Как работает жёсткий диск

Жёсткий диск хранит данные на одной или нескольких вращающихся пластинах, покрытых тонким слоем магнитного материала, а записывает и считывает их магнитная головка, которая парит буквально в нескольких нанометрах над поверхностью, не касаясь её. Информация кодируется направлением намагниченности мельчайших участков поверхности, а не электрическим зарядом, поэтому данные на жёстком диске сохраняются и без питания сколь угодно долго, пока сама пластина физически цела.

Из чего состоит жёсткий диск

Внутри герметичного корпуса жёсткого диска находится пакет из одной или нескольких пластин, обычно алюминиевых или стеклянных, покрытых слоем ферромагнитного материала толщиной в считаные атомные слои. Пластины закреплены на общей оси и вращаются как единое целое с помощью электродвигателя, встроенного прямо в шпиндель. Для каждой рабочей поверхности пластины предусмотрена своя магнитная головка, закреплённая на подвижном коромысле, а все коромысла двигаются синхронно от одного привода, обычно на основе катушки в постоянном магнитном поле.

Сами головки при остановленном диске лежат на специальной парковочной зоне и не касаются рабочей поверхности пластины. Как только пластины набирают рабочую скорость вращения, под головкой образуется тончайшая воздушная подушка от вращения самого диска, и головка приподнимается над поверхностью на расстояние порядка нескольких нанометров, то есть в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Именно поэтому жёсткий диск так чувствителен к пыли и ударам во время работы: случайная частица пыли такого размера, попавшая между головкой и пластиной, способна вызвать царапину и необратимую потерю данных на этом участке.

Как данные записываются и считываются магнитной головкой

Запись происходит за счёт того, что через миниатюрную катушку в головке пропускают переменный ток, и возникающее магнитное поле меняет направление намагниченности крошечного участка поверхности прямо под головкой, в точном соответствии с записываемым сигналом. Каждый такой намагниченный участок хранит один или несколько битов информации в зависимости от направления и способа кодирования сигнала.

При чтении процесс идёт в обратную сторону: когда намагниченный участок поверхности проходит под головкой во время вращения диска, изменение магнитного потока наводит в считывающем элементе слабый электрический сигнал, который затем усиливается и превращается в понятную электронике последовательность нулей и единиц. С конца девяностых годов для считывания используют головки на основе эффекта гигантского магнитного сопротивления, а позже пришли головки на основе туннельного магниторезистивного эффекта, которые чувствительнее к слабым магнитным полям и позволяют надёжно читать всё более плотно расположенные друг к другу магнитные домены.

Зачем нужна высокая скорость вращения

Скорость вращения пластин у современных жёстких дисков обычно лежит в диапазоне от нескольких тысяч до пятнадцати тысяч оборотов в минуту, и чем она выше, тем быстрее под головкой проходит нужный участок поверхности, а значит короче время ожидания при обращении к случайному месту на диске. Более высокая скорость вращения одновременно ускоряет и последовательное чтение больших файлов, поскольку за единицу времени под головкой успевает пройти больше данных.

Обратная сторона высокой скорости в том, что она требует более точной механики, сильнее нагревает диск и создаёт больше шума и вибрации, поэтому диски с самой высокой скоростью вращения обычно применяют не в обычных компьютерах, а в серверах и системах хранения, где важна скорость доступа к большим объёмам данных, а не тишина и низкое энергопотребление. В ноутбуках и настольных компьютерах массового спроса чаще встречаются диски с умеренной скоростью вращения, которая даёт разумный компромисс между быстродействием, теплом и шумом.

Интерфейсы подключения: от IDE до SATA

Жёсткий диск подключается к остальной части компьютера через определённый интерфейс, и за десятилетия эти интерфейсы сменяли друг друга по мере роста требований к скорости передачи данных. Один из самых долгоживущих интерфейсов для персональных компьютеров назывался ATA, также известный как IDE, и передавал данные параллельно, по широкой шине сразу нескольких проводников одновременно.

Ему на смену пришёл интерфейс SATA, который вместо параллельной передачи данных использует последовательную, по узкому кабелю с гораздо меньшим числом проводников, и при этом обеспечивает более высокую скорость за счёт возросшей частоты передачи. За время существования SATA его пропускная способность выросла в несколько раз от первой версии до более новых поколений интерфейса. Параллельно с SATA в серверном оборудовании и системах хранения данных распространение получил интерфейс SAS, идейно похожий на SATA, но рассчитанный на более требовательные нагрузки, с двумя независимыми портами подключения на одном разъёме и более строгими требованиями к надёжности.

Технологии повышения плотности записи

Чтобы уместить на той же по размеру пластине больше данных, инженеры меняют не только материалы покрытия, но и саму геометрию намагниченных участков. Долгое время использовалась продольная запись, при которой намагниченные области лежали плашмя вдоль поверхности пластины, но у этого способа довольно быстро обнаружился физический предел плотности: слишком плотно расположенные соседние области начинали хаотично влиять друг на друга и стирать записанную информацию.

Проблему решила перпендикулярная запись, при которой намагниченные области стоят перпендикулярно поверхности пластины, а не лежат вдоль неё, что заметно повысило допустимую плотность и на долгое время стало основным способом записи на жёстких дисках. Дальнейший рост плотности потребовал новых приёмов: черепичная запись частично перекрывает соседние дорожки, как черепица на крыше, и за счёт этого добавляет заметную долю ёмкости ценой более медленной перезаписи уже занятых участков. Термомагнитная запись с точечным лазерным нагревом на мгновение делает материал покрытия более восприимчивым к перемагничиванию прямо в момент записи, что позволяет использовать более стойкие к случайному стиранию материалы и снова поднять плотность. Похожую задачу с другой стороны решает технология с микроволновой поддержкой записи, которая вместо нагрева использует высокочастотное электромагнитное поле, облегчающее перемагничивание нужного участка именно в момент записи.

