Что такое винчестер или жесткий диск в компьютере

При обсуждении компьютеров не редко используются такие термины как жесткий диск, винчестер или HDD. Эти термины обозначают один из основных компонентов современного компьютера, который используется для хранения всех данных пользователя. В данной статье вы узнаете, что такое жесткий диск, почему его называют винчестером, а также как правильно выбрать этот компонент.

Что такое жесткий диск

Как выглядит жесткий диск без крышки.

Жесткий диск – это устройство для хранения данных, которое работает на основе магнитной записи. В этом устройстве данные записываются на слой ферромагнитного материала, нанесенного на поверхность алюминиевого или стеклянного диска.

В жестком диске используется один или несколько таких дисков, которые зафиксированы на общей оси. В процессе работы устройства эти диски вращаются с большой скоростью (5400 оборотов в минуту или больше), при этом над диском находится магнитная головка, которая считывает и записывает информацию на диск.

Жесткий диск – достаточно чувствительное устройство. В случае возникновения большой перегрузки, например, из-за удара, он может легко выйти из строя. Эта уязвимость особенно актуальна во время работы устройства. Это связано с тем, что при производстве жесткого диска используются минимальные допуски. Например, расстояние между считывающей магнитной головкой и поверхностью диска, который вращается во время работы, составляет всего 10 нанометров.

Сейчас жесткие диски понемногу вытесняются твердотельными накопителями (SSD). В отличие от жестких дисков твердотельные накопители не имеют движущихся частей и благодаря этому значительно надежней, они не так сильно боятся ударов и перегрузок. Кроме этого, твердотельные накопители работают намного быстрее. Это позволяет быстрее включать компьютер и запускать программы.

С другой стороны, стоимость хранения 1 гигабайта данных на SSD-накопителе намного выше. Так, жесткий диск на 1 терабайт сейчас стоит около 50 долларов, в то время как 1 терабайт на SSD стоит не меньше 200 долларов. Поэтому жесткие диски все еще являются основным устройством для долговременного хранения данных, производители настольных компьютеров и ноутбуков продолжают встраивать их в свои устройства.

Но, со временем, стоимость твердотельных накопителей будет снижаться и в какой-то момент они полностью заменят жесткие диски. Сейчас же SSD чаще всего используют в паре с жестким диском. На SSD-накопитель записывают операционную систему и программы, а на жесткий диск пользовательские файлы.

Что такое винчестер

Как выглядит жесткий диск.

У жесткого диска есть несколько альтернативных названий. Например, не редко для его обозначения используется аббревиатура HDD, которая расшифровывается как hard disk drive, что можно перевести как накопитель с жестким диском. Еще одно возможное название – винчестер. Это неофициальное сленговое название, появившееся еще в 70-е годы.

Согласно одной из версий, жесткий диск начали называть винчестером из-за сотрудников компании IBM, которые разрабатывали жесткий диск модели 3340. При создании данного устройства инженеры использовали краткое обозначение «30-30». Данное обозначение указывало на то, что жесткий диск состоял из двух модулей по 30 мегабайт. При этом, оно совпало с названием винтовочного патрона .30-30 Winchester для популярной винтовки Winchester Model 1894. Из-за этого совпадения жесткий диск и начали называть винчестером.

Такое название хорошо прижилось и широко использовалось до конца 90-х годов. Позже, оно начало выходить из употребления. Сейчас в США и Европе жесткий диск больше не называют винчестером, но в странах СНГ это называние все еще используется.

Выбор жесткого диска

Для того чтобы не ошибиться с выбором жесткого диска важно четко понимать, для чего этот диск будет использоваться. Во-первых, нужно определиться с типом жесткого диска. Сейчас существуют внешние и внутренние жесткие диски. Внешние жесткие диски обычно имеют защитный корпус и USB интерфейс, который позволяет подключать этот диск к компьютеру как обычную флешку. Такой тип дисков обычно используют для переноса или резервного копирования данных. Внутренние жесткие диски обычно оснащаются интерфейсом SATA и предназначаются для установки внутрь компьютера.

А во-вторых, нужно выбрать форм-фактор. Современные диски выпускаются в двух вариантах: 2.5 и 3.5 дюйма. 2.5 дюймовые версии устанавливаются в ноутбуки, а 3.5 дюймовые в настольные компьютеры. Внешние жесткие диски также могут быть как на 2.5, так и 3.5 дюйма. Внешние диски на 2.5 дюйма более компактные и не требуют дополнительного питания, в то время как внешние диски на 3.5 дюйма предлагают больший объем за ту же цену.

После того как вы определились с типом и форм-фактором жесткого диска, можно смотреть на объем и другие характеристики. Например, очень важны такие характеристики как скорость вращения шпинделя и объем кэша. Чем они выше, тем быстрее будет работать накопитель. Также важен производитель жестких дисков, сейчас самые качественные модели выпускают компании Western Digital и Seagate.

• Программа для разбивки жесткого диска
• Как узнать температуру жесткого диска
• Как проверить скорость жесткого диска
• Пропадает жесткий диск
• Как подключить второй жесткий диск к компьютеру

Создатель сайта comp-security.net, автор более 2000 статей о ремонте компьютеров, работе с программами, настройке операционных систем.

Задайте вопрос в комментариях под статьей или на странице «Задать вопрос» и вы обязательно получите ответ.

Жёсткий диск

Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках или НЖМД (англ.  hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD ), жёсткий диск, в компьютерном сленге «винче́стер» — запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома — магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм [1] ), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Также, в отличие от гибкого диска, носитель информации обычно совмещают с накопителем, приводом и блоком электроники. Такие жёсткие диски часто используются в качестве несъёмного носителя информации.

