hdd1

Тверди́й диск або тверди́й магні́тний диск, або накопичувач на магнітних дисках (англ. Hard (magnetic) disk drive, англ. HDD), у комп'ютерному сленгу — «вінчестер» (від англ. winchester), — магнітний диск, основа якого виконана з твердого матеріалу. У більшості ЕОМ виконує функцію енергонезалежного носія інформації (комп'ютерної пам'яті чи нагромаджувача інформації) з довільним доступом (англ. random access).

 Основні ознаки 

На відміну від дискети, що виготовляється на основі гнучкого (лавсанового) магнітного ​​диска, інформація у твердому магнітному диску записується шляхом намагнічування шару феромагнітного матеріалу (діоксиду заліза у минулому чи сплаву кобальту тепер), що нанесений на поверхні твердих (алюмінієвих, скляних або композитних) пластин у формі диска. У твердих магнітних дисках використовується одна або декілька пластин, встановлених на одному шпинделі. Голівки зчитування-запису у робочому режимі не торкаються поверхні пластин завдяки прошарку постійно набігаючого повітря, що утворюється біля поверхні дискових пластин при швидкому обертанні. Відстань між голівкою і робочою поверхнею дискової пластини становить декілька нанометрів (у сучасних дисках близько 10 нм), а відсутність механічного контакту забезпечує тривалий термін експлуатації пристрою. За відсутності обертання дисків головки знаходяться поблизу шпинделя або за межами диска у безпечній зоні, де унеможливлюється їх нештатний контакт з поверхнею дисків.

Також, на відміну від гнучких дисків, у твердих магнітних дисках носій інформації (магнітний диск) сполучений в єдиний пристрій з іншими вузлами нагромаджувача (засобами запису і зчитування, приводом та блоком електроніки). Такий твердий диск переважно використовуються як стаціонарний (незнімний) носій інформації.

Конструкція

hdd

 

Основні елементи конструкції твердого диска

Існує багато типів твердих дисків, але всі вони складаються з одних і тих же вузлів із спільним принципом роботи. Основні елементи конструкції наступні:

  • пластини магнітних дисків на спільному шпинделі;
  • голівки читання/запису;
  • механізм приводу голівок (коромисло із сервоприводом);
  • двигун приводу дисків;
  • друкована плата з електричними схемами керування;
  • кабелі і гнізда рознять кабелів живлення і передачі даних;
  • елементи конфігурування (пермички і перемикачі).

Диски, двигун приводу дисків, голівки і механізм приводу голівок зазвичай поміщаються в герметичному корпусі, що має назву «гермоблок» або «блок голівок і дисків» (англ.HDAHeadDiskAssembly). Інші вузли, що не входять у гермоблок (друкована плата керування, лицева панель, елементи конфігурування тощо), є знімними і поміщаються ззовні гермоблока.

Гермоблок

Більшу частину конструкції твердого диска займає цільний металевий корпус, що захищає магнітні пластини і точну механіку від впливів навколишнього середовища. Гермоблок — це герметична область пристрою, захищена від пилу та інших дрібних частинок. Гермоблок необхідний, оскільки, навіть дуже дрібна частинка, якщо вона потрапить у вузький зазор між голівкою й поверхнею диска, може пошкодити чутливий магнітний шар і вивести з ладу твердий диск. Також корпус захищає нагромаджувач від електромагнітних перешкод, тобто відіграє роль екрана. Внутрішній простір гермоблока заповнений звичайним, але повністю очищеним від пилу повітрям. Ним не заповнюють гермоблок спеціально, просто складання здійснюється в приміщенні, де на один кубічний метр повітря припадає менше ста частинок пилу. Однак незважаючи на назву, гермоблок не зовсім герметичний. Для вирівнювання його внутрішнього тиску з атмосферним, у корпусі робиться отвір, який закритий щільним фільтром пилу. У процесі роботи, пластини обертаються, створюючи потік циркуляції повітря. Цей потік проходить крізь ще один фільтр, який забезпечує додаткове очищення.

