Pevný disk -Hard disk drive

Pevný disk
IBM 350 RAMAC.jpg
Částečně rozebraný IBM 350 (RAMAC)
Datum vynalezeno 24. prosince 1954 ; před 67 lety ( 1954-12-24 )
Vynalezl Tým IBM vedený Rey Johnsonem
Vnitřní části 2,5palcového pevného disku notebooku
Rozebraný a označený pevný disk z roku 1997 ležící na zrcadle
Přehled toho, jak fungují HDD

Pevný disk ( HDD ), pevný disk , pevný disk nebo pevný disk je elektromechanické zařízení pro ukládání dat, které ukládá a získává digitální data pomocí magnetického úložiště s jednou nebo více pevnými rychle rotujícími plotnami potaženými magnetickým materiálem. Talíře jsou spárovány s magnetickými hlavami , obvykle uspořádanými na pohyblivém ovládacím rameni, které čtou a zapisují data na povrchy talířů. K datům se přistupuje způsobem náhodného přístupu , což znamená, že jednotlivé bloky dat lze ukládat a načítat v libovolném pořadí. Pevné disky jsou druhem energeticky nezávislého úložiště , které po vypnutí uchovává uložená data. Moderní HDD jsou typicky ve formě malé obdélníkové krabice .

Pevné disky, které IBM představila v roce 1956, byly od počátku 60. let dominantním sekundárním úložným zařízením pro všeobecné počítače . Pevné disky si udržely tuto pozici i v moderní éře serverů a osobních počítačů , ačkoli osobní počítačová zařízení vyráběná ve velkém objemu, jako jsou mobilní telefony a tablety, spoléhají na paměťová zařízení flash. Pevné disky v minulosti vyrábělo více než 224 společností , ačkoli po rozsáhlé konsolidaci průmyslu většinu jednotek vyrábí Seagate , Toshiba a Western Digital . Pevné disky dominují objemu úložného prostoru produkovaného ( exabajtů za rok) pro servery. Přestože výroba pomalu roste (o dodané exabajty), tržby z prodeje a dodávky jednotek klesají, protože disky SSD (Solid State Drive) mají vyšší rychlost přenosu dat, vyšší plošnou hustotu úložiště, poněkud lepší spolehlivost a mnohem nižší latenci a přístupové časy.

Výnosy za SSD, z nichž většina využívá NAND flash paměť , v roce 2018 mírně převýšily výnosy za HDD. Produkty pro ukládání flash měly v roce 2017 více než dvojnásobné výnosy než pevné disky. Přestože mají SSD čtyři až devětkrát vyšší cenu za bit, nahrazují pevné disky v aplikacích, kde je důležitá rychlost, spotřeba energie, malá velikost, vysoká kapacita a odolnost. Od roku 2019 cena za bit SSD klesá a cenová prémie oproti HDD se zúžila.

Primárními vlastnostmi HDD jsou jeho kapacita a výkon . Kapacita je uvedena v jednotkových prefixech odpovídajících mocninám 1 000: 1 terabajtový (TB) disk má kapacitu 1 000 gigabajtů (GB; kde 1 gigabajt = 1 miliarda (10 9 ) bajtů ). Obvykle je část kapacity pevného disku pro uživatele nedostupná, protože je využívána souborovým systémem a operačním systémem počítače a případně je vestavěna redundance pro opravu chyb a obnovu. Ohledně úložné kapacity může docházet k nejasnostem, protože výrobci pevných disků uvádějí kapacity v desetinných gigabajtech (mocniny 1000), zatímco nejběžněji používané operační systémy uvádějí kapacitu v mocninách 1024, což má za následek menší číslo, než je inzerováno. Výkon je specifikován jako čas potřebný k pohybu hlav na stopu nebo válec (průměrná přístupová doba), čas, který trvá, než se požadovaný sektor posune pod hlavu (průměrná latence , která je funkcí fyzické rychlosti otáčení v otáčkách za minutu ) a nakonec rychlost, jakou jsou data přenášena (datová rychlost).

Dva nejběžnější tvarové faktory moderních pevných disků jsou 3,5palcový pro stolní počítače a 2,5palcový, primárně pro notebooky. Pevné disky jsou připojeny k systémům pomocí standardních kabelů rozhraní , jako jsou kabely PATA (Parallel ATA), SATA (Serial ATA), USB nebo SAS ( Serial Attached SCSI ).

