В чем измеряется информация на жестком диске

Обновлено: 07.07.2024

Жёсткий диск Western Digital

Немного теории

Жёсткий диск представляет собой сложное устройство для хранения данных, в основу которого положен принцип магнитной записи электрических сигналов.

Винчестеры используют одну или несколько магнитных пластин, на которые нанесены концентрические дорожки. Запись и хранение информации на этих пластинах происходит за счёт преобразования электрических сигналов в определённые изменения магнитного поля с последующим воздействием этим полем на магнитную пластину. Благодаря явлению остаточного магнетизма следы от этих воздействий сохраняются в магнитном материале на длительный срок. Считывание информации, то есть воспроизведение электрических сигналов, происходит точно так же, только в обратном направлении.

Магнитные домены или битовые ячейки представляют собой чередующиеся участки с различным направлением намагниченности. Плотность магнитной пластины определяется размерами ячеек: чем они меньше, тем выше плотность записи информации.

Битовые ячейки формируют секторы, которые впоследствии определяют минимальную логическую единицу хранения данных – кластер. Размер кластера меняется в зависимости от использования файловой системы – NTFS или FAT32. В конечном итоге кластеры образуют те самые пресловутые мегабайты, которые определяют ёмкость жёсткого диска.

Для считывания и записи информации используются так называемые головки, которые собраны на механическом перемещающемся приводе, предназначенном для позиционирования. Количество головок зависит от количества пластин. Для каждой магнитной пластины применяется по две головки – при условии, что используются обе её стороны. Визуально процесс позиционирования головок напоминает виниловый проигрыватель.

Ёмкость жёсткого диска напрямую связана с плотностью и количеством пластин. Всё достаточно просто: чем больше плотность и количество пластин – тем больше объём жёсткого диска. Однако повышать ёмкость исключительно за счёт увеличения количества пластин бессмысленно. Во-первых, корпус обыкновенного 3,5-дюймового винчестера способен уместить максимум 5 пластин и 10 головок. Во-вторых, большое количество пластин и головок увеличивает энергопотребление и тепловыделение, что повышает риск аппаратного сбоя из-за большого числа подвижных элементов.

Таким образом, для развития жёстких дисков производителю очень важно работать над увеличением плотности применяемых пластин. Для увеличения линейной плотности записи информации необходимо максимально уменьшать длину битовых ячеек и делать переходы между ними максимально резкими. На первый взгляд в теории кажется, что всё достаточно просто: уменьшай себе длину битовых ячеек и клепай пластины. Однако на практике всё немного иначе, и с уменьшением длины у битовой ячейки снижается устойчивость к внешним магнитным полям, в результате чего возникает так называемый супермагнитизм. Длина битовой ячейки уменьшается до критической отметки, и размагничивающиеся поля становятся настолько большими, что ячейка саморазмагничивается и исчезает. Говоря простым языком, происходит самопроизвольное стирание данных.

Основные игроки рынка винчестеров смогли решить эту проблему. Благодаря технологии перпендикулярной магнитной записи PMR (Perpendicular Magnetic Recording) производителям жёстких дисков удалось получить плотность в 200 Гбайт для одной пластины. Перпендикулярное расположение магнитных доменов позволило достигнуть высокой плотности без проявления суперпарамагнитного эффекта.

Формфактор, интерфейс и кэш-память жёстких дисков

Винчестеры получили очень широкое применение в различных устройствах: персональные компьютеры, ноутбуки, КПК, MP3-плееры и пр. Одним из основополагающих моментов типа жёсткого диска является его формфактор, который, в свою очередь, определяется диаметром пластин. Обычные десктопные жёсткие диски используют 3,5-дюймовые пластины и предназначены для установки в соответствующие отсеки корпусов настольных ПК.

Магнитные пластины диаметром 2,5 дюйма используются в мобильных жёстких дисках, которые широко применяются в ноутбуках и внешних портативных накопителях.

Есть и устройства, использующие пластины диаметром 1,8", 1" и 0,8". Как правило, такие жёсткие диски используются в ультрапортативных ноутбуках, MP3-плеерах и других ультрамобильных девайсах.

Большинство жёстких дисков выпускается для двух интерфейсов – SATA и PATA. Их пропускная способность составляет 300 Мбит/с (Serial ATA II) и 133 Мбит/с соотвественно. На первый взгляд Serial ATA выглядит куда привлекательнее. Как говорится, многомегабайтная разница налицо, однако где преимущество от использования интерфейса с пропускной способностью 300 Мб/с, если стандартный жёсткий диск со скоростью вращения шпинделя 7 200 об./мин. имеет скорость чтения с пластин до 90 Мбит/с. Очередной маркетинг с точки зрения производительности. И всё же Serial ATA имеет конструктивное преимущество в виде тонкого шлейфа, который удобнее прокладывать в корпусе, чтобы он не мешал циркуляции воздушных потоков.

