Жорсткий (твердий) магнітний диск зі знятою кришкоюТвердий (жорсткий) магнітний диск у розібраному до основних частин станіТвердий диск моделі Seagate ST 506 (кришку знято), перший виріб з форм-фактором 5,25 дюйма (1980)
На відміну віддискети, що виготовляється на основі гнучкого (лавсанового) магнітного диска, інформація у твердому магнітному диску записується шляхом намагнічування шару феромагнітного матеріалу (діоксидузаліза у минулому чи сплавукобальту тепер), що нанесений на поверхні твердих (алюмінієвих,скляних абокомпозитних) пластин у формі диска. У твердих магнітних дисках використовується одна або декілька пластин, встановлених на одномушпинделі. Голівки зчитування-запису у робочому режимі не мають торкатися поверхні пластин завдяки прошарку повітря, що постійно набігає (утворюється біля поверхні дискових пластин при швидкому обертанні). Слід зазначити, що на ранніх екземплярах торкання головок могло бути звичайним явищем. Відстань між голівкою і робочою поверхнею дискової пластини становить декілька нанометрів (у сучасних дисках близько 10нм[4]), а відсутність механічного контакту забезпечує тривалий термін експлуатації пристрою. За відсутності обертання дисків та за належного вимкнення диску їхголовки знаходяться поблизу шпинделя або за межами диска у безпечній (паркувальній) зоні, де унеможливлюється їх нештатний контакт з поверхнею дисків.
Також, на відміну від гнучких дисків, у твердих магнітних дисках носій інформації (магнітний диск) сполучений в єдиний пристрій з іншими вузлами накопичувача (засобами запису і зчитування, приводом та блоком електроніки). Такий твердий диск переважно використовуються як стаціонарний (незнімний) носій інформації.
Частково розібраний твердий диск типу 350 RAMAC фірми IBM (1956 рік)Накопичувач на твердих дисках IBM 2311, об'єм: 7.25 Мбайт (середина 1960-х років)
Тверді диски були введені у використання фірмоюIBM у1956 році як сховище даних для обчислювальних машин реального часу обробкитранзакцій[5] і надалі адаптовані до багатоцільового використання змейнфреймами таміні-ЕОМ. Перший диск IBM, 350 RAMAC, був приблизно розміром у двахолодильники і міг зберігати 5 мільйонів 6-бітових символів (що еквівалентне 3,75 млнбайтів) на стосі з 50 дисків.
У1961 році IBM представила модель диску 1311, яка була розміром ізпральну машину і могла зберігати до двох мільйонів символів на знімній касеті з твердими магнітними дисками. Користувачі могли придбати додаткові касети і змінювати їх в міру потреби так само, якбобіни з магнітною стрічкою. Пізніші моделі накопичувачів зі змінними касетами твердих дисків від IBM та інших виробників стали нормою у більшості конфігурацій обчислювальних машин і місткість їх сягнула до 300 мегабайт на початку 1980-х років. На відміну від них, незмінні тверді диски отримали назву «фіксовані диски» (англ.fixed disk drive).
На початку 1970-х IBM почала розробку нового типу твердого диска під кодовою назвою «Вінчестер». Його основною відмінною рисою було те, що голівки запису-зчитування диска не виводились повністю зі стосу пластин диска при його вимиканні. Замість цього, голівки «приземлялись» на спеціальній поверхні диска при вимкненні живлення й приводились знову у робоче положення при ввімкненні. Це рішення значно знизило вартість механізму привода голівок, але ускладнило умови видалення всієї касети з дисками з привода. У перших моделях дисків, побудованих за «вінчестер технологіями», диски виконувались у вигляді знімних модулів, що містили диски та голівки зчитування. Пізніше IBM відмовилась від концепції знімних накопичувачів інформації та повернулась до стаціонарних конструкцій.
У1973 році фірма IBM випустила твердий диск моделі3340 для використання з ЕОМIBM System/370, що вперше об'єднав в одному нерознімному корпусі пластини диска й головки запису-зчитування. Під час його розробки інженери використали коротку внутрішню назву «30-30», що означало два модулі (у максимальному компонуванні) по 30 Мб кожний.Кеннет Хотон (англ.Kenneth E. Haughton), керівник проєкту, через співзвучність назви з позначеннямнабою.30-30 Winchester популярної мисливської рушниціангл.Winchester Model 1894, запропонував назвати цей тип диска «вінчестером», звідки ймовірно і походить кодова назва проєкту[6].
