Триколор 

Жесткий диск: принцип работы и основные характеристики. Скорость вращения дисков. Емкость, объем хранимых данных

Поводом для написания данной публикации стало обновление конфигурации моего основного ПК. В частности, спустя 6-7 лет эксплуатации, не мешало бы, заменить дисковые накопители.

Собственно при смене корпуса я задался вопросом, а почему бы не сменить старые 3.5-дюймовые диски на более компактные 2.5-дюймовые? Основная цель – экономия места, низкий уровень шума, хорошая производительность и низкий нагрев. Так можно ли использовать 2.5” для дестопного ПК?

На эти вопросы мы и попробуем ответить.

Устоявшееся мнение

Так уж сложилось исторически, что диски форм-фактора 3.5” принято считать дестопными, т.е. ориентированными на настольные ПК. Собственно диски этого типоразмера используются и в серверах.

Диски форм-фактора 2.5” изначально проектировались для использования в ноутбуках (лэптопах). Основным фактором при создании этих дисков изначально была компактность.

С течением времени диски на 2.5 дюйма стали повсеместно использовать в HTPC, игровых консолях, моноблоках и компактных ПК. К примеру в моём резервном Dell Optiplex 780 USFF используется именно такой диск.

Со временем к «маленьким» дискам стали предъявляться повышенные требования, зачастую, сопоставимые с требованиями, предъявляемыми к дискам 3.5”.


Как для 2.5”, так и для 3.5” в настоящее время используется интерфейс SATA, старый IDE окончательно ушел на покой. Остальные серверные решения рассматривать не будем. Блоки питания современных компьютеров оснащены специальным разъемом питания SATA, а на материнках, даже относительно стареньких присутствуют SATA-порты, так что проблем с подключением не будет.


Главное выбирать диски и материнскую плату с поддержкой актуального SATA-III.

Что ж, приступим к сравнению?

Физические размеры (габариты)

Как несложно догадаться, диски 2.5” заметно компактнее, тоньше и легче дисков 3.5”. Большие размеры десктопных дисков связаны с уровнем развития технологий на момент их создания, а именно с плотностью записи. Ранее существовали диски с 5-ю рабочими пластинами, в то время как сейчас зачастую применяется всего 2 пластины.


Большая площадь для первых дисков была залогом увеличения объема хранимой информации в расчете на квадратный сантиметр площади. При современном уровне развития технологий, размеры 3.5-дюймовых дисков явно избыточны.

Большой диск занимает больше места и увеличивает общий вес. Впрочем, компьютер вы ж не носите с собой, ведь так?

Другое дело, если вы будете собирать систему на базе системной платы mini-ITX или Micro-ATX. Большинство компактных корпусов хоть и рассчитаны на установку больших дисков, в то же время могут возникнуть вопросы с полноценным охлаждением таких дисков.

Большие габариты также не лучшим образом сказываются на прохождении воздушных потоков. В компактном корпусе каждый сантиметр имеет значение и в этом плане, компактные диски 2.5” смотрятся куда более интересно.

Есть также нюанс, связанный с толщиной диска. Для форм-фактора 2.5” доступны сразу 3 «типоразмера»: ультратонкие 7 мм, стандартные 9.5 мм и 12.5 мм.

Диски толщиной 7 мм рассчитаны на установку в ультратонких ноутбуках и нетбуках, где физически нет возможности уместить диск 9.5 мм. Казалось бы, 2,5 мм – разница не большая, но на практике вы просто не сможете закрыть крышку ноутбука, если установите стандартный диск в тонкий ноутбук. В дисках, толщиной 9.5 мм применяется 2 пластины, при этом считывание происходит только с трех плоскостей. Для дисков 12.5 мм могут использоваться как 2, так и 3 диска.

При выборе диска для десктопного ПК, на типоразмер можно практически всегда закрывать глаза при выборе диска, в 99.5% случаев конструкция корпуса позволит установить диск любой толщины.

Емкость, объем хранимых данных

Раньше одним из ключевых факторов в пользу 3.5-дюймовых дисков была большая емкость хранимых данных.

С развитием технологий жестких дисков ситуация существенно изменилась, рост плотности записи позволил уместить на компактных дисках до 750 Гбайт или даже 1 Тбайт данных.

В свою очередь, диски 3.5 дюйма по-прежнему занимают пальму первенства с доступными устройствами хранения на 2 или даже 4 Тбайт. Поэтому если вы собираете домашний NAS или вам требуется хранить очень большие объемы данных, ваш выбор, скорее всего, будет очевиден, и явно не в пользу компактных дисков.

В то же время, как показывает практика, среднестатистическому пользователю достаточно диска на 500 Гбайт, при условии, что под ОС он использует отдельный SSD.

Производительность: скорость чтения, записи, случайный доступ

По части производительности не всё так просто и однозначно, как может показаться на первый взгляд.

Как правило, «малые» диски работают на скорости 5400 об/мин, «большие» – на скорости 7200 об/мин. Казалось бы, диск на 7200 будет работать быстрее? Однако это утверждение не совсем корректное. У 2.5-дюймовых дисков большой емкости (500-750 Гб) используются пластины высокой плотности, что на практике обеспечивает им уровень производительности, сопоставимый с десктопными решениями.

Зачастую, для емкости до 500 Гб (особенно 120-320 Гб) диск 3.5” будет быстрее обычного «ноутбучного» диска и при этом будет стоить дешевле.

Ниже результат теста с двух 2.5-дюймовых дисков:

Seagate Momentus 5400.5 на 320 ГБ (арт. ST9320320AS, 5400 RPM, 2 диска / 4 поверхности, буфер 8 МБ, SATA-II).

Seagate Momentus 5400 (SpinPoint M8) на 750 ГБ (арт. ST750LM022 HN-M750MBB, 5400 RPM, 2 диска / 3 поверхности, буфер 8 МБ, SATA-II).




Если же вы делаете свой выбор в пользу 2.5 дюймов, дабы не прогадать, лучше выбирать диски на 750 Гб – 1 Тб, по возможности и на 7200 об.