Serial ATA – интерфейс

Объем кэш-памяти большинства современных жёстких дисков составляет 8 и 16 Мбайт, хотя встречаются на рынке и модели с большим объёмом кэша. Для примера можно взять жёсткие диски Hitachi DeskStar 7K1000 HDS721075KLA330 и DeskStar 7K1000 HDS721010KLA330, объём кэша у которых составляет 32 Мбайт. В теории больший объём кэш-памяти – это хорошо, жёсткие диски хранят в кэше входящие команды и алгоритмы для предварительного кэширования данных, да и очередь команд NCQ (Native Command Queuing) тоже требует некоторого количества памяти. Однако на практике оказывается, что жёсткий диск с 16 Мбайт кэш-памяти не имеет какой-либо существенной прибавки в скорости по сравнению с аналогичной моделью, оснащённой 8 Мбайт.

Печатная плата жёсткого диска

Производительность жёстких дисков

На производительность жёсткого диска влияют несколько параметров: скорость вращения шпинделя, время доступа, плотность записи, интерфейс, формфактор, объём кэш-памяти, диаметр и количество пластин – некоторые сильно, некоторые не очень (например, интерфейс).

Скорость вращения шпинделя является одним из ключевых параметров, определяющих быстродействие накопителя на жёстких дисках. Данный параметр измеряется в оборотах в минуту (RPM или RotatePerMinute) и напрямую связан с линейной скоростью головок чтения/записи. Говоря простым языком, чем быстрее крутится шпиндель, тем больше данных могут считать/записать головки на магнитные пластины. Большинство жёстких дисков, рассчитанных на установку в настольные ПК, имеют скорость вращения шпинделя 7200 об./мин., ноутбучные накопители – 5400 об./мин., старые мобильные накопители – 4200 об./мин. Серверные решения имеют более внушительные характеристики – 10000 или 15000 об./мин. У десктопных решений есть приятные исключения в виде жёстких дисков Western Digital Raptor, у которых скорость вращения пластин составляет внушительные 10000 об./мин.

Western Digital Raptor X WD1500AHFD

Другой параметр – время доступа представляет собой временной промежуток, который требуется на ожидание подхода требуемого сектора, когда головки встанут на нужную дорожку. Очевидно, что время доступа напрямую связано со скоростью вращения шпинделя: чем быстрее пластина докрутится до необходимого ожидаемого сектора, тем быстрее головка считает его.

Диаметр пластин также влияет на производительность накопителя на жёстких дисках. Дело в том, что винчестеры с одинаковой скоростью вращения шпинделя имеют и одинаковую угловую скорость. Расстояние, которое за секунду проходят головки на внешних и внутренних дорожках, разное, в последнем случае оно меньше. Соответственно, линейная скорость на внутренних дорожках, которые ближе к центру пластины, гораздо меньше, чем на внешних, расположенных ближе к её краям. Из всех этих фактов несложно вывести логическое заключение, что жёсткие диски с пластинами диаметром 2,5 дюйма не смогут на равных тягаться с 3,5-дюймовыми собратьями.

Количество пластин играет косвенную роль в производительности жёстких дисков. Для того чтобы понять, в чем суть, достаточно представить современную линейку жёстких дисков от какого-либо производителя. Допустим, данная линейка жёстких дисков использует пластины плотностью 200 Гбайт. Производитель не может выпускать жёсткие диски только 200, 400 и 600 Гбайт, потому что рынок диктует другие условия, потребители хотят видеть на прилавках магазинов доступные модели объёмом 250 и 320 Гбайт. Соответственно, такие модели винчестеров используют не полную доступную ёмкость магнитной пластины, а определённую её часть. Как правило, не используется та самая медленная часть внутренних дорожек. Несложно сделать вывод, что у жёстких дисков, использующих «обрезанные» магнитные пластины, минимальные скорости передачи оказываются несколько выше, чем у винчестеров, использующих полную доступную ёмкость.

Производительность обусловлена рядом параметров винчестера, однако если трезво взглянуть на вопрос быстродействия, то на практике в большинстве случаев нереально будет заметить «на глаз» разницу между жёсткими дисками последних поколений со скоростью вращения шпинделя 7200 об./мин. производства Seagate, Hitachi, Samsung или Western Digital. Разница ощутима при использовании двух накопителей на 7200 об./мин. для массового рынка в конфигурации RAID 0 или в случае использования скоростных жёстких дисков – например, того же Western Digital Raptor со скоростью вращения шпинделя 10000 об./мин.

