Жесткие диски Kioxia

Наверняка все слышали слова жесткий диск, винчестер или винт, однако начинающему пользователю может быть не ясно, какое отношение они имеют к компьютеру. Восполним этот пробел в знаниях и разберемся с назначением, устройством и основными характеристиками жесткого диска компьютера.

Жесткий диск служит для долговременного хранения информации в компьютере, то есть вся ваша музыка, фильмы, фотографии, документы, а также установленные программы и файлы самой операционной системы хранятся на нем. Жесткий диск компьютера можно сравнить с тетрадью, куда студент записывает лекции и остальную информацию, которая понадобится ему в дальнейшем. Пока в тетради есть чистые страницы на них можно записывать новые данные или при необходимости изменить уже записанные, воспользовавшись «замазкой».

Ключевое слово здесь, для долговременного хранения информации, так как в нее записывают только информацию, которая потребуется в дальнейшем и в любое время. Если данные нужны на короткое время, то человек просто запомнит их или запишет на стикер, чтобы выбросить сразу, как только они станут не нужны.

По такому же принципу устроено хранение информации в компьютере. Жесткий диск обладает энергонезависимой памятью, и отключение питания не влияет на их сохранность. В этом заключается принципиальное отличие от оперативной памяти компьютера являющейся энергозависимой.

Устройство жесткого диска

Правильное название данного устройства звучит как - накопитель на жестких магнитных дисках или hard (magnetic) disk drive на английском языке. Так же широко распространены следующие варианты: винчестер, винт, хард, НМЖД, HDD, HMDD. Почему его называют винчестер есть множество версий, но наиболее распространенная версия, что первый жесткий диск в современном понимании этого слова разработанный компанией IBM имел внутренне сокращенное наименование «30-30», что совпадало с популярной охотничьей винтовкой Winchester Model 1894 применявшей патрон 30-30 Winchester. Название «винт» является его сокращением в компьютерном сленге.

Мы не будем подробно описывать принципы магнитной записи и устройства HDD, так как обычным пользователям это не нужно, а рассмотрим основные моменты работы жесткого диска и его характеристики. Технически представляет собой устройство записи и хранения информации основанное на принципе магнитной записи. Информация записывается на круглые жесткие диски (пластины или блины) покрытые слоем ферромагнитного материала и расположенные на одной оси привода. Чтение и запись данных осуществляется с помощью подвижных считывающих головок. Принцип напоминает проигрыватель на виниловых пластинках, однако в винчестере считывающие головки не касаются поверхности пластин, в отличие от иглы проигрывателя. В рабочем положении они парят над поверхностью пластин на высоте нескольких нанометров за счет потока набегающего воздуха от быстрого вращения пластин. В выключенном состоянии, головки располагаются в парковочной зоне, чтобы исключить случайное взаимное повреждение деталей от сотрясения винчестера.

Наличие подвижных механических частей несколько снижает надежность устройства, однако отсутствие прямого механического контакта между подвижными деталями компенсирует этот недостаток и обеспечивает надежность и большой ресурс работы винчестеров. Тем не менее, иногда на диске могут все-таки появляться поврежденные участки по различным причинам. Помимо пластин, привода и считывающих головок в одном корпусе с ними располагается управляющая электроника.

Стоит отметить, что сейчас активно развивается технология твердотельных накопителей (SSD). Так же используется для долговременного хранения информации в компьютере, но в них используются микросхемы памяти и отсутствуют движущиеся части. Кроме этого, есть гибридные жесткие диски, сочетающие в одном устройстве традиционный жесткий диск и SSD маленького объема для кэша.

Подвижная головка состоит из двух частей: головка чтения и головка записи. В зависимости от необходимой в данный момент времени операции, используется нужная головка. Количество пластин в корпусе жесткого диска может быть различно и зависит от его емкости и примененных технологий записи. Меньшее количество пластин уменьшает энергопотребление, снижает количество подвижных частей, улучшает температурный режим работы накопителя, что положительно сказывается на его надежности и долговечности. Правда это все в теории, а на практике, каждый конкретный экземпляр индивидуален, и утверждать, что накопитель с четырьмя пластинами хуже, чем с двумя неверно.

Чтобы на пластины можно было записывать информацию, их поверхность разбивают на дорожки - концентрические кольцевые области. Все дорожки на всех пластинах HDD находящиеся на одинаковом расстоянии от центра называются цилиндр. В свою очередь, дорожки делятся на равные отрезки называемые секторами. Из объединения соседних секторов в группу образуется кластер.