Уровень энергопотребления

Часто при сравнении двух форм-факторов многие пользователи считают различие в уровне энергопотребления не существенным. К примеру, среднестатистический компактный диск потребляет порядка 2-4 Вт в режиме чтения/записи. В то время как десктопные решения могут потреблять от 6 до 12 Вт в активном режиме. Причем 6 Вт будут потреблять «зеленые» диски со скоростью 5400.

На фоне видеокарт и процессоров, способных выдавать 65-150 Вт TDP это кажется не столь существенной экономией. Но не следует забывать про нагрев, ведь меньшее энергопотребление это практически всегда меньший нагрев и тепловыделение.

Нагрев диска и уровень шума в процессе работы

Лично для меня уровень нагрева и издаваемого шума очень важен. Во-первых, повышенная температура всегда приводит к сокращению времени эксплуатации, всегда. Чем больше температура – тем быстрее происходит физический износ электроники и механических элементов. Берем несколько горячих дисков и компактный корпус ­– на выходе получаем повышенные требования к системе охлаждения, как следствие повышение шума от СО.

Говоря о шуме, издаваемом от самих HDD. Вы можете собрать конфигурацию на самом топовом железе, с ультратихой системой охлаждения, но ваши HDD чаще всего будут выделяться на общем фоне что бы вы не делали. Проблема в том, что шум низкочастотный и убрать его не так просто как может показаться, из-за необходимости обеспечения должного охлаждения самого диска.

Во многом шум от HDD зависит от качества корпуса, если быть точнее, от его жесткости, толщины применяемого металла и наличия демпфирующих прокладок.

Как правило, компактные 2.5-дюймовые диски более тихие и холодные, хотя встречаются модели со «стрекочущими» головками, которые отчетливо прослушиваются при установке в пластиковые корпуса ноутбуков. Шум этот носит более высокочастотный характер, нежели гул от работающего двигателя. Собственно многие жесткие диски 3.5” грешат повышенным уровнем шума, издаваемого мощным двигателем, который вращает большие пластины на высокой скорости.

Итоговая стоимость

За размер приходится платить, в данном случае, за миниатюрность 2.5-дюймовых дисков приходится доплачивать небольшую сумму. Впрочем, вообще за всё требуется доплачивать – за объем хранимых данных, за объем кеш-памяти, за скорость доступа. Так что плата за компактность всецело оправдана.

Как выбрать HDD для ПК? 2.5 или 3.5 дюйма?

Я сейчас не буду рассматривать ситуацию с ноутбуками, там все чуть сложней в силу конструктивных особенностей (место под 1 диск). Вместо этого поговорим про использование в десктопных конфигурациях.

Во-первых, на дворе 2017-й год и я заранее предполагаю, что под системный раздел вы используете SSD (Solid State Drive), благо доступных дисков на 60-120 Гбайт сейчас предостаточно. Даже самый простенький SSD обеспечит существенный прирост производительности на фоне любого, даже самого производительного жесткого диска (HDD). И, если при работе с большими файлами, разница не столь ощутима, то при работе с маленькими файлами у HDD попросту нет ни единого шанса.

Конечно, есть и обратная сторона медали. Когда «умирает» HDD, данные с него можно восстановить, если же вы случайно удалили файл – данные можно восстановить. В случае с SSD вышедший из строя диск проще выбросить.


При выборе жесткого диска для десктопного ПК в первую очередь следует ориентироваться на сферу применения и возлагаемые задачи. Для очень сложных задач как то рендеринг, монтаж, обработка фото, хранение очень больших объемов данных – использование стандартных 3.5-дюймовых HDD оправдано и по сей день.

Для всех остальных задач существенных различий между 2.5” и 3.5” не будет. Лично для себя я сделал однозначный выбор в пользу компактного диска, он меньше греется, не столь шумный, отнимает меньше места, а уровень производительности примерно на том же уровне.

Многие незаслуженно пинают компактные диски за низкую надежность, забывая при этом, что диски эти зачастую применяются в ноутбуках, т.е. переносятся в процессе работы, что прямо влияет на срок службы. Внешние и переносимые диски всегда служат меньше. Полагаю, наработка на отказ будет примерно той же при прочих равных.

Из-за особенностей использования «ноутбучных» HDD, в них применяется система парковки головок, которая при выключении убирает головки с поверхности диска. В дорогих решениях для большей защиты также применяется гиросенсор, который убирает головки в случае падения или удара. Встречается такая система и у десктопных дисков, но далеко не во всех.

Минусом системы парковки можно считать особенности её работы под некоторыми операционными системами. Лично у меня после последней переустановки, Windows 7 решил парковать головки и останавливать шпиндель, после двух недель такой «оптимизации» на диске WD Green появились плохие сектора. Совпадение? Почитав тематические форумы, я пришел к выводу, что не я один такой счастливчик. Так что, как по мне, парковку однозначно отключать.


По поводу выбора фирмы, на любителя: Western Digital (WD), Seagate, Toshiba и HGST (Hitachi). Диски Samsung, исходя из субъективного личного опыта, а также отзывов на Яндекс Маркете и других интернет-магазинах, чаще других уходят на покой.

Основную долю потребительского рынка формируют Seagate и Western Digital. Toshiba и Hitachi делают хорошие диски, ничем не уступающие WD и Seagate. Вообще при выборе необходимо прямо сравнивать конкретные модели, поскольку у каждой фирмы есть десятки самых разнообразных моделей с сильно отличающимися характеристиками.

По поводу надежности. В некоторых сервис-центрах чаще поступают Seagate, в некоторых чаще WD. Распределение это сильно субъективное из-за присутствия на рынке «неудачных» серий, в которых заранее были косяки. Лучше всего смотреть отзывы по конкретной модели.

Отдельно стоит отметить Hitachi (HGST), диски этой компании отличаются повышенной надежностью на фоне WD и Seagate. К слову, не так давно WD выкупили Hitachi, сохранив при этом автономность подразделения. По этой причине диски WD и HGST – разные устройства.

Лично для себя я выбираю между HGST Travelstar 7K1000 и Seagate FireCuda SSHD 1TB 5400rpm 128MB.

Выбирая диск, обращайте внимание на скорость вращение, объем буфера и интерфейс подключения. Объем буфера влияет на производительность не так явно, как это может показаться на первый взгляд, но в целом, больший объем обеспечивает более высокую производительность.

