думается, многим хоть немного стало понятно, как функционирует жесткий диск любого типа. Быть может, выше было приведено слишком много тем более даже из школьного курса физики, тем не менее без этого в полной мере понять все основные принципы и методы, заложенные в технологиях производства и применения HDD, понять не получится.

Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) \ HDD (Hard Disk Drive) \ винчестер (носитель) – материальный объект, способный хранить информацию.

Накопители информации могут быть классифицированы по следующим признакам:

• способу хранения информации: магнитоэлектрические, оптические, магнитооптические;
• виду носителя информации: накопители на гибких и жестких магнитных дисках, оптических и магнитооптических дисках, магнитной ленте, твердотельные элементы памяти;
• способу организации доступа к информации - накопители прямого, последовательного и блочного доступа;
• типу устройства хранения информации - встраиваемые (внутренние), внешние, автономные, мобильные (носимые) и др.

Значительная часть накопителей информации, используемых в настоящее время, создана на базе магнитных носителей.

Устройство жесткого диска

Винчестер содержит набор пластин, представляющих чаще всего металлические диски, покрытые магнитным материалом – платтером (гамма-феррит-оксид, феррит бария, окись хрома…) и соединенные между собой при помощи шпинделя (вала, оси).
Сами диски (толщина примерно 2мм.) изготавливаются из алюминия, латуни, керамики или стекла. (см. Рис)

Для записи используются обе поверхности дисков. Используется 4-9 пластин . Вал вращается с высокой постоянной скоростью (3600-7200 оборотов/мин.)
Вращение дисков и радикальное перемещение головок осуществляется с помощью 2-х электродвигателей .
Данные записываются или считываются с помощью головок записи/чтения по одной на каждую поверхность диска. Количество головок равно количеству рабочих поверхностей всех дисков.

Запись информации на диск ведется по строго определенным местам — концентрическим дорожкам (трекам) . Дорожки делятся на сектора . В одном секторе 512 байт информации.

Обмен данными между ОЗУ и НМД осуществляется последовательно целым числом (кластером). Кластер — цепочки последовательных секторов (1,2,3,4,…)

Специальный двигатель с помощью кронштейна позиционирует головку чтения/записи над заданной дорожкой (перемещает ее в радиальном направлении).
При повороте диска головка располагается над нужным сектором. Очевидно, что все головки перемещаются одновременно и считывают инфоголовки перемещаются одновременно и считывают информацию с одинаковых дорожек разныхрмацию с одинаковых дорожек разных дисков.

Дорожки винчестера с одинаковым порядковым номером на разных дисках винчестера называется цилиндром .
Головки чтения записи перемещаются в вдоль поверхности платтера. Чем ближе к поверхности диска находится головка при этом не касаясь ее, тем выше допустимая плотность записи.

Устройство винчестера

Магнитный принцип чтения и записи информации

магнитный принцап записи информации

Физические основы процессов записи и воспроизведения информации на магнитных носителях заложены в работах физиков М.Фарадея (1791 - 1867) и Д. К. Максвелла (1831 - 1879).

В магнитных носителях информации цифровая запись производится на магнито чувствительный материал. К таким материалам относятся некоторые разновидности оксидов железа, никель, кобальт и его соединения, сплавы, а также магнитопласты и магнитоэласты со вязкой из пластмасс и резины, микропорошковые магнитные материалы.

Магнитное покрытие имеет толщину в несколько микрометров. Покрытие наносится на немагнитную основу, в качестве которой для магнитных лент и гибких дисков используются различие пластмассы, а для жестких дисков - алюминиевые сплавы и композиционные материалы подложки. Магнитное покрытие диска имеет доменную структуру, т.е. состоит из множества намагниченных мельчайших частиц.

Магнитный домен (от лат. dominium - владение) - это микроскопическая, однородно намагниченная область в ферромагнитных образцах, отделенная от соседних областей тонкими переходными слоями (доменными границами).

Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с направлением магнитных силовых линий. После прекращения воздействия внешнего поля на поверхности домена образуются зоны остаточной намагниченности. Благодаря этому свойству на магнитном носителе сохраняется информация, действовавшем магнитном поле.

При записи информации внешнее магнитное поле создается с помощью магнитной головки. В процессе считывания информации зоны остаточной намагниченности, оказавшись напротив магнитной головки, наводят в ней при считывании электродвижущую силу (ЭДС).

Схема записи и чтения с магнитного диска дана на рис.3.1 Изменение направления ЭДС в течение некоторого промежутка времени отождествляется с двоичной единицей, а отсутствие этого изменения - с нулем. Указанный промежуток времени называется битовым элементом .

Поверхность магнитного носителя рассматривается как последовательность точечных позиций, каждая из которых ассоциируется с битом информации. Поскольку расположение этих позиций определяется неточно, для записи требуются заранее нанесенные метки, которые помогают находить необходимые позиции записи. Для нанесения таких синхронизирующих меток должно быть произведено разбиение диска на дорожки
и секторы - форматирование .

Организация быстрого доступа к информации на диске является важным этапом хранения данных. Оперативный доступ к любой части поверхности диска обеспечивается, во-первых, за счет придания ему быстрого вращения и, во-вторых, путем перемещения магнитной головки чтения/записи по радиусу диска.
Гибкий диск вращается со скоростью 300-360 об/мин, а жесткий диск - 3600- 7200 об/мин.

Логическое устройство винчестера

Магнитный диск первоначально к работе не готов. Для приведения его в рабочее состояние он должен быть отформатирован , т.е. должна быть создана структура диска.

Структура (разметка) диска создается в процессе форматирования.

Форматирование магнитных дисков включает 2 этапа:

1. физическое форматирование (низкого уровня)
2. логическое (высокого уровня).

При физическом форматировании рабочая поверхность диска разбивается на отдельные области, называемые секторами , которые расположены вдоль концентрических окружностей – дорожек.

Кроме того, определяются сектора, непригодные для записи данных, они помечаются как плохие для того, чтобы избежать их использования. Каждый сектор является минимальной единицей данных на диске, имеет собственный адрес для обеспечения прямого доступа к нему. Адрес сектора включает номер стороны диска, номер дорожки и номер сектора на дорожке. Задаются физические параметры диска.

Как правило, пользователю не нужно заниматься физическим форматированием, так как в большинстве случаев жесткие диски поступают в отформатированном виде. Вообще говоря, этим должен заниматься специализированный сервисный центр.

Форматирование низкого уровня нужно производить в следующих случаях:

• если появился сбой в нулевой дорожке, вызывающий проблемы при загрузке с жесткого диска, но сам диск при загрузке с дискеты доступен;
• если вы возвращаете в рабочее состояние старый диск, например, пе¬реставленный со сломавшегося компьютера.
• если диск оказался отформатированным для работы с другой операционной системой;
• если диск перестал нормально работать и все методы восстановления не дали положительных результатов.

Нужно иметь в виду, что физическое форматирование является очень сильнодействующей операцией — при его выполнении данные, хранившиеся на диске будут полностью стерты и восстановить их будет совершенно невозможно! Поэтому не приступайте к форматированию низкого уровня, если вы не уверены в том, что сохранили все важные данные вне жесткого диска!

После того, как вы выполните форматирование низкого уровня, следует очередной этап — создание разбивки жесткого диска на один или несколько логических дисков — наилучший способ справиться с путаницей каталогов и файлов, разбросанных по диску.

Не добавляя никаких аппаратных элементов в вашу систему, Вы получаете возможность работать с несколькими частями одного жесткого диска, как с несколькими накопителями.
При этом емкость диска не увеличивается, однако можно значительно улучшить его организацию. Кроме того, различные логические диски можно использовать для различных операционных систем.

При логическом форматировании происходит окончательная подготовка носителя к хранению данных путем логической организации дискового пространства.
Диск подготавливается для записи файлов в сектора, созданные при низкоуровневом форматировании.
После создания таблицы разбивки диска следует очередной этап — логическое форматирование отдельных частей разбивки, именуемых в дальнейшем логическими дисками.

Логический диск — это некоторая область жесткого диска, работающая так же, как отдельный накопитель.

Логическое форматирование представляет собой значительно более простой процесс, чем форматирование низкого уровня.
Для того, чтобы выполнить его, загрузитесь с дискеты, содержащей утилиту FORMAT.
Если у вас несколько логических дисков, последовательно отформатируйте все.

В процессе логического форматирования на диске выделяется системная область , которая состоит из 3-х частей:

• загрузочного сектора и таблица разделов (Boot reсord)
• таблицы размещения файлов (FAT) , в которых записываются номера дорожек и секторов, хранящих файлы
• корневой каталог (Root Direсtory).