Надёжность жёстких дисков

Жёсткий диск – достаточно сложный элемент компьютера, так как является электронно-механическим изделием и ко всему прочему работает при больших физических нагрузках. Механические элементы не вечны, и стоит чётко понимать, что винчестер рано или поздно выйдет из строя. Поэтому, чтобы не потерять важные данные, мы настоятельно рекомендуем делать резервную копию информации. Если жёсткий диск выйдет из строя, вы сможете купить новый и записать данные из back-up. Всегда стоит помнить один важный момент: с ростом ёмкости жёсткого диска и, соответственно, объёма информации на нём возрастают требования к резервированию данных, back-up попросту становится больше.

Надёжность жёстких дисков измеряется временем наработки на отказ (Mean Time Between Failures). Параметр MTBF для каждой модели винчестера можно найти на сайтах производителей. Как правило, большинство жёстких дисков имеют сопоставимый уровень MTBF, исключение составляют серьёзные Enterprise и серверные решения.

Контролировать состояние жёсткого диска можно при помощи технологии самотестирования, которую разработали производители винчестеров. S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technolodgy) заключается в том, что жёсткий диск самостоятельно мониторит состояние своей работоспособности и заранее предупреждает пользователя о возможных ошибках и серьёзных последствиях.

Для того чтобы правильно выбрать жёсткий диск, нужно определиться, что для вас критично в первую очередь: производительность, ёмкость или и то и другое вместе. Если вы хотите приобрести недорогой и шустрый винчестер, который будет использоваться для Windows, так называемый системный жёсткий диск для операционной системы, тогда стоит присмотреться к моделям небольшой ёмкости, которые обладают приличными скоростными характеристиками. Для примера можно взять 160-гигабайтные модели производства Western Digital и Hitachi, Caviar SE WD1600AAJS и DeskStar 7K160. Последнюю мы уже рассматривали в одном из материалов.

Он магнитный. Он электрический. Он фотонный. Нет, это не новое супергеройское трио из вселенной Marvel. Речь идёт о хранении наших драгоценных цифровых данных. Нам нужно где-то их хранить, надёжно и стабильно, чтобы мы могли иметь к ним доступ и изменять за мгновение ока. Забудьте о Железном человеке и Торе — мы говорим о жёстких дисках!

Итак, давайте погрузимся в изучении анатомии устройств, которые мы сегодня используем для хранения миллиардов битов данных.

You spin me right round, baby

Механический накопитель на жёстких дисках (hard disk drive, HDD) был стандартом систем хранения для компьютеров по всему миру в течение более 30 лет, но лежащие в его основе технологии намного старше.

Первый коммерческий HDD компания IBM выпустила в 1956 году, его ёмкость составляла аж 3,75 МБ. И в целом, за все эти годы общая структура накопителя не сильно изменилась. В нём по-прежнему есть диски, которые используют для хранения данных намагниченность, и есть устройства для чтения/записи этих данных. Изменился же, и очень сильно, объём данных, который можно на них хранить.

В 1987 году можно было купить HDD на 20 МБ примерно за 350 долларов; сегодня за такие же деньги можно купить 14 ТБ: в 700 000 раз больший объём.

Мы рассмотрим устройство не совсем такого размера, но тоже достойное по современным меркам: 3,5-дюймовый HDD Seagate Barracuda 3 TB, в частности, модель ST3000DM001, печально известную своим высоким процентом сбоев и вызванных этим юридических процессов. Изучаемый нами накопитель уже мёртв, поэтому это будет больше похоже на аутопсию, чем на урок анатомии.

Перевернув накопитель, мы видим печатную плату и несколько разъёмов. Разъём в верхней части платы используется для двигателя, вращающего диски, а нижние три (слева направо) — это контакты под перемычки, позволяющие настраивать накопитель под определённые конфигурации, разъём данных SATA (Serial ATA) и разъём питания SATA.

Serial ATA впервые появился в 2000 году. В настольных компьютерах это стандартная система, используемая для подключения приводов к остальной части компьютера. Спецификация формата претерпела множество ревизий, и сейчас мы пользуемся версией 3.4. Наш труп жёсткого диска имеет более старую версию, но различие заключается только в одном контакте в разъёме питания.

В подключениях передачи данных для приёма и получения данных используется дифференцированный сигнал: контакты A+ и A- используются для передачи инструкций и данных в жёсткий диск, а контакты B — для получения этих сигналов. Подобное использование спаренных проводников значительно снижает влияние на сигнал электрического шума, то есть устройство может работать быстрее.

Если говорить о питании, то мы видим, что в разъёме есть по паре контактов каждого напряжения (+3.3, +5 и +12V); однако большинство из них не используется, потому что HDD не требуется много питания. Эта конкретная модель Seagate при активной нагрузке использует менее 10 Вт. Контакты, помеченные как PC, используются для precharge: эта функция позволяет вытаскивать и подключать жёсткий диск, пока компьютер продолжает работать (это называется горячей заменой (hot swapping)).