Как росла ёмкость дисков за последние десятилетия

Путь жёсткого диска от первых образцов до современных моделей это ещё и история постоянного прироста ёмкости на той же по размеру пластине. В начале двухтысячных годов бытовые диски мерили сотнями гигабайт, к концу того же десятилетия перешагнули порог в один терабайт на модель, а спустя ещё несколько лет освоили гелиевое заполнение корпуса вместо обычного воздуха: более лёгкий и менее турбулентный гелий позволил уместить внутри того же корпуса больше пластин и снизить сопротивление их вращению, что дополнительно подняло ёмкость и немного снизило энергопотребление.

К середине двадцатых годов ёмкость старших моделей для серверов и систем хранения данных превысила три десятка терабайт на один диск, а производители продолжают наращивать число пластин внутри корпуса и плотность записи на каждой из них. Домашние и офисные диски массового спроса обычно заметно скромнее по ёмкости, чем топовые серверные модели, поскольку рассчитаны на другой баланс цены, надёжности и объёма хранения.

Почему жёсткий диск медленнее твердотельного накопителя

Жёсткий диск в принципе устроен механически: чтобы прочитать данные из случайного места на пластине, нужно физически переместить головку на нужную дорожку и дождаться, пока вращающаяся пластина подведёт под головку нужный участок поверхности. Оба этих шага занимают заметное по меркам электроники время, потому что связаны с движением реальных механических частей, а не с электрическими сигналами.

Твердотельный накопитель хранит данные в микросхемах флеш-памяти и обращается к любой ячейке электронным способом, без всякого механического перемещения, поэтому время доступа к случайным данным у него на порядки меньше. Именно эта механическая природа жёсткого диска объясняет, почему при работе с большим количеством мелких файлов в случайном порядке он проигрывает твердотельному накопителю значительно сильнее, чем при простом последовательном чтении одного крупного файла, где вращающейся пластине не нужно постоянно искать новое место.

Где жёсткие диски используются до сих пор

Несмотря на распространение твердотельных накопителей в персональных компьютерах и ноутбуках, жёсткие диски остаются основным решением там, где важнее всего цена за единицу ёмкости при хранении больших объёмов данных, а не скорость доступа к ним. Дата центры, системы резервного копирования и архивные хранилища используют десятки и сотни жёстких дисков именно из за того, что при равных деньгах на жёстких дисках можно разместить заметно больше информации, чем на флеш памяти.

Свою роль играет и физика износа: у флеш памяти число циклов перезаписи одной ячейки ограничено, тогда как магнитная запись на пластине жёсткого диска при аккуратной эксплуатации выдерживает многократную перезапись практически без деградации самого магнитного слоя. Поэтому для задач, где данные пишутся редко, а хранятся долго и большими объёмами, например для архивов и резервных копий, жёсткий диск по прежнему остаётся экономически более выгодным вариантом, чем полностью твердотельное хранилище того же объёма.

Большая часть того, что человек привык называть облачным хранилищем, физически лежит именно на массивах жёстких дисков в дата центрах, соединённых друг с другом и с остальным миром через сеть, о принципах работы которой мы рассказывали в статье как работает интернет. Когда файл загружают в облако, он в итоге оказывается ровно на таких же по устройству магнитных пластинах, только их очень много и они объединены в общий массив с резервированием на случай выхода из строя одной из них.

Что происходит при физическом повреждении диска

Из за того, что головка при работе парит над поверхностью пластины на исчезающе малом расстоянии, любой достаточно сильный удар по работающему диску способен свести это расстояние к нулю и заставить головку на мгновение коснуться вращающейся поверхности. Такое касание называют ударом головки, и оно почти всегда оставляет на пластине физическую царапину, которая необратимо портит записанные под ней данные, а иногда и разбрасывает частицы покрытия по всей рабочей поверхности, повреждая соседние участки при следующих оборотах.

Заметный на слух признак серьёзной механической неисправности, характерный щёлкающий или скрежещущий звук при попытках диска раскрутиться, обычно означает, что привод головок не может нормально позиционироваться, например из за повреждённого подшипника или разряженной парковки. В такой ситуации дальнейшие попытки включить диск снова только повышают риск дополнительно повредить пластину, поэтому восстановлением данных с такого диска в специализированных условиях занимаются отдельные лаборатории, а не обычный ремонт компьютерной техники.

Почему жёсткий диск не любит перепады температуры и влажность

Корпус жёсткого диска не полностью герметичен: внутри него, как правило, есть узкое вентиляционное отверстие с фильтром, которое выравнивает давление воздуха внутри и снаружи корпуса при изменении температуры или высоты над уровнем моря, одновременно не пропуская внутрь пыль. Резкий перепад температуры, например если диск занести с мороза в тёплое помещение и сразу включить, может привести к конденсации влаги внутри корпуса прямо на рабочей поверхности пластины, а капли влаги на пути головки почти гарантированно вызывают тот же эффект, что и удар о поверхность.

По той же причине производители указывают для дисков довольно узкий диапазон рабочей температуры и требуют выдержать принесённое с холода устройство некоторое время в тепле до включения, а не полагаться на то, что электроника внутри быстро прогреется сама. Постоянная работа на грани верхней границы этого диапазона, например в плохо вентилируемом корпусе компьютера, ускоряет износ подшипника шпинделя и со временем повышает вероятность отказа диска даже без единого механического удара.