Запись информации осуществляется частями через кластер. В одном и том же кластере не может быть 2-х разных файлов.
Кроме того, на данном этапе диску может быть присвоено имя.

Жесткий диск может быть разбит на несколько логических дисков и наоборот 2 жестких диска может быть объединены в один логический.

Рекомендуется на жеском диске создавать как минимум два раздела(два логических диска): один из них отводится под операционную систему и программное обеспечение, второй диск исключительно выделяется под данные пользователя. Таким образом данные и системные файлы хранятся отдельно друг от друга и в случае сбоя операционной системы гораздо больше вереятность сохранения данных пользователя.

Характеристики винчестеров

Жесткие диски (винчестеры) отличаются между собой следующими характеристиками:

1. емкостью
2. быстродействием – временем доступа к данным, скоростью чтения и записи информации.
3. интерфейсом (способ подключения) — типом контролера, к которому должен присоединяться винчестер (чаще всего IDE/EIDE и различные варианты SСSI).
4. другие особенности

1. Емкость — количество информации, помещающееся на диске (определяется уровнем технологии изготовления).
На сегодня емкость составляет 500 -2000 и более Гб. Места на жестком диске никогда не бывает много.

2. Скорость работы (быстродействие) диска характеризуется двумя показателями: временем доступа к данным на диске и скоростью чтения/записи на диске .

Время доступа – время необходимое для перемещения (позиционирования) головок чтения/записи на нужную дорожку и нужный сектор.
Среднее характерное время доступа между двумя случайно выбранными дорожками примерно 8-12мс(миллисекунд), более быстрые диски имеют время 5-7мс.
Время перехода на соседнюю дорожку (соседний цилиндр) меньше 0.5 — 1.5мс. Для поворота в нужный сектор тоже нужно время.
Полное время оборота диска для сегодняшних винчестеров 8 – 16мс, среднее время ожидания сектора составляет 3-8мс.
Чем меньше время доступа, тем быстрее будет работать диск.

Скорость чтения/записи (пропускная способность ввода/вывода) или cкорость передачи данных (трансферт) – время передачи последовательно расположенных данных, зависит не только от диска, но и от его контроллера, типы шины, быстродействие процессора. Скорость медленных дисков 1.5-3 Мб/с, у быстрых 4-5Мб/с, у самых последних 20Мб/с.
Винчестеры со SСSI–интерфейсом поддерживают частоту вращение 10000 об./мин. и среднее время поиска 5мс, скорость передачи данных 40-80 Мб/с.

3. Стандарт интерфейса подключения винчестера — т.е. тип контроллера, к которому должен подключаться жесткий диск. Он находится на материнской плате.
Различают три основных интерфейса подключения

1. IDE и его различные варианты

IDE(Integrated Disk Eleсtroniс) или (ATA) Advanсed Teсhnology Attaсhment
Достоинства — простота и невысокая стоимость

Скорость передачи:8.3, 16.7, 33.3, 66.6, 100 Мб/с. По мере развития данных интерфейс поддерживает расширение списка устройств: жесткий диск, супер-флоппи, магнитооптика,
НМЛ, СD-ROM, СD-R, DVD-ROM, LS-120, ZIP.

Вводятся некоторые элементы распараллеливания (gneuing и disсonneсt/reсonneсt), контроля за целостностью данных при передаче. Главный недостаток IDE — небольшое количество подключаемых устройств (не больше 4), что для ПК высокого класса явно мало.
Сегодня IDE-интерфейсы перешли на новые протоколы обмена Ultra ATA. Значительно увеличив свою пропускную способность
Mode 4 и DMA (Direсt Memory Aссess) Mode 2 позволяет передавать данные со скоростью 16,6Мб/с, однако реальная скорость передачи данных была бы намного меньше.
Стандарты Ultra DMA/33 и Ultra DMA/66, разработанные в феврале 98г. компанией Quantum имеют 3 режима работы 0,1,2 и 4,соответствено во втором режиме носитель поддерживает
скорость передачи 33Мб/с. (Ultra DMA/33 Mode 2) Для обеспечения такой высокой скорости можно достичь только при обмене с буфером накопителя. Для того, чтобы воспользоваться
стандартами Ultra DMA необходимо выполнить 2 условия:

1. аппаратная поддержка на материнской плате (чипсета) и со стороны самого накопителя.

2. для поддержания режима Ultra DMA, как и другой DMA (direсt memory Aссess-прямой доступ к памяти).

Требуется специальный драйвер для разных наборов микросхем различных. Как правило, они входят в комплект системной платы, в случаи необходимости ее можно «скачать»
из Internet со страницы фирмы-изготовителя материнской платы.

Стандарт Ultra DMA обладает обратной совместимостью с предыдущими контроллерами, работающих в более медленном варианте.
Сегодняшний вариант: Ultra DMA/100 (конец 2000г.) и Ultra DMA/133 (2001г.).

SATA
Замена IDE (ATA) не другую высокоскоростную последовательную шину Fireware (IEEE-1394). Применение новой технологии позволит довести скорость передачи равной 100Мб/с,
повышается надежность системы, это позволит устанавливать устройства не включая ПК, что категорически нельзя в ATA-интерфейсе.

SСSI (Small Сomputer System Interfaсe) — устройства дороже обычных в 2 раза, требуют специального контроллера на материнской плате.
Используются для серверов, издательских системах, САПР. Обеспечивают более высокое быстродействие (скорость до 160Мб/с), широкий диапазон подключаемых устройств хранения данных.
SСSI- контроллер необходимо покупать вместе с соответствующим диском.

SСSI преимущество перед IDE- гибкость и производительность.
Гибкость заключается большим количеством подключаемых устройств (7-15), а у IDE (4 максимально), большей длиной кабеля.
Производительность — высокая скорость передачи и возможность одновременной обработки нескольких транзакций.

1. Ultra Sсsi 2/3(Fast-20) до 40Мб/с 16-разрядный вариант Ultra2- стандарт SСSI до 80Мб/с

2. Другая технология SСSI-интерфейса названа Fibre Сhannel Arbitrated Loop (FС-AL) позволяет подключать до 100Мбс, длина кабеля при этом до 30 метров. Технология FС-AL позволяет выполнить «горячие» подключение, т.е. на «ходу», имеет дополнительные линии для контроля и коррекции ошибок (технология дороже обычного SСSI).

4. Другие особенности современных винчестеров

Огромное разнообразие моделей винчестера затрудняет выбор подходящего.
Кроме нужной емкости, очень важно и производительность, которая определяется в основном его физическими характеристиками.
Такими характеристиками и является среднее время поиска, скорость вращения, внутренняя и внешняя скорость передачи, объем Кэш-памяти.

4.1 Среднее время поиска.

Жесткий диск затрачивает какое-то время для того, чтобы переместить магнитную головку текущего положения в новое, требуемое для считывания очередной порции информации.
В каждой конкретной ситуации это время разное, в зависимости от расстояния, на которое должна переместиться головка. Обычно в спецификациях приводится только усредненные значения, причем применяемые разными фирмами алгоритмы усреднения, в общем случае различаются, так что прямое сравнение затруднено.

Так, фирмы Fujitsu, Western Digital проводят по всем возможным парам дорожек, фирмы Maxtor и Quantum применяют метод случайного доступа. Получаемый результат может дополнительно корректироваться.

Значение времени поиска для записи часто несколько выше, чем для чтения. Некоторые производители в своих спецификациях приводят только меньшее значение (для чтения). В любом случае кроме средних значений полезно учитывать и максимальное (через весь диск),
и минимальное (то есть с дорожки на дорожку) время поиска.

4.2 Скорость вращения

С точки зрения быстроты доступа к нужному фрагменту записи скорость вращения оказывает влияние на величину так называемого скрытого времени, которого для того, чтобы диск повернулся к магнитной головке нужным сектором.

Среднее значение этого времени соответствует половине оборота диска и составляет 8.33 мс при 3600 об/мин, 6.67 мс при 4500 об/мин, 5,56 мс при 5400 об/мин, 4,17 мс при 7200 об/мин.

Значение скрытого времени сопоставимо со средним временем поиска, так что в некоторых режимах оно может оказывать такое же, если не больше, влияние на производительность.

4.3 Внутренняя скорость передачи

— скорость, с которой данные записываются на диск или считываются с диска. Из-за зонной записи она имеет переменное значение – выше на внешних дорожках и ниже на внутренних.
При работе с длинными файлами во многих случаях именно этот параметр ограничивает скорость передачи.