Содержание

Название «Винчестер»

По одной из версий [2] [3] , название «винчестер» (англ.  Winchester ) накопитель получил благодаря работавшему в фирме IBM Кеннету Хотону (англ.  Kenneth E. Haughton ), руководителю проекта, в результате которого в 1973 году был выпущен жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 мегабайт каждый, что по созвучию совпало с обозначением популярного охотничьего оружия — винтовки Winchester Model 1894, использующего винтовочный патрон .30-30 Winchester. Также существует версия [4] , что название произошло исключительно из-за названия патрона, также выпускавшегося Winchester Repeating Arms Company, первого созданного в США боеприпаса для гражданского оружия «малого» калибра на бездымном порохе, который превосходил патроны старых поколений по всем показателям и немедленно завоевал широчайшую популярность.

В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус, а в компьютерном сленге сократилось до слова «винт» (наиболее используемый вариант).

Характеристики

Интерфейс (англ.  interface ) — техническое средство взаимодействия 2-х разнородных устройств, что в случае с жёсткими дисками является совокупностью линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии (контроллеры интерфейсов), и правил (протокола) обмена. Современные серийно выпускаемые внутренние жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, eSATA, SCSI, SAS, FireWire, SDIO и Fibre Channel.

Ёмкость (англ.  capacity ) — количество данных, которые могут храниться накопителем. С момента создания первых жёстких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная ёмкость непрерывно увеличивается. Ёмкость современных жёстких дисков (с форм-фактором 3,5 дюйма) на сентябрь 2011 года достигает 4000 Гб (4 терабайт) и близится к 5 Тб. [5] В отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину (см.: двоичные приставки), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 ГиБ. [6] [7]

Физический размер (форм-фактор; англ.  dimension ) — почти все накопители 2001—2008 годов для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма — под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках. Также получили распространение форматы 1,8, 1,3, 1 и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.

Время произвольного доступа (англ.  random access time ) — среднее время, за которое винчестер выполняет операцию позиционирования головки чтения/записи на произвольный участок магнитного диска. Диапазон этого параметра — от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают диски для серверов (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — это 3,7 мс [8] ), самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5 мс [9] ). Для сравнения, у SSD-накопителей этот параметр меньше 1 мс.

Скорость вращения шпинделя (англ.  spindle speed ) — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 5900, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции). Увеличению скорости вращения шпинделя в винчестерах для ноутбуков препятствует гироскопический эффект, влияние которого пренебрежимо мало в неподвижных компьютерах.

Надёжность (англ.  reliability ) — определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF). Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T.

Количество операций ввода-вывода в секунду (англ.  IOPS ) — у современных дисков это около 50 оп./с при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств.

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

Скорость передачи данных (англ.  Transfer Rate ) при последовательном доступе:

• внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;
• внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.

Объём буфера — буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных дисках он обычно варьируется от 8 до 64 Мб.

Жесткие диски: то, о чем вы даже не подозревали

Жесткий диск — один из самых удивительных компонентов современного компьютера. Только представьте себе, что мы все еще храним данные с помощью магнитно-механической технологии, которая существует с 50-х годов ХХ века и успела повидать ламповую электронику и грампластинки. Представьте, что мы живем в альтернативной Вселенной, где жесткий диск никогда не был изобретен и все данные записываются на Flash-память или другие твердотельные носители. Тогда что вы скажете на предложение сохранять информацию в виде намагниченных участков на вращающемся диске, где записывающая головка сможет точно позиционироваться на дорожках, расстояние между которыми сопоставимо по размеру с транзисторами, создаваемыми в интегральных схемах с помощью фотолитографии? Это невозможно, слишком сложно, ненадежно и недолговечно? Нет, это реальность, которую мы принимаем как нечто само собой разумеющееся. Пример технологии, доведенной до изначально непредсказуемого, даже абсурдного уровня.

Хотя в основе технологии HDD лежат простые принципы, для того чтобы она достигла таких высот, потребовались десятки лет разработки и научных исследований, огромное количество сложных, нетривиальных, подчас остроумных и невероятных решений, о которых немного известно за пределами круга людей, по профессии связанных с производством жестких дисков. Мы побеседовали именно с таким человеком — ему можно задать все вопросы, приходящие в голову по поводу технологий жестких дисков, которые применяются сейчас и будут внедряться в будущем. Знакомьтесь: Алекс Блеквелл (Alex Blackwell), главный инженер компании Western Digital в регионе EMEA.

Блеквелл часто общается с компьютерной прессой, но это явно не тот случай, к которому подошло бы казенное «по долгу службы часто приходится общаться». Чувствуется, что ему действительно нравится рассказывать людям о технологиях. Алекс говорит так увлеченно и ярко, что двухчасовое интервью с ним пролетело на одном дыхании. Это, в общем-то, и было мало похоже на интервью. У Алекса не пришлось ничего «выспрашивать», и на один вопрос он выдавал гораздо больше интереснейшей информации, чем мы изначально рассчитывали получить. Получилась фактически полноформатная лекция об интересных и неочевидных фактах, касающихся жестких дисков.

Составляя список вопросов, мы постарались сократить банальности из разряда «как у WD дела сейчас и каковы планы на будущее?» и узнать больше о жестких дисках в целом, не боясь в чем-то показаться наивными и невежественными. Алекс с удовольствием позволяет собеседнику быть жадным до знаний «почемучкой».