Dějiny

Video moderního provozu HDD (kryt odstraněn)
Zlepšení vlastností HDD v průběhu času
Parametr Začal s (1957) Vylepšeno na Zlepšení
Kapacita
(formátovaná)
3,75  megabajtů 18  terabajtů (od roku 2020) 4,8 milionu ku jedné
Fyzický objem 68 kubických stop (1,9  m 3 ) 2,1 krychlových palců (34  cm 3 ) 56 000 ku jedné
Hmotnost 2000 liber
(910  kg )
2,2 unce
(62  g )
15 000 ku jedné
Průměrná doba přístupu Cca. 600  milisekund 2,5 ms až 10 ms; Závisí na RW RAM asi
200 ku jedné
Cena 9 200 USD za megabajt (1961; 83 107 USD v roce 2021) 0,024 USD za gigabajt do roku 2020 3,46 miliardy ku jedné
Hustota dat 2000  bitů na čtvereční palec 1,3 terabitu na čtvereční palec v roce 2015 650 milionů ku jedné
Průměrná životnost C. 2000 hodin MTBF C. 2 500 000 hodin (~285 let) MTBF 1250 ku jedné

První sériový pevný disk IBM, 350 diskové úložiště , byl dodán v roce 1957 jako součást systému IBM 305 RAMAC. Měl velikost přibližně dvou středně velkých ledniček a uložil pět milionů šestibitových znaků (3,75 megabajtů ) na stohu 52 disků (100 použitých povrchů). 350 měl jedno rameno se dvěma čtecími/zapisovacími hlavami, jednou obrácenou nahoru a druhou dolů, které se pohybovaly jak horizontálně mezi párem sousedních talířů, tak vertikálně z jednoho páru talířů do druhé sady. Varianty IBM 350 byly IBM 355 , IBM 7300 a IBM 1405 .

V roce 1961 IBM oznámila a v roce 1962 dodala diskovou paměť IBM 1301, která nahradila jednotky IBM 350 a podobné. 1301 se skládal z jednoho (pro Model 1) nebo dvou (pro model 2) modulů, z nichž každý obsahoval 25 talířů, každý talíř o tloušťce asi 18 palce (3,2 mm) a průměru 24 palců (610 mm). Zatímco dřívější diskové jednotky IBM používaly pouze dvě čtecí/zapisovací hlavy na rameno, model 1301 používal pole 48 hlav (hřebenů), přičemž každé pole se pohybovalo vodorovně jako jediná jednotka, jedna hlava na použitý povrch. Podporovány byly operace čtení/zápis ve válcovém režimu a hlavy létaly asi 250 mikropalců (asi 6 µm) nad povrchem plotny. Pohyb hlavového pole závisel na binárním sčítacím systému hydraulických pohonů, který zajišťoval opakovatelné polohování. Skříň 1301 byla velká asi jako tři domácí chladničky umístěné vedle sebe a ukládala ekvivalent asi 21 milionů osmibitových bytů na modul. Přístupová doba byla asi čtvrt sekundy.

Také v roce 1962 IBM představilo diskovou jednotku model 1311 , která byla velká asi jako pračka a uložila dva miliony znaků na výměnný disk . Uživatelé si mohli zakoupit další balíčky a vyměňovat je podle potřeby, podobně jako kotouče magnetické pásky . Pozdější modely jednotek vyměnitelných balíčků od IBM a dalších se staly normou ve většině počítačových instalací a začátkem 80. let dosáhly kapacity 300 megabajtů. Nevyměnitelné pevné disky se nazývaly „pevné disky“.

V roce 1963 IBM představilo 1302 s dvojnásobnou kapacitou dráhy a dvojnásobným počtem drah na válec než 1301. 1302 měl jeden (pro Model 1) nebo dva (pro Model 2) moduly, z nichž každý obsahoval samostatný hřeben pro prvních 250 skladeb a posledních 250 skladeb.

Některé vysoce výkonné HDD byly vyrobeny s jednou hlavou na stopu, např . Burroughs B-475 v roce 1964, IBM 2305 v roce 1970, takže se neztrácel čas fyzickým přesunem hlav na stopu a jedinou latencí byl čas pro požadovanou blok dat pro otočení do polohy pod hlavou. Známé jako diskové jednotky s pevnou hlavou nebo hlavou na stopu byly velmi drahé a již se nevyrábějí.

V roce 1973 IBM představilo nový typ HDD s kódovým označením „ Winchester “. Jeho hlavním rozlišovacím znakem bylo, že hlavy disku nebyly zcela vytaženy ze stohu diskových ploten, když byla jednotka vypnuta. Místo toho bylo hlavám dovoleno „přistát“ na speciální oblasti povrchu disku po otočení dolů a „vzlétnout“ znovu, když byl disk později zapnut. To značně snížilo náklady na mechanismus pohonu hlavy, ale zabránilo vyjmutí pouze disků z jednotky, jak se to dělalo u tehdejších diskových sad. Místo toho měly první modely pohonů „technologie Winchester“ vyjímatelný diskový modul, který zahrnoval jak diskovou sadu, tak sestavu hlavy, přičemž motor ovladače zůstal po odstranění v jednotce. Pozdější "Winchester" disky opustily koncept vyměnitelných médií a vrátily se k nevyměnitelným plotnám.

V roce 1974 IBM představilo aktuátor s otočným ramenem, který se stal proveditelným, protože záznamové hlavy Winchester fungují dobře, když jsou nakloněny k zaznamenaným stopám. Jednoduchá konstrukce jednotky IBM GV (Gulliver), vynalezená v britských laboratořích IBM Hursley Labs, se stala nejlicencovanějším elektromechanickým vynálezem IBM všech dob, akční člen a filtrační systém byl přijat v 80. letech 20. století nakonec pro všechny pevné disky a stále je téměř univerzální. O 40 let a 10 miliard zbraní později.

Stejně jako první jednotka vyměnitelné sady, první jednotky „Winchester“ používaly talíře o průměru 14 palců (360 mm). V roce 1978 IBM představilo pohon s otočným ramenem, IBM 0680 (Piccolo), s osmipalcovými talíři, přičemž zkoumala možnost, že menší talíře mohou nabízet výhody. Následovaly další osmipalcové disky, pak 5+Jednotky 1⁄ 4 palce  (130 mm), dimenzované tak, aby nahradily současné disketové jednotky . Ty byly primárně určeny pro tehdy začínající trh osobních počítačů (PC).

Postupem času, jak byly hustoty záznamu výrazně zvýšeny, bylo zjištěno, že další snížení průměru disku na 3,5" a 2,5" je optimální. Výkonné materiály s magnety ze vzácných zemin se během tohoto období staly cenově dostupnými a doplňovaly konstrukci pohonu s otočným ramenem, aby umožnily kompaktní tvary moderních pevných disků.

Na začátku 80. let byly pevné disky vzácnou a velmi drahou doplňkovou funkcí v počítačích, ale koncem 80. let se jejich cena snížila do té míry, že byly standardem na všech počítačích kromě nejlevnějších.

Většina pevných disků byla na počátku 80. let prodávána koncovým uživatelům PC jako externí přídavný subsystém. Subsystém nebyl prodáván pod jménem výrobce jednotky, ale pod jménem výrobce podsystému, jako je Corvus Systems a Tallgrass Technologies , nebo pod jménem výrobce PC systému, jako je Apple ProFile . IBM PC/XT v roce 1983 obsahovalo interní 10 MB HDD a brzy poté se interní HDD rozšířily na osobní počítače.

Externí HDD zůstaly populární mnohem déle na Apple Macintosh . Mnoho počítačů Macintosh vyrobených v letech 1986 až 1998 mělo na zadní straně port SCSI , což zjednodušilo externí rozšíření. Starší kompaktní počítače Macintosh neměly uživatelsky přístupné pozice pro pevné disky (ve skutečnosti Macintosh 128K , Macintosh 512K a Macintosh Plus neměly pozici pro pevný disk vůbec), takže u těchto modelů byly externí disky SCSI jedinou rozumnou možností pro rozšíření na jakékoli vnitřní úložiště.

Vylepšení HDD byla způsobena rostoucí plošnou hustotou uvedenou v tabulce výše. Aplikace se rozšířily v průběhu 21. století, od sálových počítačů z konce 50. let po většinu aplikací pro velkokapacitní úložiště , včetně počítačů a spotřebitelských aplikací, jako je ukládání zábavního obsahu.

V letech 2000 a 2010 začala NAND nahrazovat pevné disky v aplikacích vyžadujících přenositelnost nebo vysoký výkon. Výkon NAND se zlepšuje rychleji než HDD a aplikace pro HDD erodují. V roce 2018 měl největší pevný disk kapacitu 15 TB, zatímco SSD s největší kapacitou měl kapacitu 100 TB. Od roku 2018 se předpokládá, že pevné disky dosáhnou kapacity 100 TB kolem roku 2025, ale od roku 2019 bylo očekávané tempo zlepšování sníženo zpět na 50 TB do roku 2026. Menší tvarové faktory, 1,8" a méně, byly ukončeny kolem roku 2010. Náklady solid-state storage (NAND), reprezentovaný Moorovým zákonem , se zlepšuje rychleji než HDD. NAND má vyšší cenovou elasticitu poptávky než HDD, a to pohání růst trhu. Během konce roku 2000 a 2010 vstoupil životní cyklus produktu HDD do zralé fáze a zpomalení prodeje může naznačovat začátek klesající fáze.

Záplavy v Thajsku v roce 2011 poškodily výrobní závody a v letech 2011 až 2013 nepříznivě ovlivnily náklady na pevné disky.

V roce 2019 Western Digital uzavřel svou poslední továrnu na HDD v Malajsii kvůli klesající poptávce, aby se zaměřil na výrobu SSD. Všichni tři zbývající výrobci HDD mají od roku 2014 klesající poptávku po svých HDD.

Technika

Binární data kódovaná magnetickým průřezem a frekvenční modulací

Magnetický záznam

Moderní HDD zaznamenává data magnetizací tenkého filmu feromagnetického materiálu na obou stranách disku. Sekvenční změny směru magnetizace představují binární datové bity . Data se čtou z disku detekcí přechodů v magnetizaci. Uživatelská data jsou kódována pomocí schématu kódování, jako je kódování s omezenou délkou běhu , které určuje, jak jsou data reprezentována magnetickými přechody.

Typická konstrukce HDD se skládá z a vřeteno , které drží ploché kruhové disky, nazývanéplotny, které uchovávají zaznamenaná data. Talíře jsou vyrobeny z nemagnetického materiálu, obvykle hliníkové slitiny, skla nebo keramiky. Jsou potaženy mělkou vrstvou magnetického materiálu typicky do hloubky 10–20nm, s vnější vrstvou uhlíku pro ochranu. Pro informaci, standardní kus kopírovacího papíru má tloušťku 0,07–0,18 mm (70 000–180 000 nm).

Zničený pevný disk, viditelný skleněný talíř
Diagram označující hlavní součásti pevného disku počítače
Záznam jednotlivých magnetizací bitů na 200 MB HDD plotnu (záznam zviditelněn pomocí CMOS-MagView).
Podélný záznam (standardní) a kolmý záznamový diagram

Plotny v současných HDD se otáčí rychlostí od 4 200  ot./min u energeticky účinných přenosných zařízení až po 15 000 ot./min u vysoce výkonných serverů. První HDD se točily rychlostí 1200 otáček za minutu a po mnoho let bylo standardem 3600 otáček za minutu. Od listopadu 2019 se plotny ve většině spotřebitelských HDD otáčí rychlostí 5 400 nebo 7 200 ot./min.

Informace se zapisují a čtou z talíře, když se otáčí kolem zařízení nazývaných čtecí a zapisovací hlavy , které jsou umístěny tak, aby fungovaly velmi blízko magnetickému povrchu, s jejich letovou výškou často v rozsahu desítek nanometrů. Čtecí a zapisovací hlava slouží k detekci a úpravě magnetizace materiálu procházejícího bezprostředně pod ní.

U moderních pohonů je na vřetenu jedna hlava pro každou plochu magnetického talíře, namontovaná na společném rameni. Ovladačové rameno (nebo přístupové rameno) pohybuje hlavami po oblouku (zhruba radiálně) přes talíře, když se točí, což každé hlavě umožňuje přístup téměř k celému povrchu talíře, když se točí. Rameno se pohybuje pomocí aktuátoru kmitací cívky nebo u některých starších konstrukcí krokovým motorem . Dřívější pevné disky zapisovaly data v některých konstantních bitech za sekundu, což vedlo k tomu, že všechny stopy měly stejné množství dat na stopu, ale moderní jednotky (od 90. let 20. století) používají zónový bitový záznam – zvyšující rychlost zápisu z vnitřní do vnější zóny a tím i ukládání. více dat na stopu ve vnějších zónách.

U moderních pohonů malá velikost magnetických oblastí vytváří nebezpečí, že jejich magnetický stav může být ztracen kvůli tepelným účinkům – tepelně indukované magnetické nestabilitě, která je běžně známá jako „ superparamagnetický limit “. Aby se tomu zabránilo, jsou plotny potaženy dvěma paralelními magnetickými vrstvami, oddělenými tříatomovou vrstvou nemagnetického prvku ruthenium , a obě vrstvy jsou magnetizovány v opačné orientaci, čímž se vzájemně posilují. Další technologií používanou k překonání tepelných efektů umožňujících větší hustotu záznamu je kolmý záznam , poprvé dodaný v roce 2005 a od roku 2007 používaný u určitých pevných disků.

V roce 2004 bylo představeno záznamové médium s vyšší hustotou sestávající ze spojených měkkých a tvrdých magnetických vrstev. Takzvaná technologie magnetického ukládání média s výměnnou pružinou , také známá jako kompozitní médium s výměnným spojením, umožňuje dobrou zapisovatelnost díky povaze měkké vrstvy napomáhající zápisu. Tepelnou stabilitu však určuje pouze nejtvrdší vrstva a neovlivňuje měkká vrstva.

Komponenty

HDD s odstraněnými disky a nábojem motoru, odhalující měděně zbarvené statorové cívky obklopující ložisko ve středu motoru vřetena. Oranžový pruh po straně ramene je tenký kabel s plošnými spoji, ložisko vřetena je uprostřed a akční člen je vlevo nahoře.

Typický HDD má dva elektromotory: vřetenový motor, který otáčí disky, a akční člen (motor), který umísťuje sestavu čtecí/zapisovací hlavy přes rotující disky. Diskový motor má externí rotor připojený k diskům; vinutí statoru jsou upevněna na místě. Naproti aktuátoru na konci ramene podpěry hlavy je hlava pro čtení a zápis; tenké kabely tištěných spojů spojují čtecí a zapisovací hlavy s elektronikou zesilovače namontovanou na čepu akčního členu. Opěrka hlavy je velmi lehká, ale také tuhá; u moderních pohonů dosahuje zrychlení na hlavě 550 g .

Sada hlav s cívkou ovladače na levé straně a čtecími/zapisovacími hlavami na pravé straně
Detailní záběr na jednu hlavu pro čtení a zápis , která ukazuje stranu obrácenou k talíři

Theaktuátor je motor spermanentním magnetemapohyblivou cívkou, který natáčí hlavy do požadované polohy. Kovová deska nese squatneodym-železo-bor(NIB) s vysokým tokemmagnetu. Pod touto deskou je pohyblivá cívka, často označovaná jako kmitací cívka analogicky k cívce vreproduktorech, která je připevněna k náboji ovladače a pod ní je druhý magnet NIB, namontovaný na spodní desce motoru (některé pohony mají pouze jeden magnet).

Vlastní kmitací cívka má tvar spíše jako hrot šípu a je vyrobena z dvojitě potaženého měděného magnetického drátu . Vnitřní vrstva je izolační a vnější je termoplast, který spojuje cívku po navinutí na formu, čímž je samonosná. Části cívky podél dvou stran hrotu šipky (které směřují do středu ložiska ovladače) pak interagují s magnetickým polem pevného magnetu. Proud tekoucí radiálně směrem ven podél jedné strany hrotu šipky a radiálně dovnitř na straně druhé vytváří tangenciální sílu . Pokud by bylo magnetické pole rovnoměrné, každá strana by generovala opačné síly, které by se navzájem rušily. Povrch magnetu je proto napůl severní pól a napůl jižní pól, s radiální dělicí čárou uprostřed, což způsobuje, že dvě strany cívky vidí opačná magnetická pole a vytvářejí síly, které se sčítají, místo aby se rušily. Proudy podél horní a spodní části cívky vytvářejí radiální síly, které neotáčí hlavou.