4.4 Внешняя скорость передачи

— скорость (пиковая) с которой данные передаются через интерфейс.

Она зависит от типа интерфейса и имеет чаще всего, фиксированные значения: 8.3; 11.1; 16.7Мб/с для Enhanсed IDE (PIO Mode2, 3, 4); 33.3 66.6 100 для Ultra DMA; 5, 10, 20, 40, 80, 160 Мб/с для синхронных SСSI, Fast SСSI-2, FastWide SСSI-2 Ultra SСSI (16 разрядов) соответственно.

4.5 Наличие у винчестера своей Кэш-памяти и ее объем (дисковый буфер).

Объем и организация Кэш-памяти (внутреннего буфера) может заметно вливать на производительность жесткого диска. Так же как и для обычной Кэш-памяти,
прирост производительности по достижении некоторого объема резко замедляется.

Сегментированная Кэш-память большого объема актуальна для производительных SСSI–дисков, используемых в многозадачных средах. Чем больше КЭШ, тем быстрее работает винчестер (128-256Кб).

Влияние каждого из параметров на общую производительность вычленить довольно трудно.

Требования к жестким дискам

Основное требование к дискам — надежность работы гарантируется большим сроком службы компонентов 5-7 лет; хорошими статистическими показателями, а именно:

• среднее время наработки на отказ не менее 500 тысяч часов (высшего класса 1 миллион часов и более.)
• встроенная система активного контроля за состоянием узлов диска SMART /Self Monitoring Analysis and Report Teсhnology.

Технология S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Teсhnology) является открытым промышленным стандартом, разработанный в свое время Сompaq, IBM и рядом других производителей жестких дисков.

Смысл этой технологии заключается во внутренней самодиагностике жесткого диска, которая позволяет оценить его текущее состояние и информировать о возможных будущих проблемах, могущих привести к потере данных или к выходу диска из строя.

Осуществляется постоянный мониторинг состояния всех жизненно важных элементов диска:
головок, рабочих поверхностей, электромотора со шпинделем, блока электроники. Скажем, если обнаруживается ослабление сигнала, то информация перезаписывается и происходит дальнейшее наблюдение.
Если сигнал опять ослабляется, то данные переносятся в другое место, а данный кластер помещается как дефектный и недоступный, а вместо него предоставляется в распоряжении другой кластер из резерва диска.

При работе с жестким диском следует соблюдать температурный режим, в котором функционирует накопитель. Изготовители гарантируют безотказную работу винчестера при температуре окружающей их среды в диапазоне от 0С до 50С, хотя, в принципе, без серьезных последствий можно изменить границы по крайней мере градусов на 10 в обе стороны.
При больших отклонениях температуры воздушная прослойка необходимой толщиной может не образовываться, что приведет к повреждению магнитного слоя.

Вообще производители HDD уделяют довольно большое внимание надежности своих изделий.

Основная проблема — попадание внутрь диска посторонних частиц.

Для сравнения: частичка табачного дыма в два раза больше расстояния между поверхностью и головкой, толщина человеческого волоса в 5-10 раза больше.
Для головки встреча с такими предметами обернется сильным ударом и, как следствие, частичным повреждением или же полным выходом из строя.
Внешне это заметно, как появление большого количества закономерно расположенных негодных кластеров.

Опасны кратковременные большие по модулю ускорения (перегрузки), возникающие при ударах, падениях и т.д. Например, от удара головка резко ударяет по магнитному
слою и вызывает его разрушение в соответственном месте. Или, наоборот, сначала движется в противоположную сторону, а затем под действием силы упругости словно пружина бьет по поверхности.
В результате в корпусе появляются частицы магнитного покрытия, которые опять-таки могут повредить головку.

Не стоит думать, что под действием центробежной силы они улетят с диска — магнитный слой
прочно притянет их к себе. В принципе, страшны последствия не самого удара (можно как-нибудь смириться с потерей некоторого количества кластеров), а то, что при этом образуются частицы, которые обязательно вызовут дальнейшую порчу диска.

Для предотвращения таких весьма неприятных случаев различные фирмы прибегают ко всякого рода ухищрениям. Помимо простого повышения механической прочности компонентов диска, применяются также интеллектуальная технология S.M.A.R.T., которая следит за надежностью записи и сохранности данных на носителе (см. выше).

Вообще-то диск всегда отформатирован не на полную емкость, имеется некоторый запас. Связано это главным образом еще и с тем, что практически невозможно изготовить носитель,
на котором абсолютно вся поверхность была бы качественной, обязательно будет иметься bad-кластеры (сбойные). При низкоуровневом форматировании диска его электроника настраивается так,
чтобы она обходила эти сбойные участки, и для пользователя было совершенно не заметно, что носитель имеет дефект. Но вот если они видны (например, после форматирования
утилита выводит их количество, отличное от нуля), то это уже очень плохо.

Если гарантия не истекла (а HDD, на мой взгляд, лучше всего покупать с гарантией), то сразу же отнесите диск к продавцу и потребуйте замены носителя или возврат денег.
Продавец, конечно же, сразу начнет говорить, что парочка сбойных участков – еще не повод для беспокойства, но не верьте ему. Как уже говорилось, это парочка, скорее всего, вызовет еще множество других, а впоследствии вообще возможен полный выход винчестера из строя.

Особенно чувствителен к повреждениям диск в рабочем состоянии, поэтому не следует помещать компьютер в место, где он может быть подвержен различным толчкам, вибрациям и так далее.

Подготовка винчестера к работе

Начнем с самого начала. Предположим, что вы купили накопитель на жестком диске и шлейф к нему отдельно от компьютера.
(Дело в том, что, покупая собранный компьютер, вы получите подготовленный к использованию диск).

Несколько слов об обращении с ним. Накопитель на жестком диске — очень сложное изделие, содержащее кроме электроники прецизионную механику.
Поэтому он требует аккуратного обращения — удары, падения и сильная вибрация могут повредить его механическую часть. Как правило, плата накопителя содержит много малогабаритных элементов, и не закрыта прочными крышками. По этой причине следует позаботиться о ее сохранности.
Первое, что следует сделать, получив жесткий диск — прочитать пришедшую с ним документацию — в ней наверняка окажется много полезной и интересной информации. При этом следует обратить внимание на следующие моменты:

• наличие и варианты установки перемычек, определяющих настройку (установку) диска, например, определяющую такой параметр, как физическое имя диска (они могут быть, но их может и не быть),
• количество головок, цилиндров, секторов на дисках, уровень прекомпенсации, а также тип диска. Эти данные нужно ввести в ответ на запрос программы установки компьютера (setup).
  Вся эта информация понадобится при форматировании диска и подготовке машины к работе с ним.
• В случае если ПК сам не определит параметры вашего винчестера, большей проблемой станет установка накопителя, на который нет никакой документации.
  На большинстве жестких дисков можно найти этикетки с названием фирмы-изготовителя, с типом (маркой) устройства, а также с таблицей недопустимых для использования дорожек.
  Кроме того, на накопителе может быть приведена информация о количестве головок, цилиндров и секторов и об уровне прекомпенсации.

Справедливости ради нужно сказать, что нередко на диске написано только его название. Но и в этом случае можно найти требуемую информацию либо в справочнике,
либо позвонив в представительство фирмы. При этом важно получить ответы на три вопроса:

• как должны быть установлены перемычки для того, чтобы использовать накопитель как master \ slave?
• сколько на диске цилиндров, головок, сколько секторов на дорожку, чему равняется значение прекомпенсации?
• какой тип диска из записанных в ROM BIOS лучше всего соответствует данному накопителю?

Владея этой информацией, можно переходить к установке накопителя на жестком диске.

Для установки жесткого диска в компьютер следует сделать следующее:

1. Отключить полностью системный блок от питания, снять крышку.
2. Присоединить шлейф винчестера к контроллеру материнской платы. Если Вы устанавливаете второй диск можно воспользоваться шлейфом от первого при наличии на нем дополнительного разъема, при этом нужно помнить, что ск орость работы разных винчестеров будет сравнена в сторону медленно.
3. Если требуется, переключить перемычки в соответствии со способом использования жесткого диска.
4. Установить накопитель на свободное место и присоединить шлейф от контроллера на плате к разъему винчестера красной полосой к питанию, кабель источника питания.
5. Надежно закрепить жесткий диск четырьмя болтами с двух сторон, акку/spanратно расположить кабели внутри компьютера, так, чтобы при закрывании крышки не перерубить их,
6. Закрыть системный блок.
7. Если ПК сам не определил винчестер, то изменить конфигурацию компьютера с помощью Setup, чтобы компьютер знал, что к нему добавили новое устройство.