Контакт с меткой PWDIS позволяет удалённо перезагружать (remote reset) жёсткий диск, но эта функция поддерживается только с версии SATA 3.3, поэтому в моём диске это просто ещё одна линия питания +3.3V. А последний контакт, помеченный как SSU, просто сообщает компьютеру, поддерживает ли жёсткий диск технологию последовательной раскрутки шпинделей staggered spin up.

Перед тем, как компьютер сможет их использовать, диски внутри устройства (которые мы скоро увидим), должны раскрутиться до полной скорости. Но если в машине установлено много жёстких дисков, то внезапный одновременный запрос питания может навредить системе. Постепенная раскрутка шпинделей полностью устраняет возможность таких проблем, но при этом перед получением полного доступа к HDD придётся подождать несколько секунд.

Сняв печатную плату, можно увидеть, как она соединяется с компонентами внутри устройства. HDD не герметичны, за исключением устройств с очень большими ёмкостями — в них вместо воздуха используется гелий, потому что он намного менее плотный и создаёт меньше проблем в накопителях с большим количеством дисков. С другой стороны, не стоит и подвергать обычные накопители открытому воздействию окружающей среды.

Благодаря использованию таких разъёмов минимизируется количество входных точек, через которые внутрь накопителя могут попасть грязь и пыль; в металлическом корпусе есть отверстие (большая белая точка в левом нижнем углу изображения), позволяющее сохранять внутри давление окружающей среды.

Теперь, когда печатная плата снята, давайте посмотрим, что находится внутри. Тут есть четыре основных чипа:

LSI B64002: чип основного контроллера, обрабатывающий инструкции, передающий потоки данных внутрь и наружу, корректирующий ошибки и т.п.
Samsung K4T51163QJ: 64 МБ DDR2 SDRAM с тактовой частотой 800 МГц, используемые для кэширования данных
Smooth MCKXL: управляет двигателем, крутящим диски
Winbond 25Q40BWS05: 500 КБ последовательной флеш-памяти, используемой для хранения встроенного ПО накопителя (немного похожего на BIOS компьютера)

Открыть накопитель просто, достаточно открутить несколько болтов Torx и вуаля! Мы внутри…

Учитывая, что он занимает основную часть устройства, наше внимание сразу привлекает большой металлический круг; несложно понять, почему накопители называются дисковыми. Правильно их называть пластинами; они изготавливаются из стекла или алюминия и покрываются несколькими слоями различных материалов. Этот накопитель на 3 ТБ имеет три пластины, то есть на каждой стороне одной пластины должно храниться 500 ГБ.

Изображение довольно пыльное, такие грязные пластины не соответствуют точности проектирования и производства, необходимого для их изготовления. В нашем примере HDD сам алюминиевый диск имеет толщину 0,04 дюйма (1 мм), но отполирован до такой степени, что средняя высота отклонений на поверхности меньше 0,000001 дюйма (примерно 30 нм).

Базовый слой имеет глубину всего 0,0004 дюйма (10 микронов) и состоит из нескольких слоёв материалов, нанесённых на металл. Нанесение выполняется при помощи химического никелирования с последующим вакуумным напылением, подготавливающих диск для основных магнитных материалов, используемых для хранения цифровых данных.

Этот материал обычно является сложным кобальтовым сплавом и составлен из концентрических кругов, каждый из которых примерно 0,00001 дюйма (примерно 250 нм) в ширину и 0,000001 дюйма (25 нм) в глубину. На микроуровне сплавы металлов образуют зёрна, похожие на мыльные пузыри на поверхности воды.

Каждое зерно обладает собственным магнитным полем, но его можно преобразовать в заданном направлении. Группирование таких полей приводит к возникновению битов данных (0 и 1). Если вы хотите подробнее узнать об этой теме, то прочитайте этот документ Йельского университета. Последними покрытиями становятся слой углерода для защиты, а потом полимер для снижения контактного трения. Вместе их толщина составляет не больше 0,0000005 дюйма (12 нм).

Скоро мы увидим, почему пластины должны изготавливаться с такими строгими допусками, но всё-таки удивительно осознавать, что всего за 15 долларов можно стать гордым владельцем устройства, изготовленного с нанометровой точностью!

Однако давайте снова вернёмся к самому HDD и посмотрим, что же в нём есть ещё.

Жёлтым цветом показана металлическая крышка, надёжно крепящая пластину к электродвигателю привода шпинделя — электроприводу, вращающему диски. В этом HDD они вращаются с частотой 7200 rpm (оборотов/мин), но в других моделях могут работать медленнее. Медленные накопители имеют пониженный шум и энергопотребление, но и меньшую скорость, а более быстрые накопители могут достигать скорости 15 000 rpm.