Як і в першому знімному диску, у першому накопичувачі типу «вінчестер» використовувалися пластини розміром 14 дюймів (360 мм) удіаметрі. Через декілька років з'явились приводи з 8-дюймовими пластинами, а потім диски з 5,25 дюймовим (130 мм) форм-фактором (монтажна ширина еквівалентна тій, яку на той час використовували дисководигнучких дисків). Останні були у першу чергу призначені для тоді молодого ринку персональних комп'ютерів.
На початку 1980-х років тверді диски були рідкісними й дуже дорогими і розглядались як додаткові опції на ПК, проте наприкінці 1980-х років їх вартість була зменшена до рівня, де вони стали стандартом для всіх, окрім найдешевших ПК. З часом, ємність твердого диска зросла в тисячі разів, хоча його конструкція принципово не дуже змінилась.
Існує багато типів твердих дисків, але всі вони складаються з одних і тих же вузлів із спільним принципом роботи. Основні елементи конструкції наступні:
пластини магнітних дисків на спільному шпинделі;
голівки читання/запису;
механізм привода голівок (коромисло із сервоприводом);
кабелі і гнізда роз'ємів кабелів живлення і передачі даних;
елементи конфігурування (перемички і перемикачі).
Диски, двигун приводу дисків, голівки і механізм приводу голівок зазвичай поміщаються в герметичному корпусі, що має назву «гермоблок» або «блок голівок і дисків» (англ.HDA Head Disk Assembly). Інші вузли, що не входять у гермоблок (друкована плата керування, лицева панель, елементи конфігурування тощо), є знімними і поміщаються ззовні гермоблока.
Отвір для вирівнювання тиску гермоблокаСтос магнітних пластин твердого диска Seagate-ST19171N, об'єм: (9.1 ГбайтБлок магнітних голівок із системою позиціюванняМагнітні голівки запису/зчитування
Більшу частину конструкції твердого диска займає цільний металевий корпус, що захищає магнітні пластини і точну механіку від впливів навколишнього середовища. Гермоблок — це герметична область пристрою, захищена відпилу та інших дрібних частинок. Гермоблок необхідний, оскільки, навіть дуже дрібна частинка, якщо вона потрапить у вузький зазор між голівкою й поверхнею диска, може пошкодити чутливий магнітний шар і вивести з ладу твердий диск. Також корпус захищає накопичувач від електромагнітних перешкод, тобто відіграє роль екрана. Внутрішній простір гермоблоку заповнений звичайним, але повністю очищеним від пилу повітрям. Ним не заповнюють гермоблок спеціально. Просто складання здійснюється в приміщенні, де на один кубічний метр повітря припадає менше ста частинок пилу.
Однак, незважаючи на таку назву, гермоблок не повністю герметичний. Для вирівнювання його внутрішнього тиску з атмосферним, у корпусі робиться отвір, який закритий щільним фільтром пилу. У процесі роботи пластини обертаються, створюючи потік циркуляції повітря. Цей потік проходить крізь ще один фільтр, який забезпечує додаткове очищення.