Фирмы-изготовители винчестеров

Винчестеры одинаковой емкости (но от разных производителей) обычно обладают более-менее сходными характеристиками, а отличия выражаются главным образом в конструкции корпуса, форм-факторе (проще говоря, размерах) и сроке гарантийного обслуживания. Причем о последнем следует сказать особо: стоимость информации на современном винчестере часто во много раз превышает его собственную цену.

Если на вашем диске появились сбои, то пытаться его ремонтировать — зачастую означает лишь подвергать свои данные к дополнительному риску.
Гораздо более разумный путь- замена сбойного устройства на новое.
Львиную долю жестких дисков на российском (да и не только) рынке составляет продукции фирм IBM, Maxtor, Fujitsu, Western Digital (WD), Seagate, Quantum.

название фирмы-изготовителя, производящего данный тип накопителя,

Корпорация Quantum (www. quantum. сom.) , основанная в 1980г.,- одна из ветеранов на рынке дисковых накопителей. Компания известна своими новаторскими техническими решениями, направленными на повышение надежности и производительности жестких дисков, временем доступа к данным на диске и скоростью чтения/записи на диске, возможностью информировать о возможных будущих проблемах, могущих привести к потере данных или к выходу диска из строя.

— Одной из фирменных технологий Quantum является SPS (Shoсk Proteсtion System), призванная защитить диск от ударных воздействий.

— встроенная программа DPS (Data Proteсtion System), предназначенной сохранить самое дорогое — хранящиеся на них данные.

Корпорация Western Digital (www.wdс.сom.) также является одной из старейших компаний-производителей дисковых накопителей, она знала в своей истории и взлеты и падения.
Компания за последние время смогла внедрить в свои диски самые последние технологии. Среди них стоит отметить собственную разработку-технологию Data Lifeguard,которая является дальнейшим развитием системы S.M.A.R.T. В ней сделана попытка логического завершения цепочки.

Согласно этой технологии производится регулярное сканирование поверхности диска в период, когда он незадействован системой. При этом производится чтение данных и проверка их целостности. Если в процессе обращения к сектору отмечаются проблемы, то данные переносятся в другой сектор.
Информация о некачественных секторах заносится во внутренний дефект-лист, что позволяет избежать в будущем записи в будущем записи в дефектные сектора.

Фирма Seagate (www.seagate. Сom) очень известна на нашем рынке. К слову сказать, я рекомендую винчестеры именно этой фирмы, как самык надежные и долговечные.

В 1998 г. она заставила вновь обратить на себя внимание, выпустив серию дисков Medallist Pro
со скоростью вращения 7200 об/мин,применив для этого специальные подшипники. Раньше такая скорость использовалась только в дисках интерфейса SСSI, что позволило увеличить производительность. В этой же серии используется технология SeaShield System, призванная улучшить защиту диска и хранящихся на нем данных от влияния электростатики и ударных воздействий. Одновременно уменьшается также и воздействие электромагнитных излучений.

Все производимые диски поддерживают технологию S.M.A.R.T.
В новых дисках Seagate предусматривает применение улучшенной версии своей системы SeaShield с более широкими возможностями.
Показательно, что Seagate заявил о наибольшей в отрасли стойкости обновленной серии к ударам – 300G в нерабочем состоянии.

Фирма IBM (www. storage. ibm. сom) хотя и не являлась до недавнего времени крупным поставщиком на российском рынке жестких дисков, но успела быстро завоевать хорошую репутацию благодаря своим быстрым и надежным дисковым накопителям.

Фирма Fujitsu (www. Fujitsu. сom) является крупным и опытным производителем дисковых накопителей, причем не только магнитных, но и оптических и магнитооптических.
Правда, на рынке винчестеров с интерфейсом IDE компания отнюдь не лидер: она контролирует (по разным различных исследований) примерно 4% этого рынка, а основные ее интересы лежат в области SСSI-устройств.

Терминологический словарь

Так как некоторые элементы накопителя, играющие важную роль в его работе, часто воспринимаются как абстрактные понятия, ниже приводится объяснение наиболее важных терминов.

Время доступа (Aссes time) — период времени, необходимый накопителю на жестком диске для поиска и передачи данных в память или из памяти.
Быстродействие накопителей на жестких магнитных дисках часто определяется временем доступа (выборки).

Кластер (Сluster) — наименьшая единица пространства, с которой работает ОС в таблице расположения файлов. Обычно кластер состоит из 2-4-8 или более секторов.
Количество секторов зависит от типа диска. Поиск кластеров вместо отдельных секторов сокращает издержки ОС по времени. Крупные кластеры обеспечивают более быструю работу
накопителя, поскольку количество кластеров в таком случае меньше, но при этом хуже используется пространство (место) на диске, так как многие файлы могут оказаться меньше кластера и оставшиеся байты кластера не используются.

Контроллер (УУ) (Сontroller) — схемы, обычно расположенные на плате расширения, обеспечивающие управление работой накопителя на жестком диске, включая перемещение головки и считывание и запись данных.

Цилиндр (Сylinder) — дорожки, расположенные напротив друг друга на всех сторонах всех дисков.

Головка накопителя (Drive head) — механизм, который перемещается по поверхности жесткого диска и обеспечивает электромагнитную запись или считывание данных.

Таблица размещения файлов (FAT) (File Alloсation Table (FAT)) — запись, формируемая ОС, которая отслеживает размещение каждого файла на диске и то, какие сектора использованы, а какие — свободны для записи в них новых данных.

Зазор магнитной головки (Head gap) — расстояние между головкой накопителя и поверхностью диска.

Чередование (Interleave) — отношение между скоростью вращения диска и организацией секторов на диске. Обычно скорость вращения диска превышает способность компьютера получать данные с диска. К тому моменту, когда контроллер производит считывание данных, следующий последовательный сектор уже проходит головку. Поэтому данные записываются на диск через один или два сектора. С помощью специального программного обеспечения при форматировании диска можно изменить порядок чередования.

Логический диск (Logiсal drive) — определенные части рабочей поверхности жесткого диска, которые рассматривают как отдельные накопители.
Некоторые логические диски могут быть использованы для других операционных систем, таких как, например, UNIX.

Парковка (Park) — перемещение головок накопителя в определенную точку и фиксация их в неподвижном состоянии над неиспользуемыми частями диска, для того, чтобы свести к минимуму повреждения при сотрясении накопителя, когда головки ударяются о поверхности диска.

Разбивка (Partitioning) – операция разбивки жесткого диска на логические диски. Разбиваются все диски, хотя небольшие диски могут иметь только один раздел.

Диск (Platter) — сам металлический диск, покрытый магнитным материалом, на который записываются данные. Накопитель на жестких дисках имеет, как правило, более одного диска.

RLL (Run-length-limited) — кодирующая схема, используемая некоторыми контроллерами для увеличения количества секторов на дорожку для размещения большего количества данных.

Сектор (Seсtor) — деление дисковых дорожек, представляющее собой основную единицу размера, используемую накопителем. Секторы ОС обычно содержат по 512 байтов.

Время позиционирования (Seek time) — время, необходимое головке для пе¬ремещения с дорожки, на которой она установлена, на какую-либо другую нужную дорожку.

Дорожка (Traсk) — концентрическое деление диска. Дорожки похожи на дорожки на пластинке. В отличие от дорожек пластинки, которые представляют собой непрерывную спираль, дорожки на диске имеют форму окружности. Дорожки в свою очередь делятся на кластеры и сектора.

Время перехода с дорожки на дорожку (Traсk-to-traсk seek time) — время, необходимое для перехода головки накопителя на соседнюю дорожку.

Скорость передачи данных (Transfer rate) — объем информации, передаваемый между диском и ЭВМ в единицу времени. В него входит и время поиска дорожки.

В данной статье будет идти речь только о жестких дисках (HDD) то есть о носителях на магнитных дисках. О SSD будет следующая статья.