Как выглядит современный жёсткий диск (HDD) внутри? Как его разобрать на части? Как называются части и какие функции в общем механизме хранения информации выполняют? Ответы на эти и другие вопросы можно узнать здесь, ниже. Кроме того, мы покажем связь между русскоязычной и англоязычной терминологиями, описывающими компоненты жёстких дисков.

Для наглядности, разберём 3.5-дюймовый SATA диск. Это будет совершенно новый терабайтник Seagate ST31000333AS. Осмотрим нашего подопытного кролика.


Зелёная закреплённая винтами пластина с проступающим узором дорожек, разъёмами питания и SATA называется платой электроники или платой управления (Printed Circuit Board, PCB). Она выполняет функции электронного управления работой жёсткого диска. Её работу можно сравнить с укладкой в магнитные отпечатки цифровых данных и распознание обратно по первому требованию. Например, как прилежный писарь с текстами на бумаге. Чёрный алюминиевый корпус и его содержимое называется гермоблоком (Head and Disk Assembly, HDA). В среде специалистов принято называть его «банкой». Сам корпус без содержимого также называют гермоблоком (base).

Теперь снимем печатную плату (понадобиться отвертка «звёздочка» T-6) и изучим размещённые на ней компоненты.


Первым в глаза бросается большой чип, расположенный посередине – Система на кристалле (System On Chip, SOC). В ней можно выделить два крупных составляющих:

  1. Центральный процессор, который производит все вычисления (Central Processor Unit, CPU). Процессор имеет порты ввода-вывода (IO ports) для управления остальными компонентами, расположенными на печатной плате, и передачи данных через SATA-интерфейс.
  2. Канал чтения/записи (read/write channel) – устройство, преобразующее поступающий с головок аналоговый сигнал в цифровые данные во время операции чтения и кодирующий цифровые данные в аналоговый сигнал при записи. Так же выполняет слежение за позиционированием головок. Иными словами, создает магнитные образы при записи и распознает их при чтении.

Чип памяти (memory chip) представляет собой обычную DDR SDRAM память. Объём памяти определяет размер кэша жёсткого диска. На этой печатной плате установлена память Samsung DDR объемом 32 Мб, что в теории даёт диску кэш в 32 Мб (и именно такой объём приводится в технических характеристиках жёсткого диска), но это не совсем верно. Дело в том, что память логически разделена на буферную память (кэш) и память прошивки (firmware). Процессору требуется некоторый объём памяти для загрузки модулей прошивки. Насколько известно, только производитель HGST указывают действительный объём кэша в описании технических характеристик; относительно остальных дисков, о реальном объёме кэша остаётся только гадать. В спецификации ATA составители не стали расширять ограничение, заложенное в ранних версиях, равное 16 мегабайт. Поэтому, программы не могут отобразить объем более максимального.

Следующий чип – контроллер управления шпиндельным двигателем и звуковой катушкой, перемещающий блок головок (Voice Coil Motor and Spindle Motor controller, VCM&SM controller). На жаргоне специалистов – это «крутилка». Кроме того, этот чип управляет вторичными источниками питания, расположенными на плате, от которых питается процессор и микросхема предусилителя-коммутатора (preamplifier, preamp), расположенная в гермоблоке. Это главный потребитель энергии на печатной плате. Он управляет вращением шпинделя и движением головок. Так же при отключении питания переключает останавливающийся двигатель в режим генерации и полученную энергию подает на звуковую катушку для плавной парковки магнитных головок. Ядро VCM-контроллера может работать даже при температуре в 100°C.

Часть программы управления (прошивки) диска хранится во флэш-памяти (на рисунке обозначено: Flash). При подаче питания на диск микроконтроллер загружает сначала маленькое boot-ПЗУ внутри себя, а дальше переписывает содержимое флэш-чипа в память и приступает к исполнению кода уже из ОЗУ. Без корректно загруженного кода, диск даже не пожелает запускать двигатель. Если на плате отсутствует флэш-чип, значит, он встроен в микроконтроллер. На современных дисках (где-то с 2004 года и новее, однако исключение составляют жёсткие диски Samsung и они же с наклейками от Seagate) flash-память содержит таблицы с кодами настроек механики и головок, которые уникальны для данного гермоблока и не подойдут к другому. Поэтому операция «перекинуть контроллер» всегда заканчивается либо тем, что диск «не определяется в BIOS», либо определяется заводским внутренним названием, но все равно доступ к данным не даёт. Для рассматриваемого диска Seagate 7200.11 утрата оригинального содержимого flash-памяти приводит к полной потере доступа к информации, так как подобрать или угадать настройки не получится (во всяком случае, автору такая методика не известна).

На youtube-канале R.Lab есть несколько примеров перестановки платы с перепайкой микросхемы c неисправной платы на исправную:
PC-3000 HDD Toshiba MK2555GSX PCB change
PC-3000 HDD Samsung HD103SJ PCB change

Датчик удара (shock sensor) реагирует на опасную для диска тряску и посылает сигнал об этом контроллеру VCM. Контроллер VCM немедленно паркует головки и может остановить вращение диска. Теоретически, такой механизм должен защищать диск от дополнительных повреждений, но на практике он не работает, так что не роняйте диски. Ещё при падении может заклинить шпиндельный двигатель, но об этом позже. На некоторых дисках датчик вибрации обладает повышенной чувствительностью, реагируя на малейшие механические колебания. Полученные с датчика данные позволяют контроллеру VCM корректировать движение головок. На таких дисках установлено, кроме основного, ещё два дополнительных датчика вибрации. На нашей плате дополнительные датчики не припаяны, но места под них есть - обозначены на рисунке как «Vibration sensor».

На плате имеется ещё одно защитное устройство – ограничитель переходного напряжения (Transient Voltage Suppression, TVS). Он защищает плату от скачков напряжения. При скачке напряжения TVS перегорает, создавая короткое замыкание на землю. На этой плате установлено два TVS, на 5 и 12 вольт.

Электроника для старых дисков была менее интегрированная, и каждая функция была разделена на одну и более микросхем.


Теперь рассмотрим гермоблок.