Магнітна пластина твердого диска

Магнітна пластина переважно виготовляється з легких сплавів на основі алюмінію. Є моделі, в яких пластини виготовлені з кераміки чи спеціального скла. На поверхню пластин, в незалежності від їх складу, для надання магнітних властивостей, наноситься методом вакуумного напилення шар кобальту. Структура магнітного покриття містить велику кількість мікроскопічних областей, що називають доменами. У процесі запису, магнітна голівка створює зовнішнє магнітне поле, яке, впливаючи на домен, змінює вектор його намагніченості. Після того, як зовнішнє поле зникає, на поверхні диска утворюються зони залишкової намагніченості. Саме за таким принципом і здійснюється запис і зберігання інформації на магнітних дисках. Процес зчитування відбувається наступним чином: в магнітній головці, коли вона опиняється навпроти ділянки залишкової намагніченості, індукується електрорушійна сила (у перших конструкціях) або змінюється електричний опір (у нових конструкціях), що і дозволяє зчитувати інформацію. Кількість пластин в нагромаджувачі може бути різною, у кожної пластини є дві робочі поверхні, але в певних моделях використовуватись може тільки одна. (непарна кількість головок)

hdd2

Стос магнітних пластин твердого диска Seagate-ST19171N, об'єм: 9.1 Гбайт

Магнітні голівки твердого диска

Магнітна головка має досить складну будову і містить мікроскопічні елементи, виготовлення яких здійснюється методами фотолітографії. Для різних моделей твердих дисків кількість магнітних голівок може бути від 1 до 8. Встановлення, а також утримання голівки на магнітній доріжці забезпечує електромагнітна система позиціювання. Існує багато конструкцій механізмів приводу голівок, але їх можна розділити на два основних типи:

  • з кроковим двигуном;
  • з рухомою котушкою.

Характеристики цього приводу багато у чому визначають швидкодію і надійність нагромаджувача, вірогідність зчитування даних, його температурну стабільність, чутливість до вибору робочого положення і вібрацій. Слід зазначити, що диски із приводами на основі крокових двигунів є менш надійними, ніж пристрої із приводами від рухомих котушок.

Для здійснення запису даних використовується індуктивна голівка. Записувана інформація перетвориться голівкою у змінне магнітне поле. Цим полем намагнічується ділянка магнітного диска. Недоліком індуктивної голівки є те, що вона не підходить для читання інформації через залежність амплітуди сигналу зчитування від швидкості переміщення магнітного покриття та суттєвий вплив магнітних шумів. З цієї причини, для читання інформації застосовуються магніторезистивні голівки типів MRH (Magneto-Resistive) або GMR (GiantMagneto-Resistive). Подібні головки являють собою резистор, що змінює свій опір залежно від напруженості магнітного поля. Головна перевага полягає в тому, що амплітуда практично не залежить від швидкості зміни магнітного поля. Використання магніторезистивних голівок дозволяє збільшити надійність зчитування інформації, а також збільшити граничну щільність запису.

До моменту «зльоту» на повітряній подушці, голівки труться об поверхню пластин в спеціально відведеній ділянці диска, званому «паркувальна зона». У процесі роботи магнітні головки знаходяться на відстані в частки мікрона від поверхні магнітних пластин. Після виключення живлення контролер твердого диска проводить автоматичне паркування голівок.

hdd3

Блок магнітних голівок із системою позиціювання

hdd4

Магнітні голівки запису/зчитування

Двигун приводу дисків

Стабільне обертання пластин змонтованих на осі (шпинделі) забезпечує шпиндельний трифазний двигун. Усередині двигуна містяться три обмотки, які включені зіркою з відведенням посередині. Ротор являє собою постійний секційний магніт. Щоб забезпечити малі биття на високих обертах, в сучасних твердих дисках використовуються гідродинамічні підшипники.

Шпиндельний двигун запускається тільки після повної внутрішньої діагностики пристрою. Спочатку двигун розкручується у форсованому режимі, не аналізуючи швидкість обертання магнітних дисків. Для забезпечення цього етапу роботи, блок живлення комп'ютера повинен мати запас пікової потужності. Після того, як магнітні голівки виводяться із зони паркування, швидкість обертання дисків стає контрольованою. Вона управляється за сигналом серворозмітки, яка була записана на диск у процесі його виготовлення. Електроніка твердого диска виділяє сервомітки (вони знаходяться між секторами) із загального потоку даних і по них стабілізує швидкість обертання пластин. Стабільність обертання вкрай важлива для якості зчитування особливо для дисків з високою щільністю запису.

hdd5

Електродвигун приводу шпинделя магнітних пластин

По суті, швидкість обертання пластин є однією з найважливіших характеристик продуктивності твердого диска. Чим вища швидкість, тим меншим є час, необхідний для пошуку інформації, і тим більша швидкість читання і запису інформації. У сучасних пристроях швидкість обертання пластин в нагромаджувачах з інтерфейсами PATA і SATA становить від 4200 до 10000 обертів на хвилину. У дорогих серверних системах з інтерфейсом SCSI (SAS), вона може досягати 15000 об/хв. Однак подальше збільшення швидкостей обертання обмежується тим, що підвищується робоча температура дисків, а це негативно позначається на магнітному шарі. Також для швидкісних моделей потрібні якісніші підшипники, а їх виготовлення збільшує кінцеву вартість твердих дисків.

Плата керування

Плата керування твердого диска — вузькоспеціалізований комп'ютер, призначенням якого є обмін інформацією з базовою платою комп'ютера і управління внутрішніми процесами, що відбуваються у твердому диску (керування шпиндельним двигуном та приводом голівок).

Найбільша мікросхема на платі — центральний процесор. Це спеціалізований, цифро-аналоговий процесор, який займається обробкою як цифрової інформації, що надходить з комп'ютера, так і аналогової інформації, що надходить з блоку магнітних голівок.

hdd6

Плата керування твердого диска

Другим важливим компонентом (нижче процесора на зображенні) є мікросхема оперативної пам'яті — це кеш-пам'ять місткістю 8…64МБ, що необхідна для буферизації обміну даними між диском і платою керування диска.

Третім важливим компонентом є драйвер двигуна (на фото третя за розміром мікросхема, нижче від мікросхеми пам'яті). Призначення даної мікросхеми — запуск і зупинка шпиндельного двигуна, контроль швидкості його обертання, керування сервоприводом і у деяких дисків, формування напруги живлення окремих компонентів та вузлів.

Наступний важливий компонент на платі керування — постійний запам'ятовувач (ПЗП), в даному випадку його мікросхема розташована у лівому нижньому куті плати (має по 4 ніжки з кожної з двох сторін). У цій мікросхемі знаходиться базова програма («прошивка») і стартова адаптивна інформація, необхідна для успішного запуску і ініціалізації твердого диска. Основний же програмний код знаходиться на магнітних пластинах носія у так званій службовій зоні. Останнім часом, на сучасних твердих дисках така мікросхема відсутня, її вміст тепер зберігається в центральному процесорі та міцно пов'язаний з вмістом службової інформації, іншими словами, це унеможливлює ремонт твердого диска методом заміни плати керування.

Характеристики

Інтерфейс — набір, що складається з ліній зв'язку, сигналів, що посилають по цих лініях, технічних засобів (контролерів), що підтримують ці лінії, і правил обміну (протоколів). Сучасні тверді диски можуть мати інтерфейси: ATA (AT Attachment, він же IDE — Integrated Drive Electronic, він же Parallel ATA), (EIDE), Serial ATA, SCSI (Small Computer System Interface), SAS, FireWire, USB, SDIO і Fibre Channel.

Ємність (англ. capacity) — кількість даних, які можуть зберігатися нагромаджувачем. Ємність сучасних твердих дисків з форм-фактором 3,5" сягає 4 ТБ[7]. На відміну від прийнятої в інформатиці системі префіксів для обсягів інформації, що позначають величину, кратну 1024, виробниками твердих дисків використовуються величини, кратні 1000. Так, наприклад, ємність твердого диска, маркованого як «2 ТБ», насправді становить приблизно 1,82 Терабайт. (2*1000*1000*1000*1000/1024/1024/1024/1024 = ~1.82)

Фізичний розмір (форм-фактор) — майже всі сучасні нагромаджувачі для персональних комп'ютерів і серверів мають розмір (ширину) 3,5, або 2,5 дюйма. Останні частіше застосовують у ноутбуках. Інші, менш поширені формати — 1,8 дюйма, 1,3 дюйма і 0,85 дюйма.

Час доступу (англ.randomaccesstime) — від 3 до 15 мс, як правило, мінімальним часом відрізняються серверні диски (наприклад, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 мс[8]), максимальним із актуальних — диски для портативних пристроїв (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5[9]). Для порівняння, у твердотільних нагромаджувачів цей параметр не перевищує 1 мс.

Швидкість обертання диска (англ.spindlespeed) — кількість обертів шпинделя за хвилину. Від цього параметра значною мірою залежать час доступу й швидкість передавання даних. Станом на 2012 рік випускаються вінчестери з такими стандартними швидкостями обертання: 4200, 5400 (ноутбуки), 7200 (персональні комп'ютери), 10 000 і 15 000 об./хв (сервери і високопродуктивні робочі станції). Збільшенню швидкості обертання шпинделя у твердих дисках для ноутбуків перешкоджає гіроскопічний ефект, впливом якого можна знехтувати у стаціонарно встановлених комп'ютерах.

Надійність (англ.reliability) — визначається як середній наробіток між відмовами (Mean Time Between Failures, MTBF). Також, переважна більшість дисків підтримує технологію Технологія SMART (англ.SelfMonitoringAnalysingandReportingTechnology) — технологія оцінки стану твердого диска вбудованими засобами самодіагностування, а також алгоритм оцінки часу до виходу його з ладу.)

Кількість операцій введення-виведення за секунду (англ.IOPS) — у сучасних дисків це близько 50 оп./с при довільному доступі до накопичувача й близько 100 оп./сек при послідовному доступі.

Рівень шуму — шум, що виникає під час роботи пристрою. Вимірюється в двох режимах - під час простою (шум двигуна обертання) і під час активного навантаження (шум двигуна + шум голівок). Вказується в децибелах, інколи в Белах (=10дБ). Тихими накопичувачами вважаються пристрої з рівнем шуму близько 26 децибел і нижче.

Опірність ударам (англ.G-shockrating) — опірність твердого диска різким перепадам тиску або ударам вимірюється в одиницях припустимого перевантаження, кратних g (прискоренню вільного падіння) в увімкненому та вимкненому стані.

Швидкість передавання даних (англ.TransferRate):

  • Внутрішня зона поверхні диска: від 44,2 до 74,5 Мб/с
  • Зовнішня зона поверхні диска: від 74,0 до 111,4 Мб/с

Місткість буфера (англ.CacheMemory) — розмір проміжної пам'яті (кеш-пам'яті), що призначена для згладжування різниці швидкостей читання/запису і передавання даних через інтерфейс. Станом на 2013 у твердих дисках вона зазвичай може становити 8, 16, 32, 64 або 128 МБ.

hdd7

Шість типорозмірів твердих дисків, за період їх розвитку

Джерело: uk.wikipedia.org

 Blu-ray

Цей стандарт був анонсований в 2002 р. компаніями Sony та Philips. По суті, цей формат розроблявся практично з нуля. Його творці не прагнули зберегти максимальну схожість із DVD, що в підсумку дозволило не тільки підвищити ємність у порівнянні з HD DVD, але й мати запас масштабованості в майбутньому.

Назва Blu-ray — навмисне написана без літери "e" (ератив від blue(англ. синій). Це зроблено з метою реєстрації цієї торгової марки, оскільки у правильному написанні це словосполучення є загальновживаним і не може бути зареєстроване як торгова марка.

Особливість технології

   Blu-ray використовує синій (правильніше — фіолетовий ) лазер з довжиною хвилі 405 нм. (DVD червоний 650 нм, CD інфрачервоний 780 нм).

   Реєструючий шар знаходиться на відстані 0,1 мм від поверхні диска (HD DVD та DVD — 0,6 мм).

   В Blu-ray приводах застосовується лінза зі збільшеною числовою апертурою, що разом з наближенням реєструючого шару, забезпечує розширення кута зору OPU накопичувача. Це істотно підвищило стабільність зчитування даних з носія, дозволивши підвищити щільність розміщення доріжок при збереженні співвідношення сигнал/шум.

   Відстань між треками для Blu-ray становить 0,32 мкм (в HD DVD 0,4 мкм)

Збільшення числової апертури призвело до необхідності переробки механічної частини накопичувача і, як наслідок, його подорожчання. Але в той же час знизило вимоги до якості самих дисків, істотно підвищивши відсоток виходу придатних дисків, що згодом приведе до здешевлення Blu-ray-носіїв.