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.
Если же Вы - частное лицо, то наши специалисты смогут оказать широчайший спектр компьютерных услуг . Наши опытные мастера готовы решить любую проблему, которая может возникнуть с Вашим системным блоком или ноутбуком.
Звоните:
В качестве оказываемых нами компьютерных услуг Вы можете не сомневаться , ведь у нас работают опытные и внимательные мастера, которые не первый год оказывают компьютерную помощь и проводят ремонт компьютеров, конечно же, с использованием новейшего профессионального оборудования.
Присоединяйтесь:
Настройка и ремонт компьютеров на дому - вызов компьютерного мастера
Установка программного обеспечения
Ремонт материнской платы
Услуги компьютерной помощи
Замена блока питания
Сломался компьютер? Не беда. Наши специалисты знают, чем Вам помочь. Для ремонта компьютеров у нас имеются все необходимые запасные части от сертифицированных производителей. Выезд на дом происходит очень быстро.
Компьютерная помощь на дому 250 руб.
Срочный ремонт ноутбуков - Спасаем от залития жидкостями и замена деталей
Замена матрицы
Чистка клавиатуры
Замена аккумуляторной батареи
Ремонт блока питания
Если у Вас сломался ноутбук, то наши опытные мастера быстро его починят. Даже если Вы случайно залили его жидкостью, и в нем сгорела аккумуляторная батарея и жесткий диск, наши мастера быстро вернут Вашему ноутбуку работоспособность.
Срочный ремонт ноутбуков 550 руб.
Удаление и лечение компьютерных вирусов - удаление баннеров
Установка антивирусной защиты
Лечение вирусов
Удаление троянов
Настройка файрволла
Ни один компьютер не застрахован от атак вредоносных программ. Коварные вирусы могут сильно нарушать работу компьютера, приводить к потере данных, но наши мастера эффективно удалят вирусы и установят антивирусную защиту.
Удаление вирусов 270 руб.
Установка и настройка windows на компьютер или ноутбук
Установка Windows XP, Vista, Seven
Настройка Windows
Установка драйверов
Восстановление системы после сбоя
Если у Вас нет возможности установить операционную систему Windows самостоятельно, просто обратитесь к нашим специалистам, и они установят любую лицензионную версию Windows и произведут все необходимые настройки.
Установка windows 260 руб.
Спасаем Ваши данные - восстановление информации
С жесткого диска
После форматирования
С флешки и карты памяти
После удаления
Не зависимо от того, что послужило причиной потери данных, и на каком носителе произошло это неприятное явление, наши квалифицированные мастера восстановят все ваши данные, с сохранением конфиденциальности файлов на компьютере.
Восстановление данных 410 руб.
It-услуги для организаций и абонентское обслуживание организаций
- Администрирование компьютеров
- Ремонт периферии
- Информационная безопасность
- Настройка сети
Сложно представить себе успешный бизнес без грамотно организованных ИТ-услуг. Ведь от хорошо работающих компьютеров и хорошо организованной системе безопасности данных зависит очень многое. Обращайтесь к нам за it-услугами - мы не подведем.
Жёсткий диск («винчестер», hdd, hard disc drive — eng.) — накопитель информации основанный на магнитных пластинах и эффекте магнетизма.
Применяется повсеместно в персональных компьютерах, ноутбуках, серверах и так далее.
Устройство жёсткого диска. Как жёсткий диск работает.
В полу герметичном блоке находятся двусторонние пластины, с нанесённым на них магнитным слоем , посаженные на вал двигателя и вращающиеся со скоростью от 5400 оборотов в минуту.Блок не совсем герметичен, но самое главное он не пропускает мелкие частицы и не допускает перепадов влажности . Всё это пагубно сказывается на сроке службы и качестве работы жёсткого диска.
В современных жёстких дисках, для вала используются . Это даёт меньший шум при работе, значительно увеличивает долговечность и уменьшает шанс заклинивания вала из-за разрушившегося .
Считывание и запись производится с помощью блока головок .