Чтобы снизить урон, наносимый пылью и влагой воздуха, используется фильтр рециркуляции (зелёный квадрат), собирающий мелкие частицы и удерживающий их внутри. Воздух, перемещаемый вращением пластин, обеспечивает постоянный поток через фильтр. Над дисками и рядом с фильтром есть один из трёх разделителей пластин: помогающих снижать вибрации и поддерживать как можно более равномерный поток воздуха.

В левой верхней части изображения синим квадратом указан один из двух постоянных стержневых магнитов. Они обеспечивают магнитное поле, необходимое для перемещения компонента, указанного красным цветом. Давайте отделим эти детали, чтобы видеть их лучше.

То, что выглядит как белый пластырь — это ещё один фильтр, только он очищает частицы и газы, попадающие снаружи через отверстие, которое мы видели выше. Металлические шипы — это рычаги перемещения головок, на которых находятся головки чтения-записи жёсткого диска. Они с огромной скоростью движутся по поверхности пластин (верхней и нижней).

Посмотрите это видео, созданное The Slow Mo Guys, чтобы увидеть, насколько они быстрые:

В конструкции не используется чего-то вроде шагового электродвигателя; для перемещения рычагов по соленоиду в основании рычагов проводится электрический ток.

Обобщённо их называют звуковыми катушками, потому что они используют тот же принцип, который применяется в динамиках и микрофонах для перемещения мембран. Ток генерирует вокруг них магнитное поле, которое реагирует на поле, созданное стержневыми постоянными магнитами.

Не забывайте, что дорожки данных крошечны, поэтому позиционирование рычагов должно быть чрезвычайно точным, как и всё остальное в накопителе. У некоторых жёстких дисков есть многоступенчатые рычаги, которые вносят небольшие изменения в направление только одной части целого рычага.

В некоторых жёстких дисках дорожки данных накладываются друг на друга. Эта технология называется черепичной магнитной записью (shingled magnetic recording), и её требования к точности и позиционированию (то есть к попаданию постоянно в одну точку) ещё строже.

На самом конце рычагов есть очень чувствительные головки чтения-записи. В нашем HDD содержится 3 пластины и 6 головок, и каждая из них плавает над диском при его вращении. Для этого головки подвешены на сверхтонких полосках металла.

И здесь мы можем увидеть, почему умер наш анатомический образец — по крайней мере одна из головок разболталась, и что бы ни вызвало изначальный повреждение, оно также погнуло один из рычагов. Весь компонент головки настолько мал, что, как видно ниже, очень сложно получить её качественный снимок обычной камерой.

Однако мы можем разобрать отдельные части. Серый блок — это специально изготовленная деталь под названием «слайдер»: когда диск вращается под ним, поток воздуха создаёт подъёмную силу, поднимая головку от поверхности. И когда мы говорим «поднимает», то имеем в виду зазор шириной всего 0,0000002 дюйма или меньше 5 нм.

Чуть дальше, и головки не смогут распознавать изменения магнитных полей дорожки; если бы головки лежали на поверхности, то просто поцарапали бы покрытие. Именно поэтому нужно фильтровать воздух внутри корпуса накопителя: пыль и влага на поверхности диска просто сломают головки.

Крошечный металлический «шест» на конце головки помогает с общей аэродинамикой. Однако чтобы увидеть части, выполняющие чтение и запись, нам нужна фотография получше.

На этом изображении другого жёсткого диска устройства чтения и записи находятся под всеми электрическими соединениями. Запись выполняется системой тонкоплёночной индуктивности (thin film induction, TFI), а чтение — туннельным магнеторезистивным устройством (tunneling magnetoresistive device, TMR).

Создаваемые TMR сигналы очень слабы и перед отправкой должны проходить через усилитель для повышения уровней. Отвечающий за это чип находится рядом с основанием рычагов на изображении ниже.

Как сказано во введении к статье, механические компоненты и принцип работы жёсткого диска почти не изменились за многие годы. Больше всего совершенствовалась технология магнитных дорожек и головок чтения-записи, создавая всё более узкие и плотные дорожки, что в конечном итоге приводило к увеличению объёма хранимой информации.

Однако механические жёсткие диски имеют очевидные ограничения скорости. На перемещение рычагов в нужное положение требуется время, а если данные разбросаны по разным дорожкам на различных пластинах, то на поиски битов накопитель будет тратить довольно много микросекунд.

