Основные характеристики жесткого диска «Hard Disk Drive».

Под значением «жесткий диск» — принято считать сокращение от «Накопитель на жестких магнитных дисках» (НЖМД). В переводе на английский — «Hard Disk Drive» (HDD или HMDD с спользовнием слова «Magnetic»). Кроме слов «жесткий диск» существуют и другие жаргонные наименования этого устройства: «винчестер» или «винт», «харддиск» или «хард». Название «винчестер», означает, накопитель получил благодаря компании IBM, которая выпустила в 1973 году жесткий диск модели 3340, который впервые в одном неразъемном корпусе объединил пластины диска и головки для считывания. При разработке накопителя инженеры использовали внутреннее обозначение «30-30», которое означало два модуля по 30 MB при максимальной компоновке.




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.

Магнитные домены или битовые ячейки явдяются 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. 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. Для увеличения линейной плотности записи информации необходимо максимально уменьшать длину битовых ячеек и делать переходы между ними максимально резкими. С уменьшением длины у битовой ячейки снижается устойчивость к внешним магнитным полям, в результате чего возникает так называемый супермагнитизм.

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 более привлекательнее. Можно сказать, многомегабайтная отличие на лицо, но преимущество от использования интерфейса с пропускной способностью 300 Мб/с, где типичный 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. 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.

На производительность жёсткого диска влияют несколько параметров: скорость вращения шпинделя, время доступа, плотность записи, интерфейс, формфактор, объём кэш-памяти, диаметр и количество пластин – частично оказывают сильное влияние, некоторые слабое такие как, 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. Одним из важных параметров является время доступа, является временной промежуток, который требуется на ожидание подхода требуемого сектора, когда головки встанут на нужную дорожку. 

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. 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. 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.