Жёсткий диск (HDD)¶
Жёсткий диск (HDD, от англ. Hard Disk Drive) — магнитное запоминающее устройство, предназначенное для долговременного хранения цифровой информации. Относится к классу вторичных запоминающих устройств компьютера. В отличие от оперативной памяти, HDD сохраняет данные при отключении питания. Основные характеристики: ёмкость (от десятков гигабайт до десятков терабайт), скорость вращения шпинделя, интерфейс подключения.
¶Устройство
Жёсткий диск состоит из нескольких основных компонентов:
- Пластинчатый блок (пластины) — круглые диски из алюминиевого сплава или керамики, покрытые тонким магнитным слоем. Именно на пластинах хранятся данные. В современных HDD используется от одной до четырёх пластин.
- Считывающие головки — крошечные электромагниты, расположенные над поверхностью пластин на расстоянии нескольких нанометров. Считывают и записывают информацию.
- Шпиндель — вал, вращающий пластины с постоянной скоростью (обычно 5400 или 7200 об/мин, для серверных моделей — до 15 000 об/мин).
- Актуатор — механизм, перемещающий головки по поверхности пластины. Современные HDD используют винтовой привод (Voice Coil).
- Плата управления — электронная плата, управляющая работой устройства и обеспечивающая обмен данными с компьютером.
Вся механическая часть герметично закрыта в корпусе, так как даже мельчайшая пылинка, попавшая между головкой и пластиной, может привести к повреждению данных (так называемый «контакт головки с диском» — Head Crash).
¶Принцип работы
Данные записываются на магнитный слой пластины в виде последовательностей магнитных доменов — областей с определённой ориентацией намагниченности. Пластина разделена на дорожки (треки), а каждая дорожка — на сектора. Считывающая головка, перемещаясь по радиусу пластины, считывает или записывает информацию по мере вращения диска.
Скорость доступа к данным зависит от нескольких факторов:
- Скорости вращения шпинделя (задаёт латентность, время ожидания оборота нужного сектора под головкой).
- Скорости перемещения головок (время поиска — Seek Time).
- Скорости потоковой передачи данных (определяется плотностью записи и скоростью вращения).
Средняя латентность для диска 7200 об/мин составляет около 4,17 мс, время поиска — от 2 до 12 мс в зависимости от модели.
¶Интерфейсы подключения
За историю жёстких дисков использовалось несколько интерфейсов:
| Интерфейс | Годы использования | Макс. скорость передачи |
|---|---|---|
| ST-506 / MFM / RLL | 1980-е | до 10 МБ/с |
| IDE (ATA / PATA) | 1986–2000-е | до 133 МБ/с |
| SCSI | 1986–2000-е | до 320 МБ/с |
| SATA | 2003 — настоящее время | до 600 МБ/с (SATA III) |
| SAS | 2004 — настоящее время | до 1200 МБ/с |
В настольных компьютерах наиболее распространён интерфейс SATA (Serial ATA), в серверах — SAS (Serial Attached SCSI).
¶Краткая история
- 1956 год — компания IBM представила первый коммерческий жёсткий диск IBM 350 RAMAC. Ёмкость составляла 5 МБ, вес устройства — около 1 тонны, размер — два больших холодильника.
- 1973 год — IBM выпустила модель IBM 3340 Winchester, давшую название технологии «винчестер». В ней впервые были объединены пластины и головки в одном герметичном блоке.
- 1980-е — появление форм-фактора 3,5 дюйма для настольных компьютеров и 2,5 дюйма для ноутбуков.
- 2007 год — Seagate выпустила первый HDD ёмкостью 1 ТБ.
- 2010-е — внедрение технологии записи SMR (Shingled Magnetic Recording), а затем CMR/PMR для увеличения плотности.
- 2020-е — HDD с ёмкостью до 24 ТБ (Seagate Exos, Western Digital Ultrastar), используются технологии HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording) и MAMR (Microwave-Assisted Magnetic Recording).
¶Форм-факторы
| Форм-фактор | Применение |
|---|---|
| 3,5 дюйма | Настольные компьютеры, внешние накопители, серверы |
| 2,5 дюйма | Ноутбуки, мини-ПК, серверные стойки |
| 1,8 дюйма | Ультрабуки (в настоящее время практически не используются) |
¶HDD и SSD
Главным конкурентом HDD является твердотельный накопитель (SSD), использующий флеш-память без подвижных частей. SSD превосходит HDD по скорости случайного доступа (в сотни раз), устойчивости к ударам и шуму, но стоит дороже за гигабайт. HDD сохраняет преимущество по цене на ёмкость, поэтому продолжает широко применяться в системах массового хранения данных, архивных системах, внешних накопителях и домашних серверах (NAS).
¶Применение
Жёсткие диски используются в:
- персональных компьютерах и ноутбуках как основное долговременное хранилище;
- серверах и дата-центрах (в том числе в RAID-массивах для отказоустойчивости);
- системах видеонаблюдения (NAS-системы для хранения архивов записей);
- игровых приставках;
- внешних переносных накопителях.
¶История
- IBM. Электронно-вычислительные машины. — М.: Наука, 1984.
- Мурашов С. В. Жёсткие диски: теория и практика. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005.
- Каталоги производителей Seagate, Western Digital, Toshiba.