Структурная схема hdd. Что такое жесткий диск компьютера

Лекция №5: Накопители информации

План

1. Жесткие диски
2. Твердотельные накопители

1. Жесткие диски

Историческая справка

В ходе развития жёстких дисков сменилось шесть типоразмеров – форм-факторов.

Рисунок 1. Типоразмеры HDD

1956 год – жёсткий диск IBM 350 в составе первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC. Накопитель занимал ящик размером с большой холодильник и имел вес 971 кг, а общий объём памяти 50 вращавшихся в нём покрытых чистым железом тонких дисков диаметром 610 мм составлял около 5 миллионов 6-битных байт (3,5 Мб в пересчёте на 8-битные байты).
1980 год – первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart ST-506, 5 Мб.
1981 год – 5,25-дюймовый Shugart ST-412, 10 Мб.
1986 год – стандарты SCSI, ATA(IDE).
1991 год – максимальная ёмкость 100 Мб.
1995 год – максимальная ёмкость 2 Гб.
1997 год – максимальная ёмкость 10 Гб.
1998 год – стандарты UDMA/33 и ATAPI.
1999 год – IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 Мб.
2002 год – стандарт ATA/ATAPI-6 и накопители емкостью свыше 137 Гб.
2003 год – появление SATA.
2005 год – максимальная ёмкость 500 Гб.
– стандарт Serial ATA 3G (или SATA II), появление SAS (Serial Attached SCSI).
2006 год – применение перпендикулярного метода записи в коммерческих накопителях.
– появление первых «гибридных» жёстких дисков, содержащих блок флэш-памяти.
2007 год – Hitachi представляет первый коммерческий накопитель ёмкостью 1 Тб.
2009 год – на основе 500-гигабайтных пластин Western Digital, затем Seagate Technology LLC выпустили модели ёмкостью 2 Тб.
– Western Digital объявила о создании 2,5-дюймовых HDD объемом 1 Тб (плотность записи - 333 Гб на одной пластине)
– появление стандарта SATA 3.0 (SATA 6G).
2010 год – компания Seagate приступает к разработки HDD объемом 3ТБ.

Определение и устройство HDD
Накопитель на жёстких магнитных дисках или НЖМД (англ. Hard Disk Drive, HDD ), жёсткий диск , винчестер , в компьютерном сленге «винт» , хард , хард диск – устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

Принципиально HDD состоит из следующих основных блоков:
Блок электроники включает в себя контакты и микросхему, на которой расположены: контроллер управления HDD, разъемы питания, блок перемычек, разъем для шлейфов (интерфейс подключения).
Механический блок состоит из магнитных пластин, шпинделя, коромысла, осей вращения коромысла, сервопривода коромысла, головок чтения и записи.
Корпус – это конструкция в которой расположены все элементы HDD.

Рисунок 2. Схема устройства HDD

Рисунок 3. Устройство HDD

Принципы хранения информации на HDD
Информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые, керамические или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала (оксид железа), чаще всего двуокиси хрома. В НЖМД используется от одной до нескольких пластин на одной оси.
Данные хранятся на пластинах в виде концентрических дорожек, каждая из которых разделена на секторы по 512 байт, состоящие из горизонтально ориентированных доменов. Ориентация доменов в магнитном слое служит для распознавания двоичной информации (0 или 1). Размер доменов определяет плотность записи данных с целью, адресации пространства поверхности пластин диска, которые делятся на дорожки – концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки – секторы .

Цилиндр – совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жёсткого диска. Номер головки задает используемую рабочую поверхность (то есть конкретную дорожку из цилиндра), а номер сектора – конкретный сектор на дорожке.

Организация считывания/записи данных происходит благодаря головкам чтения/записи (ГЧЗ). В рабочем режиме ГЧЗ не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм ). Отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне (зона парковки), где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Рисунок 4. Организация пластин HDD.

Режимы адресации

Существует 2 основных способа адресации секторов на диске: цилиндр-головка-сектор (англ. cylinder — head — sector , CHS ) и линейная адресация блоков (англ. linear block addressing , LBA ).

