Жесткие диски HDD

Fujitsu продолжает выпускать жёсткие диски для ноутбуков и SCSI-диски, но покинула массовый рынок настольных накопителей в 2001 году из-за фатальной неудачи, связанной с массово выходившей из строя микросхемой контроллера Cirrus Logic на самом диске, до этого жёсткие диски Fujitsu считались лучшими в секторе настольных компьютеров, имея превосходные характеристики вращающихся поверхностей. В 2009 году производство жёстких дисков было полностью передано компании Toshiba.

Подразделение IBM, диски которого доселе считались практически эталонными, после фатальных неудач, связанных с массовыми отказами дисков для настольных компьютеров в начале 2000-х (окислялись контакты неудачно выполненного разъёма гермобанки), купила фирма Hitachi.

Достаточно яркий след в истории жёстких дисков оставила компания Quantum, но и она в начале 2000-х потерпела неудачи, даже ещё более фатальные, чем IBM и Fujitsu — в жёстких дисках Quantum серии CX выходила из строя микросхема коммутатора головок, расположенная в гермобанке диска, что приводило к весьма дорогостоящему извлечению данных с вышедшего из строя диска.

Одним из лидеров в производстве дисков являлась компания Maxtor. В 2001 году Maxtor выкупила подразделение жёстких дисков компании Quantum и тоже не избежала проблем с репутацией из-за так называемых «тонких» дисков. В 2006 году состоялось слияние Seagate и Maxtor.

Весной 2011 года производство Hitachi приобрела компания Western Digital, в то же время Samsung продала своё HDD-подразделение компании Seagate. На 2011 год осталось всего 3 производителя — Seagate, Western Digital и Toshiba (которая является основным производителем 2,5- и 1,8-дюймовых дисков для ноутбуков). В настоящее время, в связи с продвижением на рынок внешних накопителей и развитием технологий типа SSD, количество фирм, предлагающих готовые решения, вновь возросло.

Рынок жёстких дисков

Последствия наводнения в Таиланде (2011)

В результате наводнения в Таиланде 2011 года были затоплены несколько индустриальных зон, где расположены заводы по производству жёстких дисков, что, по мнению экспертов, вызвало дефицит жёстких дисков на мировом рынке. По оценкам Piper Jaffray, в IV квартале 2011 года дефицит жёстких дисков на мировом рынке составит 60-80 миллионов единиц при объёме спроса в 180 миллионов, по состоянию на 9 ноября 2011 года цены на жёсткие диски уже выросли в пределах от 10 до 60 %.[16]К середине 2012 года уровень производства и цены винчестеров вернулись на прежний уровень.

1 декабря 2011 года компания Western Digital отчиталась о работах по восстановлению производства в Таиланде и предложила свою оценку состояния отрасли накопителей на жёстких дисках в четвёртом квартале 2011 года и на последующие периоды.

Низкоуровневое форматирование

На заключительном этапе  сборки устройства поверхности пластин форматируются — на них формируются дорожки и секторы. Конкретный способ определяется производителем и/или стандартом, но, как минимум, на каждую дорожку наносится магнитная метка, обозначающая её начало.

Существуют утилиты, способные  тестировать физические секторы  диска, и ограниченно просматривать  и править его служебные данные. Конкретные возможности подобных утилит сильно зависят от модели диска и технических сведений, известных автору программного обеспечения соответствующего семейства моделей.

Геометрия магнитного диска

С целью адресации пространства поверхности пластин диска делятся на дорожки — концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки —секторы. Адресация CHS предполагает, что все дорожки в заданной зоне диска имеют одинаковое число секторов.

Цилиндр — совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жёсткого диска. Номер головки задает используемую рабочую поверхность (то есть конкретную дорожку из цилиндра), а номер сектора — конкретный сектор на дорожке.

Чтобы использовать адресацию CHS, необходимо знать геометрию используемого диска: общее количество цилиндров, головок и секторов в нём. Первоначально эту информацию требовалось задавать вручную; в стандарте ATA-1 была введена функция автоопределения геометрии (команда Identify Drive).

Влияние геометрии на скорость дисковых операций

Геометрия жёсткого диска  влияет на скорость чтения записи. Ближе  ко внешнему краю пластины диска возрастает длина дорожек (вмещается больше секторов) и, соответственно, количество данных, которые устройство может считать или записать за один оборот. При этом скорость чтения может изменяться от 210 до 30 Мб/с. Зная эту особенность, целесообразно размещать корневые разделы операционных систем именно здесь. Нумерация секторов начинается от внешнего края диска с нуля.