Что такое жесткий диск

По традиции, давайте подсмотрим определение жесткого диска в Википедии:
Жесткий диск (винт, винчестер, накопитель на жестких магнитных дисках, НЖМД, HDD, HMDD) - запоминающее устройство произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи.
Используются в подавляющем большинстве компьютеров, а также как отдельно подключаемые устройства для хранения резервных копий данных, в качестве файлового хранилища и т.п.
Чуть-чуть разберемся. Мне нравится термин «накопитель на жестких магнитных дисках«. Эти пять слов передают всю суть. HDD - устройство, предназначение которого длительное время хранить записанные на него данные. Основой HDD являются жесткие (алюминиевые) диски со специальным покрытием, на которое при помощи специальных головок записывается информация.
Не буду рассматривать в деталях сам процесс записи - по сути это физика последних классов школы, и вникать в это, уверен, у вас желания нет, да и статья совсем не о том.
Также обратим внимание на фразу: «произвольного доступа» что, грубо говоря, означает, что мы (компьютер) можем в любое время считать информацию с любого участка ЖД.
Важным является тот факт, что память HDD не энергозависима, то есть не важно подключено питание или нет, записанная на устройство информация никуда не исчезнет. Это важное отличие постоянной памяти компьютера, от временной (ОЗУ).
Взглянув на жесткий диск компьютера в жизни, вы не увидите ни дисков, ни головок, так как все это скрыто в герметичном корпусе (гермозона). Внешне винчестер выглядит так.
Думаю что такое HDD вы поняли. Идем дальше.

Для чего компьютеру нужен жесткий диск

Рассмотрим что такое HDD в компьютере, то есть какую роль он играет в ПК. Понятно, что он хранит данные но, как и какие. Здесь выделим такие функции НЖМД:
- Хранение ОС, пользовательского ПО и их настроек;
- Хранение файлов пользователя: музыка, видео, изображения, документы и т.д;
- Использование части объема жесткого диска, для хранения данных не помещающихся в ОЗУ (файл подкачки) или хранение содержимого оперативной памяти во время использования режима сна;
- Как видим, жесткий диск компьютера не просто свалка из фотографий, музыки и видео. На нем хранится вся операционная система, и помимо этого ЖД помогает справляться с загруженностью ОЗУ, беря на себя часть ее функций.

Из чего состоит жесткий диск

Мы частично упоминали о составных жесткого диска, сейчас разберемся с этим детальнее. Итак, основные составляющие HDD:
- Корпус - защищает механизмы жесткого диска от пыли и влаги. Как правило, является герметичным, дабы внутрь та самая влага и пыль не попадали;
- Диски (блины) - пластины из определенного сплава металлов, с нанесенным с обеих сторон покрытием, на которое и записываются данные. Количество пластин может быть разным - от одной (в бюджетных вариантах), до нескольких;
- Двигатель - на шпинделе которого закреплены блины;
- Блок головок - конструкция из соединенных между собой рычагов (коромысел), и головок. Часть ЖД, которая считывает и записывает на него информацию. Для одного блина используется пара головок, поскольку и верхняя, и нижняя часть у него рабочая;
- Устройство позиционирования (актуатор) - механизм приводящий в действие блок головок. Состоит из пары постоянных неодимовых магнитов и катушки, находящейся на конце блока головок;
- Контроллер - электронная микросхема управляющая работой HDD;
- Парковочная зона - место внутри винчестера рядом с дисками либо на их внутренней части, куда опускаются (паркуются) головки во время простоя, чтобы не повредить рабочую поверхность блинов.
Такое вот незамысловатое устройство жесткого диска. Сформировалось оно много лет назад, и никаких принципиальных изменений в него уже давно не вносились. А мы идем дальше.

Как работает жесткий диск

После того, как на HDD подается питание двигатель, на шпинделе которого закреплены блины, начинает раскручиваться. Набрав скорость, при которой у поверхности дисков образовывается постоянный поток воздуха, начинают двигаться головки.
Данная последовательность (сначала раскручиваться диски, а затем начинают работать головки) необходима для того, чтобы за счет образовавшегося потока воздуха, головки парили над пластинами. Да, они никогда не касаются поверхности дисков, иначе последние были бы моментально повреждены. Тем не менее, расстояние от поверхности магнитных пластин до головок настолько маленькое (~10 нм), что вы не увидите его невооруженным глазом.
После запуска, в первую очередь происходит считывание служебной информации о состоянии жесткого диска и других необходимых сведениях о нем, находящихся на так называемой нулевой дорожке. Только затем начинается работа с данными.
Информация на жестком диске компьютера записывается на дорожки которые, в свою очередь, разбиты на сектора (такая себе разрезанная на кусочки пицца). Для записи файлов несколько секторов объединяют в кластер, он и является наименьшим местом, куда может быть записан файл.
Кроме такого «горизонтального» разбиения диска, есть еще условное «вертикальное». Поскольку все головки объединены, они всегда позиционируются над одной и той же по номеру дорожкой, каждая над своим диском. Таким образом, во время работы HDD головки как бы рисуют цилиндр.
Пока HDD работает, по сути он выполняет две команды: чтение и запись. Когда необходимо выполнить команду записи, происходит вычисление области на диске куда она будет производится, затем позиционируются головки и, собственно, выполняется команда. Затем результат проверяется. Кроме записи данных прямо на диск, информация также попадает в его кеш.
Если контроллеру поступает команда на чтение, в первую очередь происходит проверка наличия требуемой информации в кеше. Если ее там нет, снова происходит вычисление координат для позиционирования головок, дальше, головки позиционируется и считывают данные.
После завершения работы, когда питание винчестера исчезает, происходит автоматическая парковка головок в парковочных зоне.
Вот так в общих чертах и работает жесткий диск компьютера. В действительности же все намного сложнее, но обычному пользователю, скорее всего, такие подробности не нужны, поэтому закончим с этим разделом и пойдем дальше.

Виды жестких дисков и их производители

На сегодняшний день, на рынке существует фактически три основных производителя жестких дисков: Western Digital (WD), Toshiba, Seagate. Они полностью покрывают спрос на устройства всех видов и требований. Остальные компании либо разорились, либо были поглощены кем-то из основной тройки, или перепрофилировались.
Если говорить о видах HDD, их можно разделить таким образом:

1. Для ноутбуков - основной параметр - размер устройства в 2,5 дюйма. Это позволяет им компактно размещаться в корпусе лептопа;
2. Для ПК - в этом случае также возможно использование 2,5″ жестких дисков, но как правило, используются 3,5 дюйма;
3. Внешние жесткие диски - устройства, отдельно подключаемые к ПК/ноутбуку, чаще всего выполняющие роль файлового хранилища.
Также выделяют особый тип жестких дисков - для серверов. Они идентичны обычным ПКшным, но могут отличаются интерфейсами для подключения, и большей производительностью.

Все остальные разделения HDD на виды происходят от их характеристик, поэтому рассмотрим их.

Характеристики жестких дисков

Итак, основные характеристики жесткого диска компьютера:

Объем - показатель максимально возможного количества данных, которые можно будет вместить на диске. Первое на что обычно смотрят при выборе HDD. Данный показатель может достигать 10 Тб, хотя для домашнего ПК чаще выбирают 500 Гб - 1 Тб;
- Форм-фактор - размер жестокого диска. Самые распространенные - 3,5 и 2,5 дюйма. Как говорилось выше, 2,5″ в большинстве случаев, устанавливаются в ноутбуки. Также их используют во внешних HDD. В ПК и на сервера устанавливают 3,5″. Форм фактор влияет и на объем, так как на больший диск может поместиться больше данных;
- Скорость вращения шпинделя - с какой скоростью вращаются блины. Наиболее распространены 4200, 5400, 7200 и 10000 об/мин. Эта характеристика напрямую влияет на производительность, а так же и цену устройства. Чем выше скорость - тем больше оба значения;
- Интерфейс - способ (тип разъема) подключения HDD к компьютеру. Самым популярным интерфейсом для внутренних ЖД сегодня является SATA (в старых компьютерах использовался IDE). Внешние жесткие диски подключаются, как правило, по USB или FireWire. Кроме перечисленных, существуют еще такие интерфейсы как SCSI, SAS;
- Объем буфера (кеш-память) - тип быстрой памяти (по типу ОЗУ) установленный на контроллере ЖД, предназначенный для временного хранения данных, к которым чаще всего обращаются. Объем буфера может составлять 16, 32 или 64 Мб;
- Время произвольного доступа - то время, за которое HDD гарантированно выполнить запись или чтение с любого участка диска. Колеблется от 3 до 15 мс;

Кроме приведенных характеристик также можно встретить такие показатели как:

Скорость передачи данных;
- Количество операций ввода-вывода в сек.;
- Уровень шума;
- Надежность;
- Сопротивляемость ударам и т.д;
На счет характеристик HDD это все.

