HDD: будова та принцип роботи

Коротко: Жорсткий диск (HDD) зберігає дані магнітним способом на швидко обертових пластинах. Рухома головка читання/запису ширяє трохи над поверхнею, намагнічує крихітні ділянки (біти) і згодом зчитує їх.

Докладніше: Пластини виготовляють зі скла або алюмінію з магнітним шаром. Кожна крихітна ділянка намагнічується в одному з двох напрямків, що дає 0 і 1. Механіка робить HDD повільнішим за SSD, але дешевшим за великих обсягів.

Подробиці

Будова:

• Пластини: від 1 до 10 дисків, що обертаються зі швидкістю 5 400 або 7 200 об/хв (сервер: 10 000+).
• Шпиндельний двигун: обертає пластини.
• Головки читання/запису: по одній на бік пластини, на важелі (actuator arm). Вона ширяє на повітряній подушці приблизно в 3 – 10 нм над поверхнею й не торкається її.
• Привід зі звуковою котушкою: швидко переміщує головки на потрібну доріжку.
• Плата контролера і кеш (буфер 64 – 512 МБ).

Організація даних:

• Доріжки: концентричні кола.
• Сектори: ділянки доріжки, класично 512 байтів, сьогодні 4096 байтів (Advanced Format).
• Циліндр: та сама доріжка на всіх пластинах.
• Зони (zone bit recording): ззовні на доріжці більше секторів, тому зовнішні ділянки швидші.

Запис і читання:

1. Запис: головка створює невелике магнітне поле. Залежно від напрямку струму ділянка під нею намагнічується північ/південь.
2. Читання: під час проходження магнітні переходи змінюють опір у читальній головці (ефект GMR/TMR), сигнал декодується в біти.
3. Метод запису: сьогодні переважно перпендикулярний запис (PMR), магнітні ділянки стоять перпендикулярно шару. Нові методи: SMR (доріжки, що перекриваються), HAMR/MAMR (з лазером/мікрохвилями для більшої щільності).
4. Корекція помилок (ECC) виправляє помилки читання.

Час доступу: позиціонування головки (час пошуку ~8 мс) + очікування проходження сектора (затримка обертання ~4 мс за 7 200 об/хв). Це пояснює, чому звернення в багатьох місцях (випадкові) дуже повільні. Послідовне читання досягає ~150 – 250 МБ/с.

Плюси й мінуси:

• Дешево за ГБ, велика ємність (до 30 ТБ), добре для архівів і резервних копій.
• Повільно, чутно, чутливо до ударів (head crash), споживає більше енергії, ніж SSD.
• Дефрагментація раніше допомагала від звернень у багатьох місцях. На SSD безглузда.
• S.M.A.R.T. повідомляє про зношування: перепризначені сектори, години роботи.

Див. також: HDD, Жорсткі диски, NAND flash