Магнітна пластина переважно виготовляється з легких сплавів на основі алюмінію. Є моделі, в яких пластини виготовлені з кераміки чи спеціального скла. На поверхню пластин, незалежно від їх складу, для надання магнітних властивостей наноситься методомвакуумного напилення шар кобальту. Структура магнітного покриття містить велику кількість мікроскопічних областей, що називають доменами. У процесі запису, магнітна голівка створює зовнішнє магнітне поле, яке, впливаючи на домен, змінює вектор його намагніченості. Після того, як зовнішнє поле зникає, на поверхні диска утворюються зони залишкової намагніченості. Саме за таким принципом і здійснюється запис і зберігання інформації на магнітних дисках. Процес зчитування відбувається наступним чином: в магнітній головці, коли вона опиняється навпроти ділянки залишкової намагніченості, індукується електрорушійна сила (у перших конструкціях) або змінюється електричний опір (у нових конструкціях), що і дозволяє зчитувати інформацію. Кількість пластин в накопичувачі може бути різною. У кожної пластини є дві робочі поверхні, але в певних моделях використовуватись може тільки одна. (непарна кількість головок)
Магнітна головка має досить складну будову і містить мікроскопічні елементи, виготовлення яких здійснюється методамифотолітографії. Для різних моделей твердих дисків кількість магнітних голівок може бути від 1 до 8. Встановлення, а також утримання голівки на магнітній доріжці забезпечує електромагнітна система позиціювання. Існує багато конструкцій механізмів привода голівок, але їх можна розділити на два основних типи:
з кроковим двигуном;
з рухомою котушкою.
Характеристики цього привода багато у чому визначають швидкодію і надійність накопичувача, достовірність зчитування даних, його температурну стабільність, чутливість до вибору робочого положення івібрацій. Слід зазначити, що диски із приводами на основі крокових двигунів є менш надійними, ніж пристрої із приводами від рухомих котушок.
Для здійснення запису даних використовується індуктивна голівка. Записувана інформація перетворюється голівкою у змінне магнітне поле. Цим полем намагнічується ділянка магнітного диска. Недоліком індуктивної голівки є те, що вона не підходить для читання інформації через залежністьамплітуди сигналу зчитування від швидкості переміщення магнітного покриття та суттєвого впливу магнітних шумів. З цієї причини, для читання інформації застосовуються магніторезистивні голівки типів MRH (Magneto-Resistive) або GMR (GiantMagneto-Resistive). Подібні головки являють собоюрезистор, що змінює свій опір залежно від напруженості магнітного поля. Головна перевага полягає в тому, що амплітуда практично не залежить від швидкості зміни магнітного поля. Використання магніторезистивних голівок дозволяє збільшити надійність зчитування інформації, а також збільшити граничну щільність запису.
До моменту «зльоту» на повітряній подушці, голівки труться об поверхню пластин в спеціально відведеній ділянці диска, званому «паркувальна зона». У процесі роботи магнітні головки знаходяться на відстані в часткимікрона від поверхні магнітних пластин. Після вимкнення живлення, контролер твердого диска проводить автоматичне паркування голівок.
Стабільне обертання пластин, змонтованих на осі (шпинделі), забезпечує шпиндельний трифазний двигун. Усередині двигуна містяться три обмотки, які включені зіркою з відведенням посередині.Ротор являє собою постійний секційний магніт. Щоб забезпечити малі биття на високих обертах, в сучасних твердих дисках використовуються гідродинамічні підшипники.
Шпиндельний двигун запускається тільки після повної внутрішньої діагностики пристрою. Спочатку двигун розкручується у форсованому режимі, не аналізуючи швидкість обертання магнітних дисків. Для забкезпечення цього етапу роботи,блок живлення комп'ютера повинен мати запас пікової потужності. Після того, як магнітні голівки виводяться із зони паркування, швидкість обертання дисків стає контрольованою. Вона управляється за сигналом серворозмітки, яка була записана на диск у процесі його виготовлення. Електроніка твердого диска виділяє сервомітки (вони знаходяться між секторами) із загального потоку даних і по них стабілізує швидкість обертання пластин. Стабільність обертання вкрай важлива для якості зчитування, особливо для дисків з високою щільністю запису.
По суті, швидкість обертання пластин є однією з найважливіших характеристик продуктивності твердого диска. Чим вища швидкість, тим меншим є час, необхідний для пошуку інформації, і тим більша швидкість читання і запису інформації. У сучасних пристроях швидкість обертання пластин в накопичувачі з інтерфейсами PATA і SATA становить від 4200 до 10000 обертів на хвилину. У дорогих серверних системах з інтерфейсом SCSI (SAS), вона може досягати 15000 об/хв. Однак подальше збільшення швидкостей обертання обмежується тим, що підвищується робоча температура дисків, а це негативно позначається на магнітному шарі. Також для швидкісних моделей потрібні якісніші підшипники, а їх виготовлення збільшує кінцеву вартість твердих дисків.
