Жесткий диск, накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) (magnetic hard disk storage, Hard Disk Drive, HDD), винчестер — разновидность накопителей, составляющих неразборную конструкцию, которая функционально служит основой внешней памяти персонального компьютера и входит в состав устройств, встроенных в их системные блоки. Название «жесткий» накопитель получил в отличие от носителей информации на гибких магнитных лентах и оптических дисках.
Следует различать понятия «физических дисков» (например, жестких или гибких) и «логических дисков» (обозначаются «С», «D» и т.д.), которые представляют собой относительно автономные разделы физических дисков с точки зрения операционной системы. Разбиение диска на логические разделы и их форматирование обычно производится в процессе установки операционной системы.
Устройство НЖМД
Основными составными частями конструкции НЖМД являются: блок покрытых магниточувствительным материалом (окиси железа в более ранних моделях или окиси хрома в более поздних моделях) круглых дисковых пластин; блок считывающих и записывающих головок; электромеханический привод, обеспечивающий вращение дисков и позиционирование на их поверхности головок; электронная схема управления, включающая определенный вид интерфейса, например EIDE, IDE, SATA, SCSI.
Дисковые пластины (platter) устанавливаются на центральном шпинделе. Каждая пластина разбита на последовательно расположенные дорожки и секторы, соответствующие зонам остаточной намагниченности, созданной головками.
Как правило, головки чтения и записи (read-write head) находятся на специальном позиционере (head actuator). Для перемещения позиционера используются преимущественно линейные двигатели (типа voice coil — «звуковая катушка»). В винчестерах применяется несколько типов головок: монолитные, композитные, тонкопленочные, магниторезистивные (MR, Magneto-Resistive), а также головки с усиленным магниторезистивным эффектом (GMR, Giant Magneto-Resistive). Магниторезистивная головка, разработанная IBM в начале 1990-х, представляет собой комбинацию из двух головок: тонкопленочной для записи и магниторезистивной для чтения. Подобные головки позволяют почти в полтора раза увеличить плотность записи. Еще больше позволяют повысить плотность записи GMR-головки. Головки не касаются поверхностей дисков, а перемещаются над ними на расстоянии долей микрона благодаря создаваемым потокам воздуха (эффект Бернулли).
Внутри любого винчестера обязательно находится электронная плата, которая расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя, генерирует сигналы для головок записи и усиливает их от головок чтения.
Под пакетом дисков со шпинделем размещается двигатель. В более ранних моделях винчестеров для привода позиционеров применялся шаговый двигатель, поэтому расстояние между дорожками определялось величиной его шага. В современных моделях используется линейный двигатель, который не имеет дискретности, характерной для шагового двигателя. Поэтому наведение магнитных головок на дорожку производится точнее, что обеспечивает большую плотность записи на дисках.
С помощью специальных кабелей жесткий диск соединяется с разъемами на материнской плате или плате расширения.
В ходе выполнения процедуры так называемого низкоуровневого форматирования (low-level formatting) на жесткий диск записывается информация, которая определяет разметку винчестера на цилиндры и секторы. Структура формата включает в себя различную служебную информацию: байты синхронизации, идентификационные заголовки, байты контроля четности. В современных винчестерах такая информация записывается однократно при изготовлении винчестера. Повреждение этой информации при самостоятельном низкоуровневом форматировании чревато полной неработоспособностью диска и необходимостью восстановления этой информации в заводских условиях.
В связи с тем, что механизм НЖМД очень чувствителен к мельчайшим частицам пыли, жесткие диски нельзя вскрывать или разбирать в домашних условиях. При необходимости восстановления данных с поврежденного накопителя следует обратиться в специализированный сервисный центр.
Основными характеристиками НЖМД являются: емкость, плотность записи на поверхности дисков, скорость записи/считывания и передачи данных, емкость кэш-буфера, время безотказной работы, а также размеры дисков, скорость вращения дисковых пластин и ударопрочность. Средним временем поиска (измеряется в миллисекундах) называется время, необходимое накопителю, чтобы переместить головки от одного цилиндра к другому.
Методы чтения/записи
В старых дисках (и в современных флоппи-дисководах) применяется метод модифицированной частотной модуляции MFM (Modified Frequency Modulation), в более новых моделях — метод RLL (Run Length Limited), который кодирует записываемую информацию так, чтобы длина серии нулей лежала в определенном диапазоне, обычно от 2 до 7. В этом случае метод обозначается как RLL (2, 7). На дорожку записывается до 27 секторов, причем плотность записи примерно на 50% выше, чем у MFM. Существует также усовершенствованный метод ARLL (Advanced RLL), обычно имеющий параметры (1, 7) и (3, 9), который позволяет записать до 43 секторов на одну дорожку.
В современных винчестерах применяется более эффективный, хотя и сложный в реализации метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood), что можно перевести как метод максимального правдоподобия при частично перекрывающемся отклике от соседних дорожек. Дорожки расположены так близко, что головка считывает сигналы от нескольких соседних дорожек сразу, а затем на основе методов теории вероятностей выделяется сигнал от нужной дорожки по критерию максимума функции правдоподобия, которая на лету вычисляется специализированным процессором цифровой обработки сигналов, установленным на плате управления диском. При этом плотность записи повышается еще на 40-50%.
Для дальнейшего повышения плотности записи применяется также зонный метод записи ZBR (Zoned Bit Recording). На внешних дорожках диска можно разместить с той же плотностью большее количество данных, чем на внутренних. Поэтому диск разбивается по радиусу на несколько зон в виде концентрических колец. В пределах каждой зоны число секторов постоянно и растет при удалении от центра диска. Поэтому, кстати, скорость доступа к данным у 3, 5 и 5, 25-дюймовых накопителей зависит от положения данных на диске. Для 1, 8 и 2, 5-дюймовых накопителей эта техника, как правило, не применяется. На современных дисках давно уже используется логическая, а не физическая адресация данных, поэтому различное число секторов на разных дорожках никому не мешает.
Развитие НЖМД
Принципы современной технологии изготовления жесткого диска были разработаны в 1973 американской фирмой IBM. Новое устройство, которое могло хранить до 16 килобайт информации, имело 30 цилиндров (дорожек) для записи, каждый из которых был разбит на 30 секторов. Поэтому оно получило название 30/30. Известные винтовки винчестер имеют калибр 30/30, поэтому жесткие диски тоже стали называться «винчестерами». Кроме того, разрабатывался жесткий диск в американском городе Винчестере.
В 1979 Файнис Коннер и Алан Шугарт основали фирму Seagate Technology, которая начала массовое производство пятидюймовых жестких дисков. Емкость первой модели ST-506 составляла 6 Мб. В 1983 Seagate разработала НЖМД ST-412 емкостью 12 Мб., который был использован в IBM PC/XT. Интерфейсы, использованные в ST-506/412, стали прообразом для интерфейсов ESDI и IDE.
В течение 1997–2000 был достигнут значительный прогресс в развитии НЖМД. Так, максимальная емкость серийно выпускаемых 3, 5 дюймовых накопителей выросла с 25 до 75 Гбайт, плотность записи – с 3, 7 до 14, 5 Гбит/дюйм. Максимальная скорость вращения дисковых пластин за это время не изменилась и осталась равной 72000 об/мин. Емкость кэш-буфера также осталась в пределах 2048 Кбайт.
В период 2001-2002 на мировой рынок фирмами IBM, Maxtor DiamondMax и Western Digital выпущены жесткие диски емкостью 120 и 160 Гбайт (скорость вращения от 5400 до 7200 об/мин). В первой половине 2003 разработчикам вновь удалось удвоить плотность записи (уже с 30-35 до 60-70 Гбит/дюйм, плотность записи на одну пластину достигла 100 Гбайт), что повлекло за собой увеличение емкости накопителей со 160 до 300 Гбайт и снижение стоимости одного гигабайта емкости в 1, 3-1, 7 раза. На этой основе систематически происходит уменьшение размеров НМЖД.
Так, начиная с 2003 на рынки начали поступать в массовом порядке ударопрочные 2, 5‛ НЖМД, в 2004 появились 1, 8‛ НЖМД емкостью 30 Гбайт формата PCMCI/PC Card формата, 1‛ НЖМД, выполненные в формате CompactFlash емкостью 2 и 4 Гбайт, а также 0, 85‛ диски фирмы Toshiba емкостью 2 и 4 Гбайт. В 2006 фирма Western Digital запланировала выпуск жестких дисков 1, 0 и 1, 8‛ емкостью 5 Гбайт, а также 2, 5‛ дисков емкостью 100 и 120 Гбайт. Постоянно происходит и расширение области их применения: они начали активно использоваться не только в мобильных, но и стационарных персональных компьютерах, а также в бытовых и персональных мобильных устройствах (портативных аудио/видео проигрывателях, цифровых видео- и фотоальбомах, смартфонах, телефонах, КПК и т.п.).
В связи с повышением емкости жестких дисков до 120 Гбайт и выше, а также ограничениями, которые при этом накладываются на работу накопителей существующими подсистемами чтения-записи НЖМД — CHS-адресации (cylinder/head/sector) и логической адресации блоков (LBA, Logical Block Addressing), Технический комитет T13 Международного комитета по стандартам и информационным технологиям принял решение использовать новый 48-разрядный (6-байтный) стандарт адресации. В результате этого был преодолен 137-Гбайтный барьер, ранее ограничивавший рост емкости дисковой памяти. С 2001 фирма Maxtor совместно с Compaq, Microsoft и VIA начала реализацию новой спецификации, которая получила наименование Big Drives. Ее использование позволяет увеличить число секторов дисков, данные с которых могут быть переданы при помощи одной команды, с 256 до 65536 и в итоге существенно повысить быстродействие накопителей. Предполагается, что даже при условии стремительного роста емкости жестких дисков, в ближайшие 20 лет резерв, полученный от внедрения 48-адресации, исчерпан не будет.
С 1995 винчестеры все большего числа фирм начали обеспечиваться системами оперативного наблюдения за своим техническим состоянием — Smart (Self Monitoring And Reporting Technology). В настоящее время действует стандарт SMART II, поддерживающий внутреннюю самодиагностику и самоконтроль по многим атрибутам.
В 2005 компания HGST (Hitachi Global Storage Technologies) объявила о начале поставки жестких дисков, использующих технологию «Перпендикулярной магнитной записи». При обычной технологии намагниченные частицы, изменяющие ориентацию при записи, размещены параллельно рабочей поверхности диска. «Перпендикулярная» их ориентация значительно снижает площадь занимаемой ими поверхности. Первые НЖМД, выпускаемые HGST, имеют плотность записи 120 Гбит/кв. дюйм. В будущем предполагается увеличить плотность записи до 230 Гбит/кв. дюйм. Внедрением технологии перпендикулярной записи также занимаются такие компании, как Seagate Technology, Toshiba и Maxtor.
В 2006 компанией Seagate был представлен жесткий диск для настольных систем емкостью 750 Мб. В 2007 планируется наладить массовый выпуск терабайтных жестких дисков. Большинство современных жестких дисков оснащаются значительным объемом кэш-памяти, обеспечивающей значительно более быстрый доступ к данным (от 8 до 32 и более мегабайт).