А еще у Блэквелла очень яркая речь, насыщенная метафорами и юмором. Попытаемся передать это в тексте, сделав его максимально близким к «непричесанной» стенограмме. Тем не менее, поскольку разговор постоянно крутился вокруг одних и тех же вопросов, мы именно так его и скомпонуем — в виде конспекта нескольких главных тем. Никакого единого сюжета, просто сборник увлекательных историй про жесткие диски. Вся речь идет от лица Алекса Блеквелла, вопросы и комментарии автора — курсивом.

⇡#О парковке головок и встроенном электрогенераторе

3DNews : Мы не так давно узнали, что жесткий диск использует электрический генератор, чтобы можно было завершить запись сектора в случае аварийного отключения. Можно рассказать об этом поподробнее?

Алекс Блеквелл: Когда внезапно пропадает электропитание, первое и самое важное для безопасности привода — запарковать головки. Потому что если они приземлятся на магнитный носитель, то они просто прилипнут, и больше не смогут подняться (в работе головка фактически летит над поверхностью за счет потока воздуха. — прим. автора). Это конец. Настолько гладкие у них поверхности. Представьте себе два абсолютно гладких листа стекла, прижатые друг к другу. Сколько силы нужно, чтобы разорвать их! Если вы включите привод после того как головки прилипли к диску, то вращение шпинделя просто оторвет кончик актуатора. Поэтому для парковки мы поднимаем головки и относим их на отдельную пластиковую площадку. Вернее, опускаем актуатор, а сами головки на кончике висят в воздухе.

Кончик актуатора «упал» на пластину (фото c Wikimedia Commons)

На парковку головок при обрыве питания у нас всегда есть немного свободного времени. Эта операция осуществляется с помощью электрического генератора. Но генератора как отдельного устройства в жестком диске нет. Двигатель просто используется в «реверсе», что можно сделать с любым электрическим мотором.

Так обстоят дела в течение последних 15–20 лет. Диски более старых типов парковали головки прямо на поверхность диска, у внутреннего края. Там был магнитный замок, который удерживал актуатор на месте. Если вы помните, то, выключая такой старый привод, вы слышали щелчок. Это актуатор приближался к магниту и защелкивался там. Для Western Digital производство таких дисков закончилось в 2005–2006-м, может, даже в 2007 году.

Парковать головки прямо на диске можно было потому, что изначально поверхность была не столь гладкой и головки были крупнее. Вообще, тогда все было проще. Потом поверхность потребовалось сделать очень гладкой, чтобы головка летала очень близко (сейчас зазор между головкой и поверхностью диска составляет единицы нанометров. — прим. автора). И однажды она стала слишком гладкой, чтобы можно было взлететь с нее после парковки. Тогда мы начали использовать лазер, чтобы создать текстуру на поверхности диска в парковочной зоне. Теперь, с 2007 года, парковочная зона находится вне поверхности диска, на пластиковой площадке. То есть принцип парковки головок пережил всего три этапа развития, но, несмотря на это, в данной области задействовано очень много тонких технологий.

Однако вернемся к ситуации обрыва питания. Помимо того, чтобы запарковать головки, вторая задача — спасти настолько много пользовательских данных, насколько возможно. Нужно передать на носитель фрагмент информации, который записывается в данный момент, завершить запись текущего сектора. Для этого мы просто используем остаточное вращение носителя.

⇡#Некоторые впечатляющие цифры и двухступенчатый актуатор

Первый жесткий диск появился в 1956 году. Вспомните другие технологии из 1950-х. Например, радиолампы. С тех пор у нас появились транзисторы, затем первые интегральные схемы, а затем — LSI (Large Scale Integration, микросхемы с сотнями тысяч транзисторов). Или возьмем аудиозапись. Большую часть времени мы использовали пластинки со скоростью вращения 78 об/мин. Сначала с пластиковыми иглами, потом с алмазными, потом появилась магнитная лента, CD, MP3. Некоторые технологии просто прыгнули вперед, но дисковые приводы все еще работают так же, как встарь. Есть вращающийся диск и актуатор, движущийся вдоль него, магнитная поверхность с индуктивным принципом записи и чтения. Разве что автомобили остались такими же, как в то время.

Но представьте себе первый жесткий диск от IBM. Допустим, размер одного бита на этом диске 50-х годов сопоставим со стадионом «Спартак». Насколько же тогда велик бит на современном диске? Размером с этот стол? Размером с эту комнату? Размером с мой большой палец? Правильно, именно палец! Площади, занимаемые одним битом сейчас и тогда, соотносятся в масштабе 10 8 . То есть 10 4 в каждом направлении.

IBM 350 (1956 г.) — самый первый жесткий диск. Предназначался для компьютера IBM 305 RAMAC (фото с Wikimedia Commons)

Геометрия жесткого диска постоянно сжимается. Сейчас дорожки на носителе находятся на расстоянии 50–60 нм друг от друга. А теперь вспомните микропроцессоры Intel, которые для производства по норме 28 нм используют фотолитографию, фабрики с гигантским оборудованием. А у нас в то же время есть вращающийся диск, и мы можем позиционировать головку в центре одной из дорожек, которые разделяют всего 60 нм, с точностью около 10 нм. Это настоящий хай-тек.