В рабочем состоянии, головки парят над поверхностью диска на расстоянии ~10нм . Они имеют аэродинамическую форму и поднимаются над поверхностью диска за счёт восходящего потока от крутящейся пластины. Магнитные головки могут находится с двух сторон пластины, если с каждой стороны магнитного диска нанесены магнитные слои.
Соединённый блок головок имеет фиксированное положение , то есть головки перемещаются все вместе.
Всеми головками, управляет специальный привод основанный на электромагнетизме .
Неодимовый магнит создаёт магнитное поле , в котором с высокой скоростью реакции под воздействием тока, может перемещаться блок головок. Это лучший и самый быстрый вариант перемещения блока головок, а ведь когда то блок головок перемещался механически, с помощью шестерёнок.
Когда диск выключается, чтобы головки не опустились на диск и не повредили его, они убираются в зону парковки головок (парковочная зона, parking zone).
Это также, позволяет без особых ограничений транспортировать выключенные жёсткие диски. В выключенном состоянии, диск может выдержать большие нагрузки и не повредиться. Во включенном состоянии, даже небольшой толчёк под определённым углом может разрушить магнитный слой пластины или повредить головки при касании о диск.
Помимо герметичной части, у современных жёстких дисков есть наружная плата управления . Когда то, все платы управления были вставлены в материнскую плату компьютера в слоты расширения. Это было не удобно в плане универсальности и возможностей. Сейчас у жёстких дисков, вся управляющая диском электроника, и интерфейса расположены на небольшой плате в нижней части жёсткого диска. Благодаря этому, можно настроить каждый диск под определённые, выгодные с точки зрения его строения параметры, давая ему выигрыш в скорости, либо более тихую работу к примеру.
Для подключения интерфейса и питания используются стандартные общепринятые разъёмы / и Molex /Power SATA .
Особенности.
Жёсткие диски являются самыми ёмкими хранителями информации и относительно надёжными . Объёмы дисков постоянно растут, но в последнее время это связано с некоторыми сложностями и для дальнейшего расширения объёма, требуются новые технологии. Можно сказать, что жёсткие диски практически вышли на прямую в достижении максимальных возможностей. Распространению жёстких дисков в основном поспособствовало соотношение ценаобъём . В большинстве случаев, гигабайт объёма диска стоит меньше чем 2.5 рубля .
Плюсы и минусы жёстких дисков в сравнении с .
До появления твёрдотельных SSD (solid state drive ) — накопителей, у жёстких дисков не было конкурентов. Теперь у жёстких дисков есть направление куда нужно стремиться.
Минусы жёстких дисков (hard drive)(ssd) накопителями:
- низкая скорость последовательного чтения
- низкая скорость доступа
- низкая скорость чтения
- немного более низкая скорость записи
- вибрации и небольшой шум при работе
Хотя с другой стороны, у жёстких дисков есть другие, более весомые преимущества, к которым SSD накопителям стремиться и стремиться.
Плюсы жёстких дисков (hard drive) в сравнении с твёрдотельными (ssd) накопителями:
- значительно лучший показатель объёмцена
- лучший показатель надёжности
- больший максимальный объём
- при выходе из строя, в разы больший шанс восстановить данные
- лучший вариант для использования в медиа центрах, благодаря компактности и большому объёму 2.5 накопителей
О том, на что стоит обращать внимание при выборе жёсткого диска, можно посмотреть в нашей статье ««. Если вам необходим ремонт жесткого диска или восстановление информации, можно обратиться к .
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.
Если рассматривать жесткий диск в целом, то он состоит из двух основных частей: это плата электроники, на которой располагается так сказать "мозг" жесткого диска. На нем расположены процессор, так же присутствует управляющая программа, оперативное запоминающее устройство, усилитель записи и чтения. К механической части относятся такие части как блок магнитных головок имеющих аббревиатуру БМГ, двигатель, который придает вращение пластинам, ну и конечно же сами пластины. Давайте рассмотрим каждую часть более детально.
Гермоблок.
Гермоблок он же корпус жесткого диска - предназначен для крепления всех деталей, а так же выполняет функцию защиты от попадания частиц пыли на поверхность пластин. Стоит отметить что вскрытие гермоблока, можно осуществлять только в специально подготовленном для этого помещении, во избежание как раз таки попадания пыли и грязи внутрь корпуса.