Под платой находятся контакты мотора и головок. Кроме того, на корпусе диска имеется маленькое, почти незаметное отверстие (breath hole). Оно служит для выравнивания давления. Многие считают, что внутри жёсткого диска находится вакуум. На самом деле это не так. Воздух нужен для аэродинамического взлета головок над поверхностью. Это отверстие позволяет диску выровнять давление внутри и снаружи гермозоны. С внутренней стороны это отверстие прикрыто фильтром (breath filter), который задерживает частицы пыли и влаги.

Теперь заглянем внутрь гермозоны. Снимем крышку диска.


Сама крышка не представляет собой ничего интересного. Это просто стальная пластина с резиновой прокладкой для защиты от пыли. Наконец, рассмотрим начинку гермозоны.


Информация хранится на дисках, называемых также «блинами», магнитными поверхностями или пластинами (platters). Данные записываются с двух сторон. Но иногда с одной из сторон головка не установлена, либо физически головка присутствует, но отключена на заводе. На фотографии вы видите верхнюю пластину, соответствующую головке с самым большим номером. Пластины изготавливаются из полированного алюминия или стекла и покрываются несколькими слоями различного состава, в том числе ферромагнитным веществом, на котором, собственно, и хранятся данные. Между пластинами, а также над верхней из них, мы видим специальные вставки, называемыми разделителями или сепараторами (dampers or separators). Они нужны для выравнивания потоков воздуха и снижения акустических шумов. Как правило, их изготавливают из алюминия или пластика. Алюминиевые разделители успешнее справляются с охлаждением воздуха внутри гермозоны. Ниже приведен пример модели прохождения потока воздуха внутри гермоблока.


Вид на пластины и сепараторы сбоку.


Головки чтения-записи (heads), устанавливаются на концах кронштейнов блока магнитных головок, или БМГ (Head Stack Assembly, HSA). Парковочная зона – это область, в которой должны находиться головки исправного диска, если шпиндель остановлен. У этого диска, парковочная зона расположена ближе к шпинделю, что видно на фотографии.


На некоторых накопителях, парковка производится на специальных пластиковых парковочных площадках, расположенных за пределами пластин.


Парковочная площадка накопителя Western Digital 3.5”

В случае парковки головок внутри пластин для съёма блока магнитных головок нужен специальный инструмент, без него снять БМГ очень сложно без повреждения. Для внешней парковки можно вставить между головками пластиковые трубочки, подходящие по размеру, и вынуть блок. Хотя, и для этого случая так же есть съемники, но они более простой конструкции.

Жёсткий диск – механизм точного позиционирования, и для его нормальной работы требуется очень чистый воздух. В процессе использования внутри жёсткого диска могут образовываться микроскопические частицы металла и смазки. Для немедленной очистки воздуха внутри диска имеется циркуляционный фильтр (recirculation filter). Это высокотехнологичное устройство, которое постоянно собирает и задерживает мельчайшие частицы. Фильтр находится на пути потоков воздуха, создаваемых вращением пластин


Теперь снимем верхний магнит и посмотрим, что скрывается под ним.


В жёстких дисках используются очень мощные неодимовые магниты. Эти магниты настолько мощны, что могут поднимать вес в 1300 раз больший их собственного. Так что не стоит класть палец между магнитом и металлом или другим магнитом – удар получится очень чувствительным. На этой фотографии изображены ограничители БМГ. Их задача – ограничить движение головок, оставляя их на поверхности пластин. Ограничители БМГ разных моделей устроены по-разному, но их всегда два, они используются на всех современных жёстких дисках. На нашем накопителе второй ограничитель расположен на нижнем магните.

Вот что можно там увидеть.


Ещё мы видим здесь катушку (voice coil), которая является частью блока магнитных головок. Катушка и магниты образуют привод БМГ (Voice Coil Motor, VCM). Привод и блок магнитных головок образуют позиционер (actuator) – устройство, которое перемещает головки.

Чёрная пластиковая деталь сложной формы называется фиксатором (actuator latch). Он бывает двух типов: магнитный и воздушный (air lock). Магнитный работает как простая магнитная защёлка. Высвобождение осуществляется подачей электрического импульса. Воздушная защёлка освобождает БМГ после того, как шпиндельный двигатель наберёт достаточное число оборотов, чтобы давление воздуха отодвинуло фиксатор с пути звуковой катушки. Фиксатор защищает головки от вылета головок в рабочую область. Если по какой-то причине фиксатор со своей функцией не справился (диск уронили или ударили во включенном состоянии), то головки прилипнут к поверхности. Для дисков 3.5“ последующее включение из-за большей мощности мотора просто оторвет головки. А вот у 2.5“ мощность мотора меньше и шансы восстановить данные, высвободив «из плена» родные головки, довольно высоки.

Теперь снимем блок магнитных головок.


Точность и плавность движения БМГ поддерживается прецизионным подшипником. Самая крупная деталь БМГ, изготовленная из алюминиевого сплава, обычно называется кронштейном или коромыслом (arm). На конце коромысла находятся головки на пружинной подвеске (Heads Gimbal Assembly, HGA). Обычно сами головки и коромысла поставляют разные производители. Гибкий кабель (Flexible Printed Circuit, FPC) идёт к контактной площадке, стыкующейся с платой управления.

Рассмотрим составляющие БМГ подробнее.

Катушка, соединенная с кабелем.


Подшипник.


На следующей фотографии изображены контакты БМГ.


Прокладка (gasket) обеспечивает герметичность соединения. Таким образом, воздух может попасть внутрь блока с дисками и головками только через отверстие для выравнивания давления. У этого диска контакты покрыты тонким слоем золота для предотвращения окисления. А вот со стороны платы электроники окисление случается частенько, что приводит к неисправности HDD. Удалить окисление с контактов можно стирательной резинкой (eraser).


Это классическая конструкция коромысла.