Вы знаете, что такое двухступенчатый актуатор (Dual Stage Actuator)? Представьте, что моя рука — это акутатор с головками на конце. Вот поворотная точка в плечевом суставе. И если вам требуется улучшить позиционирование руки, то можно обратить внимание на сустав пальца. На двухступенчатом актуаторе есть своего рода дополнительный маленький актуатор, который может перемещаться всего на несколько дорожек влево и вправо. За счет этого мы можем повысить точность позиционирования. Мы используем эту технологию уже около двух лет в корпоративных продуктах (серия RE3), а в 2012 году внедрили в некоторых потребительских моделях. В терабайтном диске серии Green, нескольких Blue, всей линейке Red, а теперь и в Black.

Схема двухступенчатого актуатора (из патента United States Patent 6624983)

⇡#WD Black и терабайтные пластины

3DNews : Расскажите, почему диски серии WD Black показывают такую впечатляющую производительность, в особенности — в тестах произвольного доступа?

Алекс Блеквелл: Одна из основ высокой производительности — скорость вращения шпинделя. Вторая основа — быстрый актуатор, за счет которого уменьшается время поиска дорожки. В дисках серии WD Black и RE в двигателе актуатора используются два больших магнита. Более сильный магнит позволяет быстрее двигать головки. В других сериях, Blue и Green, устанавливают более компактный одинарный магнит, поэтому Black опережает Blue по скорости произвольного доступа, хотя последние тоже работают на 7200 об/мин.

3DNews : А когда же появятся диски WD Black с пластинами объемом 1 Тбайт?

Алекс Блеквелл: Это вопрос приоритетов. Нет технологической причины, по которой мы не можем этого сделать. Терабайтные пластины уже применяются в «зеленой» серии при объеме 1–3 Тбайт, в «синей». Понимаете, когда ты проектируешь жесткий диск и хочешь продать его с прибылью, то нужно сочетать много параметров: производительность, объем, выход годных компонентов при производстве и множество других. Важно сочетание факторов, а не просто обладание определенной технологией. Я полагаю, что для WD Black терабайтные пластины просто еще не пришли в зону оптимального сочетания характеристик.

WD Black (слева) и WD Blue (справа) — оцените разницу в размере магнитов

⇡#Как устроены головки

3DNews: Что собой представляют головки типа GPP / GMR (Perpendicular to Plane / Giant Magnetoresistance), которые сегодня используются в жестких дисках? Как они работают?

Алекс Блеквелл: Оригинальный жесткий диск IBM и все последующие диски вплоть до 1996–1997 годов имели единые головки чтения/записи. Такая головка представляет собой разорванное кольцо с проволокой, накрученной сверху. Когда на проволоку подается ток, возникает магнитное поле, которое «вытекает» через разрыв в кольце. Если поднести разрыв к чему-то, что может быть намагничено, оно намагничивается. Что и происходит с поверхностью пластины в жестком диске: возникают участки, имеющие магнитные полюса — северный и южный. В то же время, если не подавать на головку напряжение, а просто провести вдоль намагниченного участка, в ней возникает ток.

Актуатор и его кончик под микроскопом (за фото спасибо Andrew Hazelden, www.andrewhazelden.com)

Со временем стало очевидно, что единое устройство представляет собой компромисс. Что хорошо для записи, может быть неоптимальным для чтения. Тогда нашла применение идея магниторезистивности. В качестве считывающей головки стали использовать резистор, который меняет сопротивление в присутствии магнитного поля. А в качестве записывающей головки — отдельную индуктивную часть. И больше никакого компромисса. Позже появилось второе поколение этой технологии — GMR (Giant Magnetoresistance), где Giant указывает на величину напряжения, которое позволяет развить резистивный элемент. Он просто стал более чувствительным. А на будущее после GMR у нас есть вот какая штука: TuMR — Tunneling Magnetoresistance, которая еще больше повысит эффективность головки.

Теперь о записи. Катушка с разрывом в середине, о которой я говорил изначально, используется для так называемой продольной магнитной записи. Намагниченные участки на пластине образуются в продольной ориентации. Подобно тому, как машины паркуются на улице.

Продольная и перпендикулярная запись

Но теперь мы берем и устанавливаем эти магнитики вертикально. Получается перпендикулярная запись. Не зная технологии, трудно себе представить, как это делается. На самом деле, нужно добавить к магнитной пластине еще один слой, который как бы отражает один из полюсов катушки и создает слабый магнитный эффект, распределенный по большой площади. Вот как работает перпендикулярная запись. Для машин также было бы лучше, чтобы они парковались вертикально, особенно в Москве. Главное — не забыть убрать кофе из подстаканника.

⇡#Технологии будущего: Shingled Recording, Heat-Assisted Recording, Bit-Patterned Media

3DNews : В новостях уже мелькают технологии под названиями Shingled Recording, Heat-Assisted Recording, Bit-Patterned Media, которые позволят плотности записи на HDD расти в будущем. В чем их сущность и как скоро можно ожидать появления коммерческих продуктов, в которых они будут внедрены?

Алекс Блеквелл: Shingled Recording — это такая странная технология, которая заимствует кое-что у SSD. Идея в том, чтобы, как и сейчас, записывать данные последовательно на магнитную пластину, только вместо одной дорожки здесь и одной там с промежутком между ними мы будем накладывать дорожки одна на другую. Но нам придется быть очень осторожными в том, как применять эту технологию. Потому что Shingled Recording повлияет на то, как хост-контроллер будет использовать привод. И в конце концов она может оказаться всего лишь нишевым решением для конкретного рынка, который будет в ней заинтересован.