CHS
При этом способе сектор адресуется по его физическому положению на диске 3 координатами - номером цилиндра , номером головки и номером сектора . В современных дисках со встроенными контроллерами эти координаты уже не соответствуют физическому положению сектора на диске и являются «логическими координатами»
Адресация CHS предполагает, что все дорожки в заданной зоне диска имеют одинаковое число секторов. Чтобы использовать адресацию CHS, необходимо знать геометрию используемого диска: общее количество цилиндров, головок и секторов в нем. Первоначально эту информацию требовалось задавать вручную; в стандарте ATA – была введена функция авто определения геометрии (команда Identify Drive).

LBA
При этом способе адрес блоков данных на носителе задаётся с помощью логического линейного адреса. LBA-адресация начала внедряться и использоваться в 1994 году совместно со стандартом EIDE (Extended IDE). Стандарты ATA требуют однозначного соответствия между режимами CHS и LBA:
LBA = [ (Cylinder * no of heads + heads) * sectors/track ] + (Sector-1)
Метод LBA соответствует Sector Mapping для SCSI. BIOS SCSI-контроллера выполняет эти задачи автоматически, то есть для SCSI-интерфейса метод логической адресации был характерен изначально.
Характеристики HDD

В настоящее время выделяют следующие характеристики HDD:

Интерфейс (англ. interface ) – совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии правил (протокола) обмена.
Серийно выпускаемые жёсткие диски могут использовать интерфейсы:

Ёмкость (англ. capacity ) - количество данных, которые могут храниться накопителем. С момента создания первых жестких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная емкость непрерывно увеличивается. Ёмкость современных жестких дисков (с форм-фактором 3.5 дюйма) на начало 2010г. достигает 2000 Гб (2 Терабайта). Однако компания Seagate подтвердила разработку HDD с объемом 3ТБ.

Примечание: в отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину (см.: двоичные приставки), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 ГБ.

Физический размер (форм-фактор) (англ. dimension ). Почти все современные (2001-2008 года) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3.5, либо 2.5 дюйма - под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках. Также получили распространение форматы 1.8 дюйма, 1.3 дюйма, 1 дюйм и 0.85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5.25 дюймов.

Время произвольного доступа (англ. random access time ) - время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик - от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 мс), самым большим из актуальных - диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 - 12,5).

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

Надёжность (англ. reliability ) - определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF ). Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T.

Количество операций ввода-вывода в секунду - у современных дисков это около 50 оп./с при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Потребление энергии - важный фактор для мобильных устройств.

Уровень шума - шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

Сопротивляемость ударам (англ. G — shock rating ) - сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate ) при последовательном доступе:

• внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;
• внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.

Объём буфера - буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В дисках 2009 года он обычно варьируется от 8 до 64 Мб.

Плотность записи на пластине (поверхностная плотность) зависит от расстояния между дорожками (поперечная плотность) и минимального размера магнитного домена (продольная плотность). Обобщающим критерием выступает плотность записи на единицу площади диска или емкость пластины. Чем выше плотность записи, тем больше скорость обмена данными между головками и буфером (внутренняя скорость передачи данных). Постепенно резервы роста, обусловленные отмеченным выше технологическим скачком, пошли на убыль. К 2003 г. типовая емкость пластин жестких дисков достигла 80 Гбайт. В 2004 г. появились диски с пластинами емкостью 100 Мбайт, в 2005 г. — 133 Мбайт, в 2009 – 333ГБ

Минимальной адресуемой областью данных на жёстком диске является сектор . Размер сектора традиционно равен 512 байт. В 2006 году IDEMA объявила о переходе на размер сектора 4096 байт, который планируется завершить к 2010 году.

В окончательной версии Windows Vista, вышедшей в 2007 году, присутствует ограниченная поддержка дисков с таким размером сектора.

Технологии записи данных на жесткие диски

Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

Метод параллельной записи
Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей - доменов. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.

Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². В настоящее время происходит постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.

Метод перпендикулярной записи
Метод перпендикулярной записи - это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современныхобразцов - 60 Гбит/см². Жёсткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.