Прежде чем переходить к другому типу накопителей, давайте укажем ориентировочные показатели скорости типичного HDD. Мы использовали бенчмарк CrystalDiskMark для оценки жёсткого диска WD 3.5" 5400 RPM 2 TB:

В первых двух строчках указано количество МБ в секунду при выполнении последовательных (длинный, непрерывный список) и случайных (переходы по всему накопителю) чтения и записи. В следующей строке показано значение IOPS, то есть количество операций ввода-вывода, выполняемых каждую секунду. В последней строке показана средняя задержка (время в микросекундах) между передачей операции чтения или записи и получением значений данных.

В общем случае мы стремимся к тому, чтобы значения в первых трёх строчках были как можно больше, а в последней строчке — как можно меньше. Не беспокойтесь о самих числах, мы просто используем их для сравнения, когда будем рассматривать другой тип накопителя: твердотельный накопитель.

Под емкостью или объемом любого запоминающего устройства подразумевают, как правило, не его физические габаритные размеры, а то количество информации, которое может сохраняться данным носителем. Для указания ёмкости запоминающего устройства, производители пользуются более правильными величинами, чем принято в информатике.
Известно, что приставка кило означает тысячу. Соответственно, один килобайт, в понятиях производителя запоминающего устройства, означает тысячу байт.

В информатике применяется несколько иная система исчислений и один килобайт подразумевает 1024 байт.
В традиционной системе измерений 1 килобайт = 1000 байт, 1 мегабайт = 1 000 000 байт, 1 гигабайт равен 1 000 000 000 байт. В информатике, где круглым числом принято считать 1024, всё выглядит несколько иначе: 1 килобайт = 1024 байт, 1 мегабайт = 1024 Кбайт, 1 гигабайт = 1024 мегабайт.
По этой причине возникают некоторые несоответствия.

Если вы приобретаете жесткий диск, ёмкость которого, указанная производителем, составляет 250 гигабайт, операционная система определит емкость, лишь в 238 гигабайт. Из-за подобных разночтений иногда возникают конфликты покупателя с продавцом, когда покупатель считает, что его обманули.

Вся информация, которая хранится на жестком диске, физически располагается в секторах, на обеих сторонах магнитных дисков. Сектор это фрагмент дорожки. Сами же дорожки жесткого диска именуются цилиндрами. При первом запуске, любой жесткий диск необходимо отформатировать.

Перед форматированием, полный объем жесткого диска, по желанию пользователя, можно разделить на несколько логических дисков, каждому из которых будет присвоена буква латинского алфавита: C, D, E, F.
При форматировании жесткого диска происходит проверка каждого сектора и ему присваивается так называемый префикс и суффикс. Префикс является заголовком (началом) сектора и позволяет определить его порядковый номер, а суффикс записывается в конце сектора и содержит контрольную сумму, позволяющую определить исправность сектора и целостность сохраненных в нем данных.

При форматировании запоминающего устройства создаются кластеры, которые являются логической минимальной величиной для хранения данных. Самый маленький по объему файл может занимать меньше одного кластера, но под его хранение так же будет использован ровно один кластер.Как правило, объем одного кластера составляет 4096 байт. Если же сохраняемый файл имеет объем всего 300 байт, он также целиком займет один кластер. Свободное место, оставшееся в кластере, не будет использоваться для хранения других файлов.

Теперь рассмотрим принципы сохранения данных на жестком диске. Для начала следует запомнить, что имена файлов хранятся отдельно от самих файлов. В классическом исходном варианте, на заре развития информатики, существовало понятие каталог. С момента появления операционной системы Windows, каталоги стали называть папками. Современному пользователю и в голову не приходит, что в папке хранятся только имена файлов, а не сами файлы.

По своей сути, каталог (папка) это список, в котором содержатся названия файлов. Названия файлов содержат в себе, помимо имени файла и его расширения, точный адрес на жестком диске, где хранится сам файл. При обращении пользователя к файлу, точнее к его имени, процессор считывает техническую скрытую информацию о расположении файла на жестком диске и приступает к его чтению, если не был выбран режим редактирования.

Физически, все имена файлов хранятся в Master File Table (MFT) — защищенный, скрытый системный файл.
Учитывая всё вышеизложенное, становится легко понять, что в случае перемещения файла из папки в папку, в пределах одного логического диска, фактически сам файл остается на месте, только имя файла переписывается из одного каталога в другой. Если же мы переносим файл на другой логический диск, тогда производится запись имени файла в каталог другого диска, а также происходит копирование файла.

Сменив в 80-х годах прошлого века накопители на гибких дисках и совсем уж архаичные перфокарты с перфолентами, HDD ("Hard Disk Drive" – "накопитель на жестком диске") надолго стали основным устройством для хранения программ и данных на большинстве компьютеров. Правда, в последнее время они потихоньку сдают позиции:

SSD намного превосходят HDD по скорости, разница в цене с каждым годом все меньше, так что, пожалуй, еще лет 5-10 и жесткие диски уйдут в историю вслед за гибкими дисками и CD-ROM-ами. Но пока еще этого не произошло и существует, как минимум, два весомых повода предпочесть именно HDD:

- SSD имеет ограниченное число циклов записи – для домашнего компьютера это не так критично, но для многих серверных решений HDD обеспечит большую надежность хранения данных.