Прим. автора: коль скоро дорожки накладываются друг на друга, при необходимости записать фрагмент данных на одной дорожке придется сначала прочитать и сохранить все данные из пересекающихся дорожек, а затем записать все это обратно на диск. Другой вариант — стараться производить запись на свободные участки, что приведет к сильной фрагментации файлов. Все это действительно очень похоже на то, как работает SSD с NAND-памятью, которая также позволяет освобождать ячейки для перезаписи только в виде крупных блоков (скажем, по 128 Кбайт). Поскольку у жестких дисков и так плохи дела с произвольным доступом, то похоже, что дискам с Shingled Recording уготована судьба хранилищ больших объемов данных с преимущественно последовательной записью.

Cледующая технология — Heat-Assisted Recording. Возьмем кусок масла. Вы достаете его из холодильника и кладете на стол в теплый день. Тогда оно становится очень мягким, и в нем можно проделать дырку пальцем. Но чтобы сделать дырку в куске сразу из холодильника, нужно что-то очень острое. Точно так же удобно представить свойство магнитного носителя — coercivity.

Коэрцитивная сила — такое размагничивающее внешнее магнитное поле напряженностью H, которое необходимо приложить к ферромагнетику, предварительно намагниченному до насыщения, чтобы довести до нуля его намагниченность I или индукцию магнитного поля B внутри (Wikipedia).

Для диска с малой плотностью записи подходит мягкое масло (низкое coercivity) и толстый палец (большое расстояние между головкой и носителем). Для диска с большой плотностью записи, чтобы удерживать намагниченные участки, нужно твердое масло (высокое coercivity), а чтобы производить запись — очень, очень острый «палец»: большая напряженность магнитного поля и меньший зазор между записывающей головкой и носителем.

Возьмем жесткий диск IBM из 1950-х. Можно было разглядеть провода, накрученные на головке, и расстояние до носителя. Теперь головки изготавливаются как интегральные схемы, из тонкопленочных материалов. Но я, вероятно, буду вынужден вас убить, если расскажу о головках слишком много. Головки — это технология, которая держит нас в бизнесе.

Итак, мы можем развить только ограниченную напряженность магнитного поля. И приблизить головку к носителю тоже уже не можем. Но мы можем сделать намагниченный носитель «тверже». Нам нужен небольшой лазер, чтобы сделать масло мягким, проделать в нем дырку и положить обратно в холодильник. Вы можете ожидать, что эта технология станет коммерчески доступной в течение двух-трех лет. Но сначала — Shingled Recording, которая может как сочетаться с Heat-Assisted Recording, так и применяться отдельно.

Heat-Assisted Magnetic Recording (HAMR)

Другая технология, которая значится в нашем технологическом roadmap’е после HAMR, — это Bit-Patterned Media. HAMR, как и сейчас, все еще подразумевает использование непрерывного носителя, хотя и из экзотических материалов. А Bit-Patterned Media означает запись индивидуальных битов данных, окруженных пустотой. Тогда намагниченные участки смогут располагаться очень близко друг к другу, не вызывая интерференции. Проблема в том, чтобы создать структуры такого размера. Существующая литография не дает нам даже той плотности записи, которую мы имеем с непрерывным носителем. Должны произойти большие улучшения в литографии, чтобы за счет Bit-Patterned Media произошло увеличение плотности записи.

⇡#«Нативная» поддержка секторов 4 Кбайт

3DNews : Ну когда уже?

Алекс Блеквелл: Мы хотели бы увидеть «нативную» поддержку секторов 4 Кбайт. Они уже дали нам преимущество на уровне самого накопителя: форматирование стало на 10% эффективнее, коррекция ошибок — проще. Но только представьте, столько денег уже вложено в инфраструктуру, построенную вокруг секторов 512 бит…

Я бы показал вам диск WD с «нативной» поддержкой секторов 4 Кбайт прямо сейчас (нужно только сначала заказать из США). А как только рынок будет к этому готов, мы тут же можем начать их продавать. Достаточно одного-двух месяцев на подготовку.

⇡#Жесткие диски с гелием. До семи пластин в корпусе

3DNews : HGST не так давно продемонстрировала жесткий диск, вместо воздуха заполненный гелием. Будут ли за счет этого действительно коммерчески производиться жесткие диски с семью магнитными пластинами?

Алекс Блеквелл: Гелий хорош тем, что он менее плотный по сравнению с воздухом. Из-за меньшей плотности можно сделать магнитные пластины тоньше и легче, можно поместить больше пластин в корпус, вплоть до семи. Подумайте о компаниях, которые хотят получить максимальную плотность данных на квадратный метр. Вот им понравятся такие диски.

3DNews : А нельзя ли было с таким же успехом просто разрядить воздух внутри корпуса?

Алекс Блеквелл: Мы все используем аэродинамическую технику, чтобы контролировать расстояние от головки до поверхности носителя. И я не знаю, какова будет физика при использовании разряженного воздуха. Я также думал об использовании водорода вместо гелия. И об этом я также не могу ничего сказать. Водород легче получить, чем гелий, — путем электролиза воды. А вот ресурс гелия ограничен, и, чтобы получить больше, нам нужен токамак — установка для термоядерного синтеза. Хотя если гелия хватает для наполнения шариков, то, предполагаю, будет достаточно и для жестких дисков.

На самом деле, мы сейчас уже используем гелий в процессе производства. Привод заполняется гелием на стадии, которая требует большой точности позиционирования головок. Сложность при внедрении гелия в коммерческих продуктах состоит в том, чтобы удержать его внутри по меньшей мере в течение гарантийного срока. Молекула газа очень маленькая, поэтому легко выходит через мельчайшие поры. Я не знаю подробностей о том, как это сделала HGST, но если вы посмотрите на конструкцию жесткого диска, то увидите элементы, на которые для этого нужно обратить особое внимание.