Метод тепловой магнитной записи
Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat- assisted magnetic recording, HAMR ) на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на 2009 год), есть лишь экспериментальные образцы, плотность записи которых 150 Гбит/см². Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 2,3−3,1 Тбит/см², а представители Seagate Technology предполагают, что они смогут довести плотность записи HAMR-носители до 7,75 Тбит/см². Широкого распространения данной технологии следует ожидать в 2011-2012 годах.

Технология RAID

RAID (англ. redundant array of independent/inexpensive disks) избыточный массив независимых/недорогих жёстких дисков - матрица из нескольких дисков управляемых контроллером, взаимосвязанных скоростными каналами и воспринимаемых как единое целое. В зависимости от типа используемого массива может обеспечивать различные степени отказоустойчивости и быстродействия. Служит для повышения надёжности хранения данных и/или для повышения скорости чтения/записи информации (RAID 0).

RAID 0

RAID 0 («Striping») представляет собой дисковый массив из 2 или более дисков, в котором информация разбита на блоки А n и последовательно записана на жесткие диски. Соответственно информация записывается и читается одновременно, что увеличивает скорость.

Рисунок 5. Схема RAID 0

К сожалению, при отказе одного из дисков информация необратимо теряется, поэтому применяется либо в домашних условиях, либо для хранения файла подкачки, своп файла.

RAID 1

RAID 1 (Mirroring — «зеркалирование»). В данном случае один диск полностью повторяет другой, что гарантирует работоспособность при поломке одного диска, но объем полезного пространства уменьшается вдвое. Поскольку диски покупаются одновременно, в случае бракованной партии возможен отказ обоих дисков. Скорость записи приблизительно равна скорости записи на один диск, возможно чтение сразу с двух дисков (если контроллер поддерживает данную функцию), что увеличивает скорость.

Рисунок 6. Схема RAID 1

Применяется чаще всего в малых офисах под базы данных, либо для хранения операционной системы.

RAID 10

RAID 10 (RAID 1+0). Сочетает в себе принципы RAID 0 и RAID 1. При его применении каждый жесткий диск имеет свою «зеркальную пару», при это используется половина полезного объема. Работоспособен пока существует один рабочий диск из каждой пары. Наиболее высокие показатели записи/перезаписи, сопоставимы с RAID 5 по скорости чтения. Применяется для хранения баз данных, при высокой нагрузке.

RAID 5

RAID 5. В данном случае все данные разбиваются на блоки и для каждого набора считается контрольная сумма, которая хранится на одном из дисков – циклически записывается на все диски массива (попеременно на каждый), и используется для восстановления данных. Устойчив к потере не более чем одного диска.

Рисунок 7. Схема RAID 5

RAID 5 имеет высокие показатели чтения – информация считывается почти со всех дисков, но уменьшенную производительность при записи – требуется вычислять контрольную сумму. Но самая критичная операция перезапись, так как она проходит в несколько этапов:
1) Чтение данных
2) Чтение контрольной суммы
3) Сравнение новых и старых данных
4) Запись новых данных
5) Запись новой контрольной суммы
6) Применяются при необходимости большого объема, и высокой скорости чтения.

RAID 6

RAID 6 (ADG). Логическое продолжение RAID 5. Отличие заключается в том что контрольная сумма высчитывается 2 раза, и, как следствие имеет большую надежность (устойчив при поломке более 2 дисков), и меньшую производительность.

Рисунок 8. Схема RAID 6

Организация работы RAID обеспечивается RAID-контроллерами, которые могут быть: встроенными в материнскую плату, внутренними (в виде платы) и внешними.

Рисунок 9. Внутренний RAID контроллер

Два или более дисков подключаются к контроллеру в сервере либо внешняя дисковая полка подключается к контроллеру, в зависимости от выбранного уровня отказоустойчивости, защищает от поломки одного или более дисков, сохраняя работоспособность.

При наличии энергонезависимого кэша и использовании SAS дисков, защищает от проблем, связанных с перебоями электропитания, за исключением тех случаев, когда происходит электрическое повреждение оборудование. Но при повреждении сервера возможна потеря данных.