Плата керування твердого диска — вузькоспеціалізований комп'ютер, призначенням якого є обмін інформацією збазовою платою комп'ютера та управління внутрішніми процесами, що відбуваються у твердому диску (керування шпиндельним двигуном та приводом голівок).
Найбільша мікросхема на платі —центральний процесор. Це спеціалізований, цифро-аналоговий процесор, який займається обробкою як цифрової інформації, що надходить з комп'ютера, так і аналогової інформації, що надходить з блоку магнітних голівок.
Другим важливим компонентом (нижче процесора на зображенні) є мікросхемаоперативної пам'яті — це кеш-пам'ять місткістю 8…64 МБ, що необхідна для буферизації обміну даними між диском і платою керування диска.
Третім важливим компонентом є драйвер двигуна (на фото третя за розміром мікросхема, нижче від мікросхеми оперативної пам'яті). Призначення даної мікросхеми — запуск і зупинка шпиндельного двигуна, контроль швидкості його обертання, керування сервоприводом і, у деяких дисків, формування напруги живлення окремих компонентів та вузлів.
Наступний важливий компонент на платі керування —постійний запам'ятовувач (ПЗП). В цьому випадку його мікросхема розташована у лівому нижньому куті плати (має по 4 ніжки з кожної з двох сторін). У цій мікросхемі знаходиться базова програма («прошивка») і стартова адаптивна інформація, необхідна для успішного запуску та ініціалізації твердого диска. Основний же програмний код знаходиться на магнітних пластинах носія у так званій службовій зоні. Останнім часом, на сучасних твердих дисках така мікросхема відсутня. Її вміст тепер зберігається в центральному процесорі та міцно пов'язаний з вмістом службової інформації, що унеможливлює ремонт твердого диска методом заміни плати керування.
Інтерфейс — набір, що складається з ліній зв'язку; сигналів, що посилають по цих лініях; технічних засобів (контролерів), що підтримують ці лінії, і правил обміну (протоколів). Сучасні тверді диски можуть мати такі інтерфейси, як:ATA (AT Attachment, він же IDE — Integrated Drive Electronic, він же Parallel ATA), EIDE,Serial ATA,SCSI (Small Computer System Interface),SAS,FireWire,USB,SDIO іFibre Channel.
Ємність (англ.capacity) — кількість даних, які можуть зберігатися накопичувачем. Ємність сучасних твердих дисків з форм-фактором 3,5" сягає 16 ТБ[7] і навіть 20 ТБ. На відміну від прийнятої вінформатиці системі префіксів для обсягів інформації, що позначають величину, кратну 1024, виробниками твердих дисків використовуються величини, кратні 1000. Так, наприклад, ємність твердого диска, маркованого як «2 ТБ», насправді становить приблизно 1,82 Терабайт. (2*1000*1000*1000*1000/1024/1024/1024/1024 = ~1.82)
Повнорозмірний (Full-height) 5,25" (110 МБ) твердий диск Maxtor (справа) і малогабаритний 2,5" (6495 МБ) для ноутбуків (зліва)Шість типорозмірів твердих дисків, за період їх розвитку
Фізичний розмір (форм-фактор) — майже всі сучасні накопичувачі дляперсональних комп'ютерів ісерверів мають розмір (ширину) 3,5, або 2,5дюйма. Останні частіше застосовують уноутбуках. Інші, менш поширені формати — 1,8 дюйма, 1,3 дюйма і 0,85 дюйма.
Час доступу (англ.random access time) — від 3 до 15мс. Як правило, мінімальним часом відрізняються серверні диски (наприклад, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 мс[8]), максимальним з актуальних — диски для портативних пристроїв (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5[9]). Для порівняння, утвердотільних накопичувачі цей параметр не перевищує 1 мс.
Швидкість обертання диска (англ.spindle speed) — кількість обертів шпинделя за хвилину. Від цього параметра значною мірою залежатьчас доступу й швидкість передавання даних. Станом на2012 рік випускаються вінчестери з такими стандартними швидкостями обертання: 4200, 5400 (ноутбуки), 7200 (персональні комп'ютери), 10 000 і 15 000 об./хв (сервери та високопродуктивні робочі станції). Збільшенню швидкості обертання шпинделя у твердих дисках для ноутбуків перешкоджає гіроскопічний ефект, впливом якого можна знехтувати у стаціонарно встановлених комп'ютерах.