Первая вещь — нужно заблокировать воздушный фильтр. Привод превратится в сосуд под давлением. Вторая — нужно убедиться, что прокладка между крышкой и корпусом не является пористой для гелия. Это задача по части материалов.

3DNews : Появятся ли когда-нибудь диски с гелием под брендом WD?

Алекс Блеквелл: Я никогда не говорю «никогда». Мы уже используем гелий в производстве и знаем, какие технологии для этого нужны. Кроме того, преимущество в нашей индустрии часто измеряется в месяцах, а не в годах.

⇡#Про надежность, долговечность и статистику

3DNews : Каков расчетный срок жизни отдельно взятого привода? Возьмем жесткий диск с MTBF (mean time between failures, «среднее время наработки на отказ») на уровне 1 млн часов. В пересчете на годы это даст совершенно нереальный срок жизни в 114 лет. Похоже, что так просто MTBF в срок жизни не переводится…

Алекс Блеквелл: На самом деле MTBF не является утверждением о долговечности отдельно взятого диска. Это статистическое утверждение о популяции дисков. Миллион часов MTBF говорит мне, что я, будучи менеджером дата-центра с сотней тысяч дисков, могу ожидать, что один из них будет отказывать каждые 10 часов. Что даст мне возможность понять, сколько запасных приводов нужно иметь на руках.

MTBF вычисляется с помощью такого теста. Если вам нужно получить MTBF 2 млн часов, вы должны сгенерировать больше 2 млн часов работы. Наполняете стойки тысячей дисков и гоняете в течение тысячи часов (шесть недель). Так и получается миллион часов. А еще мы можем повысить температуру тестового стенда, ускоряя в четыре раза амортизацию дисков. Вот уже 4 млн часов работы. Если за это время два диска отказали, то и получается MTBF 2 млн часов. На самом деле мы начали удалять MTBF из наших документов на устройства, ибо люди зачастую неправильно понимают, что означают эти числа.

И все же, какова сервисная жизнь отдельно взятого диска? По консервативной оценке, она составляет не меньше 5 лет. Вы сами вряд ли знаете кого-то, кто использовал бы компьютер старше этого срока. Проживет ли диск дольше — зависит эксплуатации. Это как машина. Если каждый день ездишь по сотне километров, то она износится быстрее, чем машина, которая выходит из гаража только в выходные.

Более точную оценку продолжительности жизни дать трудно, так как сейчас в ходу мало дисков десятилетнего возраста. Диск такой давности имеет объем всего 10-40 Гбайт, большинство из них находятся в снятых с гарантии и более неиспользуемых компьютерах. Нет данных. Все, что у нас есть на этот счет, — это частные, иногда анекдотические свидетельства. Например, один из моих клиентов недавно списал массив дисков WD, которые были куплены пять лет назад, и все до единого еще работали. А это был дата-центр с режимом работы 24/7.

Корпоративные жесткие диски изначально проектируются с упором на надежность. Это и подбор компонентов, и конструкция. Например, в дисках форм-фактора 2,5 дюйма на 15 000 об/мин используются пластины емкостью 300 Гбайт. В то время как высшая на сегодня емкость пластины этого размера — 500 Гбайт. Надежность — серьезная дисциплина. У нас в Western Digital этим занимаются множество людей со степенью PhD.

Важный фактор, который вносит вклад в надежность жесткого диска, — это температура. Чем она выше, тем чаще они ломаются. Температура — это все. У нас есть модель связи количества отказов и так называемой эффективной активационной энергии, в которую вносит свой вклад и температура. Похожие модели есть и у Seagate, HGST, Toshiba. Они очень точные, все это легко измерить и проверить. Для владельцев дата-центров мой совет: держите жесткие диски в диапазоне 40–50 °C.

⇡#Балансировка магнитных пластин

3DNews : Одна из технологий, которые отличают недавно вышедшие диски серии WD Red, как и корпоративные винчестеры WD, — 3D Active Balance Plus. Что это значит?

Алекс Блеквелл: Как на колесо машины, на блок магнитных пластин на шпинделе действуют дисбалансирующие силы в двух направлениях: одна трясет (вектор в плоскости пластин), другая качает (вектор перпендикулярный). Чтобы компенсировать силу типа «трясет», мы помещаем кусочек проволоки в виде круга с разрывом в узел мотора. Чтобы справиться с той, которая «качает», мы помещаем «пробку» в одно из отверстий на шпинделе. Такой мелкий цветной кусочек пластика.

О судьбе бывшей Hitachi GST

3DNews : Несколько месяцев назад Western Digital приобрела HGST (ранее — Hitachi GST). Что WD собирается делать с этими активами? Продолжатся ли продажи устройств HGST под отдельной маркой? И наконец, что для WD более ценно в это сделке: производственные мощности HGST или ее интеллектуальная собственность?

Алекс Блеквелл: Ответ на вопрос, что мы будем делать с Hitachi: мы не будем делать с ней ничего. Таково правило, которое для нас установило китайское министерство торговли. Мы должны сохранить две полностью независимые конкурирующие компании в течение, по меньшей мере, двух лет. Есть главная компания WD Corporation и есть две полностью независимые дочерние компании — WD и HGST. Нам в WD не позволено говорить с HGST ни о технологиях, ни о ценах, ни о чем вообще! Если бы вы работали в Hitachi, мне сейчас пришлось бы встать и уйти.