Название этот вид накопителей получил благодаря своей конструкции – информация в нем хранится на одном или нескольких жестких дисках с ферромагнитным покрытием. Доступ к данным обеспечивается с помощью магнитных головок, движущихся на небольшом (около 0,1 мк) расстоянии от вращающихся дисков.

HDD выпускаются в двух форм-факторах: 3,5" и 2,5". По сравнению с последним, 3,5" HDD имеют больший максимальный объем и меньшую цену в пересчете на гигабайт объема. Если же низкая цена вам не так важна, как компактность, быстродействие и меньшее энергопотребление, то вам лучше обратить внимание на 2,5" HDD. Существуют жесткие диски других форм-факторов (1,8", например), но они обычно используются в спецтехнике и объем их производства невелик.

Определившись с форм-фактором, не спешите с покупкой – жесткие диски обладают множеством характеристик, определяющих их эффективность в тех или иных условиях использования.

Характеристики жестких дисков

Объем HDD – основной его параметр, оказывающий наибольшее влияние, как на цену устройства, так и на его привлекательность для покупателя. Требования программ к свободному месту на диске постоянно растут, как и объемы видеофайлов и файлов с фотографиями, поэтому желание приобрести накопитель большого объема вполне понятно. С другой стороны, HDD большого объема стоят дороже иного компьютера. Какого же объема диск выбрать?

Как видно из графика, наименьшую цену за гигабайт имеют диски объемом 3-6 ТБ. Прицениваясь к диску объемом 10 ТБ и более, проверьте – не будет ли более выгодной покупка двух дисков меньшего объема? И уж совсем дорогой выходит гигабайт объема при покупке дисков в 1ТБ и менее.

При покупке HDD емкостью более 2 ТБ, убедитесь, что SATA-контроллер материнской платы вашего компьютера поддерживает жесткие диски объемом более 2,2 ТБ, и что у вас установлена операционная система с поддержкой GPT (GUID Partition Table - новый стандарт таблицы разделов жесткого диска, способный адресовать более 2 ТБ). Поддержка GPT реализована в Windows начиная с версии 7, в MAC OS с версии 10.6 и во всех современных дистрибутивах linux. Если какое-то из этих двух условий не выполняется, вы не сможете использовать более 2,2 ТБ вашего нового HDD.

Если же вы хотите, чтобы загрузка также производилась с нового жесткого диска, материнская плата должна иметь UEFI BIOS. Все современные материнские платы поддерживают диски большого размера, затруднения могут возникнуть только с "материнками", выпущенными до 2011 года.

Скорость вращения шпинделя оказывает прямое влияние на скорость чтения и записи данных с жесткого диска. Высокооборотные диски в среднем имеют большую скорость передачи данных, чем низкооборотные, но также они более шумные и потребляют больше энергии.

Однако сравнивать диски разных производителей только по этому параметру не стоит: скорость чтения/записи зависит не только от скорости вращения шпинделя, но и от скорости позиционирования головок, от схемотехники контроллера жесткого диска и т.д. Поэтому, если вам важна скорость доступа к данным, лучше обратить внимание непосредственно на скоростные характеристики.

Максимальная скорость передачи данных представляет собой максимально достижимую на данной модели скорость чтения/записи. Скорость эта достигается только при определенных условиях, в обычной работе такие скорости достигаются только при переписывании нефрагментированных (состоящих из последовательно расположенных на диске блоков) файлов большого объема; обычные скорости будут намного меньше.

Если использование диска предполагает работу с большим количеством мелких файлов, стоит обратить внимание на среднее время доступа и среднее время задержки – чем меньше будут эти параметры, тем быстрее головка диска позиционируется на новый файл и тем быстрее будет работа с мелкими или фрагментированными файлами.

Заполнение диска гелием позволяет уменьшить аэродинамические эффекты, тормозящие вращение дисков и приводящие к вибрации. В результате, гелиевые жесткие диски имеют меньшее энергопотребление и меньшую шумность по сравнению с обычными, заполненными воздухом – это особенно важно для высокооборотных HDD. Также это позволяет уменьшить толщину дисков, что ведет к росту быстродействия и объема (за счет большего количества дисков в HDD).

Однако, такие HDD дороже обычных и очень требовательны к качеству изготовления – при нарушении герметичности гелий быстро «утекает» из корпуса, и не предназначенные для работы в воздушной атмосфере диски быстро приходят в негодность.