Защищает данные от:
— аппаратных проблем — отказ, порча, поломка оборудования. Частично, только от отказа жестких дисков;
— сбои электропитания – частично, защищает данные, хранимые в буфере контроллера в очереди на запись, но ограниченное время и только при наличии аккумулятора на контроллере.

Не защищает от:
— программных сбоев;
— человеческого фактора;
— инфраструктурных проблем (хотя все соединения, как правило, находятся внутри сервера);
— аварий;
— катастроф.

Основная цель применения – защита данных от потери при отказе жесткого диска, так же, одна из причин внедрения — потребность в повышенной производительности дисковой подсистемы.

RAID контроллеры поставляют многие компании: IBM, DELL, SUN, HP, Adaptec, 3ware, LSI, и прочие.

Внешний RAID массив

Рисунок 10. Внешний RAID массив

Начальный уровень. Диски и контроллер вынесены в отдельную внешнюю систему. Один или несколько серверов могут быть подключены к внешнему массиву различными интерфейсами, к примеру SAS, iSCSI, FC. Почти все такие системы имеют дублирование вентиляторов и блоков питания, многие предусматривают возможность установки дублирующего контроллера. Сами по себе, внешние RAID массивы более производительны и надежны по сравнению с внутренними RAID контроллерами и могут расширяться до более чем сотни дисков (при помощи дисковых полок).

На данный момент во многих моделях есть продвинутые средства мониторинга и управления, как самим массивом, так и данными на нём. Средства контроля за состоянием дисков заранее оповещают о возможном отказе, большинство достойных производителей меняют диски только на основании данных сообщений, до факта неработоспособности. У некоторых моделей есть возможно делать мгновенные снимки – (snapshot), что позволяет защитить данные и упрощает резервное копирование.

Защищает данные от:
— аппаратных проблем – частично, при наличии дублирования всех систем.
— Программных сбоев – частично, некоторые массивы обладают функциями создания мгновенных копий, что поможет создавать множественные снимки;
— инфраструктурных проблем – защищают при условии дублирования всех массивов вне сервера;
— сбои электропитания – частично, защищает данные в буфере контроллера на запись при наличии аккумулятора. Наличие дублированных блоков питания гарантирует большую надежность.

Не защищают от:
— человеческого фактора;
— аварий;
— катастроф.

Причиной внедрения является либо потребность в консолидации ресурсов хранения, их более простом управлении, возможности одновременного доступа (например, при создании кластера), либо потребность в высокой производительности, либо потребность в большей надежности (дублирование путей к контроллеру).

Типичные представители класса: Xyratex 5xxx/6xxx, Dell MD3000, IBM 3XXX, HP MSA 2000.

2. Твердотельные накопители

Рисунок 11. Накопитель SSD

Твердотельный накопитель (англ. SSD, solid-state drive) – компьютерное запоминающее устройство на основе микросхем памяти, управляемые контроллером. SSD накопители не содержат движущихся механических частей.

Различают два вида твердотельных накопителей: SSD на основе памяти, подобной оперативной памяти компьютеров, и SSD на основе флэш-памяти.

В настоящее время твердотельные накопители используются в компактных устройствах: ноутбуках, нетбуках, коммуникаторах и смартфонах. Некоторые известные производители переключились на выпуск твердотельных накопителей уже полностью, например, копания Samsung в 2011 году продала бизнес по производству жёстких дисков компании Seagate.

Существуют гибридные жесткие диски, такие устройства сочетают в одном устройстве накопитель на жёстких магнитных дисках (HDD) и твердотельный накопитель относительно небольшого объёма, в качестве кэша (для увеличения производительности и срока службы устройства, снижения энергопотребления). Пока, такие диски используются, в основном, в переносных устройствах (ноутбуках, сотовых телефонах и т. п.).