Особенности геометрии жёстких дисков со встроенными контроллерами

Зонирование

На пластинах современных  «винчестеров» дорожки сгруппированы  в несколько зон (англ. Zoned Recording). Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако, на дорожках внешних, как уже говорилось выше, зон секторов больше, чем на дорожках внутренних. Это позволяет, используя бо́льшую длину внешних дорожек, добиться более равномерной плотности записи, увеличивая ёмкость пластины при той же технологии производства.

Резервные секторы

Для увеличения срока службы диска на каждой дорожке могут  присутствовать дополнительные резервные  секторы. Если в каком-либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён резервным (англ. remapping). Данные, хранившиеся в нём, при этом могут быть потеряны или восстановлены, а ёмкость диска останется прежней. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая — в процессе эксплуатации. Границы зон, количество секторов на дорожку для каждой зоны и таблицы переназначения секторов хранятся в ПЗУ блока электроники.

Адресация данных

Минимальной адресуемой областью данных на жёстком диске является сектор. Размер сектора традиционно равен 512 байт.В 2006 году IDEMA объявила о переходе на размер сектора 4096 байт. На сегодняшний день при форматировании винчестера можно выбрать и этот режим(размер кластера).

Advanced Format (расширенный формат) — формат разметки области хранения данных на жестких дисках нового поколения, выполненных по технологии 4K (использование физических секторов размером 4 килобайт вместо традиционных 512 байт), разработанный IDEMA Long Data Sector Committee.

Переход на новый формат позволил производителю шире использовать в  производстве жестких дисков нанотехнологии (уменьшение ширины дорожки до 70-80 нм), снизить себестоимость производства и, как следствие, цену конечного продукта для потребителя, значительно повысить полезный объем области хранения данных диска, улучшить его функциональные качества (снизить время чтения/записи и доступа, понизить шумность, нагрев, износ механики диска).

Использование разбивки жестких дисков на 512-байтные сектора - наследие первых поколений жестких дисков, которое  в современных условиях практически  себя изжило. В современных компьютерах кластеры, равные одному-двум секторам (512-1024 байт) используются крайне редко (например, для файловой системы NTFS в Microsoft Windows XP рекомендуемый размер кластера, т.е. размер по умолчанию, равен 4КБ, поэтому в столь малых физических секторах уже давно нет практической необходимости, в то время как они были существенным сдерживающим фактором для производителя, препятствующим внедрению прогрессивных технологий уплотнения записи.

В прежнем формате для кода коррекции  ошибок (ECC) использовалось поле длиной 50 байт, что обеспечивало эффективность  форматирования (отношение доступного пользователю объема накопителя к его  фактическому объему) 87 %. В Advanced Format длина поля коррекции ошибок составляет 100 байт (на 4096 байт данных). В результате эффективность форматирования удалось повысить до 96 %, а объем доступного пользователю дискового пространства увеличивается на 7-11 %.

Для совместимости с существующими  операционными системами (Windows XP и ниже), первые модификации дисков с Advanced Format (AF) используют 512-байтные сектора для взаимодействия по шинам данных (SATA, SAS). Использование физических секторов размером 4 килобайта декларируется в данных идентификации диска, откуда эту информацию могут получать драйвера. IDEMA предполагает переход на использование 4-килобайтных блоков на шинах данных, но на февраль 2012 нет массового производства таких дисков.

Advanced Format поддерживается Windows Vista и более поздними версиями Windows, а также современными дистрибутивамиLinux и Mac OS X. Поддержка Advanced Format заключается в оптимизации доступа 4-килобайтными блоками на правильных границах и разбиении диска на границах не менее 4КБ (Vista, современный Linux - не менее 1МБ).

При использовании накопителя с  технологией Advanced Format в операционной системе Windows XP и более ранних происходит резкое снижение быстродействия (скорости чтения и записи составляют несколько мегабайт в секунду) по причине несоответствия (сдвига) программных кластеров и физических секторов на диске, в результате которого один кластер перекрывает два сектора, что приводит к удвоению числа операций чтений/записи и, в итоге, не только к замедлению работы, но и к повышенному износу жесткого диска. Это вызвано тем, что первый раздел диска по умолчанию начинается с сектора 63, то есть не кратного 8. Для решения этой проблемы компания Western Digital выпустила специальную утилиту "WD Align System Utility", которая сдвигает содержимое диска на 1 сектор. Альтернативно, технология Seagate SmartAlign, встроенная в диски Seagate, позволяет использовать Advanced Format без применения специального программного обеспечения. Western Digital также позволяет изменять физическое смещение блоков переключателем на диске, однако в некоторых реализациях это имеет проблемы с коррекцией количества доступных блоков.