Интегральная схема.
Интегральная схема или плата электроники синхронизирует работу жесткого диска с компьютером и управляет всеми процессами, в частности она поддерживает постоянной скорость вращения шпинделя и соответственно пластины, которая осуществляется двигателем.
Электромотор.
Электромотор или двигатель вращает пластины: около 7200 оборотов в секунду (взято среднее значение, есть винчестеры на которых скорость выше и доходит до 15000 оборотов в секунду, а есть и с меньшей скоростью около 5400, от скорости вращения пластин зависит скорость доступа к нужной информации на жестком диске).
Коромысло.
Коромысло предназначено для записи и чтения информации с пластин жесткого диска. Конец коромысла разделен и на нем находится блок магнитных головок, это сделано для того, что бы можно было записывать и считывать информацию с нескольких пластин.
Блок магнитных головок.
В состав коромысла входит блок магнитных головок, который довольно часто выходит из строя, но это "часто" параметр очень условный. Магнитные головки располагаются сверху и снизу пластин и служат для непосредственного считывания информации с платин, расположенных на жестком диске.
Пластины.
На пластинах непосредственно храниться информация, они изготавливаются из таких материалов как, алюминий, стекло и керамика. Самое большое распространение получил алюминий, а вот из двух остальных материалов изготавливают, так называемые "элитные диски". Первые выпускаемые пластины покрывались окисью железа, но этот ферромагнетик имел большой недостаток. Диски покрытые таким веществом имели небольшую износостойкость. На данный момент большинство производителей жестких дисков покрывают пластины кобальтом хрома, у которого запас прочности на порядок выше, чем у окиси железа. Пластисны крепятся на шпиндель на одинаковом друг от друга расстоянии, такая конструкция имеет название "пакет". Под дисками располагается двигатель или электромотор.
Каждая сторона пластины разбита на дорожки, они в свою очередь разделены на сектора или по другому блоки, все дорожки одного диаметра представляют из себя цилиндр.
Все современные винчестеры имеют так называемый "инженерный цилиндр", на нем хранятся служебная информация, такая как модель hdd, серийный номер и др. Эта информация предназначена для считывания компьютером.
Принцип работы жесткого диска
Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня его создания. Устройство винчестера очень похоже на обыкновенный проигрыватель грампластинок. Только под корпусом может быть несколько пластин, насаженных на общую ось, и головки могут считывать информацию сразу с обеих сторон каждой пластины. Скорость вращения пластин постоянна и является одной из основных характеристик. Головка перемещается вдоль пластины на некотором фиксированном расстоянии от поверхности. Чем меньше это расстояние, тем больше точность считывания информации, и тем больше может быть плотность записи информации.
Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидите только прочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех. Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы. Механизмы - это сами диски, на которых хранится информация, головки, которые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение.
Диск представляет собой круглую пластину с очень ровной поверхностью чаще из алюминия, реже - из керамики или стекла, покрытую тонким ферро магнитным слоем. Во многих накопителях используется слой оксида железа (которым покрывается обычная магнитная лента), но новейшие модели жестких дисков работают со слоем кобальта толщиной порядка десяти микрон. Такое покрытие более прочно и, кроме того, позволяет значительно увеличить плотность записи. Технология его нанесения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем.
Количество дисков может быть различным - от одного до пяти, количество рабочих поверхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом диске). Последнее (как и материал, использованный для магнитного покрытия) определяет емкость жесткого диска. Иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются, что позволяет уменьшить высоту накопителя, но при этом количество рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.
Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принцип записи в общем схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и "запомнить".
Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Для наглядности представьте себе, что диск покрыт слоем очень маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны. Такие частицы-стрелки называются доменами. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск информация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности.
Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним. Для того, чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера должен иметь запас по пиковой мощности. Теперь о работе головок. Они перемещаются с помощью шагового двигателя и как бы "плывут" на расстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки, в форме концентрических окружностей.
Они называются магнитными дорожками. Перемещаясь, головки останавливаются над каждой следующей дорожкой. Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех поверхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми номерами.