Маленькие чёрные детали на концах пружинных подвесов называют слайдерами (sliders). Многие источники указывают, что слайдеры и головки – это одно и то же. На самом же деле слайдер помогает считывать и писать информацию, поднимая головку над поверхностью магнитных дисков. На современных жёстких дисках головки двигаются на расстоянии 5-10 нанометров от поверхности. Для сравнения: человеческий волос имеет диаметр около 25000 нанометров. Если под слайдер попадёт какая-нибудь частица, это может привести к перегреву головок из-за трения и выходу их из строя, именно поэтому так важна чистота воздуха внутри гермозоны. Ещё попадание пыли может вызвать царапины. От них образуются новые пылинки, но уже магнитные, которые прилипают к магнитному диску и вызывают новые царапины. Это приводит к тому, что диск быстро покрывается царапинами или на жаргоне «запиливается». В таком состоянии ни тонкий магнитный слой, ни магнитные головки уже не работают, и жёсткий диск стучит (клик смерти).

Сами считывающие и записывающие элементы головки находятся на конце слайдера. Они так малы, что разглядеть их можно только в хороший микроскоп. Ниже приведен пример фотографии (справа) через микроскоп и схематическое изображение (слева) взаимного расположения пишущего и читающего элементов головки.


Рассмотрим поверхность слайдера поближе.


Как видите, поверхность слайдера не плоская, на ней имеются аэродинамические канавки. Они помогают стабилизировать высоту полёта слайдера. Воздух под слайдером образует воздушную подушку (Air Bearing Surface, ABS). Воздушная подушка поддерживает почти параллельный поверхности блина полёт слайдера.

Вот ещё одно изображение слайдера.


Здесь хорошо видны контакты головок.

Это ещё одна важная часть БМГ, которая пока не обсуждалась. Она называется предусилителем (preamplifier, preamp). Предусилитель – это чип, управляющий головками и усиливающий поступающий к ним или от них сигнал.


Предусилитель располагают прямо в БМГ по очень простой причине - сигнал, идущий с головок, очень слаб. На современных дисках он имеет частоту более 1 ГГц. Если вынести предусилитель за пределы гермозоны, такой слабый сигнал сильно затухнет по пути к плате управления. Установить же усилитель прямо на голове нельзя, так как она существенно нагревается во время работы, что делает не возможным работу полупроводникового усилителя, вакуумно-ламповых усилителей таких малых размеров ещё не придумали.

От предусилителя к головкам (справа) ведёт больше дорожек, чем к гермозоне (слева). Дело в том, что жёсткий диск не может одновременно работать более чем с одной головкой (парой пишущих и считывающих элементов). Жёсткий диск посылает сигналы на предусилитель, и он выбирает головку, к которой в данный момент обращается жёсткий диск.

Хватит о головках, давайте разбирать диск дальше. Снимем верхний сепаратор.

Вот как он выглядит.


На следующей фотографии вы видите гермозону со снятыми верхним разделителем и блоком головок.


Стал виден нижний магнит.

Теперь прижимное кольцо (platters clamp).


Это кольцо удерживает блок пластин вместе, не давая им двигаться друг относительно друга.

Блины нанизаны на шпиндель (spindle hub).


Теперь, когда блины ничто не удерживает, снимем верхний блин. Вот что находится под ним.


Теперь понятно, за счёт чего создается пространство для головок – между блинами находятся разделительные кольца (spacer rings). На фотографии виден второй блин и второй сепаратор.

Разделительное кольцо – высокоточная деталь, изготовленная из немагнитного сплава или полимеров. Снимем его.


Вытащим из диска все остальное, чтобы осмотреть дно гермоблока.


Так выглядит отверстие для выравнивания давления. Оно располагается прямо под воздушным фильтром. Рассмотрим фильтр внимательнее.

Так как поступающий снаружи воздух обязательно содержит пыль, фильтр имеет несколько слоёв. Он гораздо толще циркуляционного фильтра. Иногда он содержит частицы силикагеля для борьбы с влажностью воздуха. Однако, если жёсткий диск поместить в воду, то она наберется внутрь через фильтр! И это совсем не означает, что попавшая внутрь вода будет чистая. На магнитных поверхностях кристаллизуются соли и наждачка вместо пластин обеспечена.

Немного подробнее про шпиндельный двигатель. Схематически его конструкция показана на рисунке.


Внутри spindle hub закреплен постоянный магнит. Обмотки статора, меняя магнитное поле, заставляют ротор вращаться.


Моторы бывают двух видов, с шариковыми подшипниками и с гидродинамическими (Fluid Dynamic Bearing, FDB). Шариковые перестали использовать более 10 лет назад. Это связано с тем, что у них биение высокое. В гидродинамическом подшипнике биения намного ниже и работает он значительно тише. Но есть и пару минусов. Во-первых, он может заклинить. С шариковыми такого явления не происходило. Шариковые подшипники если и выходили из строя, то начинали громко шуметь, но информация хоть медленно, но читалась. Сейчас же, в случае клина подшипника, нужно при помощи специального инструмента снять все диски и установить их на исправный шпиндельный двигатель. Операция очень сложная и редко приводит к удачному восстановлению данных. Клин может возникнуть от резкого изменения положения за счет большого значения силы Кориолиса, действующей на ось и приводящей к ее сгибанию. Например, есть внешние 3.5” диски в коробочке. Стояла коробочка вертикально, задели, упала горизонтально. Казалось бы, не далеко улетел то?! А нет - клин двигателя, и никакой информации уже не достать.

Во-вторых, из гидродинамического подшипника может вытечь смазка (она там жидкая, ее довольно много, в отличие от смазки-геля, используемой шариковых), и попасть на магнитные пластины. Чтобы предотвратить попадание смазки на магнитные поверхности используют смазку с частицами, имеющими магнитные свойства и улавливающими их магнитные ловушки. Еще используют вокруг места возможной протечки абсорбционное кольцо. Вытеканию способствует перегрев диска, поэтому важно следить за температурным режимом эксплуатации.


Уточнение связи между русскоязычной и англоязычной терминологией выполнено Леонидом Воржевым.


Обновление 2018, Сергей Яценко

Перепечатка или цитирование разрешены при условии сохранения ссылки на перво

Как ни крути, основным отличием жестких дисков с форм-фактором 2,5 и 3,5, соответственно, является сам размер, а только потом уж их технические особенности. Жесткий диск с меньшим форм-фактором имеет высоту всего 15 мм, что, по сути, очень удобно в момент построения компактного, но производительного сервера. Почему именно 2,5, а не 3,5 немного позже!