Кластер - минимальная логическая ячейка для хранения информации на жестком диске компьютера. В настоящее время стандартным является кластер размером 4 096 байт, состоящий из восьми секторов по 512 байт каждый. Ознакомиться подробнее с влиянием его размера на параметры HDD можно в статье посвященной воперационной системе Windows.

Методы магнитной записи данных на диск

В двух словах принцип записи информации выглядит следующем образом. Пластины жесткого диска вращаются с большой скоростью (обычно 5 400 или 7 200 об/мин для персональных компьютеров), а головки парят над ними. При подаче на головку переменного электрического тока возникает переменное магнитное поле изменяющее направление вектора намагниченности доменов находящихся под головкой в данный момент в зависимости от величины сигнала. Другими словами происходит заполнение пластин или процесс записи. Чтение данных с поверхности пластин происходит в обратном порядке, перемещение намагниченных доменов под считывающей головкой приводит появлению переменного электрического сигнала в катушке головки под влиянием эффекта электромагнитной индукции. Поскольку физические размеры пластин ограниченны и стандартизованы увеличение емкости жестких дисков возможно в двух направлениях: увеличение количества пластин в одном устройстве или увеличение количества записанной информации на одной пластине (плотность записи).

Метод продольной записи

Традиционный способ записи, применявшийся в накопителях на магнитных дисках. Вектор намагниченности домена параллелен поверхности пластины. Рост емкости жестких дисков привел в итоге к тому, что она больше не позволяла обеспечивать необходимые емкости дисков. В настоящее время практически не используется.

Метод перпендикулярной записи

Данный метод пришел на смену традиционному способу. За счет вертикальной ориентации доменов, плотность записи значительно возросла и следовательно на одну пластину можно записать больше информации.

Технологии не стоят на месте и ведутся исследования по дальнейшему увеличению плотности записи на пластину, например метод тепловой магнитной записи или метод самосборки полимеров.

Основные характеристики жестких дисков

Форм-фактор — определяет ширину жесткого диска в дюймах. Накопители имеют стандартизированные размеры 0.85, 1, 1.3, 1.8, 2.5, 3.5 дюймов. Стандартным для настольных компьютеров является 3.5 дюйма и 2.5 для ноутбуков.

Интерфейс — обеспечивает взаимодействие жесткого диска с материнской платой компьютера. В дисках, предназначенных для установки внутри персональных компьютеров, используется интерфейс SATA разных версий. Основное различие в скорости передачи данных: Revision 1.0 до 1,5 Гбит/с, Revision 2.0 до 3 Гбит/с (SATA/300), Revision 3.0 до 6 Гбит/с (SATA/600). Винчестеры с интерфейсом PATA (IDE) почти вышли из употребления и используются только со старым оборудованием.

Емкость - максимальное количество информации, которое может хранить жесткий диск, измеряется в гигабайтах. Поскольку производители приравнивают один килобайт к тысяче байт (насамом деле 1 Кбайт = 1 024 байт), то жесткий диск маркированный как 500 ГБ имеет реальную емкость 465.7 ГБ.

Скорость вращения шпинделя - количество оборот шпинделя в минуту. Имеет стандартные скорости, в настольных компьютерах обычно 5 400 или 7 200 об/мин, а в ноутбуках 4 500 или 5 400 об/мин. В жестких дисках для серверов скорость вращения обычно составляет 10 000 или 15 000 об/мин. Чем больше скорость вращения, тем меньше время доступа к информации.

Объем буфера - специальная высокопроизводительная память, встроенная в жесткий диск служащая для ускорения работы накопителя и сглаживания разницы в скоростях чтения/записи и передачи.

Время произвольного доступа - определяет усредненное количество времени, требуемое головке для позиционирования на произвольном участке пластины. Непостоянная величина, зависящая от начального и конечного положения головки и места позиционирования. Чем меньше данный показатель, тем быстрее диск способен отдавать запрошенную информацию.

Время наработки на отказ — среднее время безотказной работы, рассчитанное производителем. Является аналогом параметра надежность и соответственно, чем оно больше, тем лучше.

Ударостойкость — способность винчестера безболезненно переносить удары и резкую смену давления. Измеряется в единицах допустимой перегрузки, раздельно для включенного и выключенного состояния. Чем больше ударостойкость, тем лучше. Более актуально для ноутбуков и переносных винчестеров.

Уровень шума — шум, производимый жестким диском во время работы, измеряется в децибелах. Включает в себя шум вращающихся пластин, аэродинамический и шум перемещающихся головок.

В одном компьютере может быть установлено несколько винчестеров. Общее количество ограничено наличием места в компьютерном корпусе и количеством коннекторов для подключения на материнской плате. Так же существует возможность объединения нескольких накопителей в единый дисковый массив для повышения скорости работы и надежности хранения информации.

.....