Когда два года пройдут, можно задуматься о нескольких сценариях дальнейших событий. Может оказаться, что две компании, работающие в конкуренции, — это хороший вариант. Можно объединить их, использовать лучшее от одной и лучшее от другой. Но я инженер и не участвую в принятии решений, которыми занимается топ-менеджмент. Я могу только спекулировать на эту тему.

⇡#Об R&D и конкурентном преимуществе

3DNews : Насколько важно иметь преимущество в R&D, чтобы успешно конкурировать на рынке жестких дисков? Или, может быть, жесткие диски от разных компаний в целом одинаковы и невозможно сделать нечто инновационное, чтобы этого одновременно не сделал конкурент?

Алекс Блеквелл: Это интересный вопрос. Вот, скажем, Microsoft и ее конкуренты. Вы не можете взять одну ОС и напрямую заменить ее другой. Или Intel, AMD и ARM: и их продукция тоже не является прямой заменой друг другу. С HDD все по-другому, потому что у нас есть база стандартов, которую устанавливает ATA Committee, чтобы диски были взаимозаменяемы. И это порождает острую конкуренцию. Вы правы, диски на 95% одинаковы и только на 5% различаются. И, может, даже 5% — это слишком большая оценка. Может, это всего 2%.

Но я должен сказать, что это прекрасно — быть в конкурентном бизнесе, потому что конкуренция держит тебя в форме, заставляет развивать продукты для потребителя. Мы продолжаем гонку для достижения новой удельной плотности записи, нового уровня емкости, новых технологий. Случается, что одна компания первой внедряет определенную комбинацию качеств, например продукт с интерфейсом SAS объемом 4 Тбайт, в чем WD сейчас имеет небольшое преимущество. Но это лидерство не продержится долго, лишь 3—6 месяцев. Такое конкурентное преимущество работает, когда людям нужен именно конкретный продукт. Важно выпустить продукт в нужное время при нужных рыночных условиях. В общем, преимущество может быть небольшим, но здесь малое значит много.

⇡#Как открыть производство HDD под Москвой

3DNews : А вообще, трудно было бы сейчас взять и создать нового производителя жестких дисков?

Алекс Блеквелл: Если мы вернемся назад на 30 лет, то обнаружим около 70 компаний, выпускающих HDD. Теперь их три или пять, в зависимости от того, как считать. Эти компании вобрали ресурсы всех семидесяти предшественников. В конце 1990-х Seagate купила Conner Periferals, в начале 2000-х Maxtor купила Quantum. Дисковое подразделение IBM, оригинальный изобретатель HDD, было куплено HGST, которая недавно была куплена WD. Ну а Seagate купила Maxtor. То есть, например, Seagate сегодня — это конгломерат Maxtor, Quantum, Conner, Samsung и других.

Консолидация производителей жестких дисков (фото с Wikimedia Commons)

Главное здесь — интеллектуальная собственность, потому что те компании, которые остались на рынке HDD, собрали всю IP, необходимую для производства жестких дисков. Есть соглашения о том, чтобы разделить между компаниями некоторые технологии, без которых невозможно сделать жесткий диск. Но это не такая же ситуация, в которой находятся Intel и AMD. Последнюю я бы охарактеризовал как более искусственную.

Если вы и я выиграем в лотерею миллион евро и решим «эй, я хочу основать производство HDD», несмотря на все наши деньги, мы не сможем этого сделать, поскольку у нас не будет прав на технологию. Seagate, WD и Toshiba преследовали бы нас в суде, и наша фирма пошла бы вниз. Как свинцовый дирижабль!

С точки зрения производства наверняка несложно начать делать диски плохо. Мы с вами смогли бы создать рудиментарный жесткий диск из компонентов с радиорынка. Но делать это хорошо, с последними технологиями, с минимальным размером компонентов, максимальной плотностью записи — вот это сложно. Мы обладаем годами, десятилетиями опыта. Каждый день на фабрике внедряется какая-нибудь инициатива, чтобы что-то улучшить. В этом бизнесе очень крутая кривая обучения, высокий барьер для входа.

⇡#Как, жесткие диски еще не умерли?

3DNews : Что WD думает об угрозе со стороны SSD — в короткой и долговременной перспективе? Выживут ли жесткие диски в течение десяти-двадцати лет или будут полностью вытеснены твердотельными накопителями?

Алекс Блеквелл: Раз в несколько лет кто-то говорит: жесткий диск умер, и другая технология заменит его. Это очень устойчивая тенденция. Но позвольте провести мысленный эксперимент. Еще раз представьте, что жесткие диски никогда не изобретали. И вот мы сидим здесь за столом, и я говорю: у меня есть 128 Гбайт объема на SSD в ноутбуке и мне нужно больше. Кто из нас подумал бы, что можно сделать вращающийся магнитный диск и записывающая головка будет лететь в двух нанометрах над его поверхностью? Мы бы даже не поверили, что это возможно. И тем не менее это есть у нас сейчас!

Жесткие диски в форм-факторе от 8 до 1 дюйма (фото с Wikimedia Commons)

Важный аспект: темпы роста удельной емкости на доллар для SSD и HDD параллельны. Каждый шаг вверх у жесткого диска отзеркаливается SSD, но кривые остаются параллельными.

