link980 link981 link982 link983 link984 link985 link986 link987 link988 link989 link990 link991 link992 link993 link994 link995 link996 link997 link998 link999 link1000 link1001 link1002 link1003 link1004 link1005 link1006 link1007 link1008 link1009 link1010 link1011 link1012 link1013 link1014 link1015 link1016 link1017 link1018 link1019 link1020 link1021 link1022 link1023 link1024 link1025 link1026 link1027 link1028 link1029 link1030 link1031 link1032 link1033 link1034 link1035 link1036 link1037 link1038 link1039 link1040 link1041 link1042 link1043 link1044 link1045 link1046 link1047 link1048 link1049 link1050 link1051 link1052 link1053 link1054 link1055 link1056 link1057 link1058 link1059 link1060 link1061 link1062 link1063 link1064 link1065 link1066 link1067 link1068 link1069 link1070 link1071 link1072 link1073 link1074 link1075 link1076 link1077 link1078 link1079 link1080 link1081 link1082 link1083 link1084 link1085 link1086 link1087 link1088 link1089 link1090 link1091 link1092 link1093 link1094 link1095 link1096 link1097 link1098 link1099 link1100 link1101 link1102 link1103 link1104 link1105 link1106 link1107 link1108 link1109 link1110 link1111 link1112 link1113 link1114 link1115 link1116 link1117

PersCom — Компьютерная Энциклопедия Компьютерная Энциклопедия

Накопители на жёстких дисках

Накопители на жестких дисках

Достижения в развитии накопителей

В 1957 году Сирил Норткот Паркинсон опубликовал свой знаменитый сборник “Законы Паркинсона”, который начинается с утверждения “Объем работы увеличивается настолько, чтобы полностью заполнить время, отпущенное на ее выполнение”. Этот наиболее известный закон в несколько измененном виде может быть применен и к жестким дискам: “Объем данных увеличивается в соответствии с объемом пространства, отведенного для их хранения”. Это означает, что независимо от емкости жесткого диска вы без особого труда найдете способ “набить” его до отказа. Хочу заметить, что под этим лозунгом я живу лет двадцать пять, начиная с момента приобретения своего первого накопителя на жестких дисках.

Примечание!

Книга ‘‘Законы Паркинсона’’ постоянно переиздается и считается одним из самых фундаментальных трудов для изучения производственных и экономических процессов.

Я хорошо знаю об экспоненциальных темпах развития компонентов ПК, но несмотря на это не перестаю поражаться тому, насколько быстро увеличиваются скорость и емкость современных накопителей. Первым жестким диском, приобретенным мною еще в 1983 году, был 10-мегабайтовый (подчеркиваю: не 10 Гбайт, а 10 Мбайт) накопитель Miniscribe модели 2012, который представлял собой 5,25-дюймовый дисковод размерами 200×140×80 мм и массой около 2,5 кг (что превышает вес большинства современных портативных компьютеров). Для сравнения: в одном из наиболее емких на момент написания книги накопителей Hitachi 7K1000 SATA используются пластины диаметром 3,5 дюйма; его размеры — 146×102×25 мм, масса — 0,7 кг, а объем — 1 Тбайт. (Обратите внимание, что устройство объемом, составляющим примерно шестую часть объема моего первого винчестера, способно хранить в сто тысяч раз больше информации!)

Очевидно, что колоссальные емкости современных накопителей бесполезны без обеспечения высокой скорости передачи данных. Жесткий диск, которым оснащались первые IBM XT в 1983 году, характеризовался скоростью передачи данных около 100 Кбайт/с. Сегодня же в большинстве накопителей реализован интерфейс Serial ATA, который обеспечивает реальную скорость передачи от 50 Мбайт/с (при расчетной скорости до 300 Мбайт/с). Подобно емкости накопителей на жестких магнитных дисках быстродействие интерфейса также постоянно увеличивалось, а начиналось все с интерфейсов MFM и RLL, которые были широко распространены в 1980-х годах. Как всегда, быстродействие интерфейса оказывается выше быстродействия реальных накопителей. В настоящее время наиболее распространены интерфейсы Parallel ATA (до 133 Мбайт/с), Serial ATA (150 или 300 Мбайт/с), SAS (до 600 Мбайт/с) и SCSI (до 320 Мбайт/с). Все они имеют гораздо большую скорость передачи данных, чем реальные накопители, которыми они оснащаются. Это означает, что скорость передачи данных всегда ограничена накопителем, а не интерфейсом. Все интерфейсы характеризуются быстродействием, достаточным для того, чтобы не ограничивать работу накопителей, которые будут выпускаться в ближайшие годы.