Надійність (англ.reliability) — визначається яксередній наробіток між відмовами (Mean Time Between Failures,MTBF). Також, переважна більшість дисків підтримує технологіюSMART (англ.Self Monitoring Analysing and Reporting Technology) — технологія оцінки стану твердого диска вбудованими засобами самодіагностування, а також алгоритм оцінки часу до виходу його з ладу).
Рівень шуму —шум, що виникає під час роботи пристрою. Вимірюється в двох режимах — під час простою (шум двигуна обертання) і під час активного навантаження (шум двигуна + шум голівок). Вказується вдецибелах, інколи в Белах (=10дБ). Тихими накопичувачами вважаються пристрої з рівнем шуму близько 26децибел і нижче.
Опірність ударам (англ.G-shock rating) — опірність твердого диска різким перепадамтиску або ударам вимірюється в одиницях припустимого перевантаження, кратнихg (прискоренню вільного падіння) в увімкненому та вимкненому стані.
Внутрішня зона поверхні диска: від 44,2 до 74,5 Мб/с
Зовнішня зона поверхні диска: від 74,0 до 111,4 Мб/с
Місткість буфера (англ.Cache Memory) — розмір проміжної пам'яті (кеш-пам'яті), що призначена для згладжування різниці швидкостей читання/запису і передавання даних через інтерфейс. Станом на2013 у твердих дисках вона зазвичай може становити 8, 16, 32, 64 або 128 МБ.
Практично всі сучасні (після2000 року) тверді диски для персональних комп'ютерів та серверів мають ширину або 3,5, або 2,5 дюйма — під розмір стандартних кріплень для них, відповідно в настільних комп'ютерах і ноутбуках. Також знайшли застосування формати 1,8"; 1,3"; 1" і 0,85". Виробництво твердих дисків у форм-факторах 8" та 5,25" припинене.
Колишні і сучасні форм-фактори твердих дисків для ПК
Силіконові шайби при кріпленні твердих дисків зменшують вібрацію та шум.
Рівень шуму — шум, що його виробляє механіка накопичувача під час його роботи. Вказується в децибелах. Тихими накопичувачами вважаються пристрої з рівнем шуму близько 26 дБ та нижче. Шум складається з шуму обертання шпинделя (в тому числі аеродинамічного) і шуму позиціювання.
Для зниження шуму від твердих дисків застосовують такі методи:
Програмний, за допомогою системи, вбудованої в більшість сучасних дисків,AAM. Перемикання твердого диска у малошумний режим призводить до зниження продуктивності в середньому на 5-25 %, але робить шум під час роботи практично нечутним.
Використання шумопоглинальних пристроїв[22], закріплення дисків на гумових або силіконових шайбах або навіть повна заміна кріплення на гнучку підвіску.
Діаграма злиття та поглинання фірм-виробників твердих дисків
Спочатку на ринку було велике різноманіття твердих дисків, які виробляли багато компаній. У зв'язку з посиленням конкуренції та зниженням норм прибутку більшість виробників була або куплена конкурентами, або перейшла на інші види продукції.
Станом на початок 2013 року більша частина всіх вінчестерів виробляється всього декількома компаніями:Seagate,Western Digital таToshiba.Fujitsu продовжує випускати тверді диски для ноутбуків іSCSI-диски, але покинула масовий ринок у2001 році (в2009 році виробництво твердих дисків було повністю передано компанії Toshiba[23]).
Toshiba є основним виробником 2,5- і 1,8-дюймових ТД для ноутбуків. Досить яскравий слід в історії твердих дисків залишила компаніяQuantum. Одним з лідерів у виробництві дисків була компаніяMaxtor. 2001 року Maxtor викупила підрозділ твердих дисків компанії Quantum.2006 року відбулося злиття Seagate і Maxtor. У середині1990-х років існувала компаніяConner, яку купила Seagate. У першій половині 1990-х існувала фірма Micropolis, яка виробляла дуже дорогі диски premium-класу. Але під час випуску перших у галузі вінчестерів на 7200 об/хв нею були використані неякісніпідшипники головного валу, що поставлялися фірмою Nidec, і Micropolis зазнала фатальних збитків на поверненнях продукції, розорилася та була куплена вищезгаданою Seagate.
