7.5.1. Устройство жесткого диска

7.5.2. Характеристики HDD

7.5.3. Технологии записи данных на HDD

7.5.3.1. Метод параллельной записи

7.5.3.2. Метод перпендикулярной записи

7.5.3.3. Метод тепловой магнитной записи

7.5.4. Логическая структура HDD

7.5.5. Понятие о RAID массивах

Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД, жесткий диск, хард, харддиск, HDD, HMDD или винчестер, от англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD) – энергонезависимое, перезаписываемое запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах (рис. 7.61, 7.62).

Информация в HDD записывается на жесткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В некоторых НЖМД используется одна пластина, в других – несколько на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках 5-10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключен их нештатный контакт с поверхностью дисков.

7.5.1. Устройство жесткого диска

Жесткий диск состоит (рис. 7.63, 7.64) из следующих основных узлов: корпус из прочного сплава, собственно жесткие диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя и блок электроники.

Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных, как правило, неодимовых, постоянных магнитов и катушки на подвижном блоке головок.

Вопреки расхожему мнению, жесткие диски не герметичны. Внутренняя полость жесткого диска сообщается с атмосферой через фильтр, способный задерживать очень мелкие (несколько мкм) частицы. Это необходимо для поддержания постоянного давления внутри диска при колебаниях температуры корпуса. Пылинки, оказавшиеся при сборке в жестком диске и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на еще один фильтр – пылеуловитель.

7.5.2. Характеристики HDD

Основные характеристики, определяющие качество функционирование и быстродействие жесткого диска приведены ниже.

Интерфейс (англ. interface) – набор, состоящий из линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил обмена.

Современные накопители могут использовать интерфейсы:

- ATA (AT Attachment, он же IDE – Integrated Drive Electronic, он же Parallel ATA);

- Serial ATA;

- SCSI (Small Computer System Interface);

- SAS, FireWire, USB и др.

Емкость (англ. capacity) – количество данных, которые могут храниться накопителем. Емкость современных устройств достигает 2000 Гб. В отличие от принятой в информатике (случайно) системе приставок, обозначающих кратную 1024 величину (кило = 1024, мега = 1 048 576 и т. д.; позже для этого были не очень успешно введены двоичные приставки). Производители указывают неформатированную емкость (вместе со служебной информацией), что делает «зазор» между заявленными «200 Гб» и реальными 160 Гб.

Физический размер (форм-фактор). Почти все современные (2002-2008 гг.) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Последние чаще применяются в ноутбуках. Получили также распространение форматы – 1,8 дюйма, 1,3 дюйма и 0,85 дюйма.

Время произвольного доступа (англ. random access time) – от 3 до 15 мс. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 – 3,7 мс), самым большим временем из актуальных – диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 – 12,5 мс).

Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) – количество оборотов шпинделя в минуту (rpm). От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об./мин. (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).

Надежность (англ. reliability) – определяется как среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failures, MTBF). При определи надежности в процессе функционирования используется технология SMART. (S.M.A.R.T. - англ. Self Monitoring Analysing and Reporting Technology – технология оценки состояния жесткого диска встроенной аппаратурой самодиагностики, а также механизм предсказания времени выхода его из строя).

Количество операций ввода-вывода в секунду – у современных дисков это около 50 оп./сек при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Потребление энергии – важный фактор для мобильных устройств.

Уровень шума – шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) – сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включенном и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate):

- внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;

- внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.

Объем буфера. Буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных HDD он обычно варьируется от 8 до 32 Мб.

7.5.3. Технологии записи данных на HDD

Принцип работы жестких дисков следующий. 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 напряженности магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

7.5.3.1. Метод параллельной записи

На данный момент это самая распространенная технология записи информации на НЖМД (рис. 7.65). Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая проходя над поверхностью вращающегося диска намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей – доменов. Каждая из этих областей является логическим нулем или единицей, в зависимости от намагниченности.

Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи оценивается 150 Гбит/дюйм² (23 Гбит/см²). В ближайшем будущем ожидается постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.

7.5.3.2. Метод перпендикулярной записи

Метод перпендикулярной записи (рис. 7.66) – 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 современных образцов – 100—150 Гбит/дюйм² (15-23 Гбит/см²), в дальнейшем планируется довести плотность до 400—500 Гбит/дюйм² (60—75 Гбит/см²). Жесткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.

7.5.3.3. Метод тепловой магнитной записи

Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording – HAMR) на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на 2008 год), есть лишь экспериментальные образцы, но их плотность уже превышает 1 Тбит/дюйм² (150 Гбит/см²). Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 15−20 Тбит/дюйм², а представители Seagate Technology предполагают, что они смогут довести плотность записи HAMR-носители до 50 Тбит/дюйм. Планируется, что широкое распространение данная технология получит после 2010 года.