Существует множество типов накопителей на жестких дисках, но практически все они состоят из одних и тех же основных узлов. Конструкции этих узлов, а также качество используемых материалов могут различаться, но их основные рабочие характеристики и принципы функционирования одинаковы. Основные элементы конструкции типичного накопителя на жестком диске (см. рисунок ниже) перечислены ниже:

• диски;
• головки чтения/записи;
• механизм привода головок;
• двигатель привода дисков;
• печатная плата со схемами управления;
• кабели и разъемы;
• элементы конфигурации (перемычки и переключатели).

Диски, двигатель привода дисков, головки и механизм привода головок обычно размещаются в герметичном корпусе, который называется HDA (Head Disk Assembly - блок головок и дисков). Обычно этот блок рассматривается как единый узел; его почти никогда не вскрывают. Прочие узлы, не входящие в блок HDA (печатная плата, лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали), являются съемными.

Накопитель на жестких магнитных дисках содержит несколько дисков (пластин). На протяжении многих лет жесткие диски для ПК выпускались в нескольких формфакторах. Как правило, физические размеры жестких дисков выражаются в размере используемых пластин. Основные размеры пластин, используемых в жестких дисках ПК, приведены в таблице.

Существуют также накопители с дисками больших размеров, например 8 дюймов, 14 дюймов и даже больше, но, как правило, эти устройства в ПК не используются. Сейчас в настольных и некоторых портативных моделях чаще всего устанавливаются накопители формата 3,5 дюйма, а малогабаритные устройства (формата 2,5 дюйма и меньше) - в портативных системах.

В большинстве накопителей устанавливается минимум два диска, хотя в некоторых малых моделях бывает и по одному. Количество дисков ограничивается физическими размерами накопителя, а именно - высотой его корпуса. Самое большое количество дисков в накопителях формата 3,5 дюйма, с которым мне приходилось встречаться, - 12.

Раньше почти все диски производились из алюминиево-магниевого сплава, довольно прочного и легкого. Но со временем возникла потребность в накопителях, сочетающих малые размеры и большую емкость. Поэтому в качестве основного материала для дисков стало использоваться стекло, а точнее - композитный материал на основе стекла и керамики. Один из таких материалов называется MemCor и производится компанией Dow Corning. Он значительно прочнее, чем каждый из его компонентов в отдельности. Стеклянные диски отличаются большей прочностью и жесткостью, поэтому их можно сделать в два и более раз тоньше алюминиевых. Кроме того, они менее восприимчивы к перепадам температур, т.е. их размеры при нагреве и охлаждении изменяются весьма незначительно. Сегодня практически все жесткие диски выпускаются со стеклянными или стеклокерамическими пластинами.

Рабочий слой диска

тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным, и именно в нем сохраняется записанная информация. Самыми распространенными являются следующие типы рабочего слоя:

• оксидный;
• тонкопленочный;
• двойной антиферромагнитный (AFC).

Оксидный слой

Оксидный слой представляет собой полимерное покрытие с наполнителем из окиси железа. Он наносится следующим образом. Сначала на поверхность быстро вращающегося алюминиевого диска разбрызгивается суспензия порошка оксида железа в растворе полимера. За счет действия центробежных сил она равномерно растекается по поверхности диска от его центра к внешнему краю. После полимеризации раствора поверхность шлифуется. Затем на нее наносится еще один слой чистого полимера, обладающего достаточной прочностью и низким коэффициентом трения, и диск окончательно полируется. Обычно толщина оксидного слоя - чуть больше 0,1 микрона. Если вам удастся заглянуть внутрь накопителя с такими дисками, то вы увидите, что они коричневого или желтого цвета.

Чем выше емкость накопителя, тем более тонким и гладким должен быть рабочий слой дисков. Но добиться качества покрытия, необходимого для накопителей большой емкости, в рамках традиционной технологии оказалось невозможным. Поскольку оксидный слой довольно мягкий, он крошится при “столкновениях” с головками (например, при случайных сотрясениях накопителя). Диски с таким рабочим слоем использовались с 1955 года; они так долго продержались благодаря простоте технологии и низкой стоимости. Однако в современных моделях накопителей они полностью уступили место тонкопленочным дискам.

Тонкопленочный слой

тия гораздо выше, чем у оксидного. Эта технология легла в основу производства накопителей нового поколения, в которых удалось существенно уменьшить величину зазора между головками и поверхностями дисков, что позволило повысить плотность записи.

Термин тонкопленочный рабочий слой очень удачен, так как это покрытие гораздо тоньше, чем оксидное. Этот слой называют также гальванизированным или напыленным, поскольку наносить тонкую пленку на поверхность дисков можно поразному.

Тонкопленочный гальванизированный рабочий слой получают путем электролиза. Это происходит почти так же, как при хромировании бампера автомобиля. Алюминиевую или стеклянную подложку диска последовательно погружают в ванны с различными растворами, в результате чего она покрывается несколькими слоями металлической пленки. Рабочим слоем служит слой из сплава кобальта толщиной всего около 1 микродюйма (около 0,025 мкм).

Метод напыления рабочего слоя заимствован из полупроводниковой технологии. Суть его сводится к тому, что в специальных вакуумных камерах вещества и сплавы вначале переводятся в газообразное состояние, а затем осаждаются на подложку. На алюминиевый диск сначала наносится слой фосфорита никеля, а затем магнитный кобальтовый сплав. Его толщина при этом - всего 1–2 микродюйма (0,025–0,05 мкм). Аналогично поверх магнитного слоя на диск наносится очень тонкое (порядка 0,025 мкм) углеродное защитное покрытие, обладающее исключительной прочностью. Это самый дорогостоящий процесс из всех описанных выше, так как для его проведения необходимы условия, приближенные к полному вакууму.

Как уже отмечалось, толщина магнитного слоя, полученного методом напыления, составляет около 0,025 мкм. Его исключительно гладкая поверхность позволяет сделать зазор между головками и поверхностями дисков гораздо меньшим, чем это было возможно раньше (0,076 мкм). Чем ближе к поверхности рабочего слоя располагается головка, тем выше плотность расположения зон смены знака на дорожке записи и, следовательно, плотность диска. Кроме того, при увеличении напряженности магнитного поля по мере приближения головки к магнитному слою увеличивается амплитуда сигнала; в результате соотношение “сигнал– шум” становится более благоприятным.

И при гальваническом осаждении, и при напылении рабочий слой получается очень тонким и прочным. Поэтому вероятность “выживания” головок и дисков в случае их контакта друг с другом на большой скорости существенно повышается. И действительно, современные накопители с дисками, имеющими тонкопленочные рабочие слои, практически не выходят из строя при вибрациях и сотрясениях. Оксидные покрытия в этом отношении гораздо менее надежны. Если бы вы смогли заглянуть внутрь корпуса накопителя, то увидели бы, что тонкопленочные покрытия дисков напоминают серебристую поверхность зеркал.

Двойной антиферромагнитный слой

Последним достижением в технологии изготовления носителей жестких дисков является использование двойных антиферромагнитных слоев (AFC), позволяющих существенно увеличить плотность рабочего слоя, превысив наложенные ранее ограничения. Увеличение плотности материала дает возможность уменьшить толщину магнитного слоя диска. Плотность записи жестких дисков (которая выражается в количестве дорожек на дюйм или в числе битов на дюйм) достигла той точки, в которой кристаллы магнитного слоя, используемые для хранения данных, становятся настолько малы, что это приводит к их нестабильности и как следствие - к низкой надежности запоминающего устройства. Границы плотности, получившие название суперпарамагнитного ограничения, должны находиться в пределах 30– 50 Гбит/дюйм2. С развитием технологии этот предел был преодолен и достиг 100 Гбит/дюйм2. Предполагается, что в будущем удастся достигнуть и поверхностной плотности записи в 200 Гбит/дюйм2, правда, при этом будут задействованы некоторые новые технологии.

Носители AFC состоят из двух магнитных слоев, разделенных исключительно тонкой пленкой металлического рутения, толщина которой - всего 3 атома (6 ангстрем). Подобная многослойная конструкция образует антиферромагнитное соединение, состоящее из верхнего и нижнего магнитных слоев, что позволяет различать эти слои по всей видимой высоте жесткого диска. Такая конструкция дает возможность использовать физически более толстые магнитные слои, имеющие более устойчивые кристаллы большого размера, благодаря чему носители могут функционировать как одинарный слой, отличающийся гораздо меньшей общей толщиной.