Помимо компактных и привлекательных габаритов hdd 2,5, которые используются в каждом ноутбуке, стоит отметить их износостойкость в отношении вибраций и тряски, чего нельзя сказать о тех же 3,5. Последние предполагают исключительно стационарное использование. Кто-то скажет, что построение стабильной и объемной системы возможно только на 3,5, так как за счет большей высоты корпуса внутрь устанавливается до 5-ти накопительных пластин. В форм-факторе 2,5 таковых всего 3 . Такое утверждение вполне имеет право на существование, но стоит обратить внимание на области применения каждого из них.


Так, например, позиционирование в отношении домашнего ПК не является целесообразным, так как зачастую производитель просто устанавливает внутрь жесткого диска 3,5 те же накопительные пластины от 2,5, тем самым приближая естественный переход производства на форм-фактор 2,5. Потенциальный потребитель не ощутит практически никакой разницы.

Ощутимым отличием между вышеупомянутыми HDD, которое реально можно выводить на ступень полноценного сравнения, – принцип построения современного сервера и, как результат, получения общего количества вычислительных операций.

Форм-фактор 2,5 / 3,5 и высота сервера 43,7 мм (1U)

Основным отличием в данном случае является количество возможных отсеков. Если, например, за точку отсчета взять сервер со слотами 3,5, то тут таковых отсеков всего 4 шт .

При аналогичной высоте сервера 1U, но наличием слотов под hdd 2,5, предоставляется возможность установки до 8 накопителей. При таком раскладе общий объем сервера можно увеличить вдвое. Соответственно возрастет и количество вычислительных операций.
Даже если исходить из принципа ценообразования на оба вида дисков, то форм-фактор 2,5 всегда оставляет за собой преимущество модернизации, установки твердотельных накопителей SSD. Потенциальное промышленное использование hdd 2,5 позволит значительно снизить габариты самого сервера.

Вышеупомянутые накопители и высота сервера 2U / 3U / 4U

Типичным примером может стать тот же сервер промышленного назначения высотой 88,1 мм (2U). При условии наличия слотов под накопители 3,5, потенциальный потребитель получит 12 расширительных отсеков. Если все же речь идет об сервере с отсеками под форм-фактор 2,5, то тут таковых можно насчитать аж 24 шт.

Таким же образом можно просчитать и количество отсеков других серверов, например, 3U / 4U. При высоте 3U и отсеках под 3,5 диски, владельцу предоставляется возможность установки 16 шт накопителей, против возможных 32 шт, в случае с отсеками под накопители 2,5. Последний же является более распространенном вариантом, так как количество отсеков в вышеупомянутой последовательности может достигать 24 шт и 48 шт, соответственно.

Таким образом, разница между hdd 2,5 и 3,5, в пропорции промышленного серверного использования заключается в:

  • Максимальном объеме памяти.
  • Количестве вычислительных операций в отношении каждого накопителя (в случае с hdd 2,5 их будет в 2 раза больше).
  • Габаритах сервера и его весе.
  • Возможности модернизации под SSD (в случае с форм-фактором 2,5).
  • Эффективности монтажа.
  • Возможности построения серверов модульного и блейд типов; (все те же 2,5).
  • Увеличение операций ввода и вывода в расчете на одну секунду.

Самым неопровержимым преимущество жестких дисков 2,5 перед 3,5, при все том же строении сервера, является количество RAID-групп самой подсистемы и их производительность, которые обязательно возрастает по мере подключения большего количества накопителей. В данном случае преимущество на стороне менее габаритных носителей информации и файловых систем. Количество устанавливаемых рассчитывается исходя из высоты сервера, что уже разбиралось немного выше.

Жесткие диски, или, как их еще называют, винчестеры, являются одной из самых главных составляющих компьютерной системы. Об это знают все. Но вот далеко не каждый современный пользователь даже в принципе догадывается о том, как функционирует жесткий диск. Принцип работы, в общем-то, для базового понимания достаточно несложен, однако тут есть свои нюансы, о которых далее и пойдет речь.

Вопросы предназначения и классификации жестких дисков?

Вопрос предназначения, конечно, риторический. Любой пользователь, пусть даже самого начального уровня, сразу же ответит, что винчестер (он же жесткий диск, он же Hard Drive или HDD) сразу же ответит, что он служит для хранения информации.

В общем и целом верно. Не стоит забывать, что на жестком диске, кроме операционной системы и пользовательских файлов, имеются созданные ОС загрузочные секторы, благодаря которым она и стартует, а также некие метки, по которым на диске можно быстро найти нужную информацию.

Современные модели достаточно разнообразны: обычные HDD, внешние жесткие диски, высокоскоростные твердотельные накопители SSD, хотя их именно к жестким дискам относить и не принято. Далее предлагается рассмотреть устройство и принцип работы жесткого диска, если не в полном объеме, то, по крайней мере, в таком, чтобы хватило для понимания основных терминов и процессов.

Обратите внимание, что существует и специальная классификация современных HDD по некоторым основным критериям, среди которых можно выделить следующие:

  • способ хранения информации;
  • тип носителя;
  • способ организации доступа к информации.

Почему жесткий диск называют винчестером?

Сегодня многие пользователи задумываются над тем, почему называют винчестерами, относящимися к стрелковому оружию. Казалось бы, что может быть общего между этими двумя устройствами?

Сам термин появился еще в далеком 1973 году, когда на рынке появился первый в мире HDD, конструкция которого состояла из двух отдельных отсеков в одном герметичном контейнере. Емкость каждого отсека составляла 30 Мб, из-за чего инженеры дали диску кодовое название «30-30», что было в полной мере созвучно с маркой популярного в то время ружья «30-30 Winchester». Правда, в начале 90-х в Америке и Европе это название практически вышло из употребления, однако до сих пор остается популярным на постсоветском пространстве.

Устройство и принцип работы жесткого диска

Но мы отвлеклись. Принцип работы жесткого диска кратко можно описать как процессы считывания или записи информации. Но как это происходит? Для того чтобы понять принцип работы магнитного жесткого диска, в первую очередь необходимо изучить, как он устроен.