В 2006 году жесткий диск отпраздновал свой 50-летний юбилей. В то время, когда на рынке появились первые ПК, емкость жестких дисков едва достигала 5 Мбайт. Для того чтобы вы могли получить представление о том, насколько далеко ушли по пути прогресса жесткие диски за прошедшие 25 с лишним лет, позволю себе перечислить наиболее важные вехи в их развитии.

  • Максимальная емкость накопителей увеличилась с 5 Мбайт (1981) до 1 Тбайт (3,5-дюймовые накопители для настольных систем) и 200 Гбайт (2,5-дюймовые диски для ноутбуков). Жесткие диски емкостью менее 40 Гбайт уже перешли в разряд раритетов. Скорость передачи данных увеличилась со 100 Кбайт/с в оригинальном компьютере IBM XT (1983) до 50 Мбайт/с в системах SATA (Western Digital Raptor WD74GD) и до 80 Мбайт/с в системах SCSI (Seagate Cheetah 15K.4).
  • Среднее время поиска (т.е. время установки головки на нужную дорожку) уменьшилось с 85 мс в 10-мегабайтовых жестких дисках, используемых в компьютере IBM РС XT (1983), до 3,3 мс в наиболее быстродействующих системах.
  • В 1982 году накопитель емкостью 10 Мбайт и контроллер стоили более 2000 долларов (т.е. 200 долларов за мегабайт). В настоящее время стоимость жестких дисков для настольных ПК (с интегрированными контроллерами) снизилась до 28 центов за гигабайт; т.е. жесткий диск емкостью 300 Гбайт стоит менее 100 долларов! Стоимость жестких дисков для ноутбуков составляет около 67 центов за гигабайт, т.е. жесткий диск емкостью 120 Гбайт стоит около 80 долларов.

Примечание!

6 января 2003 года IBM продала компании Hitachi свое операционное отделение Hard Disk Drive, что стало для всех полной неожиданностью. В результате появилась компания Hitachi Global Storage Technologies (www.hgst.com), обобщившая производственный опыт Hitachi и IBM. Штаб-квартира новой компании находится в городе Сан-Хосе, штат Калифорния. Компания Hitachi Global Storage Technologies производит, реализует и поддерживает серию изделий Travelstar, Microdrive, Ultrastar и Deskstar, которые до этого выпускались компанией IBM. В настоящее время 70% акций новой компании принадлежат Hitachi, остальная часть является собственностью IBM. При этом IBM не принимает участия в управлении делами новой компании. Особую роль играет то обстоятельство, что дисковод был изобретен именно в IBM, поэтому печально наблюдать, как эта компания сворачивает свои дела.