Назначение жесткого диска, указанное производителем, может помочь в выборе, но опираться только на него не стоит, поскольку нет четких критериев, по которым можно однозначно определить назначение HDD. Кроме того, иногда указание какого-нибудь назначения является просто маркетинговой уловкой.

Тем не менее, на этот параметр следует обратить внимание, когда режим работы жесткого диска отличается от обычного. Например, если на HDD ведется непрерывная круглосуточная запись (видеосистема) или он работает круглосуточно с сильной загрузкой, постоянно выполняя операции записи и чтения (сервер).

Если диск приобретается для установки в RAID (массив жестких дисков повышенной надежности хранения данных), обратите также внимание на оптимизацию под RAID-массив.

Обычный жесткий диск при попытке чтения со сбойного кластера, повторяет эту попытку несколько раз, пытаясь восстановить данные. HDD типа «RAID Edition» при сбое попытку чтения не повторяет, а сразу сообщает RAID-контроллеру о «сомнительном» кластере – это позволяет избежать падения производительности при появлении сбойных участков на одном из дисков массива.

Поддержка NCQ также может ускорить работу с диском в некоторых случаях – HDD с поддержкой NCQ способен оптимизировать находящуюся в памяти очередь команд к диску. Например, если в очереди находится несколько команд позиционирования/чтения, контроллер жесткого диска упорядочит эту очередь так, чтобы минимизировать перемещение головки.

Объем кэш-памяти. Кэш-память используется для буферизации данных: перед записью на диск данные помещаются в неё, и, если они потребуются компьютеру в ближайшее время, они будут прочитаны не с поверхности диска, а прямо из кэш-памяти, что, разумеется, в разы быстрее. Наличие кэш-памяти значительно ускоряет работу с данными на жестком диске, особенно с часто используемыми - индексами, загрузочными записями, таблицами размещения файлов, и т.д.

Объем кэш-памяти влияет на скорость работы незначительно – минимального для современных жестких дисков объема кэша в 32 МБ вполне достаточно для хранения служебной информации о диске. Впрочем, если использование диска предполагает работу с часто использующимися мелкими файлами (системный диск, диск сервера) то лучше выбрать модель с кэшем побольше – это увеличит вероятность того, что нужный файл окажется в буфере и доступ к нему будет осуществлен в разы быстрее. Если диск используется для хранения файлов большого объема, то размер буфера на производительность особого влияния оказывать не будет.

Гибридный SSHD-накопитель в качестве кэша второго уровня использует твердотельный диск объемом в несколько ГБ. Поскольку скорость чтения данных с SSD намного выше, чем с HDD, это дает прирост производительности, если на диске расположены часто используемые данные. Такие диски можно использовать в качестве системных, на них можно располагать рабочие программы и базы данных – это даст заметный прирост производительности.

Интерфейс. Современные диски для передачи данных используют либо SATA третьего поколения, либо серверный SAS. HDD SATA можно подключать к контроллеру SAS, а наоборот – нет.

Пропускная способность интерфейсов SATA III и SAS различная – первый дает максимум 6 Гбит/с, второй – 12.

На уровень шума во время работы и в простое следует обратить внимание, если диск приобретается для домашнего компьютера или если вы не любите посторонних звуков во время работы. Некоторые диски создают при работе шум уровнем до 36 дБ – это можно сравнить с громкостью спокойного разговора.

То, что жесткие диски «боятся» ударов и вибраций – факт общеизвестный, но несколько преувеличенный – для закрепленных в корпусе компьютера HDD это не настолько важно, как для внешних жестких дисков. Большинство HDD способны без вреда для себя перенести падение на твердую поверхность с высоты 1" (ударостойкость 40G) во время работы и с высоты более метра – в выключенном состоянии. Если же ваш компьютер испытывает в работе более серьезные нагрузки, выбирайте среди моделей с большей ударостойкостью.

Варианты выбора жестких дисков

Если вы хотите приобрести жесткий диск по минимальной цене, имейте в виду, что HDD на 0,5 TБ хоть и стоят дешевле, но при этом гигабайт объема обойдется вам намного дороже, чем на жестком диске большей емкости. Лучше немного доплатить и приобрести диск на 1 ТБ или больше.

Если вы желаете получить максимум объема за минимум денег, выбирайте среди жестких дисков на 3-6 ТБ – в этом диапазоне цена гигабайта объема самая низкая.

Купив HDD большого объема, вы надолго забудете о недостатке места на диске.

Если вы подбираете жесткий диск для сервера или видеосистемы, выбирайте среди моделей с соответствующим назначением.

RAID-массив способен гарантировать сохранение данных даже при полном разрушении одного из входящих в него жестких дисков. Для его создания предназначены HDD с оптимизацией под RAID-массив

Читайте также: