Привод жесткого диска

Привод жесткого диска

Частично разобранный IBM 350 (RAMAC)
Дата изобретения	24 декабря 1954 г . ; 66 лет назад [а] (1954-12-24)
Изобретенный	Команда IBM под руководством Рей Джонсона

Внутреннее устройство 2,5-дюймового жесткого диска ноутбука

Разобранный и промаркированный жесткий диск 1997 года, лежащий на зеркале.

Воспроизвести медиа

Обзор того, как работают жесткие диски

Жесткий диск ( HDD ), жесткий диск , жесткий диск , или фиксированный диск ^[Ь] представляет собой электромеханическое устройство для хранения данных , который хранит и извлекает цифровые данные , используя магнитную памяти и один или несколько жестких быстро вращающиеся пластины , покрытые магнитным материал. Пластины соединены с магнитными головками , обычно расположенными на движущемся рычаге исполнительного механизма , которые считывают и записывают данные на поверхности пластин. ^[2] Доступ к данным осуществляется с произвольным доступом , что означает, что отдельные блокиданных можно сохранять и извлекать в любом порядке. Жесткие диски - это тип энергонезависимого хранилища , в котором хранятся данные даже при отключении питания. ^{[3] [4] [5]} Современные жесткие диски обычно имеют форму небольшой прямоугольной коробки .

Представленные IBM в 1956 году ^[6] жесткие диски были доминирующим вторичным запоминающим устройством для компьютеров общего назначения, начиная с начала 1960-х годов. Жесткие диски сохранили эту позицию в современную эпоху серверов и персональных компьютеров , хотя персональные вычислительные устройства, производимые в больших объемах, такие как сотовые телефоны и планшеты, полагаются на устройства хранения флэш-памяти . Исторически жесткие диски производили более 224 компаний , хотя после масштабной консолидации отрасли большинство устройств производятся Seagate , Toshiba и Western Digital.. Жесткие диски преобладают в объеме хранилища, производимого ( эксабайт в год) для серверов . Хотя производство растет медленно (на отгруженные эксабайты ^[7] ), выручка от продаж и штучные поставки снижаются, поскольку твердотельные накопители (SSD) имеют более высокую скорость передачи данных, более высокую плотность хранения, более высокую надежность ^[8] и намного ниже. задержка и время доступа. ^{[9] [10] [11] [12]}

Выручка от SSD, большинство из которых использует флэш-память NAND , немного превышает выручку от HDD. ^{[13] По} состоянию на 2017 год выручка от флеш-накопителей более чем в два раза превышала выручку от жестких дисков ^[update]. ^[14] Хотя твердотельные накопители имеют в четыре-девять раз более высокую стоимость за бит, ^{[15] [16]} они заменяют жесткие диски в приложениях, где важны скорость, энергопотребление, небольшой размер, высокая емкость и надежность. ^{[11] [12]} Стоимость на бит для твердотельных накопителей снижается, а надбавка к цене по сравнению с жесткими дисками сузилась. ^[16]

Основными характеристиками жесткого диска являются его емкость и производительность . Емкость указывается в префиксах единиц, соответствующих степени 1000: диск емкостью 1 терабайт (ТБ) имеет емкость 1000 гигабайт (ГБ; где 1 гигабайт = 1 миллиард (10 ⁹ ) байтов ). Как правило, некоторая часть емкости жесткого диска недоступна для пользователя, поскольку она используется файловой системой и операционной системой компьютера.и, возможно, встроенное резервирование для исправления ошибок и восстановления. Также существует путаница в отношении емкости хранилища, поскольку емкость указывается в десятичных гигабайтах (степень 1000) производителями жестких дисков, тогда как наиболее часто используемые операционные системы сообщают емкость в степени 1024, что приводит к меньшему количеству, чем заявлено. Производительность определяется временем, необходимым для перемещения головок на дорожку или цилиндр (среднее время доступа), добавляя время, необходимое для перемещения желаемого сектора под головкой (средняя задержка , которая является функцией физической скорости вращения в оборотах). в минуту ) и, наконец, скорость передачи данных (скорость передачи данных).

Два наиболее распространенных форм-фактора для современных жестких дисков: 3,5 дюйма для настольных компьютеров и 2,5 дюйма, в первую очередь для ноутбуков. Жесткие диски подключаются к системам стандартными интерфейсными кабелями, такими как кабели PATA (Parallel ATA), SATA (Serial ATA), USB или SAS ( Serial Attached SCSI ).

История

Первый серийный жесткий диск IBM, 350 disk storage , был поставлен в 1957 году как компонент системы IBM 305 RAMAC. Он был размером примерно с два холодильника среднего размера и хранил пять миллионов шестибитных символов (3,75 мегабайта ) ^[17] на стопке из 52 дисков (использовалось 100 поверхностей). ^[34] У 350-го была одна рука с двумя головками чтения / записи, одна обращена вверх, а другая вниз, которые перемещались как по горизонтали между парой соседних пластин, так и по вертикали от одной пары пластин ко второму комплекту. ^{[35] [36] [37]} Вариантами IBM 350 были IBM 355 , IBM 7300 и IBM 1405 .

В 1961 году IBM анонсировала, а в 1962 году поставила дисковый накопитель IBM 1301 ^[38], который заменил IBM 350 и аналогичные накопители. 1301 состоял из одного (для модели 1) или двух (для модели 2) модулей, каждый из которых содержал 25 пластин, каждая из которых составляла примерно 1 ⁄ 8 дюйма (3,2 мм) толщиной и 24 дюйма (610 мм) в диаметре. ^[39] В то время как более ранние диски IBM использовали только две головки чтения / записи на плечо, 1301 использовал массив из 48 ^[e] головок (гребенок), каждый массив перемещался горизонтально как единое целое, по одной головке на поверхность. Цилиндровый режимПоддерживались операции чтения / записи, и головки летели примерно на 250 микродюймов (около 6 мкм) над поверхностью диска. Движение группы головок зависело от бинарной сумматорной системы гидравлических приводов, которая обеспечивала повторяемое позиционирование. Шкаф 1301 был размером с три бытовых холодильника, установленных рядом, вмещая около 21 миллиона восьмибитовых байтов на модуль. Время доступа было около четверти секунды.

Также в 1962 году IBM представила дисковый накопитель модели 1311 , который был размером со стиральную машину и хранил два миллиона символов на съемном пакете дисков . Пользователи могли покупать дополнительные пачки и при необходимости менять их местами, как катушки с магнитной лентой . Более поздние модели съемных дисковых накопителей от IBM и других компаний стали нормой для большинства компьютерных систем и к началу 1980-х годов достигли емкости 300 мегабайт. Несъемные жесткие диски были названы «фиксированными дисками».

В 1963 году IBM представила 1302, ^[40] с удвоенной пропускной способностью гусениц и вдвое большим количеством гусениц на цилиндр, чем у 1301. У 1302 был один (для модели 1) или два (для модели 2) модуля, каждый из которых содержал отдельную гребенку для первые 250 треков и последние 250 треков.

Некоторые высокопроизводительные жесткие диски были изготовлены с одной головкой на дорожку, например , Burroughs B-475 в 1964 году, IBM 2305 в 1970 году, так что время не было потеряно, физически перемещая головки на дорожку, и единственной задержкой было время для желаемого блок данных, который нужно повернуть в положение под головой. ^[41] Известные как дисководы с фиксированной головкой или головкой на дорожку, они были очень дорогими и больше не производились. ^[42]

В 1973 году IBM представила новый тип жесткого диска под кодовым названием Winchester.". Его основной отличительной особенностью было то, что головки дисков не были полностью извлечены из стопки пластин диска при отключении питания привода. Вместо этого головкам позволяли" приземлиться "на специальный участок поверхности диска при замедлении вращения. , "взлетая" снова, когда диск был позже включен. Это значительно снизило стоимость механизма привода головки, но помешало извлекать только диски из привода, как это было сделано с дисковыми пакетами того времени. Вместо этого первые модели приводов по технологии Winchester имели съемный дисковый модуль, который включал в себя как дисковый пакет, так и головку в сборе, оставляя приводной двигатель в приводе после извлечения. Позже приводы Winchester отказались от концепции съемных носителей и вернулись к несъемным пластинам .

В 1974 году IBM представила привод с поворотным рычагом, что стало возможным благодаря тому, что записывающие головки Winchester хорошо работают при перекосе по записанным дорожкам. Простая конструкция привода IBM GV (Gulliver) ^[43], изобретенная в лаборатории IBM Hursley Labs в Великобритании, стала самым лицензированным электромеханическим изобретением IBM ^[44] за все время, привод и система фильтрации были приняты в 1980-х годах в конечном итоге для всех. Жесткие диски, и все еще универсальны почти 40 лет и 10 миллиардов оружия спустя.

Как и в первом съемном пакете, в первых дисках Winchester использовались пластины диаметром 14 дюймов (360 мм). В 1978 году IBM представила привод с поворотным рычагом IBM 0680 (Piccolo) с восьмидюймовыми пластинами, исследуя возможность того, что пластины меньшего размера могут иметь преимущества. Другие восемь дюймовых дисков с последующим, а затем 5 + 1 / 4  в дисках (130 мм), размер , чтобы заменить современные дисковые накопители на гибких . Последние в первую очередь предназначались для тогда еще молодого рынка персональных компьютеров (ПК).

Со временем, когда плотность записи была значительно увеличена, дальнейшее уменьшение диаметра диска до 3,5 дюймов и 2,5 дюймов было сочтено оптимальным. В этот период стали доступны мощные материалы из редкоземельных магнитов, которые дополняли конструкцию привода с поворотным рычагом, чтобы сделать возможными компактные форм-факторы современных жестких дисков.

В начале 80-х жесткие диски были редкой и очень дорогой дополнительной функцией ПК, но к концу 80-х их стоимость снизилась до такой степени, что они стали стандартными для всех компьютеров, кроме самых дешевых.

Большинство жестких дисков в начале 1980-х годов продавались конечным пользователям ПК в качестве внешней дополнительной подсистемы. Подсистема продавалась не под названием производителя накопителя, а под названием производителя подсистемы, например Corvus Systems и Tallgrass Technologies , или под названием производителя компьютерной системы, например Apple ProFile . IBM PC / XT в 1983 году включен внутренний 10 Мб HDD, и вскоре после этого внутренних жестких дисков пролиферирующих на персональных компьютерах.

Внешние жесткие диски долгое время оставались популярными на Apple Macintosh . Многие компьютеры Macintosh, выпущенные между 1986 и 1998 годами, имели порт SCSI на задней панели, что упрощало внешнее расширение. Старые компактные компьютеры Macintosh не имели доступных для пользователя отсеков для жестких дисков (действительно, Macintosh 128K , Macintosh 512K и Macintosh Plus вообще не имели отсек для жесткого диска), поэтому на этих моделях внешние диски SCSI были единственным разумным вариантом для расширение любого внутреннего хранилища.

Улучшения HDD были вызваны увеличением плотности записи , указанной в таблице выше. В течение 2000-х годов количество приложений расширилось: от мэйнфреймов конца 1950-х годов до большинства приложений массового хранения данных, включая компьютеры и потребительские приложения, такие как хранилища развлекательного контента.

В 2000-х и 2010-х годах NAND начала вытеснять жесткие диски в приложениях, требующих портативности или высокой производительности. Производительность NAND улучшается быстрее, чем у жестких дисков, а приложения для жестких дисков разрушаются. В 2018 году самый большой жесткий диск имел емкость 15 ТБ, а самый большой SSD имел емкость 100 ТБ. ^[45] По ^[update]прогнозам, в 2018 году объем жестких дисков достигнет 100 ТБ примерно к 2025 году ^[46], но с 2019 ^[update]года ожидаемые темпы улучшения были сокращены до 50 ТБ к 2026 году. ^[47] Меньшие форм-факторы, 1,8 дюйма и ниже, были прекращены примерно в 2010 году. Стоимость твердотельных накопителей (NAND), представленных законом Мура , улучшается быстрее, чем жестких дисков. NAND имеет более высокую эластичность спроса по ценечем жесткие диски, и это стимулирует рост рынка. ^[48] В конце 2000-х и 2010-х годах жизненный цикл жестких дисков вступил в зрелую фазу, и замедление продаж может указывать на начало фазы спада. ^[49]

В 2011 Таиланде наводнения повреждены производственные заводы и повлиявший на жесткий диск стоимость диска негативно между 2011 и 2013 ^[50]

В 2019 году Western Digital закрыла свой последний завод по производству жестких дисков в Малайзии из-за снижения спроса, чтобы сосредоточиться на производстве твердотельных накопителей. ^{[51] У} всех трех оставшихся производителей жестких дисков с 2014 года наблюдается снижение спроса на жесткие диски. ^[52]

Технология

Магнитная запись

Современный жесткий диск записывает данные, намагничивая тонкую пленку ферромагнитного материала ^[f] с обеих сторон диска. Последовательные изменения направления намагничивания представляют биты двоичных данных . Данные считываются с диска путем обнаружения переходов намагниченности. Пользовательские данные кодируются с использованием схемы кодирования, такой как кодирование с ограничением длины серии ^[g], которое определяет, как данные представлены магнитными переходами.

Типичная конструкция жесткого диска состоит из шпиндель , на котором установлены плоские круглые диски, называемыепластинами, на которых хранятся записанные данные. Пластины сделаны из немагнитного материала, обычно из алюминиевого сплава, стекла или керамики. Они покрыты мелким слоем магнитного материала толщиной обычно 10–20нмс внешним слоем углерода для защиты. ^{[54] [55] [56]} Для справки: стандартный лист копировальной бумаги имеет толщину 0,07–0,18 мм (70 000–180 000 нм) ^[57] .

Пластины в современных жестких дисках вращаются со скоростью от 4200  об / мин в энергоэффективных портативных устройствах до 15000 об / мин для высокопроизводительных серверов. ^[59] Первые жесткие диски вращались со скоростью 1200 об / мин ^[6], и в течение многих лет 3600 об / мин было нормой. ^[60] По состоянию на ноябрь 2019 ^[update]года пластины большинства жестких дисков потребительского класса вращались со скоростью 5400 или 7200 об / мин.

Информация записывается и считывается с диска, когда он вращается мимо устройств, называемых головками чтения и записи , которые расположены так, чтобы работать очень близко к магнитной поверхности, а их высота полета часто находится в диапазоне десятков нанометров. Головка чтения и записи используется для обнаружения и изменения намагниченности материала, проходящего непосредственно под ней.

В современных приводах на каждую поверхность магнитного диска на шпинделе приходится по одной головке, установленной на общем плече. Рычаг привода (или рычаг доступа) перемещает головки по дуге (примерно в радиальном направлении) по пластинам во время их вращения, позволяя каждой головке получить доступ почти ко всей поверхности диска во время вращения. Рычаг перемещается с помощью привода звуковой катушки или, в некоторых более старых конструкциях, с помощью шагового двигателя . Ранние жесткие диски записывали данные с некоторыми постоянными битами в секунду, в результате чего все дорожки имели одинаковый объем данных на дорожку, но современные диски (с 1990-х годов) используют запись битов зоны - увеличивая скорость записи от внутренней к внешней зоне и тем самым сохраняя больше данных на дорожку во внешних зонах.

В современных приводах небольшой размер магнитных областей создает опасность того, что их магнитное состояние может быть потеряно из-за тепловых эффектов ⁠ - термически индуцированной магнитной нестабильности, которая обычно известна как « суперпарамагнитный предел ». Чтобы противостоять этому, пластины покрыты двумя параллельными магнитными слоями, разделенными трехатомным слоем немагнитного элемента рутения , и эти два слоя намагничены в противоположной ориентации, таким образом усиливая друг друга. ^[61] Другой технологией, используемой для преодоления тепловых эффектов и обеспечения большей плотности записи , является перпендикулярная запись , впервые поставленная в 2005 г. ^[62], а с 2007 г. она ^[update]используется в некоторых жестких дисках.^{[63] [64] [65]}

В 2004 году был представлен носитель записи с более высокой плотностью, состоящий из связанных мягких и твердых магнитных слоев. Так называемая технология хранения магнитных носителей с обменной пружиной , также известная как композитные носители с обменной связью , обеспечивает хорошую возможность записи из-за того, что мягкий слой способствует записи. Однако термостойкость определяется только самым твердым слоем и не зависит от мягкого слоя. ^{[66] [67]}

Компоненты

Типичный жесткий диск имеет два электродвигателя: двигатель шпинделя, который вращает диски, и привод (двигатель), который позиционирует узел головки чтения / записи поперек вращающихся дисков. Дисковый двигатель имеет внешний ротор, прикрепленный к дискам; обмотки статора закреплены на месте. Напротив исполнительного механизма на конце опорного рычага головки находится головка чтения-записи; тонкие кабели с печатной схемой соединяют головки чтения-записи с электроникой усилителя, установленной на шарнире привода. Подголовник очень легкий, но при этом жесткий; в современных дисках ускорение головой достигает 550 g .

В Привод представляет собой двигатель спостоянным магнитомиподвижной катушкой,который поворачивает головки в желаемое положение. Металлическая пластина поддерживает приземистыймагнитнеодим-железо-бор(NIB) с большиммагнитнымпотоком. Под этой пластиной находится подвижная катушка, часто называемая звуковой катушкой по аналогии с катушкой вгромкоговорителях, которая прикреплена к ступице исполнительного механизма, а под ней находится второй магнит NIB, установленный на нижней пластине двигателя (некоторые у дисков только один магнит).

Сама звуковая катушка имеет форму наконечника стрелы и сделана из медного магнитного провода с двойным покрытием . Внутренний слой - это изоляция, а внешний - термопласт, который связывает катушку вместе после ее наматывания на форму, делая ее самонесущей. Части катушки вдоль двух сторон наконечника стрелки (которые указывают на центр подшипника привода) затем взаимодействуют с магнитным полем неподвижного магнита. Ток, текущий радиально наружу вдоль одной стороны наконечника стрелки и радиально внутрь на другой, создает тангенциальную силу.. Если бы магнитное поле было однородным, каждая сторона генерировала бы противодействующие силы, которые нейтрализовали бы друг друга. Следовательно, поверхность магнита представляет собой половину северного полюса и половины южного полюса с радиальной разделительной линией посередине, в результате чего две стороны катушки видят противоположные магнитные поля и создают силы, которые складываются, а не компенсируются. Токи в верхней и нижней части катушки создают радиальные силы, которые не вращают головку.

Электроника жесткого диска управляет движением привода и вращением диска и выполняет чтение и запись по запросу от контроллера диска . Обратная связь электроники привода осуществляется с помощью специальных сегментов диска, предназначенных для обратной связи сервопривода . Это либо полные концентрические круги (в случае специальной сервотехники), либо сегменты, перемежающиеся с реальными данными (в случае встроенной сервотехники). Обратная связь сервопривода оптимизирует отношение сигнал / шум датчиков GMR, регулируя звуковую катушку задействованного рычага. Для вращения диска также используется серводвигатель. Современное микропрограммное обеспечение дисков способно эффективно планировать чтение и запись на поверхности диска и переназначать отказавшие секторы носителя.

Частота ошибок и обработка

Современные приводы широко используют коды коррекции ошибок (ECC), в частности, коррекцию ошибок Рида – Соломона . Эти методы хранят дополнительные биты, определенные математическими формулами, для каждого блока данных; дополнительные биты позволяют незаметно исправлять многие ошибки. Сами дополнительные биты занимают место на жестком диске, но позволяют использовать более высокую плотность записи, не вызывая неисправимых ошибок, что приводит к гораздо большей емкости хранилища. ^[68] Например, обычный жесткий диск емкостью 1  ТБ с 512-байтовыми секторами обеспечивает дополнительную емкость около 93  ГБ для данных ECC . ^[69]

В новейших накопителях с 2009 ^[update]года ^[70] коды с низкой плотностью проверки четности (LDPC) вытесняли коды Рида – Соломона; Коды LDPC обеспечивают производительность, близкую к пределу Шеннона, и, таким образом, обеспечивают наивысшую доступную плотность хранения. ^{[70] [71]}

Типичные жесткие диски пытаются «переназначить» данные в физическом секторе, который вышел из строя, в резервный физический сектор, предоставляемый «пулом резервных секторов» (также называемым «резервным пулом»), ^[72] при этом полагаясь на ECC для восстановить сохраненные данные, пока количество ошибок в плохом секторе все еще достаточно низкое. Функция SMART (технология самоконтроля, анализа и отчетности) подсчитывает общее количество ошибок на всем жестком диске, исправленном с помощью ECC (хотя и не на всех жестких дисках, поскольку соответствующие атрибуты SMART «Аппаратное восстановление ECC» и «Мягкое исправление ECC») не поддерживается постоянно), а также общее количество выполненных перераспределений секторов, поскольку появление многих таких ошибок может предсказать отказ жесткого диска .

«Формат без идентификатора», разработанный IBM в середине 1990-х годов, содержит информацию о том, какие сектора являются плохими и где были расположены повторно отображенные сектора. ^[73]

Лишь небольшая часть обнаруженных ошибок оказывается неисправимой. Примеры указанной частоты неисправленных ошибок чтения битов включают:

• В спецификациях 2013 года для корпоративных дисков SAS указывается, что частота ошибок составляет одну неисправленную битовую ошибку чтения на каждые 10 ¹⁶ бит чтения, ^{[74] [75]}
• В спецификациях 2018 для потребительских жестких дисков SATA указывается, что частота ошибок составляет одну неисправленную битовую ошибку чтения на каждые 10 ¹⁴ бит. ^{[76] [77]}

В рамках данной модели производителя частота неисправленных битовых ошибок обычно одинакова, независимо от емкости накопителя. ^{[74] [75] [76] [77]}

Худший тип ошибок - это незаметное повреждение данных, которое не обнаруживается микропрограммой диска или операционной системой хоста; некоторые из этих ошибок могут быть вызваны неисправностями жесткого диска, в то время как другие возникают где-то в другом месте соединения между диском и хостом. ^[78]

Разработка

Скорость увеличения плотности посадки была аналогична закону Мура (удваивание каждые два года) до 2010 г .: 60% в год в 1988–1996 гг., 100% в 1996–2003 гг. И 30% в 2003–2010 гг. ^[80] Выступая в 1997 году, Гордон Мур назвал этот рост «ошеломляющим» ^[81], но позже заметил, что рост не может продолжаться вечно. ^[82] Рост цен замедлился до -12% в год в течение 2010–2017 гг. ^[83], поскольку рост плотности застройки замедлился. Скорость увеличения плотности записи снизилась до 10% в год в течение 2010–2016 гг. ^[84], и возникли трудности с переходом от перпендикулярной записи к более новым технологиям. ^[85]

По мере уменьшения размера битовой ячейки на одну пластину диска можно поместить больше данных. В 2013 году производственный настольный жесткий диск емкостью 3 ТБ (с четырьмя пластинами) имел бы плотность записи около 500 Гбит / дюйм ^2, что составило бы битовую ячейку, содержащую около 18 магнитных зерен (11 на 1,6 гран). ^[86] С середины 2000-х годов прогрессу поверхностной плотности препятствовала суперпарамагнитная трилемма, включающая размер зерна, магнитную силу зерна и способность головы писать. ^[87] Для поддержания приемлемого отношения сигнал / шум необходимы более мелкие зерна; более мелкие зерна могут самообратиться ( электротермическая нестабильность), если их магнитная сила не увеличена, но известные материалы пишущей головки неспособны генерировать достаточно сильное магнитное поле, достаточное для записи носителя во все более и более меньшем пространстве, занимаемом зернами.

Технологии магнитных накопителей разрабатываются для решения этой трилеммы и конкурируют с твердотельными накопителями (SSD) на основе флэш-памяти . В 2013 году компания Seagate представила гальваническую магнитную запись (SMR) ^[88], задуманную как своего рода временную технологию между PMR и предполагаемой преемницей Seagate магнитной записью с подогревом (HAMR). SMR использует перекрывающиеся дорожки для увеличения плотности данных. стоимость сложности конструкции и более низкой скорости доступа к данным (особенно скорости записи и скорости произвольного доступа 4k). ^{[89] [90]} Напротив, Western Digital сосредоточилась на разработке способов запечатыванияЗаполненные гелием приводы вместо обычного отфильтрованного воздуха. Это снижает турбулентность и трение и позволяет разместить больше пластин в том же пространстве корпуса, хотя, как известно, газообразный гелий трудно предотвратить утечку.

Другие технологии записи находятся в стадии разработки по состоянию на 2019 год ^[update], в том числе магнитная запись с подогревом (HAMR) компании Seagate . HAMR требует другой архитектуры с переработанными носителями и головками чтения / записи, новыми лазерами и новыми оптическими преобразователями ближнего поля. ^[91] Ожидается, что HAMR поступит в продажу в конце 2020 или в 2021 году. ^{[92] [93]} Технические проблемы задержали внедрение HAMR на десять лет, по сравнению с более ранними прогнозами 2009, ^[94] 2015, ^[95] 2016, ^{[96] ]} и первой половине 2019 года. На некоторых дисках установлены двойные независимые приводные рычаги, чтобы увеличить скорость чтения / записи и конкурировать с твердотельными накопителями. ^[97] Планируемый преемник HAMR,побитовая запись (BPR) ^[98] была удалена из дорожных карт Western Digital и Seagate. ^[99] Магнитная запись с использованием микроволн Western Digital (MAMR), ^{[100] [101],} как ожидается, поступит в продажу в 2021 году, с выборкой в ​​2020 году. ^[102] Двумерная магнитная запись (TDMR) ^{[86] [103 ] ]} и «ток, перпендикулярный плоскости» головки с гигантским магнитосопротивлением (CPP / GMR) появились в исследовательских работах. ^{[104] [105] [106]} Была предложена концепция трехмерного вакуумного привода (3DHD). ^[107]

Скорость роста плотности местности упала ниже исторической нормы закона Мура, равной 40% в год. ^[79] В зависимости от предположений относительно осуществимости и сроков внедрения этих технологий, Seagate прогнозирует, что в 2020–2034 годах плотность площадей будет расти на 20% в год. ^[47]

Емкость

В 2021 году коммерческие поставки жестких дисков с максимальной емкостью составят 20 ТБ. ^[108]

Емкость жесткого диска, сообщаемая операционной системой конечному пользователю, меньше, чем объем, заявленный производителем по нескольким причинам: операционная система использует некоторое пространство, использование некоторого пространства для избыточности данных и использование пространства. для структур файловой системы. Кроме того, разница в емкости, указанная в единицах СИ с десятичным префиксом и двоичными префиксами, может привести к ложному впечатлению о недостающей емкости.

Расчет

Современные жесткие диски представляются своему хост-контроллеру как непрерывный набор логических блоков, а общая емкость диска рассчитывается путем умножения количества блоков на размер блока. Эта информация доступна в спецификации продукта производителя и на самом накопителе с помощью функций операционной системы, которые вызывают низкоуровневые команды накопителя. ^{[109] [110]}

Некоторые старые накопители, например IBM 1301 , CKD , имеют записи переменной длины, и при расчете емкости необходимо учитывать характеристики записей. Некоторые более новые DASD моделируют CKD, и применяются те же формулы емкости.

Общая емкость старых жестких дисков, ориентированных на секторы, рассчитывается как произведение количества цилиндров на зону записи, количества байтов на сектор (чаще всего 512) и количества зон диска. ^{[ необходима цитата ]} Некоторые современные диски SATA также сообщают о емкости сектора головки блока цилиндров (CHS), но это не физические параметры, поскольку указанные значения ограничены историческими интерфейсами операционной системы. Схема C / H / S была заменена логической адресацией блоков (LBA), простой схемой линейной адресации, которая определяет местонахождение блоков по целочисленному индексу, который начинается с LBA 0 для первого блока и увеличивается после этого. ^[111]При использовании метода C / H / S для описания современных больших дисков количество головок часто устанавливается равным 64, хотя типичный жесткий диск по состоянию на 2013 год ^[update]имеет от одной до четырех пластин.

В современных жестких дисках резервная емкость для управления дефектами не включается в опубликованную емкость; однако на многих ранних жестких дисках определенное количество секторов было зарезервировано в качестве запасных, что уменьшало емкость, доступную для операционной системы.

Для подсистем RAID требования к целостности данных и отказоустойчивости также снижают реализованную емкость. Например, массив RAID 1 имеет примерно половину общей емкости в результате зеркалирования данных, в то время как массив RAID 5 с n дисками теряет 1 / n емкости (что равно емкости одного диска) из-за хранения информации о четности. . Подсистемы RAID - это несколько дисков, которые пользователю кажутся одним или несколькими дисками, но обеспечивают отказоустойчивость. Большинство поставщиков RAID используют контрольные суммы для улучшения целостности данных на уровне блоков. Некоторые поставщики проектируют системы с использованием жестких дисков с секторами по 520 байт, содержащими 512 байт пользовательских данных и восемь байтов контрольной суммы, или с использованием отдельных 512-байтовых секторов для данных контрольной суммы. ^[112]

Некоторые системы могут использовать скрытые разделы для восстановления системы, уменьшая доступную для конечного пользователя емкость.

Форматирование

Данные хранятся на жестком диске в виде серии логических блоков. Каждый блок разграничен маркерами, обозначающими его начало и конец, информацию об обнаружении и исправлении ошибок, а также промежуток между блоками, чтобы учесть незначительные изменения синхронизации. Эти блоки часто содержат 512 байт полезных данных, но использовались другие размеры. По мере увеличения плотности дисков инициатива, известная как Advanced Format, увеличила размер блока до 4096 байт пригодных для использования данных, что привело к значительному сокращению объема дискового пространства, используемого для заголовков блоков, данных проверки ошибок и интервалов.

Процесс инициализации этих логических блоков на физических дисках называется низкоуровневым форматированием , которое обычно выполняется на заводе и обычно не изменяется в полевых условиях. ^[113] Форматирование высокого уровня записывает структуры данных, используемые операционной системой для организации файлов данных на диске. Это включает запись структур разделов и файловой системы в выбранные логические блоки. Например, часть дискового пространства будет использоваться для хранения каталога имен файлов на диске и списка логических блоков, связанных с конкретным файлом.

Примеры схемы сопоставления разделов включают главную загрузочную запись (MBR) и таблицу разделов GUID (GPT). Примеры структур данных, хранящихся на диске для извлечения файлов, включают таблицу размещения файлов (FAT) в файловой системе DOS и inodes во многих файловых системах UNIX , а также другие структуры данных операционной системы (также известные как метаданные ). Как следствие, не все пространство на жестком диске доступно для пользовательских файлов, но эти системные издержки обычно невелики по сравнению с пользовательскими данными.

Единицы

На заре вычислений общая емкость жестких дисков определялась с помощью 7–9 десятичных цифр, часто усекаемых идиомой « миллионы» . ^{[116] [40]} К 1970-м годам общая емкость жестких дисков определялась производителями с использованием десятичных префиксов SI, таких как мегабайты (1 МБ = 1 000 000 байт), гигабайты (1 ГБ = 1 000 000 000 байт) и терабайты (1 ТБ = 1 000 000 000 000 байт). ). ^{[114] [117] [118] [119]} Однако емкость памяти обычно указывается с использованием двоичной интерпретации префиксов, то есть с использованием степени 1024 вместо 1000.

Программное обеспечение сообщает о емкости жесткого диска или памяти в различных формах с использованием десятичных или двоичных префиксов. Microsoft Windows семейство операционных систем использует двоичные конвенции при составлении отчетов о емкости, так что HDD предложил его производитель , как привод 1 ТБА сообщается этими операционными системы , как Гб HDD 931. Mac OS X 10.6 (« Снежный барс ») использует десятичные дроби при сообщении емкости жесткого диска. ^[120] По умолчанию утилита командной строки df в Linux сообщает о емкости жесткого диска в виде единиц по 1024 байта. ^[121]

Разница между десятичной и двоичной интерпретацией префикса вызвала некоторую путаницу у потребителей и привела к коллективным искам против производителей жестких дисков . Истцы утверждали, что использование десятичных префиксов фактически вводило потребителей в заблуждение, в то время как ответчики отрицали какие-либо правонарушения или ответственность, утверждая, что их маркетинг и реклама во всех отношениях соответствовали закону и что ни один член группы не понес каких-либо повреждений или травм. ^{[122] [123] [124]}

Динамика цен

Стоимость жесткого диска за байт росла со скоростью -40% в год в 1988–1996 гг., -51% в год в 1996-2003 гг. И -34% в год в течение 2003-2010 гг. ^{[27] [80]} Рост цен замедлился до -13% в год в течение 2011–2014 гг., Поскольку рост плотности территории замедлился, а наводнение в Таиланде в 2011 г. повредило производственные мощности ^[85] и удерживалось на уровне -11% в год в течение 2010–2017 гг. . ^[125]

Совет Федеральной резервной системы опубликовал индекс цен с поправкой на качество для крупномасштабных корпоративных систем хранения данных, включая три или более корпоративных жестких диска и связанные с ними контроллеры, стойки и кабели. Цены на эти крупномасштабные системы хранения росли со скоростью 30% в год в течение 2004–2009 годов и 22% в год в течение 2009–2014 годов. ^[80]

Форм-факторы

Первый жесткий диск IBM , IBM 350 , использовал стопку из пятидесяти 24-дюймовых пластин, хранил 3,75 МБ данных (примерно размер одного современного цифрового изображения) и был размером с два больших холодильника. В 1962 году IBM представила диск модели 1311 , в котором использовалось шесть 14-дюймовых (номинального размера) пластин в съемной упаковке, и он был размером примерно со стиральную машину. Это стало стандартным размером пластин на долгие годы, используемым также другими производителями. ^[126] IBM 2314использовали тарелки одинакового размера в пачке из одиннадцати высот и представили схему «диск в ящике». иногда называют «печь для пиццы», хотя «ящик» не был полным приводом. В 1970-х жесткие диски предлагались в виде отдельных шкафов различных размеров, содержащих от одного до четырех жестких дисков.

Начиная с конца 1960-х годов предлагались диски, которые полностью помещались в шасси, которое можно было установить в 19-дюймовую стойку . Digital, RK05 и RL01 были ранние примеры , использующие один 14-дюймовых пластин в съемных упаковок, весь приводной установки в 10,5-дюймовый высокой стойке пространство (шесть единиц стойки). В середине-конце 1980-х годов Fujitsu Eagle аналогичного размера , в котором использовались (по совпадению) 10,5-дюймовые пластины, был популярным продуктом.

С увеличением продаж микрокомпьютеров со встроенными дисководами гибких дисков (FDD) возникла потребность в жестких дисках, которые подходили бы к креплениям для дисководов FDD. Начиная с Shugart Associates SA1000 , форм-факторы жестких дисков изначально следовали за форм-факторами 8-дюймовых, 5½-дюймовых и 3½-дюймовых гибких дисков. Несмотря на то, что они называются этими номинальными размерами, фактические размеры этих трех дисков соответственно составляют 9,5 дюйма, 5,75 дюйма и 4 дюйма в ширину. Поскольку не было дисководов для гибких дисков меньшего размера, жестких дисков меньшего размера, таких как 2,5-дюймовые диски (фактически 2,75 дюйма) широкий), разработанные на основе продуктовых предложений или отраслевых стандартов.

По состоянию на 2019 год ^[update]наиболее популярными размерами являются жесткие диски размером 2½ и 3½ дюйма. К 2009 году все производители прекратили разработку новых продуктов для 1,3-дюймовых, 1-дюймовые и 0,85-дюймовых форм - факторов из - за падения цен на флэш - памяти , ^{[127] [128]} , который не имеет движущихся частей. Номинальные размеры указаны в дюймах, а фактические размеры указаны в миллиметрах.

Тактико-технические характеристики

Факторы, ограничивающие время доступа к данным на жестком диске, в основном связаны с механической природой вращающихся дисков и движущихся головок, в том числе:

• Время поиска - это мера того, сколько времени требуется головному блоку, чтобы добраться до дорожки на диске, содержащей данные.
• Задержка вращения возникает из-за того, что желаемый сектор диска может не находиться непосредственно под заголовком, когда запрашивается передача данных. Средняя задержка вращения показана в таблице на основе статистического соотношения, согласно которому средняя задержка составляет половину периода вращения.
• Скорости передачи бит скорость передачи данных или (после того , как головка находится в правильном положении) создает задержку , которая является функцией от числа блоков передаются; обычно относительно небольшой, но может быть довольно длинным при передаче больших непрерывных файлов.

Задержка также может возникнуть, если приводные диски остановлены для экономии энергии.

Дефрагментация - это процедура, используемая для минимизации задержки при извлечении данных путем перемещения связанных элементов в физически близкие области на диске. ^[129] Некоторые компьютерные операционные системы выполняют дефрагментацию автоматически. Хотя автоматическая дефрагментация предназначена для уменьшения задержек доступа, производительность будет временно снижена во время выполнения процедуры. ^[130]

Время доступа к данным можно уменьшить, увеличив скорость вращения (таким образом, уменьшив задержку) или уменьшив время, затрачиваемое на поиск. Увеличение поверхностной плотности увеличивает пропускную способность за счет увеличения скорости передачи данных и увеличения объема данных под набором заголовков, тем самым потенциально снижая активность поиска для заданного объема данных. Время доступа к данным не поспевает за увеличением пропускной способности, которое само по себе не поспевает за ростом битовой плотности и емкости хранилища.

Задержка

Скорость передачи данных

По состоянию на 2010 год ^[update]типичный настольный жесткий диск со скоростью вращения 7200 об / мин имел постоянную скорость передачи данных «диск- буфер » до 1030  Мбит / с . ^[131] Эта скорость зависит от местоположения трека; скорость выше для данных на внешних дорожках (где на один оборот больше секторов данных) и ниже на внутренних дорожках (где меньше секторов данных на оборот); и обычно несколько выше для приводов на 10 000 об / мин. В настоящее время широко используемый стандарт для интерфейса «буфер-компьютер» - 3,0  Гбит / с.SATA, который может отправлять около 300 мегабайт / с (10-битное кодирование) из буфера в компьютер, и, таким образом, по-прежнему опережает сегодняшнюю скорость передачи данных с диска в буфер. Скорость передачи данных (чтение / запись) можно измерить, записав большой файл на диск с помощью специальных инструментов генератора файлов, а затем прочитав файл обратно. На скорость передачи могут влиять фрагментация файловой системы и расположение файлов. ^[129]

Скорость передачи данных HDD зависит от скорости вращения пластин и плотности записи данных. Поскольку тепло и вибрация ограничивают скорость вращения, увеличение плотности становится основным методом повышения скорости последовательной передачи. Более высокие скорости требуют более мощного двигателя шпинделя, который выделяет больше тепла. Хотя плотность записи увеличивается за счет увеличения как числа дорожек на диске, так и числа секторов на дорожку ^[132], только последнее увеличивает скорость передачи данных при заданных оборотах в минуту. Поскольку производительность скорости передачи данных отслеживает только один из двух компонентов плотности записи, ее производительность улучшается с меньшей скоростью. ^[133]

Прочие соображения

Другие факторы, влияющие на производительность, включают в себя цену с поправкой на качество , энергопотребление, слышимый шум, а также ударопрочность как в рабочем, так и в нерабочем состоянии.

Доступ и интерфейсы

Современные жесткие диски подключаются к компьютеру по шине одного из нескольких типов, включая параллельный ATA , Serial ATA , SCSI , Serial Attached SCSI (SAS) и Fibre Channel . Некоторые диски, особенно внешние портативные, используют IEEE 1394 или USB . Все эти интерфейсы цифровые; Электроника на приводе обрабатывает аналоговые сигналы от головок чтения / записи. Текущие накопители представляют собой согласованный интерфейс для остальной части компьютера, независимо от схемы кодирования данных, используемой внутри, и независимо от физического количества дисков и головок в накопителе.

Обычно DSP в электронике внутри привода принимает необработанные аналоговые напряжения от считывающей головки и использует PRML и коррекцию ошибок Рида – Соломона ^[134] для декодирования данных, а затем отправляет эти данные через стандартный интерфейс. Этот DSP также отслеживает частоту ошибок, обнаруживаемую при обнаружении и исправлении ошибок , и выполняет переназначение поврежденных секторов , сбор данных для технологий самоконтроля, анализа и отчетности и другие внутренние задачи.

Современные интерфейсы подключают привод к главному интерфейсу с помощью одного кабеля данных / управления. У каждого привода также есть дополнительный кабель питания, обычно напрямую к блоку питания. Старые интерфейсы имели отдельные кабели для сигналов данных и сигналов управления приводом.

• Интерфейс малых компьютерных систем (SCSI), первоначально называвшийся SASI от Shugart Associates System Interface, был стандартом на серверах, рабочих станциях, компьютерах Commodore Amiga , Atari ST и Apple Macintosh до середины 1990-х годов, когда большинство моделей были переведены на новые интерфейсы. . Ограничение длины кабеля для передачи данных позволяет использовать внешние устройства SCSI.
• Integrated Drive Electronics (IDE), позже стандартизированный под названием AT Attachment (ATA, с псевдонимом PATA ( Parallel ATA ), задним числом добавленным после введения SATA), переместил контроллер жесткого диска с интерфейсной карты на диск. Это помогло стандартизировать интерфейс хост / контроллер, снизить сложность программирования драйвера хост-устройства, а также снизить стоимость и сложность системы. 40-контактное соединение IDE / ATA передает по кабелю данных 16 бит данных за раз. Кабель для передачи данных изначально был 40-жильным, но позже требования к более высокой скорости привели к режиму «ультра DMA» (UDMA) с использованием 80-жильного кабеля с дополнительными проводами для уменьшения перекрестных помех на высокой скорости.
• EIDE was an unofficial update (by Western Digital) to the original IDE standard, with the key improvement being the use of direct memory access (DMA) to transfer data between the disk and the computer without the involvement of the CPU, an improvement later adopted by the official ATA standards. By directly transferring data between memory and disk, DMA eliminates the need for the CPU to copy byte per byte, therefore allowing it to process other tasks while the data transfer occurs.
• Fibre Channel (FC) является преемником параллельного интерфейса SCSI на корпоративном рынке. Это последовательный протокол. В дисковых накопителях обычно используется топология подключения Fibre Channel Arbitrated Loop (FC-AL). FC имеет гораздо более широкое применение, чем просто дисковые интерфейсы, и является краеугольным камнем сетей хранения данных (SAN). Недавно были разработаны и другие протоколы для этой области, такие как iSCSI и ATA через Ethernet . Как ни странно, в накопителях для Fibre Channel обычно используются медные кабели с витой парой, а не волоконно-оптические. Последние традиционно зарезервированы для более крупных устройств, таких как серверы или контроллеры дисковых массивов .
• Последовательный интерфейс SCSI (SAS). SAS - это протокол последовательной связи нового поколения для устройств, предназначенный для обеспечения гораздо более высокой скорости передачи данных и совместимый с SATA. SAS использует механически совместимый разъем данных и питания для стандартных 3,5-дюймовых жестких дисков SATA1 / SATA2, и многие серверные контроллеры SAS RAID также могут обращаться к жестким дискам SATA. SAS использует последовательную связь вместо параллельного метода, применяемого в традиционных устройствах SCSI, но по-прежнему использует команды SCSI.
• Последовательный ATA (SATA). Кабель данных SATA имеет одну пару данных для дифференциальной передачи данных на устройство и одну пару для дифференциального приема от устройства, как и EIA-422 . Для этого требуется, чтобы данные передавались последовательно. Аналогичная система дифференциальной сигнализации используется в RS485 , LocalTalk , USB , FireWire и дифференциальном SCSI.. SATA I to III are designed to be compatible with, and use, a subset of SAS commands, and compatible interfaces. Therefore, a SATA hard drive can be connected to and controlled by a SAS hard drive controller (with some minor exceptions such as drives/controllers with limited compatibility). However they cannot be connected the other way round—a SATA controller cannot be connected to a SAS drive.

Integrity and failure

Из-за чрезвычайно близкого расстояния между головками и поверхностью диска жесткие диски уязвимы для повреждения в результате удара головки - отказа диска, при котором головка царапает поверхность диска, часто стирая тонкую магнитную пленку и вызывая данные. потеря. Повреждения головки могут быть вызваны отказом электроники, внезапным отключением питания, физическим ударом, загрязнением внутреннего корпуса привода, износом, коррозией или плохо изготовленными пластинами и головками.

Система шпинделя жесткого диска зависит от плотности воздуха внутри корпуса диска, чтобы поддерживать головки на их надлежащей высоте полета во время вращения диска. Для правильной работы жестким дискам требуется определенный диапазон плотности воздуха. Связь с внешней средой и плотностью осуществляется через небольшое отверстие в корпусе (шириной около 0,5 мм), обычно с фильтром внутри ( воздушный фильтр ). ^[135] Если плотность воздуха слишком низкая, значит, подъемная сила для летающей головки недостаточна, поэтому головка приближается к диску, и возникает риск поломки головки и потери данных. Специально изготовленные герметичные диски под давлением необходимы для надежной работы на большой высоте, на высоте более 3000 м (9800 футов).^[136]Современные диски включают датчики температуры и адаптируют их работу к условиям эксплуатации. Дыхательные отверстия можно увидеть на всех дисках - обычно рядом с ними есть наклейка, предупреждающая пользователя не закрывать отверстия. Воздух внутри приводного привода тоже постоянно движется, увлекаемый трением с вращающимися пластинами. Этот воздух проходит через внутренний рециркуляционный (или «рециркуляционный») фильтр для удаления любых загрязнений, оставшихся от производства, любых частиц или химикатов, которые каким-то образом могли попасть в корпус, а также любых частиц или газов, образующихся внутри при нормальной работе. Очень высокая влажность, сохраняющаяся в течение длительного времени, может вызвать коррозию пластин и пластин. Исключение составляют герметично закрытые,Жесткие диски, заполненные гелием, которые в значительной степени устраняют проблемы, связанные с окружающей средой, которые могут возникнуть из-за изменений влажности или атмосферного давления. Такие жесткие диски были представлены HGST при их первом успешном внедрении в больших объемах в 2013 году.

В частности, для гигантских магниторезистивных головок (GMR) незначительное повреждение головки из-за загрязнения (которое не приводит к удалению магнитной поверхности диска) по-прежнему приводит к временному перегреву головки из-за трения о поверхность диска и может сделать данные нечитаемыми. в течение короткого периода времени, пока температура головки не стабилизируется (так называемая «термическая шероховатость», проблема, которая частично может быть решена путем надлежащей электронной фильтрации считываемого сигнала).

Когда логическая плата жесткого диска выходит из строя, привод часто можно восстановить до рабочего состояния и восстановить данные, заменив печатную плату одним из идентичных жестких дисков. В случае неисправности головки чтения-записи их можно заменить с помощью специальных инструментов в непыльной среде. Если пластины диска не повреждены, их можно перенести в идентичный корпус, а данные можно скопировать или клонировать на новый диск. В случае выхода из строя пластин диска может потребоваться разборка и создание образа пластин диска. ^[137] Для логического повреждения файловых систем для восстановления данных можно использовать различные инструменты, включая fsck в UNIX-подобных системах и CHKDSK в Windows.. Восстановление после логического повреждения может потребовать вырезания файла .

Обычно ожидается, что жесткие диски, разработанные и проданные для использования на серверах, будут выходить из строя реже, чем диски потребительского уровня, обычно используемые в настольных компьютерах. Однако два независимых исследования, проведенных Университетом Карнеги-Меллона ^[138] и Google ^[139], показали, что «класс» диска не связан с частотой отказов диска.

В обзоре результатов исследования, проведенного Tom's Hardware за 2011 год, по моделям отказов твердотельных накопителей и магнитных дисков приведены следующие выводы: ^[140]

• Средняя наработка на отказ (MTBF) не указывает на надежность; среднегодовая частота отказов выше и обычно более актуальна.
• По состоянию на 2019 ^[update]год поставщик хранилища сообщил о двухпроцентном годовом уровне отказов в год для фермы хранения с 110 000 готовых жестких дисков. Надежность зависит от модели и производителя. ^[141]
• Магнитные диски не выходят из строя на ранних этапах использования, а температура оказывает лишь незначительное влияние; вместо этого частота отказов неуклонно увеличивается с возрастом.
• SMART предупреждает о механических проблемах, но не о других проблемах, влияющих на надежность, и поэтому не является надежным индикатором состояния. ^[142]
• Частота отказов накопителей, продаваемых как «корпоративные» и «потребительские», «очень похожи», хотя эти типы накопителей адаптированы для различных операционных сред. ^{[143] [144]}
• В дисковых массивах отказ одного диска значительно увеличивает краткосрочный риск отказа второго диска.

Чтобы минимизировать затраты и избежать отказов отдельных жестких дисков, поставщики систем хранения полагаются на резервные массивы жестких дисков. Неисправные жесткие диски заменяются на постоянной основе. ^{[141] [94]}

Сегменты рынка

Потребительский сегмент

Два высокопроизводительных потребительских SATA 2,5-дюймовых жестких диска со скоростью вращения 10000 об / мин, установленные на заводе в 3,5-дюймовые переходные рамки

Настольные жесткие диски

Настольные жесткие диски обычно имеют от двух до пяти внутренних пластин, вращаются со скоростью от 5400 до 10000  об / мин и имеют скорость передачи мультимедиа 0,5 Гбит / с или выше (1 ГБ = 10 ⁹ байт; 1 Гбит / с = 10 ⁹ бит / с). Более ранние (1980–1990-е годы) приводы, как правило, имели более низкую скорость вращения. По состоянию на май 2019 ^[update]г. на жестких дисках для настольных ПК с максимальной емкостью хранилось 16  ТБ , ^{[145] [146],} при этом планируется выпустить диски 18 ТБ позже в 2019 г. ^[147] Жесткие диски 18 ТБ были выпущены в 2020 г. По состоянию на 2016 г.^[update], the typical speed of a hard drive in an average desktop computer is 7,200 RPM, whereas low-cost desktop computers may use 5,900 RPM or 5,400 RPM drives. For some time in the 2000s and early 2010s some desktop users and data centers also used 10,000 RPM drives such as Western Digital Raptor but such drives have become much rarer as of 2016^[update] and are not commonly used now, having been replaced by NAND flash-based SSDs.

Mobile (laptop) HDDs

Меньше, чем их настольные и корпоративные аналоги, они, как правило, медленнее и имеют меньшую емкость, потому что обычно имеют одну внутреннюю пластину и имеют физический размер 2,5 или 1,8 дюйма, а не более распространенный для настольных ПК форм-фактор 3,5 дюйма. Мобильные жесткие диски вращаются при 4200 об / мин, 5200 об / мин, 5400 об / мин или 7200 об / мин, из которых 5400 об / мин являются наиболее распространенными. Приводы с 7200 об / мин, как правило, дороже и имеют меньшую емкость, в то время как модели с 4200 об / мин обычно имеют очень большую емкость хранения. ) мобильные жесткие диски обычно имеют меньшую емкость, чем их настольные аналоги.

Жесткие диски для бытовой электроники

К ним относятся диски, встроенные в цифровые видеомагнитофоны и автомобильные автомобили . Первые сконфигурированы для обеспечения гарантированной потоковой передачи даже в случае ошибок чтения и записи, а вторые созданы, чтобы противостоять большему количеству ударов. Обычно они вращаются со скоростью 5400 об / мин.

Внешние и переносные жесткие диски

См. Также: Класс запоминающих устройств USB и Дисковая полка.

Современные внешние жесткие диски обычно подключаются через USB-C ; более ранние модели используют обычный USB (иногда с использованием пары портов для лучшей пропускной способности) или (редко), например, соединение eSATA . Варианты, использующие интерфейс USB 2.0, обычно имеют более низкую скорость передачи данных по сравнению с внутренними жесткими дисками, подключенными через SATA. Функциональность дисков Plug and play обеспечивает совместимость с системой, отличается большими возможностями хранения и портативным дизайном. По состоянию на март 2015 ^[update]года доступная емкость внешних жестких дисков варьировалась от 500 ГБ до 10 ТБ. ^[148] Внешние жесткие диски обычно доступны в виде собранных интегрированных продуктов, но могут быть также собраны путем объединения внешнего корпуса.(с USB или другим интерфейсом) с приобретенным отдельно приводом. Они доступны в размерах 2,5 и 3,5 дюйма; 2,5-дюймовые варианты обычно называются портативными внешними накопителями , а 3,5-дюймовые - внешними накопителями для настольных ПК . «Портативные» накопители имеют меньшие и более легкие корпуса, чем «настольные» накопители; Кроме того, «портативные» накопители используют питание, обеспечиваемое USB-соединением, а «настольные» накопители требуют внешних блоков питания . Такие функции, как шифрование , подключение к Wi-Fi , ^[149] биометрическая безопасность или несколько интерфейсов (например, FireWire ), доступны по более высокой цене. ^[150] There are pre-assembled external hard disk drives that, when taken out from their enclosures, cannot be used internally in a laptop or desktop computer due to embedded USB interface on their printed circuit boards, and lack of SATA (or Parallel ATA) interfaces.^[151][152]

Enterprise and business segment

Server and workstation HDDs

Hot-swappable HDD enclosure

Обычно используется на многопользовательских компьютерах с корпоративным программным обеспечением . Примеры: базы данных обработки транзакций, интернет-инфраструктура (электронная почта, веб-сервер, электронная коммерция), программное обеспечение для научных вычислений и программное обеспечение для управления хранилищем данных. Корпоративные диски обычно работают непрерывно («24/7») в сложных средах, обеспечивая при этом максимально возможную производительность без ущерба для надежности. Максимальная емкость не является основной целью, и в результате диски часто предлагаются с емкостью, которая относительно невысока по сравнению с их стоимостью. ^[153]

Самые быстрые корпоративные жесткие диски вращаются со скоростью 10 000 или 15 000 об / мин и могут обеспечивать скорость последовательной передачи мультимедиа выше 1,6 Гбит / с ^[154] и устойчивую скорость передачи до 1 Гбит / с. ^{[154] В} дисках, работающих со скоростью 10 000 или 15 000 об / мин, используются пластины меньшего размера, чтобы снизить повышенные требования к мощности (поскольку они имеют меньшее сопротивление воздуха ) и, следовательно, обычно имеют меньшую емкость, чем настольные диски максимальной емкости. Корпоративные жесткие диски обычно подключаются через Serial Attached SCSI (SAS) или Fibre Channel (FC). Некоторые из них поддерживают несколько портов, поэтому их можно подключить к резервному адаптеру главной шины .

Корпоративные жесткие диски могут иметь размер сектора более 512 байт (часто 520, 524, 528 или 536 байт). Дополнительное пространство на каждый сектор может использоваться аппаратными RAID-контроллерами или приложениями для хранения данных Data Integrity Field (DIF) или Data Integrity Extensions (DIX), что приводит к повышению надежности и предотвращению скрытого повреждения данных . ^[155]

Жесткие диски для записи видео

Эта линейка была похожа на бытовые жесткие диски для видеозаписи с требованиями к стабильности потока и на серверные жесткие диски с требованиями к поддержке расширяемости, но также они сильно ориентировались на увеличение внутренней емкости. Основная жертва этого сегмента - скорость записи и чтения. ^[156]

Производители и продажи

Жесткие диски с течением времени производили более 200 компаний, но сегодня в результате консолидации производство сосредоточено только на трех производителях: Western Digital , Seagate и Toshiba . Производство в основном находится в Тихоокеанском регионе.

Мировая выручка от дисковых хранилищ снижалась на восемь процентов в год с пикового значения в 38 миллиардов долларов в 2012 году до 22 миллиардов долларов (оценка) в 2019 году. ^[47] Производство HDD-хранилищ росло на 15% в год в 2011–2017 годах, с 335 до 780 эксабайт. в год. ^[157] Поставки жестких дисков сокращались на семь процентов в год в течение этого периода времени, с 620 до 406 миллионов единиц. ^{[157] [84] По} прогнозам, поставки жестких дисков сократятся на 18% в течение 2018–2019 годов, с 375 миллионов до 309 миллионов единиц. ^[158] В 2018 году на долю Seagate приходилось 40% единичных поставок, на Western Digital - 37% единичных поставок, а на Toshiba - 23% единичных поставок. ^[159] Средняя продажная цена двух крупнейших производителей в 2015 году составляла 60 долларов за штуку. ^[160]

Конкуренция со стороны SSD

Жесткие диски заменяются твердотельными накопителями (SSD) на рынках, где их более высокая скорость (до 4950 мегабайт ) (4,95 гигабайт ) в секунду для твердотельных накопителей M.2 (NGFF) NVMe ^[161] или 2500 мегабайт (2,5 гигабайта ) в секунду для дисков с картами расширения PCIe ^[162] ), надежность и низкое энергопотребление важнее цены, поскольку битовая стоимость SSD в четыре-девять раз выше, чем у HDD. ^{[16] [15]} По данным на 2016 год ^[update], частота отказов жестких дисков составляет 2–9% в год, в то время как твердотельные накопители имеют меньше отказов: 1–3% в год. ^[163]Однако на твердотельных накопителях больше неисправимых ошибок данных, чем на жестких дисках. ^[163]

Твердотельные накопители предлагают большую емкость (до 100 ТБ ^[45] ), чем самые большие жесткие диски, и / или более высокую плотность хранения (твердотельные накопители на 100 ТБ и 30 ТБ размещаются в 2,5-дюймовых корпусах жестких дисков, но такой же высоты, как и 3,5-дюймовые жесткие диски ^{[164 ] [165] [166] [167] [168]} ), хотя их стоимость остается непомерно высокой.

A laboratory demonstration of a 1.33-Tb 3D NAND chip with 96 layers (NAND commonly used in solid state drives (SSDs)) had 5.5 Tbit/in² as of 2019^[update],^[169] while the maximum areal density for HDDs is 1.5 Tbit/in². The areal density of flash memory is doubling every two years, similar to Moore's law (40% per year) and faster than the 10–20% per year for HDDs. As of 2018^[update], the maximum capacity was 16 terabytes for an HDD,^[170] and 100 terabytes for an SSD.^[30]Жесткие диски использовались в 70% настольных компьютеров и ноутбуков, произведенных в 2016 году, а твердотельные накопители - в 30%. Доля использования жестких дисков снижается и, согласно одному прогнозу, может упасть ниже 50% в 2018–2019 годах, поскольку твердотельные накопители заменяют жесткие диски меньшей емкости (менее одного терабайта) в настольных и портативных компьютерах и MP3-плеерах. ^[171]

Рынок микросхем флеш-памяти (NAND) на основе кремния, используемых в твердотельных накопителях и других приложениях, растет быстрее, чем жестких дисков. Мировая выручка от NAND росла на 16% в год с 22 до 57 млрд долларов в течение 2011–2017 гг., В то время как производство росло на 45% в год с 19 эксабайт до 175 эксабайт. ^[157]

Смотрите также

Примечания

использованная литература

Further reading

• Mueller, Scott (2011). Upgrading and Repairing PCs (20th ed.). Que. ISBN 978-0-7897-4710-5.
• Messmer, Hans-Peter (2001). The Indispensable PC Hardware Book (4th ed.). Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-59616-8.
• Kheong Chn, Sann (2005). "An Introduction to the HDD, modelling, detection and decoding for magnetic recording channels" (PDF). The Eleventh Advanced International Conference on Telecommunications. Retrieved January 10, 2020.

External links

This article's use of external links may not follow Wikipedia's policies or guidelines. Please improve this article by removing excessive or inappropriate external links, and converting useful links where appropriate into footnote references. (July 2020) (Learn how and when to remove this template message)

• Hard Disk Drives Encyclopedia
• Video showing an opened HD working
• Average seek time of a computer disk
• Timeline: 50 Years of Hard Drives
• HDD from inside: Tracks and Zones. How hard it can be?
• Hard disk hacking – firmware modifications, in eight parts, going as far as booting a Linux kernel on an ordinary HDD controller board
• Hiding Data in Hard Drive’s Service Areas, February 14, 2013, by Ariel Berkman
• Rotary Acceleration Feed Forward (RAFF) Information Sheet, Western Digital, January 2013
• PowerChoice Technology for Hard Disk Drive Power Savings and Flexibility, Seagate Technology, March 2010
• Shingled Magnetic Recording (SMR), HGST, Inc., 2015
• The Road to Helium, HGST, Inc., 2015
• Research paper about perspective usage of magnetic photoconductors in magneto-optical data storage.