5,25-дюймовые накопители

Компания Shugart Associates впервые представила накопитель на жестких магнитных дисках формфактора 5,25 дюйма одновременно с накопителем на гибких магнитных дисках того же формфактора в 1976 году. После этого основатель компании Алан Шугарт покинул ее и основал компанию Seagate Technologies, которая представила свой первый 5,25-дюймовый накопитель (модель ST-506, емкость — 5 Мбайт) в 1980 году, т.е. до появления на рынке первых IBM PC. В дальнейшем IBM использовала накопитель Seagate ST-412 (емкостью 10 Мбайт) в некоторых моделях PC XT (это была первая серийная модель ПК, которая продавалась вместе со встроенным жестким диском). В те времена физические размеры накопителей на твердых и мягких магнитных дисках совпадали, а значит, их можно было устанавливать в один и тот же отсек системного блока. Например, первые IBM PC и XT были оснащены двумя 5,25-дюймовыми отсеками. Данные накопители использовались и в первых портативных системах (например, Compaq Portable). В дальнейшем высота накопителей (обоих типов) была уменьшена в два раза, что позволило устанавливать два накопителя в отсек, изначально предназначенный для установки всего одного. Формфактор 5,25 дюйма половинной высоты используется до настоящего времени. Именно в нем выпускаются современные накопители CD-ROM и DVD. Данный формфактор также поддерживался и первыми портативными ПК, такими как IBM Portable PC.

Несколько слов о наглядных сравнениях

Вам, возможно, приходилось читать книги или статьи, в которых для описания взаимодействия головки и диска используется аналогия с Боингом-747, летящим в нескольких метрах над землей со скоростью 850 км/ч. Я сам в течение нескольких лет частенько к ней прибегал на упомянутых семинарах, но никогда не задумывался над тем, точно ли это соответствует современным накопителям.

Не скрою, сравнение головки с летящим самолетом всегда казалось мне некорректным. Она ведь никуда не летит, а плавает на воздушной подушке, которая создается над поверхностью вращающегося диска.

Правильнее было бы сравнить ее с судном на воздушной подушке. Благодаря специальному профилю головки толщина создающейся воздушной подушки автоматически поддерживается постоянной. Иногда такой способ взаимодействия двух подвижных объектов называют воздушной подвеской.

Пришло время прибегнуть к новым аналогиям, которые позволят получить более точное представление о размерах и скоростях, характерных для современного накопителя на жестких дисках. Для этого были взяты спецификации определенной модели накопителя, увеличенные затем более чем в 300000 раз. В качестве примера возьмем накопитель IBM Deskstar 75GXP с форматной емкостью 75 Гбайт, в котором используется 3,5-дюймовый дисковод ATA (интерфейс AT Atachment). Размеры ползунка головки (он столь миниатюрен, что называется пикоползунком) составляют 0,049 дюйма в длину, 0,039 дюйма в ширину и 0,012 дюйма в высоту. Ползунок с головкой плывут над поверхностью диска на воздушной подушке толщиной примерно 15 нм (нанометр — миллионная доля метра) со средней скоростью 53,55 мили в час (предполагается, что средний диаметр дорожки равен 2,5 дюйма). Эти головки читают и записывают биты данных, промежутки между которыми равны 2,56 микродюйма (одна миллионная дюйма). Биты данных расположены на дорожках, расстояние между которыми составляет всего 35,27 микродюйма. Среднее время позиционирования головок (т.е. перемещения с одной дорожки на другую) равно 8,5 мс.

Для создания аналогии масштаб был увеличен таким образом, чтобы получить величину зазора между плавающей головкой и поверхностью диска, равную 5 мм (примерно 0,2 дюйма). Так как 5 мм в 333333 раза больше, чем 15 нм, остальные размеры увеличены на ту же величину. Представьте себе эту головку: при таком увеличении ее длина составит около 410 м, ширина — 325 м, а высота — 100 м (это приблизительные размеры небоскреба Sears, положенного на бок). Перемещается она со скоростью 9187 км/с на расстоянии всего лишь 5 мм над землей (т.е. над диском) и считывает биты данных, промежутки между которыми равны 2,16 см. Эти биты данных расположены на дорожках, расстояние между которыми составляет всего лишь 29,9 см. Скорость перемещения этой гипотетической головки даже трудно себе представить, поэтому я приведу конкретный пример. Диаметр Земли составляет 12742 км, т.е. длина околоземной орбиты, проходящей на расстоянии одного дюйма от поверхности, будет равна приблизительно 40000 км. Таким образом, развивая скорость 9187 км/с, эта головка совершит виток вокруг Земли меньше чем за пять секунд. Кроме того, за один виток вокруг экватора головка сможет прочитать 231,33 Мбайт данных.