Рисунок 12. Гибридный накопитель Seagate Momentus XT 500 GB

Рисунок 13. Гибридный накопитель Seagate Momentus XT 500 GB

Рисунок 14. Блок электроники гибридного накопителя Seagate Momentus XT 500 GB

История развития

1978 год – американская компания StorageTek разработала первый полупроводниковый накопитель современного типа (основанный на RAM-памяти).
1982 год – американская компания Cray представила полупроводниковый накопитель на RAM-памяти для своих суперкомпьютеров Cray-1 со скоростью 100 МБит/с и Cray X-MP со скоростью 320 МБит/с, объемом 8, 16 или 32 миллиона 64 разрядных слов.
1995 год – израильская компания M-Systems представила первый полупроводниковый накопитель на flash-памяти.
2008 год – Южнокорейской компании Mtron Storage Technology удалось создать SSD накопитель со скоростью записи 240 МБ/с и скоростью чтения 260 МБ/с, который она продемонстрировала на выставке в Сеуле. Объём данного накопителя - 128 ГБ. По заявлению компании, выпуск таких устройств начнётся уже в 2009 году.
2009 год – Super Talent Technology выпустила SSD объёмом 512 гигабайт., OCZ представляет SSD объёмом 1 терабайт.

В настоящее время наиболее заметными компаниями, которые интенсивно развивают SSD-направление в своей деятельности, можно назвать Intel, Kingston, Samsung Electronics, SanDisk, Corsair, Renice, OCZ Technology, Crucial и ADATA. Кроме того, свой интерес к этому рынку демонстрирует Toshiba.

Устройство и функционирование

SSD накопители бывают двух типов:

NAND SSD
NAND SSD – накопители, построенные на использовании энергонезависимой памяти (NAND SSD), появились относительно недавно с гораздо более низкой стоимостью (от 2 долларов США за гигабайт), и, начали уверенное завоевание рынка. До недавнего времени существенно уступали традиционным накопителям – жестким дискам – в скорости записи, но компенсировали это высокой скоростью поиска информации (начального позиционирования). Сейчас уже выпускаются твердотельные накопители Flash со скоростью чтения и записи, в разы превосходящие возможности жестких дисков. Характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением.

RAM SSD
RAM SSD– это накопители, построенные на использовании энергозависимой памяти (такой же, какая используется в ОЗУ ПК) характеризуются сверхбыстрыми чтением, записью и поиском информации. Основным их недостатком является чрезвычайно высокая стоимость (от 80 до 800 долларов США за Гигабайт). Используются, в основном, для ускорения работы крупных систем управления базами данных и мощных графических станций. Такие накопители, как правило, оснащены аккумуляторами для сохранения данных при потере питания, а более дорогие модели - системами резервного и/или оперативного копирования.

Преимущества и недостатки
Преимущества , по сравнению с жёсткими дисками (HDD):

• отсутствие движущихся частей;
• высокая скорость чтения/записи, нередко превосходящая пропускную способность интерфейса жесткого диска (SAS/SATA II 3 Gb/s, SAS/SATA III 6 Gb/s, SCSI, Fibre Channel и т. д.);
• низкое энергопотребление;
• полное отсутствие шума из-за отсутствия движущихся частей и охлаждающих вентиляторов;
• высокая механическая стойкость;
• широкий диапазон рабочих температур;
• стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;
• малые габариты и вес;
• большой модернизационный потенциал как у самих накопителей так и у технологий их производства.
• намного меньшая чувствительность к внешним электромагнитным полям.

Недостатки :

• Главный недостаток SSD - ограниченное количество циклов перезаписи. Обычная (MLC, Multi-level cell, многоуровневые ячейки памяти) флеш-память позволяет записывать данные примерно 10 000 раз. Более дорогостоящие виды памяти (SLC, Single-level cell, одноуровневые ячейки памяти) - более 100 000 раз Для борьбы с неравномерным износом применяются схемы балансирования нагрузки. Контроллер хранит информацию о том, сколько раз какие блоки перезаписывались и при необходимости «меняет их местами»;
• Проблема совместимости SSD накопителей с устаревшими и даже многими актуальными версиями ОС семейства Microsoft Windows, которые не учитывают специфику SSD накопителей и дополнительно изнашивают их. Использование операционными системами механизма свопинга (подкачки) на SSD также, с большой вероятностью, уменьшает срок эксплуатации накопителя;
• Цена гигабайта SSD-накопителей существенно выше цены гигабайта HDD. К тому же, стоимость SSD прямо пропорциональна их ёмкости, в то время как стоимость традиционных жёстких дисков зависит от количества пластин и медленнее растёт при увеличении объёма накопителя.