Сам жесткий диск представляет собой набор пластин, количество которых может колебаться от четырех до девяти, соединенных между собой валом (осью), называемым шпинделем. Пластины располагаются одна над другой. Чаще всего материалом для их изготовления служат алюминий, латунь, керамика, стекло и т. д. Сами же пластины имеют специальное магнитное покрытие в виде материала, называемого платтером, на основе гамма-феррит-оксида, окиси хрома, феррита бария и т. д. Каждая такая пластина по толщине составляет около 2 мм.

За запись и чтение информации отвечают радиальные головки (по одной на каждую пластину), а в пластинах используются обе поверхности. За которого может составлять от 3600 до 7200 об./мин, и перемещение головок отвечают два электрических двигателя.

При этом основной принцип работы жесткого диска компьютера состоит в том, что информация записывается не куда попало, а в строго определенные локации, называемые секторами, которые расположены на концентрических дорожках или треках. Чтобы не было путаницы, применяются единые правила. Имеется ввиду, что принципы работы накопителей на жестких дисках, с точки зрения их логической структуры, универсальны. Так, например, размер одного сектора, принятый за единый стандарт во всем мире, составляет 512 байт. В свою очередь секторы делятся на кластеры, представляющие собой последовательности рядом находящихся секторов. И особенности принципа работы жесткого диска в этом отношении состоят в том, что обмен информацией как раз и производится целыми кластерами (целым числом цепочек секторов).

Но как же происходит считывание информации? Принципы работы накопителя на жестких магнитных дисках выглядят следующим образом: с помощью специального кронштейна считывающая головка в радиальном (спиралевидном) направлении перемещается на нужную дорожку и при повороте позиционируется над заданным сектором, причем все головки могут перемещаться одновременно, считывая одинаковую информацию не только с разных дорожек, но и с разных дисков (пластин). Все дорожки с одинаковыми порядковыми номерами принято называть цилиндрами.

При этом можно выделить еще один принцип работы жесткого диска: чем ближе считывающая головка к магнитной поверхности (но не касается ее), тем выше плотность записи.

Как осуществляется запись и чтение информации?

Жесткие диски, или винчестеры, потому и были названы магнитными, что в них используются законы физики магнетизма, сформулированные еще Фарадеем и Максвеллом.

Как уже говорилось, на пластины из немагниточувствительного материала наносится магнитное покрытие, толщина которого составляет всего лишь несколько микрометров. В процессе работы возникает магнитное поле, имеющее так называемую доменную структуру.

Магнитный домен представляет собой строго ограниченную границами намагниченную область ферросплава. Далее принцип работы жесткого диска кратко можно описать так: при возникновении воздействия внешнего магнитного поля, собственное поле диска начинает ориентироваться строго вдоль магнитных линий, а при прекращении воздействия на дисках появляются зоны остаточной намагниченности, в которой и сохраняется информация, которая ранее содержалась в основном поле.

За создание внешнего поля при записи отвечает считывающая головка, а при чтении зона остаточной намагниченности, оказавшись напротив головки, создает электродвижущую силу или ЭДС. Далее все просто: изменение ЭДС соответствует единице в двоичном коде, а его отсутствие или прекращение - нулю. Время изменения ЭДС принято называть битовым элементом.

Кроме того, магнитную поверхность чисто из соображений информатики можно ассоциировать, как некую точечную последовательность битов информации. Но, поскольку местоположение таких точек абсолютно точно вычислить невозможно, на диске нужно установить какие-то заранее предусмотренные метки, которые помогли определить нужную локацию. Создание таких меток называется форматированием (грубо говоря, разбивка диска на дорожки и секторы, объединенные в кластеры).

Логическая структура и принцип работы жесткого диска с точки зрения форматирования

Что касается логической организации HDD, здесь на первое место выходит именно форматирование, в котором различают два основных типа: низкоуровневое (физическое) и высокоуровневое (логическое). Без этих этапов ни о каком приведении жесткого диска в рабочее состояние говорить не приходится. О том, как инициализировать новый винчестер, будет сказано отдельно.

Низкоуровневое форматирование предполагает физическое воздействие на поверхность HDD, при котором создаются секторы, расположенные вдоль дорожек. Любопытно, что принцип работы жесткого диска таков, что каждый созданный сектор имеет свой уникальный адрес, включающий в себя номер самого сектора, номер дорожки, на которой он располагается, и номер стороны пластины. Таким образом, при организации прямого доступа та же оперативная память обращается непосредственно по заданному адресу, а не ищет нужную информацию по всей поверхности, за счет чего и достигается быстродействие (хотя это и не самое главное). Обратите внимание, что при выполнении низкоуровневого форматирования стирается абсолютно вся информация, и восстановлению она в большинстве случаев не подлежит.

Другое дело - логическое форматирование (в Windows-системах это быстрое форматирование или Quick format). Кроме того, эти процессы применимы и к созданию логических разделов, представляющих собой некую область основного жесткого диска, работающую по тем же принципам.

Логическое форматирование, прежде всего, затрагивает системную область, которая состоит из загрузочного сектора и таблиц разделов (загрузочная запись Boot record), таблицы размещения файлов (FAT, NTFS и т. д.) и корневого каталога (Root Directory).

Запись информации в секторы производится через кластер несколькими частями, причем в одном кластере не может содержаться два одинаковых объекта (файла). Собственно, создание логического раздела, как бы отделяет его от основного системного раздела, вследствие чего информация, на нем хранимая, при появлении ошибок и сбоев изменению или удалению не подвержена.

Основные характеристики HDD

Думается, в общих чертах принцип работы жесткого диска немного понятен. Теперь перейдем к основным характеристикам, которые и дают полное представление обо всех возможностях (или недостатках) современных винчестеров.

Принцип работы жесткого диска и основные характеристики могут быть совершенно разными. Чтобы понять, о чем идет речь, выделим самые основные параметры, которыми характеризуются все известные на сегодня накопители информации:

  • емкость (объем);
  • быстродействие (скорость доступа к данным, чтение и запись информации);
  • интерфейс (способ подключения, тип контроллера).

Емкость представляет собой общее количество информации, которая может быть записана и сохранена на винчестере. Индустрия по производству HDD развивается так быстро, что сегодня в обиход вошли уже жесткие диски с объемами порядка 2 Тб и выше. И, как считается, это еще не предел.

