HDD: устройство и принцип работы

Коротко: Жёсткий диск (HDD) хранит данные магнитным способом на быстро вращающихся пластинах. Подвижная головка чтения/записи парит чуть выше поверхности, намагничивает крошечные области (биты) и позже считывает их.

Подробнее: Пластины изготавливаются из стекла или алюминия с магнитным слоем. Каждая крошечная область намагничивается в одном из двух направлений, что даёт 0 и 1. Механика делает HDD медленнее SSD, но дешевле при больших объёмах.

Подробности

Устройство:

• Пластины: от 1 до 10 дисков, вращающихся со скоростью 5 400 или 7 200 об/мин (сервер: 10 000+).
• Шпиндельный двигатель: вращает пластины.
• Головки чтения/записи: по одной на сторону пластины, на рычаге (actuator arm). Она парит на воздушной подушке примерно в 3 – 10 нм над поверхностью и не касается её.
• Привод с звуковой катушкой: быстро перемещает головки на нужную дорожку.
• Плата контроллера и кэш (буфер 64 – 512 МБ).

Организация данных:

• Дорожки: концентрические окружности.
• Секторы: участки дорожки, классически 512 байт, сегодня 4096 байт (Advanced Format).
• Цилиндр: одна и та же дорожка на всех пластинах.
• Зоны (zone bit recording): снаружи на дорожке больше секторов, поэтому внешние области быстрее.

Запись и чтение:

1. Запись: головка создаёт небольшое магнитное поле. В зависимости от направления тока область под ней намагничивается север/юг.
2. Чтение: при прохождении магнитные переходы меняют сопротивление в читающей головке (эффект GMR/TMR), сигнал декодируется в биты.
3. Метод записи: сегодня преимущественно перпендикулярная запись (PMR), магнитные области стоят перпендикулярно слою. Новые методы: SMR (перекрывающиеся дорожки), HAMR/MAMR (с лазером/микроволнами для большей плотности).
4. Коррекция ошибок (ECC) исправляет ошибки чтения.

Время доступа: позиционирование головки (время поиска ~8 мс) + ожидание прохождения сектора (задержка вращения ~4 мс при 7 200 об/мин). Это объясняет, почему обращения во многих местах (случайные) очень медленные. Последовательное чтение достигает ~150 – 250 МБ/с.

Плюсы и минусы:

• Дёшево за ГБ, большая ёмкость (до 30 ТБ), хорошо для архивов и резервных копий.
• Медленно, слышно, чувствительно к ударам (head crash), потребляет больше энергии, чем SSD.
• Дефрагментация раньше помогала от обращений во многих местах. На SSD бессмысленна.
• S.M.A.R.T. сообщает об износе: переназначенные секторы, часы работы.

См. также: HDD, Жёсткие диски, NAND flash