Microsoft Windows и компьютеры данной платформы с твердотельными накопителями.

В ОС Windows 7 введена специальная оптимизация для работы с твердотельными накопителями. При наличии SSD-накопителей, эта операционная система работает с ними иначе, чем с обычными HDD-дисками. Например, Windows 7 не применяет к SSD-диску дефрагментацию, технологии Superfetch и ReadyBoost и другие техники упреждающего чтения, ускоряющие загрузку приложений с обычных HDD-дисков.

Предыдущие версии Microsoft Windows такой специальной оптимизации не имеют и рассчитаны на работу только с обычными жесткими дисками. Поэтому, например, некоторые файловые операции Windows Vista, не будучи отключенными, могут уменьшить срок службы SSD-накопителя. Операция дефрагментации должна быть отключена, так как она практически никак не влияет на производительность SSD-носителя и лишь дополнительно изнашивает его.

Компания ASUS ещё в 2007 г. выпустила нетбук EEE PC 701 с SSD-накопителем объёмом 4Гб. Компания Dell 9 сентября 2011 года заявила о первой на рынке комплектации ноутбуков Dell Precision твердотельной памятью объемами 512Гб одним накопителем и 1Тб двумя накопителями для моделей компьютеров M4600 и M6600 соответственно. Производитель установил цену за один 512Гб SATA3 накопитель на момент объявления в $1120 долларов США.

На SSD-накопителе работают планшеты компании Acer - модели Iconia Tab W500 и W501, Fujitsu Stylistic Q550 под управлением Windows 7.

Mac OS X и компьютеры Макинтош с твердотельными накопителями

Операционная система Mac OS X начиная с версии 10.7 (Lion) полностью осуществляет TRIM-поддержку для установленной в системе твердотельной памяти.

С 2010 года компания Apple представила компьютеры линейки Air полностью комплектуемые только твердотельной памятью на основе Флеш-NAND памяти. До 2010 г. покупатель мог выбрать для данного компьютера обычный жесткий диск в комплектации, но дальнейшее развитие линейки в пользу максимального облегчения и уменьшения корпуса компьютеров данной серии потребовало полного отказа от обычных жестких дисков в пользу твердотельных накопителей. Объем комплектуемой памяти в компьютерах серии Air составляет от 64Гб до 512Гб. По данным J.P. Morgan с момента представления было продано 420 000 компьютеров этой серии полностью на твердотельной Флэш-NAND памяти.

3. Магнитные и оптические накопители

Самостоятельное изучение.

Компьютер – незаменимая составляющая человеческого общества. Он обрабатывает картинки, звуки, числа, слова. К счастью всю информацию можно сохранить, чтобы не потерять когда компьютер выключается.

Задача жесткого диска внутри компьютера – сохранять и выдавать информацию очень быстро. Жесткий диск очень удивительное изобретение компьютерной индустрии. Он может хранить астрономическое количество информации. Этот миниатюрный прибор записывает практически не ограниченное количество информации, пользуясь законами физики.

Если случайно произвести форматирование жесткого диска, то восстановить данные с него будет можно, но долго и дорого.

Как работает жесткий диск?

Чтобы понять – нужно сломать. Жесткий диск состоит из пяти основных частей:

Защищать диск необходимо, если мы хотим пользоваться этим устройством годами. А какие могут быть повреждения? Повреждения диска это не метафора. В таких тонких слоях, вес головки приравнивается к весу 747 самолетов, а вес 747 самолетов сопоставим с весом ста тысяч пассажиров летящих на скорости 100 километров в час. Отклонение в доли миллиметра и все…

Какую же важную роль играет сила трения, когда коромысло начинает считывать информацию, смещаясь до 60 раз в секунду. Двигатель коромысла невидим, потому что эта электромагнитная система работает на взаимодействии двух силах природы – электричества и магнетизма. Такое взаимодействие разгоняет коромысло до скоростей света.

До этого речь шла о компонентах, теперь поговорим о хранении данных. Данные хранятся в узких дорожках на поверхности диска. При производстве на диске создается более двухсот тысяч таких дорожек. Каждая дорожка разделена на секторы. Карта дорожек и секторов позволяет головке определить, куда записать или где считать информацию. Поверхность диска гладкая и блестящая, но при более близком рассмотрении структура оказывается сложнее. Ферримагнитная пленка на поверхности запоминает всю записанную информацию. Головка намагничивает микроскопическую область на пленке устанавливая магнитный момент такой ячейки в одно из состояний «0» или «1», каждый такой ноль и единица называется битами. Значение бита соответствует ориентации магнитного поля плюсу или минусу и не стоит беспокоиться за сохранности данных, потому что фотография хорошего качества занимает около 29 миллионов таких ячеек и разбросана по 12 различным секторам. Звучит впечатляюще, но в действительности такое невероятное количество битов занимает очень маленький участок на поверхности диска. Каждый квадратный сантиметр поверхности включает в себя 31 миллиард битов. Вот это я понимаю память.

Жесткий диск записывает и выдает информацию на скоростях, которую трудно представить. Используя законы магнетизма, тонкая пленка может запомнить множество разных энциклопедий или сотни тысяч фотографий легко. Жесткий диск на самом деле изумительно миниатюрный прибор, записывающий любую информацию в маленьких битах. Этот шедевр инженерной мысли расширяет рамки разумной физики бит за битом.

Как хорошо известно большинству пользователей персонального компьютера, все данные в ПК хранятся на жестком диске - устройстве хранения информации произвольного доступа, которое работает на основе принципа магнитной записи. Современные жесткие диски способны вместить в себе информацию, общим объемом до 6 терабайт (емкость самого вместительного на данный момент диска, выпущенного фирмой HGST), что еще десять лет назад казалось невозможным. Помимо того, что жесткий диск компьютера обладает колоссальной емкостью, благодаря применяющимся в его работе сложным современным технологиям он еще и позволяет получать практически мгновенный доступ к хранящейся на нем информации, без чего продуктивная работа ПК была бы невозможной. Как же устроено это чудо современной техники, и каким образом оно работает?

Устройство жесткого диска

Если снять верхнюю крышку жесткого диска, вы увидите лишь плату электроники и еще одну крышку, под которой находится герметическая зона. Именно в этой гермозоне и расположены основные элементы HDD. Несмотря на распространенное мнение, что гермозона жесткого диска содержит вакуум, это вовсе не так – внутри гермозона заполнена очищенным от пыли сухим воздухом, а в крышке обычно имеется небольшое отверстие с очищающим фильтром, предназначенное для выравнивания давления воздуха внутри гермозоны.

В целом жесткий диск состоит из следующих основных компонентов:

Принцип работы жесткого диска

Что же происходит, когда на жесткий диск компьютера подается питание и он начинает работать? Следуя команде электронного контроллера, двигатель жесткого диска начинает вращаться, приводя тем самым в движение и магнитные диски, которые жестко прикреплены к его оси. Как только скорость вращения шпинделя достигает значения, достаточного для того, чтобы над поверхностью диска образовался постоянный поток воздуха, который не даст считывающейся головке упасть на поверхность накопителя, механизм коромысла начинает двигать считывающие головки, и они зависают над поверхностью диска. При этом расстояние от считывающей головки до магнитного слоя накопителя составляет всего лишь около 10 нанометров, что равно одной миллиардной части метра.

Первым делом при включении жесткого диска происходит считывание с накопителя служебной информации (ее также называют «нулевой дорожкой»), которая содержит сведения о диске и его состоянии. Если сектора со служебной информацией повреждены, то винчестер не будет работать.