7.5.4. Логическая структура HDD

Данные на диски записываются секторами (рис. 7.67). Сектор – это непрерывный фрагмент трека фиксированной информационной емкости. Стандартные сектора содержат по 512 байт (или 256 16-битных слов) информации. Каждый сектор может быть записан независимо от других, но только целиком. Прерванная запись, например, в случае пропадания питания, разрушает информацию в секторе.

Вместе с каждым сектором вычисляется и записывается контрольная сумма, обеспечивающая проверку сохранности данных. При считывании посчитанная контрольная сумма сравнивается с записанной, и несовпадение означает, что данный сектор сбойный, он называется – бэд. Возможно несовпадение суммы и в том случае, когда поверхность сектора нормальная. При подобном сбое информация в секторе оказывается потерянной, но при записи на него сектор восстанавливается. Такие сектора называются софт-бэдами. Тем не менее, часто компьютерное программное обеспечение для работы с дисками нередко помечает такие сектора сбойными, и выводит их из использования.

При записи на диск используется самосинхронизирующееся кодирование, обычно код с ограничением длинны серий или код с максимумом изменений, обеспечивающее малую избыточность при отсутствии необходимости в дополнительных синхрометках. Для обеспечения надежности также применяется помехоустойчивое кодирование – в данные добавляется избыточная информация, обеспечивающая восстановление при потерях части информации или ошибках чтения.

На заводе-изготовителе на диск записываются сервометки (рис. 7.68), обеспечивающие синхронизацию вращения дисков, позиционирование головок на нужные треки. Сервометки на поверхности образуют области в виде радиальных лучей из центра диска, расположенные на равных угловых промежутках. Сервометки содержат синхронизационную последовательность, номер трека и дифференциальные метки. Синхронизационная последовательность обеспечивает стабильность вращения диска и точное определение моментов прохождения головкой различных областей на диске. По номеру трека обеспечивается позиционирование головок на нужный трек.

7.5.5. Понятие о RAID массивах

RAID (англ. redundant array of independent/inexpensive disks) – избыточный массив дисков для ЭВМ.

Рассмотрим наиболее популярные уровни RAID.

RAID 0 («Striping») – дисковый массив из двух или более жестких дисков с отсутствием избыточности (рис. 7.69). Информация разбивается на блоки данных (A_i) и записывается на оба/несколько дисков одновременно.

Достоинство: За счет этого существенно повышается производительность (от количества дисков зависит кратность увеличения производительности).

Недостаток: Страдает надежность всего массива (при выходе из строя любого из входящих в RAID 0 винчестеров полностью и безвозвратно пропадает вся информация).

RAID 1 (Mirroring – «зеркалирование», рис. 7.70). Изначально предполагается, что жесткий диск – вещь надежная. Соответственно, вероятность выхода из строя сразу двух дисков ниже на порядок.

Достоинства:

- обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения за счет распараллеливания запросов;

- имеет высокую надежность – работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве.

Недостаток: приходится выплачивать стоимость двух жестких дисков, получая полезный объем одного жесткого диска (классический случай, когда массив состоит из двух дисков).

Рисунок 7.69 – RAID 0	Рисунок 7.70 – RAID 1

RAID 5 (рис. 7.71). Самый популярный из уровней, в первую очередь благодаря своей экономичности. Блоки данных и контрольные суммы циклически записываются на все диски массива, отсутствует выделенный диск для хранения информации о четности. Жертвуя ради избыточности емкостью всего одного диска из массива, мы получаем защиту от выхода из строя любого из винчестеров тома.

На запись информации на том RAID 5 тратятся дополнительные ресурсы, так как требуются дополнительные вычисления, зато при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких накопителей массива распараллеливаются. Недостатки RAID 5 проявляются при выходе из строя одного из дисков – весь том переходит в критический режим, все операции записи и чтения сопровождаются дополнительными манипуляциями, резко падает производительность. При этом уровень надежности значительно снижается (так как уменьшена избыточность массива).

Рисунок 7.71 – RAID 5	Рисунок 7.72 – Matrix RAID

Matrix RAID – это технология (рис. 7.72), реализованная фирмой Intel в своих чипсетах начиная с ICH6R. Строго говоря, эта технология не является новым уровнем RAID (ее аналог существует в аппаратных RAID-контроллерах высокого уровня), она лишь позволяет, используя лишь 2 диска, организовать одновременно один или несколько массивов уровня RAID 1 и один или несколько массивов уровня RAID 0. Это позволяет за сравнительно небольшие деньги обеспечить для одних данных повышенную надежность, а для других высокую скорость доступа.

Пример использования. Имеются в наличии два диска по 160 Гбайт. Каждый диск разбивается на тома по 60 и по 100 Гбайт, затем 100-гигабайтные тома объединяются в скоростной массив RAID 0, а 60-гигабайтные – в массив повышенной надежности RAID 1. В массиве RAID 1 можно разместить операционную систему, рабочие документы, фото- и видеоархивы, коллекцию mp3 и прочие важные данные, а файл подкачки и «игрушки» в массиве RAID 0. В результате получается весьма рациональное сочетание повышенной производительности и надежности хранения данных.