Существуют также специальные  утилиты сторонних производителей, например, Paragon Alignment Tool, которые позволяют выравнивать разделы дисков и повышать их производительность.

Существует 2 основных способа  адресации секторов на диске: цилиндр-головка-сектор (англ. cylinder-head-sector, CHS) и линейная адресация блоков (англ. linear block addressing, LBA).

CHS

При этом способе сектор адресуется по его физическому положению  на диске 3 координатами — номером цилиндра, номером головки и номером сектора. В дисках объёмом больше 528 482 304 байт (504 Мб) со встроенными контроллерами эти координаты уже не соответствуют физическому положению сектора на диске и являются «логическими координатами».

LBA

При этом способе адрес  блоков данных на носителе задаётся с  помощью логического линейного  адреса. LBA-адресация начала внедряться и использоваться в 1994 году совместно  со стандартом EIDE (Extended IDE). Необходимость LBA была вызвана, в частности, появлением дисков больших объёмов, которые нельзя было полностью использовать с помощью старых схем адресации.

Метод LBA соответствует Sector Mapping для SCSI. BIOS SCSI-контроллер выполняет эти задачи автоматически, то есть для SCSI-интерфейса метод логической адресации был характерен изначально.

Технологии записи данных

Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая  поверхность диска движется относительно считывающей головки. При подаче переменного электрического тока (при  записи) на катушку головки возникающее  переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

В последнее время для  считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряжённости  магнитного поля. Подобные головки  позволяют увеличить вероятность  достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

 

 

Метод продольной записи

Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов. При этом вектор намагниченности домена расположен продольно, то есть параллельно поверхности диска. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от направления намагниченности.

Максимально достижимая при  использовании данного метода плотность  записи составляет около 23 Гбит/см². К 2010 году этот метод был практически вытеснен методом перпендикулярной записи.

Метод перпендикулярной записи

Метод перпендикулярной записи — это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у дисков по данным на 2009 год — 400 Гбит/дюйм² (62 Гбит/см²). Сейчас, соответственно можно ожидать плотности около 600Гбит/дюйм² , но эта информация недостоверна.

 

NCQ – Native Command Queuing(естественная очередь команд) — это технология оптимизации порядка выполнения команд в жестких дисках SATA (Serial ATA и  Serial ATA II). Она позволяет диску для достижения максимальной производительности менять порядок поступающих от контроллера команд (позиционирование головки/чтение/запись) с учетом текущего положения головок диска и наличия в очереди других команд ожидающих выполнения.

Метод самосборки полимеров

Сейчас последней разработкой  в области увеличения объёма HDD является метод самосборки полимеров (14 ноября 2012года). Он заключается в том, что домены на HDD изолируются друг от друга при помощи супертонкого полимера, способного к самоорганизации в соответствии с протравленными направляющими линиями. Таким образом, большее уплотнение доменов на диске не вызывает взаимных наводок друг на друга, а как следствие не ведет к потере информации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сравнение интерфейсов

	Пропускная способность, Мбит/с		Максимальная длина кабеля, м	Требуется ли кабель питания	Количество накопителей на канал	Число проводников в кабеле		Другие особенности
UltraATA/133	1064		0,46	Да (3,5") / Нет (2,5")	2	40/80		Controller+2Slave, горячая замена невозможна
SATA-300	3000		1	Да	1	7		Host/Slave, возможна горячая замена на некоторых контроллерах
SATA-600	6144		нет данных	Да	1	7
FireWire/400	400		4,5 (при последовательном соединении  до 72 м)	Да/Нет (зависит от типа интерфейса и накопителя)	63	4/6		устройства равноправны, горячая  замена возможна
FireWire/800	800		4,5 (при последовательном соединении  до 72 м)	Да/Нет (зависит от типа интерфейса и накопителя)	63	9		устройства равноправны, горячая  замена возможна
USB 2.0	480		5 (при последовательном соединении, черезхабы, до 72 м)	Да/Нет (зависит от типа накопителя)	127	4		Host/Slave, горячая замена возможна
USB 3.0	4800		нет данных	Да/Нет (зависит от типа накопителя)	нет данных	9		Двунаправленный, совместим с USB 2.0
Ultra-320SCSI	2560		12	Да	16	50/68		устройства равноправны, горячая  замена возможна
SAS	3000		8	Да	Свыше 16384			горячая замена; возможно подключениеSATA-устройств в SAS-контроллеры
eSATA	3000		2	Да	1 (с умножителем портов до 15)	7		Host/Slave, горячая замена возможна