Интерфейс - самая значимая характеристика. Она определяет, каким именно способом устройство подключается к материнской плате, какой именно контроллер используется, как осуществляется чтение и запись и т. д. Основными и самыми распространенными интерфейсами считаются IDE, SATA и SCSI.

Диски с IDE-интерфейсом отличаются невысокой стоимостью, однако среди главных недостатков можно выделить ограниченное количество одновременно подключаемых устройств (максимум четыре) и невысокую скорость передачи данных (причем даже при условии поддержки прямого доступа к памяти Ultra DMA или протоколов Ultra ATA (Mode 2 и Mode 4). Хотя, как считается, их применение позволяет повысить скорость чтения/записи до уровня 16 Мб/с, но в реальности скорость намного ниже. Кроме того, для использования режима UDMA требуется установка специального драйвера, который, по идее, должен поставляться в комплекте с материнской платой.

Говоря о том, что собой представляет принцип работы жесткого диска и характеристики, нельзя обойти стороной и который является наследником версии IDE ATA. Преимущество данной технологии состоит в том, что скорость чтения/записи можно повысить до 100 Мб/с за счет применения высокоскоростной шины Fireware IEEE-1394.

Наконец, интерфейс SCSI по сравнению с двумя предыдущими является наиболее гибким и самым скоростным (скорость записи/чтения достигает 160 Мб/с и выше). Но и стоят такие винчестеры практически в два раза дороже. Зато количество одновременно подключаемых устройств хранения информации составляет от семи до пятнадцати, подключение можно осуществлять без обесточивания компьютера, а длина кабеля может составлять порядка 15-30 метров. Собственно, этот тип HDD большей частью применяется не в пользовательских ПК, а на серверах.

Быстродействие, характеризующее скорость передачи и пропускную способность ввода/вывода, обычно выражается временем передачи и объемом передаваемых расположенных последовательно данных и выражается в Мб/с.

Некоторые дополнительные параметры

Говоря о том, что представляет собой принцип работы жесткого диска и какие параметры влияют на его функционирование, нельзя обойти стороной и некоторые дополнительные характеристики, от которых может зависеть быстродействие или даже срок эксплуатации устройства.

Здесь на первом месте оказывается скорость вращения, которая напрямую влияет на время поиска и инициализации (распознавания) нужного сектора. Это так называемое скрытое время поиска - интервал, в течение которого необходимый сектор поворачивается к считывающей головке. Сегодня принято несколько стандартов для скорости вращения шпинделя, выраженной в оборотах в минуту со временем задержки в миллисекундах:

  • 3600 - 8,33;
  • 4500 - 6,67;
  • 5400 - 5,56;
  • 7200 - 4,17.

Нетрудно заметить, что чем выше скорость, тем меньшее время затрачивается на поиск секторов, а в физическом плане - на оборот диска до установки для головки нужной точки позиционирования пластины.

Еще один параметр - внутренняя скорость передачи. На внешних дорожках она минимальна, но увеличивается при постепенном переходе на внутренние дорожки. Таким образом, тот же процесс дефрагментации, представляющий собой перемещение часто используемых данных в самые быстрые области диска, - не что иное, как перенос их на внутреннюю дорожку с большей скоростью чтения. Внешняя скорость имеет фиксированные значения и напрямую зависит от используемого интерфейса.

Наконец, один из важных моментов связан с наличием у жесткого диска собственной кэш-памяти или буфера. По сути, принцип работы жесткого диска в плане использования буфера в чем-то похож на оперативную или виртуальную память. Чем больше объем кэш-памяти (128-256 Кб), тем быстрее будет работать жесткий диск.

Главные требования к HDD

Основных требований, которые в большинстве случаев предъявляются жестким дискам, не так уж и много. Главное - длительный срок службы и надежность.

Основным стандартом для большинства HDD считается срок службы порядка 5-7 лет со временем наработки не менее пятисот тысяч часов, но для винчестеров высокого класса этот показатель составляет не менее миллиона часов.

Что касается надежности, за это отвечает функция самотестирования S.M.A.R.T., которая следит за состоянием отдельных элементов жесткого диска, осуществляя постоянный мониторинг. На основе собранных данных может формироваться даже некий прогноз появления возможных неисправностей в дальнейшем.

Само собой разумеется, что и пользователь не должен оставаться в стороне. Так, например, при работе с HDD крайне важно соблюдать оптимальный температурный режим (0 - 50 ± 10 градусов Цельсия), избегать встрясок, ударов и падений винчестера, попадания в него пыли или других мелких частиц и т. д. Кстати сказать, многим будет интересно узнать, что те же частицы табачного дыма примерно в два раза больше расстояния между считывающей головкой и магнитной поверхностью винчестера, а человеческого волоса - в 5-10 раз.

Вопросы инициализации в системе при замене винчестера

Теперь несколько слов о том, какие действия нужно предпринять, если по каким-то причинам пользователь менял жесткий диск или устанавливал дполнительный.

Полностью описывать это процесс не будем, а остановимся только на основных этапах. Сначала винчестер необходимо подключить и посмотреть в настройках BIOS, определилось ли новое оборудование, в разделе администрирования дисков произвести инициализацию и создать загрузочную запись, создать простой том, присвоить ему идентификатор (литеру) и выполнить форматирование с выбором файловой системы. Только после этого новый «винт» будет полностью готов к работе.

Заключение

Вот, собственно, и все, что вкратце касается основ функционирования и характеристик современных винчестеров. Принцип работы внешнего жесткого диска здесь не рассматривался принципиально, поскольку он практически ничем не отличается от того, что используется для стационарных HDD. Единственная разница состоит только в методе подключения дополнительного накопителя к компьютеру или ноутбуку. Наиболее распространенным является соединение через USB-интерфейс, который напрямую соединен с материнской платой. При этом, если хотите обеспечить максимальное быстродействие, лучше использовать стандарт USB 3.0 (порт внутри окрашен в синий цвет), естественно, при условии того, что и сам внешний HDD его поддерживает.

В остальном же, думается, многим хоть немного стало понятно, как функционирует жесткий диск любого типа. Быть может, выше было приведено слишком много тем более даже из школьного курса физики, тем не менее без этого в полной мере понять все основные принципы и методы, заложенные в технологиях производства и применения HDD, понять не получится.