Затем начинается непосредственно работа с данными, расположенными на диске. Частицы ферромагнитного материала, которым покрыта поверхность диска, под воздействием магнитной головки условно формируют биты – единицы хранения цифровой информации. Данные на жестком диске распределены по дорожкам, представляющим собой кольцевую область на поверхности одного магнитного диска. Дорожка в свою очередь поделена на одинаковые отрезки, называемые секторами. Таким образом, паря над рабочей поверхностью диска, магнитная головка может посредством изменения магнитного поля осуществлять запись данных строго в определенное место накопителя, а с помощью улавливания магнитного потока происходит считывание информации по секторам.

Форматирование жесткого диска

Для того, чтобы на жесткий диск можно было наносить данные, его предварительно подвергают процессу форматирования. Также форматирование иногда требуется при переустановке операционной системы, правда во втором случае форматируется не весь диск, а лишь один его логический раздел.

Во время форматирования на диск наносится служебная информация, а также данные о нахождении секторов и треков на поверхности диска. Это необходимо для точного позиционирования магнитных головок при работе с жестким диском.

Характеристики жесткого диска

Современный рынок жестких дисков предлагает на выбор самые разнообразные модели винчестеров, отличающиеся между собой по различным техническим параметрам. Вот основные характеристики, по которым различаются жесткие диски:

• Интерфейс подключения. Большинство современных жестких дисков подключаются к материнской плате посредством интерфейса SATA, однако встречаются модели и с другими типами подключений: eSATA, FireWire, Thunderbolt и IDE.
• Емкость. Величина, характеризующая количество информации, способное поместиться на жестком диске. На данный момент наибольшей популярностью пользуются накопители емкостью 500 Гб и 1 Тб.
• Форм-фактор. Современные жесткие диски выпускают в двух физических размерах: 2,5 дюйма и 3,5 дюйма. Первые предназначены для использования в ноутбуках и компактных версиях ПК, вторые используются в обычных настольных компьютерах.
• Скорость вращения шпинделя. Чем выше скорость вращения шпинделя жесткого диска, тем быстрее он работает. Основная масса винчестеров на рынке имеют скорость вращения 5400 или 7200 оборотов за минуту, однако встречаются также диски со скоростью вращения шпинделя 10000 об/мин.
• Объем буфера. Для сглаживания разницы в скорости чтения/записи и передачи через интерфейс в жестких дисках используется промежуточная память, именуемая буфером. Объем буфера составляет от 8 до 128 мегабайт.
• Время произвольного доступа. Это время, которое требуется для выполнение операции по позиционированию магнитной головки на произвольный участок поверхности жесткого диска. Может составлять от 2,5 до 16 миллисекунд.

Почему жесткий диск называют винчестером?

Согласно одной из версий, свое неофициальное прозвище «винчестер» жесткий диск получил в 1973 году, когда был выпущен первый в мире HDD, в котором считывающие аэродинамические головки размещались в одной герметичной коробке с магнитными пластинами. Данный накопитель имел емкость 30 Мбайт плюс 30 Мбайт в сменном отсеке, из-за чего инженеры, которые трудились над его разработкой дали ему кодовое название 30-30, что было созвучно с обозначением популярного ружья, использующего патрон.30-30 Winchester. В начале девяностых годов название «винчестер» вышло из употребления в странах Европы и США, но до сих пор пользуется популярностью в русскоязычных странах. Также нередко можно услышать более сокращенную сленговую версию названия винчестер – «винт», употребляемую в основном компьютерными специалистами.

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

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

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

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

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

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

Характеристики

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

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

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

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

Рынок HDD

История

Название

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

Огромные магнитофоны

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

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

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

Диски Рабинова

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

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

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

1956: IBM RAMAC - шкаф 975 кг

2000-е: Перпендикулярная магнитная запись

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

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

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

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

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

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

HAMR HDD , который использует лазер на головке чтения\записи жесткого диска чтобы более плотно располагать меньшие биты на вращающемся диске по сравнению с традиционной магнитной записью.

Современное представление о дисках

Диски эволюционировали по нескольким магистральным направлениям:

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

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

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

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

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