В 2001 году IBM использовала технологию AFC при создании целой серии 2,5-дюймовых накопителей Travelstar 30GN для портативных компьютеров; жесткие диски этого типа стали первыми накопителями с рабочим слоем AFC, появившимися на рынке. Кроме того, IBM начала создавать 3,5-дюймовые накопители с рабочим слоем AFC, используемые в настольных компьютерах. Первым накопителем этого типа стал Deskstar 120 GXP. Сегодня носители AFC выпускаются компанией Hitachi Global Storage Technologies, которая поглотила подразделение жестких дисков компании IBM, а также ряд других крупных производителей этого типа носителей. Технология AFC позволяет преодолеть рубеж плотности в 100 Гбит/дюйм2, а в сочетании с перпендикулярной магнитной записью (PMR) отодвинуть его до 200 Гбит/дюйм2. Внешне носитель с покрытием AFC выглядит, как зеркало.

В накопителях на жестких дисках для каждой из сторон каждого диска предусмотрена собственная головка чтения/записи. Все головки смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно.

Конструкция каркаса с головками довольно проста. Каждая головка установлена на конце рычага, закрепленного на пружине и слегка прижимающего ее к диску. Мало кто знает о том, что диск как бы зажат между парой головок (сверху и снизу). И если бы это не повлекло за собой никаких последствий, можно было бы провести небольшой эксперимент: открыть накопитель и приподнять пальцем верхнюю головку. Как только бы вы ее отпустили, она вернулась бы в первоначальное положение (то же самое произошло бы и с нижней головкой).

На рисунке показана стандартная конструкция механизма привода головок с подвижной катушкой.

Когда накопитель выключен, головки касаются дисков под действием пружин. При раскручивании дисков аэродинамическое давление под головками повышается, и они отрываются от рабочих поверхностей (“взлетают”). Когда диск вращается на полной скорости, зазор между ним и головками может составлять 0,5–5 микродюймов и даже больше.

В начале 1960-х годов величина зазора между диском и головками составляла 200–300 микродюймов; в современных накопителях она достигает 10 нм, или 0,4 микродюйма. Для обеспечения повышенной плотности записи в будущем физическое расстояние между головкой и дисковой пластиной будет продолжать уменьшаться; возможно, такие головки даже будут входить в прямой контакт с поверхностью диска. Естественно, для этого потребуются новые конструкции носителей и головок.

Внимание!

Общая тенденция такова: чем раньше был выпущен накопитель и чем меньше его емкость, тем больше зазор между головками и поверхностями дисков. Именно из-за малого размера этого зазора блок HDA можно вскрывать только в абсолютно чистых помещениях: любая пылинка, попавшая в зазор, может привести к ошибкам при считывании данных и даже к столкновению головок с дисками на полном ходу. В последнем случае может быть повреждена или головка, или диск, что одинаково неприятно.

Именно поэтому сборка блоков HDA выполняется только в чистых помещениях, соответствующих требованиям класса 100 (или даже более высоким). Это означает, что в одном кубическом футе воздуха может присутствовать не более 100 пылинок размером до 0,5 мкм. Для сравнения: стоящий неподвижно человек каждую минуту выдыхает порядка 500 таких частиц! Поэтому помещения оснащаются специальными системами фильтрации и очистки воздуха. Блоки HDA можно вскрывать только в таких условиях.

Поддержка столь стерильных условий стоит немалых денег. Некоторые фирмы выпускают “чистые цеха” в настольном исполнении. Стоят они всего несколько тысяч долларов и выглядят, как большие ящики с прозрачными стенками, в которые вмонтированы перчатки для оператора. Прежде чем приступить к работе, оператор должен вставить в ящик устройство и все необходимые инструменты, затем закрыть ящик и включить систему фильтрации. Через
некоторое время можно будет начинать разборку и прочие операции с накопителем. Существуют и другие способы создания стерильных условий. Представьте себе, например, монтажный стол, отгороженный от окружающего пространства воздушной завесой, причем непосредственно на рабочее место под давлением постоянно подается очищенный воздух.

Это напоминает устанавливаемые на зиму в дверях магазинов “занавески” из горячего воздуха, которые не мешают покупателям, но и не позволяют теплу из помещения выйти наружу. Поскольку подобное оборудование стоит довольно дорого, за ремонт накопителей на жестких дисках обычно берутся только их производители.

Конструкции головок чтения/записи!
По мере развития технологии производства дисковых накопителей совершенствовались и конструкции головок чтения/записи. Первые головки представляли собой сердечники с обмоткой (электромагниты). По современным меркам их размеры были огромными, а плотность записи - чрезвычайно низкой. За прошедшие годы конструкции головок прошли долгий путь развития от первых головок с ферритовыми сердечниками до современных гигантских магниторезистивных моделей. Более подробно о различных конструкциях головок можно узнать из главы 8.

Привод - самая важная деталь накопителя. В таблице показана зависимость характеристик накопителя на жестких дисках от конкретного типа привода.

Приводы с шаговым двигателем обычно использовались на жестких дисках емкостью до 100 Мбайт и менее, которые создавались в 1980-х и в начале 1990-х годов. Во всех накопителях, имеющих более высокую емкость, обычно используются приводы с подвижной катушкой. В накопителях на гибких дисках для перемещения головок используется привод с шаговым двигателем. Его параметров (в том числе и точности) вполне достаточно для дисководов этого типа, поскольку плотность дорожек записи на гибких дисках значительно ниже (135 дорожек на дюйм), чем в накопителях на жестких дисках (более 5000 дорожек на дюйм). большинстве выпускаемых сегодня накопителей устанавливаются приводы с подвижными катушками.

Шаговый двигатель - это электродвигатель, ротор которого может поворачиваться только ступенчато, т.е. на строго определенный угол. Если покрутить его вал вручную, то можно услышать негромкие щелчки (или треск при быстром вращении), которые возникают всякий раз, когда ротор проходит очередное фиксированное положение.

Шаговые двигатели могут устанавливаться только в фиксированных положениях. Размеры этих двигателей невелики (порядка нескольких сантиметров), а форма может быть прямоугольной, цилиндрической и т.д. Шаговый двигатель устанавливается вне блока HDA, но его вал проходит внутрь через отверстие с герметизирующей прокладкой. Обычно двигатель располагается у одного из углов корпуса накопителя, и его можно легко узнать.

Одна из самых серьезных проблем механизма с шаговым двигателем - нестабильность температуры. При нагреве и охлаждении диски расширяются и сжимаются, в результате чего дорожки смещаются относительно своих прежних положений. Поскольку механизм привода головок не позволяет сдвинуть их на расстояние, меньшее одного шага (переход на одну дорожку), компенсировать погрешности температур невозможно. Головки перемещаются в соответствии с поданным на шаговый двигатель количеством импульсов.

Привод с шаговым двигателем показан на рисунке.

Сегодня многие уверены, что магнитные жесткие диски слишком медлительны, ненадежны и технически устарели. В то же время твердотельные накопители, напротив, находятся на пике своей славы: в каждом мобильном устройстве имеется носитель информации на основе флеш-памяти, и даже настольные ПК используют такие диски. Однако их перспективы весьма ограничены. Согласно прогнозу CHIP, SSD еще немного упадут в цене, плотность записи данных и, следовательно, емкость дисков, скорее всего, удвоятся, а затем настанет конец. Твердотельные накопители емкостью 1 Тбайт всегда будут слишком дорогими. На их фоне жесткие магнитные диски аналогичной вместимости выглядят весьма привлекательно, поэтому говорить о закате эпохи традиционных накопителей рано. Однако сегодня они стоят на распутье. Потенциал текущей технологии - метода перпендикулярной записи - допускает еще два годичных цикла, в течение которых будут выпущены новые модели увеличенной емкости, а затем будет достигнут предел.

Если три основных производителя - Seagate, Western Digital и Toshiba - смогут выполнить переход на одну из представленных в этой статье новых технологий, то 3,5-дюймовые жесткие диски емкостью 60 Тбайт и выше (что в 20 раз больше по сравнению с текущими моделями) перестанут быть недостижимой роскошью. Одновременно с этим возрастет и скорость чтения,достигнув уровня SSD, так как она зависит непосредственно от плотности записываемых данных: чем меньше расстояние, которое необходимо преодолевать считывающей головке, тем быстрее работает диск. Поэтому, если наш «информационный голод» продолжит расти, все «лавры» достанутся жестким магнитным дискам.