Зниження продуктивності роботиПК — таке зниження продуктивності, у першу чергу, відчувається при відкриттіфайлів з жорсткого диска або при запускусистеми. Система може працювати з затримками через сторонні програми, але якщо при відкритті будь-якогокаталогу абофайлу помічається "зависання", то варто звернути на це увагу і перевіритипрацездатність жорсткого диска за допомогою спеціального ПЗ (Victoria,Hard Disk Sentinel[en]).
Помітнийшум при роботі накопичувача — найчастішими проблемами є: несправність зчитувальної головки; пошкодження вбудованого ПЗ наROM-чіпі пристрою; проблеми з електричною складовою: згорілий чіп, пошкоджений pcb-контролер, пошкодженнясекторів на жорсткому диску тощо. Але у деяких моделей шум є нормальним явищем під час роботи накопичувача, отож слід використовувати спеціальні утиліти для діагностики.
Файлипошкоджені та з'явивсяBSOD — такі системні екрани означають те, що вашасистема пошкоджена.
Ваш диск не відформатований — таке попередження зазвичай з'являється, колисектор жорсткого диска був пошкоджений. Це може бути викликано різними причинами, серед якихвірус, неправильнеперезавантаження, відключення накопичувача віднапруги або її перепад, робота зутилітою поділу диску і рідко оновлюванеПЗ.
Комп'ютер постійно перезавантажується — причиною цього може бути проблема в завантажувальномусекторі, який зараженийвірусом і створює безперервний цикл перезавантаження.
Час доступу до файлів — до прикладу, запусккаталогу в "Провіднику" або очищення непотрібних файлів займають досить значну частину часу.[24] Зазвичай, таку поведінку досить успішно можна виправити процесомдефрагментації, якщо фізично накопичувач справний.
1956 — продаж першого комерційного твердого диска,IBM 305 RAMAC: ємність близько 5 мегабайт, вага близько однієї тонни (два блоки, кожен розміром з великий холодильник), діаметр дисків — 20 дюйми (610 мм), кількість пластин — 50
1980 — перший 5,25-дюймовий диск, Shugart ST-506, 5 МБ
2005 — Максимальна ємність 500 ГБ, стандарт Serial ATA 3G, поява SAS (Serial Attached SCSI)
2006 — Застосування перпендикулярного методу запису в комерційних накопичувачі; поява «гібридних» твердих дисків, що містять додатковий блокфлеш-пам'яті ємністю в одиниці гігабайт
2007 —Hitachi представляє накопичувач ємністю 1 ТБ
2009 —Western Digital представляє накопичувач з ємністю 2 ТБ
2010 — Seagate представляє накопичувач з ємністю 3 ТБ[25].
2011 — У продаж надходить диск Deskstar 7K4000 (SATA, 4 ТБ, Western Digital)[26].
2014 — Seagate представляє накопичувач з ємністю 8 ТБ[7].
↑Архівована копія. Архіворигіналу за 16 травня 2008. Процитовано 31 січня 2008.{{cite web}}: Обслуговування CS1: Сторінки з текстом «archived copy» як значення параметру title (посилання)
↑Архівована копія. Архіворигіналу за 1 січня 2007. Процитовано 31 січня 2008.{{cite web}}: Обслуговування CS1: Сторінки з текстом «archived copy» як значення параметру title (посилання)
↑Seagate Elite 47, випускався з 12/97 до 1998 Disk/Trend Report — Rigid Disk Drives
↑Quantum Bigfoot TS, випускався з 10/98 до 1999 Disk/Trend Report — Rigid Disk Drives
↑The Quantum Bigfoot TS використовував максимум 3 пластини, інші попередні і з мешою місткістю використовували до 4 пластин розміром 5,25" Half-height, наприклад, Microscience HH1090 circa 1989.