Кроме того, есть одна проблема, которая представляет вызов для производителей SSD, и для WD в том числе, потому что у нас тоже есть отделение SSD. Допустимо ограниченное количество операций записи — потом привод станет бесполезным. Может, это 100 тысяч. Может, 10 тысяч. Но по мере того как уменьшается размер компонента SSD, его время жизни становится короче. С одной стороны, ты увеличиваешь емкость, а с другой — сокращаешь срок жизни. Жесткие диски не теряют способности записывать и считывать. Можно также записывать и считывать через пять лет, как в самом начале. У нас нет таких ограничений.

3DNews : Но рано или поздно мы упремся в минимальный размер ячейки в NAND-памяти…

Алекс Блеквелл: Если подумать о теоретическом минимальном размере ячейки в NAND-памяти, это будет один электрон, движущийся из субстрата в плавающий затвор и обратно. Идеальное хранилище одного бита. Возможные проблемы с надежностью решаются с помощью избыточности, коррекции ошибок.

3DNews : А каков теоретический предел емкости жесткого диска?

В середине 1990-х был разговор о максимальной емкости жесткого диска в 100 Гбит/кв.дюйм — так называемый суперпарамагнитный предел. Сверх этого невозможно намагнитить нечто таким образом, чтобы оно осталось намагниченным. Сейчас мы производим продукты с плотностью записи 720 Гбит/кв.дюйм — надежно и в больших количествах. Те, кто говорили, что суперпарамагнитный предел ограничивает плотность 100 Гбит/кв.дюйм, оказались неправы. Каков предел сейчас? Я даже не знаю. Может быть, это единственный электрон, спином которого мы будем манипулировать.

В течение нескольких десятилетий жесткий диск все еще будет с нами. Наши технологические планы уже простираются до 2020 года. SSD и HDD могут отлично сосуществовать в структуре многоуровневого хранилища. Возьмем шире: у нас есть статическая память в кеше процессоров на самом верху — очень дорогая, очень быстрая. Потом DRAM, потом SSD, жесткие диски, лента. Образуется континуум «производительность vs цена».

Гибридный HDD от Western Digital

А еще сюда проникают гибриды между SSD и HDD, которые пытаются сочетать преимущества обеих технологий. Мы уже анонсировали гибридный накопитель толщиной 5 мм, который предназначен для рынка ультрабуков. Нам нравится идея внедрить жесткие диски туда, где раньше использовались только SSD. Гибрид позволит получить 500 Гбайт объема с производительностью почти как у SSD и с ценой почти как у жесткого диска.

По сравнению с Momentus XT от Seagate он работает немного по-другому. Используется драйвер — это интеллект, который позволяет определить, куда пойдут данные внутри накопителя: на SSD, на жесткий диск или и туда и туда. Он определяет подходящее место для каждого кусочка данных на основании истории обращений, статистики операций. Устройство имеет стандартный интерфейс SATA, а твердотельный и дисковый компоненты внутри соединены «мостом». Таким образом, для операционной системы привод выглядит как обыкновенный жесткий диск, но драйвер знает о существовании моста и может к нему обращаться без ведома ОС.

3DNews : Momentus XT, напротив, работает в неведении относительно того, что происходит выше блочного уровня. Этот подход хуже вашего?

Алекс Блеквелл: Преимущества есть и у него. Это просто, и не нужно устанавливать драйвер. Особенно когда для конкретной ОС просто нет драйвера.

В качестве NAND-памяти используется MLC. В прототипах мы пробовали и SLC-память, но оказалось, что MLC вполне подходит для этого продукта и впридачу имеет преимущество по цене перед SLC.

Посмотрите, как плотно упакована электроника в нашем диске. А вот коннектор в компактном форм-факторе. Он стандартизован (прим. автора: SFF-8038). Корпус тонкий, поэтому важно, чтобы середину нельзя было продавить. Для этого шпиндель зафиксирован винтами с двух сторон, как колесо велосипеда. В обычных жестких дисках это устроено как колесо автомобиля. Скорость вращения — 5400 об/мин. 7200 об/мин — это был бы перебор, так как производительность наращивается за счет Flash-памяти.

3DNews : Собирается ли WD выпустить гибридный привод в форм-факторе 3,5 дюйма?

Алекс Блеквелл: Сейчас в планах значится версия этого диска толщиной 7 мм с двумя пластинами и таким же методом компоновки электроники. Что касается гибридов в форм-факторе 3,5 дюйма, то таких продуктов мы пока не анонсируем, но этого можно ожидать. Вопрос таков: а где убедительный спрос на такую технологию? Сейчас есть потребность в чем-то тонком, что подходит для ультрабуков.

Одна из моих специализаций — потребительская электроника. Покупатели хотят гибридный привод. Я спрашиваю, зачем он им нужен. Тогда они смотрят на ноги, начинают изучать свои ногти — и выясняется, что они не знают, зачем они его хотят!

3DNews : После того, что вы рассказали, нам кажется, что жесткий диск — это нечто вроде швейцарских часов. Такая сложная и утонченная, в своем роде «старомодная» технология…

Алекс Блеквелл: Неплохо. Но часы — это грубое и неуклюжее изделие в сравнении с дисковым приводом. Мы оперируем в масштабе нанометров. Жесткий диск на 3–4 порядка сложнее часов. Это просто оскорбление: он сравнил нас со швейцарскими часами!

Источник https://comp-security.net/%D1%87%D1%82%D0%BE-%D1%82%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%B5-%D0%B2%D0%B8%D0%BD%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B5%D1%80-%D0%B8%D0%BB%D0%B8-%D0%B6%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%BA%D0%B8%D0%B9-%D0%B4%D0%B8%D1%81%D0%BA/

Источник https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/389182https:/dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/15666

Источник https://3dnews.ru/640707