При этом изменятся и скоростные характеристики головки. Среднее время позиционирования, составляющее 8,5 мс, определяется как время, затрачиваемое для перемещения головки на одну треть от общего числа дорожек (в этом случае — примерно 9241-я дорожка), т.е. за столь короткое время головка проходит расстояние, равное 2,75 км. С учетом масштабного коэффициента скорость поиска составляет более 916665 км/ч или 254 км/с!

Не правда ли, хочется воскликнуть: “Видел чудеса техники, но такие!..” И действительно, современный жесткий диск — это настоящее чудо техники! Как видите, пример с авиалайнером оказался лишь жалким подобием того, что есть на самом деле (не говоря о его некорректности с точки зрения физики).



Диски

Накопитель на жестких магнитных дисках содержит несколько дисков (пластин). На протяжении многих лет жесткие диски для ПК выпускались в нескольких формфакторах. Как правило, физические размеры жестких дисков выражаются в размере используемых пластин. Основные размеры пластин, используемых в жестких дисках ПК, приведены в таблице.

Существуют также накопители с дисками больших размеров, например 8 дюймов, 14 дюймов и даже больше, но, как правило, эти устройства в ПК не используются. Сейчас в настольных и некоторых портативных моделях чаще всего устанавливаются накопители формата 3,5 дюйма, а малогабаритные устройства (формата 2,5 дюйма и меньше) — в портативных системах.

В большинстве накопителей устанавливается минимум два диска, хотя в некоторых малых моделях бывает и по одному. Количество дисков ограничивается физическими размерами накопителя, а именно — высотой его корпуса. Самое большое количество дисков в накопителях формата 3,5 дюйма, с которым мне приходилось встречаться, — 12.

Раньше почти все диски производились из алюминиево-магниевого сплава, довольно прочного и легкого. Но со временем возникла потребность в накопителях, сочетающих малые размеры и большую емкость. Поэтому в качестве основного материала для дисков стало использоваться стекло, а точнее — композитный материал на основе стекла и керамики. Один из таких материалов называется MemCor и производится компанией Dow Corning. Он значительно прочнее, чем каждый из его компонентов в отдельности. Стеклянные диски отличаются большей прочностью и жесткостью, поэтому их можно сделать в два и более раз тоньше алюминиевых. Кроме того, они менее восприимчивы к перепадам температур, т.е. их размеры при нагреве и охлаждении изменяются весьма незначительно. Сегодня практически все жесткие диски выпускаются со стеклянными или стеклокерамическими пластинами.

Рабочий слой диска

тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным, и именно в нем сохраняется записанная информация. Самыми распространенными являются следующие типы рабочего слоя:

  • оксидный;
  • тонкопленочный;
  • двойной антиферромагнитный (AFC).

Оксидный слой

Оксидный слой представляет собой полимерное покрытие с наполнителем из окиси железа. Он наносится следующим образом. Сначала на поверхность быстро вращающегося алюминиевого диска разбрызгивается суспензия порошка оксида железа в растворе полимера. За счет действия центробежных сил она равномерно растекается по поверхности диска от его центра к внешнему краю. После полимеризации раствора поверхность шлифуется. Затем на нее наносится еще один слой чистого полимера, обладающего достаточной прочностью и низким коэффициентом трения, и диск окончательно полируется. Обычно толщина оксидного слоя — чуть больше 0,1 микрона. Если вам удастся заглянуть внутрь накопителя с такими дисками, то вы увидите, что они коричневого или желтого цвета.

Чем выше емкость накопителя, тем более тонким и гладким должен быть рабочий слой дисков. Но добиться качества покрытия, необходимого для накопителей большой емкости, в рамках традиционной технологии оказалось невозможным. Поскольку оксидный слой довольно мягкий, он крошится при “столкновениях” с головками (например, при случайных сотрясениях накопителя). Диски с таким рабочим слоем использовались с 1955 года; они так долго продержались благодаря простоте технологии и низкой стоимости. Однако в современных моделях накопителей они полностью уступили место тонкопленочным дискам.

Тонкопленочный слой

тия гораздо выше, чем у оксидного. Эта технология легла в основу производства накопителей нового поколения, в которых удалось существенно уменьшить величину зазора между головками и поверхностями дисков, что позволило повысить плотность записи.

Термин тонкопленочный рабочий слой очень удачен, так как это покрытие гораздо тоньше, чем оксидное. Этот слой называют также гальванизированным или напыленным, поскольку наносить тонкую пленку на поверхность дисков можно поразному.

Тонкопленочный гальванизированный рабочий слой получают путем электролиза. Это происходит почти так же, как при хромировании бампера автомобиля. Алюминиевую или стеклянную подложку диска последовательно погружают в ванны с различными растворами, в результате чего она покрывается несколькими слоями металлической пленки. Рабочим слоем служит слой из сплава кобальта толщиной всего около 1 микродюйма (около 0,025 мкм).

Метод напыления рабочего слоя заимствован из полупроводниковой технологии. Суть его сводится к тому, что в специальных вакуумных камерах вещества и сплавы вначале переводятся в газообразное состояние, а затем осаждаются на подложку. На алюминиевый диск сначала наносится слой фосфорита никеля, а затем магнитный кобальтовый сплав. Его толщина при этом — всего 1–2 микродюйма (0,025–0,05 мкм). Аналогично поверх магнитного слоя на диск наносится очень тонкое (порядка 0,025 мкм) углеродное защитное покрытие, обладающее исключительной прочностью. Это самый дорогостоящий процесс из всех описанных выше, так как для его проведения необходимы условия, приближенные к полному вакууму.

Как уже отмечалось, толщина магнитного слоя, полученного методом напыления, составляет около 0,025 мкм. Его исключительно гладкая поверхность позволяет сделать зазор между головками и поверхностями дисков гораздо меньшим, чем это было возможно раньше (0,076 мкм). Чем ближе к поверхности рабочего слоя располагается головка, тем выше плотность расположения зон смены знака на дорожке записи и, следовательно, плотность диска. Кроме того, при увеличении напряженности магнитного поля по мере приближения головки к магнитному слою увеличивается амплитуда сигнала; в результате соотношение “сигнал– шум” становится более благоприятным.

И при гальваническом осаждении, и при напылении рабочий слой получается очень тонким и прочным. Поэтому вероятность “выживания” головок и дисков в случае их контакта друг с другом на большой скорости существенно повышается. И действительно, современные накопители с дисками, имеющими тонкопленочные рабочие слои, практически не выходят из строя при вибрациях и сотрясениях. Оксидные покрытия в этом отношении гораздо менее надежны. Если бы вы смогли заглянуть внутрь корпуса накопителя, то увидели бы, что тонкопленочные покрытия дисков напоминают серебристую поверхность зеркал.

Двойной антиферромагнитный слой

Последним достижением в технологии изготовления носителей жестких дисков является использование двойных антиферромагнитных слоев (AFC), позволяющих существенно увеличить плотность рабочего слоя, превысив наложенные ранее ограничения. Увеличение плотности материала дает возможность уменьшить толщину магнитного слоя диска. Плотность записи жестких дисков (которая выражается в количестве дорожек на дюйм или в числе битов на дюйм) достигла той точки, в которой кристаллы магнитного слоя, используемые для хранения данных, становятся настолько малы, что это приводит к их нестабильности и как следствие — к низкой надежности запоминающего устройства. Границы плотности, получившие название суперпарамагнитного ограничения, должны находиться в пределах 30– 50 Гбит/дюйм2. С развитием технологии этот предел был преодолен и достиг 100 Гбит/дюйм2. Предполагается, что в будущем удастся достигнуть и поверхностной плотности записи в 200 Гбит/дюйм2, правда, при этом будут задействованы некоторые новые технологии.

Носители AFC состоят из двух магнитных слоев, разделенных исключительно тонкой пленкой металлического рутения, толщина которой — всего 3 атома (6 ангстрем). Подобная многослойная конструкция образует антиферромагнитное соединение, состоящее из верхнего и нижнего магнитных слоев, что позволяет различать эти слои по всей видимой высоте жесткого диска. Такая конструкция дает возможность использовать физически более толстые магнитные слои, имеющие более устойчивые кристаллы большого размера, благодаря чему носители могут функционировать как одинарный слой, отличающийся гораздо меньшей общей толщиной.

В 2001 году IBM использовала технологию AFC при создании целой серии 2,5-дюймовых накопителей Travelstar 30GN для портативных компьютеров; жесткие диски этого типа стали первыми накопителями с рабочим слоем AFC, появившимися на рынке. Кроме того, IBM начала создавать 3,5-дюймовые накопители с рабочим слоем AFC, используемые в настольных компьютерах. Первым накопителем этого типа стал Deskstar 120 GXP. Сегодня носители AFC выпускаются компанией Hitachi Global Storage Technologies, которая поглотила подразделение жестких дисков компании IBM, а также ряд других крупных производителей этого типа носителей. Технология AFC позволяет преодолеть рубеж плотности в 100 Гбит/дюйм2, а в сочетании с перпендикулярной магнитной записью (PMR) отодвинуть его до 200 Гбит/дюйм2. Внешне носитель с покрытием AFC выглядит, как зеркало.

Емкость

Как уже отмечалось, один из наиболее известных законов Паркинсона, правда, в несколько измененном виде, может быть применен и к жестким дискам: “Объем данных увеличивается в соответствии с объемом пространства, отведенного для их хранения”. Это означает, что независимо от емкости жесткого диска вы обязательно найдете способ заполнить его до отказа.

После того как пользователь заполняет все свободное пространство текущего жесткого диска, он начинает задумываться о том, какого объема памяти будет достаточно. Вероятность того, что имеющегося пространства окажется слишком много, весьма незначительна, поэтому постарайтесь приобрести самый большой жесткий диск, стоимость которого сможет выдержать ваш бюджет. Современные системы используются для хранения крупных файлов различных форматов, к числу которых относятся цифровые фотографии, музыкальные записи и видеофрагменты, новейшие операционные системы, приложения и компьютерные игры. Несмотря на то что современные жесткие диски позволяют хранить сотни гигабайтов, многим оказывается мало и этого объема.

Выход за пределы емкости жесткого диска вызывает массу проблем, особенно в операционных системах и пакетах, предназначенных для обработки мультимедиа, которые требуют хранения великого множества временных файлов и потребляют большой объем виртуальной памяти. Выход Windows за пределы емкости жесткого диска практически всегда приводит к неустойчивой работе системы, сбоям и потере данных.

Ограничения емкости

Максимальная величина емкости используемого жесткого диска зависит от множества факторов, в том числе от интерфейса, драйверов, а также операционной и файловой систем.

Первый накопитель АТА, созданный в 1986 году, имел ограничение максимальной емкости в 137 Гбайт (65536 × 16 × 255 секторов). Различные версии BIOS еще больше ограничивали максимальную емкость жестких дисков, которая в системах, скомпонованных до 1998 года, достигала 8,4 Гбайт, а в системах, созданных до 1994 года, — 528 Мбайт. Ограничение емкости накопителей АТА в 137 Гбайт осталось даже после того, как был найден способ, позволивший решить проблемы, связанные с BIOS. Это ограничение удалось успешно преодолеть с помощью спецификации ATA-6, опубликованной в 2001 году. Стандарт ATA-6 расширил схему адресации, используемую накопителем ATA, что позволило увеличить емкость накопителей до 144 Пбайт (петабайт, или квадрильон байтов), которые составляют в общей сложности 248 секторов. Подобное решение позволяет создавать накопители PATA и SATA, емкость которых превышает указанное ограничение в 137 Гбайт.



Подкатегории