Метод перпендикулярной записи

С некоторых пор в жестких дисках используется метод перпендикулярной записи (на вертикально расположенные домены), обеспечивающий более высокую плотность данных. В настоящее время он является нормой. Последующие технологии сохранят данный способ.

6 Тбайт: лимит почти достигнут

Через два года диски с методом перпендикулярной записи дойдут до предела плотности данных на пластине.

В современных жестких дисках емкостью до 4 Тбайт плотность записи магнитных пластин не превышает 740 Гбит на квадратный дюйм. Производители обещают, что накопители, использующие методом перпендикулярной записи, смогут обеспечить показатель в 1 Тбит на квадратный дюйм. Через два года выйдет последнее поколение подобных дисков: емкость моделей форм-фактора 3,5 дюйма достигнет 6 Тбайт, а 2,5-дюймовые смогут предоставить чуть более 2 Тбайт дискового пространства. Однако столь скромные темпы роста плотности записи уже не поспевают за нашим постоянно усиливающимся информационным голодом, что демонстрируют следующие графики.

Проблема выбора материалов

Винчестеры с перпендикулярным методом записи не способны удовлетворить растущие потребности в сфере хранения данных, так как при плотности записи немногим более 1 Тбит на квадратный дюйм они вынуждены бороться с эффектом суперпарамагнетизма. Данный термин означает, что определенного размера частицы магнитных материалов не способны длительное время сохранять состояние намагниченности, которое может внезапно измениться под действием тепла из окружающей среды. То, при каком размере частиц наступает данный эффект, зависит от используемого материала (см. таблицу ниже). Пластины современных HDD с перпендикулярной записью изготавливаются из сплава кобальта, хрома и платины (CoCrPt), частицы которого имеют диаметр 8 нм и длину 16 нм. Для записи одного бита головке необходимо намагнитить около 20 таких частиц. При диаметре 6 нм и меньшем частицы данного сплава не способны надежно сохранять состояние своего магнитного поля.

В индустрии производства жестких дисков часто говорят о «трилемме». Производители могут использовать три основных способа увеличения плотности записи: изменение размера частиц, их количества и типа сплава, из которого они состоят. Но при размере частиц CoCrPt-сплава от 6 нм использование одного из способов приведет к тому, что два других окажутся бесполезными: если уменьшить размер частиц, то они будут терять свою намагниченность. Если уменьшить их количество на бит, их сигнал «растворится» в окружающем шуме соседних битов. Считывающая головка не сможет определить, имеет ли она дело с «0» или «1». Сплав с более высокими магнитными характеристиками позволяет использовать частицы меньших размеров, а также допускает сокращение их количества, однако в данном случае записывающая головка оказывается не в состоянии изменить их намагниченность. Данную трилемму можно решить только в том случае, если производители откажутся от метода перпендикулярной записи. Для этого наготове уже есть несколько технологий.

До 60 Тбайт: новые технологии записи

Плотность записи будущих HDD можно увеличить в десять раз - с помощью микроволн, лазеров, SSD-контроллеров и новых сплавов.

Наиболее перспективной разработкой, способной обеспечить плотность записи свыше 1 Тбит на квадратный дюйм, является технология магнитной записи с частичным перекрытием дорожек (метод «черепичной» записи - Shingled Magnetic Recording, SMR). Ее принцип заключается в том, что магнитные дорожки SMR-диска частично накладываются друг на друга, подобно черепице на крыше. Данная технология позволяет преодолеть присущее методу перпендикулярной записи затруднение: дальнейшее уменьшение ширины дорожек неизбежно приведет к невозможности записи данных. Современные диски имеют раздельные дорожки шириной от 50 до 30 нм. Минимально возможная ширина дорожек при перпендикулярной записи составляет 25 нм. В технологии SMR, благодаря частичному перекрытию, ширина дорожки для считывающей головки может составлять до 10 нм, что соответствует плотности записи в 2,5 Тбит на квадратный дюйм. Хитрость в том, чтобы увеличить ширину дорожек записи до 70 нм, обеспечив при этом стопроцентную намагничиваемость края дорожки. Край дорожки не претерпит изменений, если записать следующую со смещением в 10 нм. Кроме того, записывающая головка оснащается защитным экраном, чтобы ее мощное магнитное поле не повредило расположенные под ней данные. Что касается головки, она уже разработана
компанией Hitachi. Однако существует еще одна проблема: обычно на магнитном диске производится прямая раздельная перезапись битов, а в рамках технологии SMR это возможно только на самой верхней дорожке пластины. Для изменения битов, расположенных на нижней дорожке, потребуется повторная перезапись всей пластины, что снижает производительность.

Перспективный преемник: HAMR

Тем временем международная организация по дисковым накопителям, материалам и оборудованию IDEMA отдает предпочтение термоассистируемой магнитной записи (HAMR, Heat Assisted Magnetic Recording) и рассматривает именно ее в качестве наиболее вероятного претендента на роль преемника технологии перпендикулярной записи. Марк Гинен из советадиректоров IDEMA прогнозирует появление в продаже первых HAMR-дисков в 2015 году.
В отличие от SMR технология HAMR решает трилемму путем уменьшения магнитных частиц, а для этого требуется переход на новый материал. Для HAMR-дисков необходимо использовать материал с более высокой анизотропной энергией - наиболее перспективным является сплав железа и платины (FePt). Анизотропия определяет, сколько потребуется энергии для устранения намагниченности материала. В FePt она настолько высока, что только частицы размером 2,5 нм сталкиваются с суперпарамагнетическим пределом (см. таблицу в следующем разделе). Данное обстоятельство позволило бы производить жесткие диски емкостью 30 Тбайт с плотностью записи 5 Тбит на квадратный дюйм.

Проблема заключается в том, что самостоятельно записывающая головка не способна изменить магнитную ориентацию частиц сплава FePt. Поэтому в HAMR-дисках в нее встраивается лазер, который на мгновение разогревает частицы нап участке площадью несколько нанометров до температуры примерно в 400 °С. В результате записывающей головке требуется меньше энергии для изменения магнитного поля частиц. Исходя из значений плотности записи, диски с термоассистируемой магнитной записью могут иметь высокую скорость чтения (около 400–500 Мбайт/с), которая сегодня достижима только для SSD-накопителей с интерфейсом SATA 3.

Помимо лазера обеспечить возможность записи на пластинах из сплава FePt также способен генератор момента спина (Spin Torque Oscillator), излучающий микроволны. Микроволны изменяют характеристики магнитного поля частиц таким образом, что слабая записывающая головка легко их перемагничивает. В целом, генератор увеличивает эффективность записывающей головки в три раза. Технология микроволновой магнитной записи (Microwave Assisted Magnetic Recording, MAMR), в отличие от HAMR, пока находится в стадии разработки.

Новый сплав металлов для дисков с теромассистируемой магнитной записью

Сплаву FePt в HAMR-диске свойствен более высокий показатель анизотропной энергии и повышенная способность к намагничиванию. По сравнению с методом перпендикулярной записи здесь могут быть использованы частицы меньших размеров.

Что будет после HAMR?

Технология битовых массивов (Bit-Patterned Media, BPM) долгое время считалась самой перспективной. Она предусматривает иное решение трилеммы: в данном случае магнитные частицы отделены друг от друга изоляционным слоем из оксида кремния. В отличие от традиционных магнитных дисков намагничиваемые области наносятся с помощью литографии, как при производстве чипов. Это делает производство BPM-носителей довольно дорогим. BPM позволяет уменьшить количество частиц на бит и при этом избежать влияния шума соседних частиц на сигнал. Единственной проблемой на сегодняшний день является создание головки чтения/записи, которая смогла бы обеспечивать высокую точность управления BPM-битами. Поэтому в настоящее время BPM рассматривается как наиболее вероятный преемник HAMR. Если объединить обе технологии, можно добиться плотности записи в 10 Тбит на квадратный дюйм и производить диски емкостью 60 Тбайт.

Новым предметом изысканий является технология двумерной магнитной записи (Two Dimensional Magnetic Recording, TDMR), которая позволяет решить трилемму путем устранения затруднения, связанного с отношением сигнал/шум. При небольшом количестве частиц на бит считывающая головка получает нечеткий сигнал, так как он имеет низкую мощность и теряется в шуме соседних частиц. Особенность технологии TDMR заключается в возможности восстановления потерянного сигнала. Для этого требуются несколько отпечатков считывающей головки или отпечаток нескольких считывающих головок, которые формируют 2D-изображение поверхности. На основе этих изображений декодер восстанавливает соответствующие биты.