Elektronika HDD řídí pohyb akčního členu a otáčení disku a provádí čtení a zápis na vyžádání z řadiče disku . Zpětná vazba elektroniky měniče je zajišťována pomocí speciálních segmentů disku určených pro zpětnou vazbu serva . Jsou to buď úplné soustředné kružnice (v případě vyhrazené servo technologie) nebo segmenty proložené reálnými daty (v případě vestavěného serva, jinak známé jako sektorová servotechnologie). Zpětná vazba serva optimalizuje poměr signálu k šumu senzorů GMR nastavením motoru kmitací cívky tak, aby otáčel ramenem. Modernější servosystém také využívá mili a/nebo mikro aktuátory k přesnějšímu umístění čtecích/zapisovacích hlav. Otáčení disků využívá vřetenové motory s kapalinovými ložisky. Moderní diskový firmware je schopen efektivně naplánovat čtení a zápis na povrch plotny a přemapovat sektory média, které selhalo.

Chybovost a zpracování

Moderní disky široce využívají kódy pro opravu chyb (ECC), zejména opravu chyb Reed–Solomon . Tyto techniky ukládají extra bity, určené matematickými vzorci, pro každý blok dat; extra bity umožňují neviditelnou opravu mnoha chyb. Samotné extra bity zabírají místo na HDD, ale umožňují použití vyšší hustoty záznamu, aniž by způsobovaly neopravitelné chyby, což má za následek mnohem větší úložnou kapacitu. Například typický  1TB pevný disk s 512bajtovými sektory poskytuje dodatečnou kapacitu přibližně 93  GB pro data ECC .

V nejnovějších jednotkách byly od roku 2009 kódy kontroly parity s nízkou hustotou (LDPC) nahrazovaly Reed-Solomon; Kódy LDPC umožňují výkon blízký Shannonově limitu a poskytují tak nejvyšší dostupnou hustotu úložiště.

Typické jednotky pevných disků se pokoušejí „přemapovat“ data ve fyzickém sektoru, který selhává, na náhradní fyzický sektor poskytovaný „fondem náhradních sektorů“ disku (také nazývaný „rezervní fond“), přičemž se spoléhají na ECC, že obnoví uložená data. zatímco počet chyb ve špatném sektoru je stále dostatečně nízký. Funkce SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) počítá celkový počet chyb na celém HDD opravených ECC (ačkoli ne na všech pevných discích, protože související atributy SMART „Hardware ECC Recovered“ a „Soft ECC Correction“ jsou není konzistentně podporováno) a celkový počet provedených přemapování sektorů, protože výskyt mnoha takových chyb může předpovídat selhání HDD .

"No-ID Format", vyvinutý společností IBM v polovině 90. let, obsahuje informace o tom, které sektory jsou špatné a kde byly umístěny přemapované sektory.

Pouze nepatrný zlomek zjištěných chyb skončí jako neopravitelný. Příklady specifikovaných neopravených chyb čtení bitů zahrnují:

  • Specifikace pro podnikové diskové jednotky SAS z roku 2013 uvádějí, že chybovost je jedna neopravená chyba čtení bitů na každých 10 16 přečtených bitů,
  • Specifikace pro spotřebitelské pevné disky SATA z roku 2018 uvádějí, že chybovost je jedna neopravená chyba čtení bitů každých 10 14 bitů.

V rámci daného modelu výrobce je neopravená bitová chybovost obvykle stejná bez ohledu na kapacitu disku.

Nejhorším typem chyb jsou tichá poškození dat , což jsou chyby nezjištěné firmwarem disku nebo hostitelským operačním systémem; některé z těchto chyb mohou být způsobeny poruchami pevného disku, zatímco jiné mají původ jinde ve spojení mezi jednotkou a hostitelem.

Rozvoj

Špičkové plošné hustoty pevných disků od roku 1956 do roku 2009 ve srovnání s Moorovým zákonem. Do roku 2016 se pokrok výrazně zpomalil pod extrapolovaný trend hustoty.

Rychlost rozvoje plošné hustoty byla podobná jako u Moorova zákona (zdvojnásobení každé dva roky) až do roku 2010: 60 % ročně v letech 1988–1996, 100 % v letech 1996–2003 a 30 % v letech 2003–2010. Gordon Moore v roce 1997 nazval nárůst „ohromující“, přičemž později poznamenal, že růst nemůže pokračovat navždy. Zlepšení cen se v letech 2010–2017 zpomalilo na -12 % ročně, protože růst plošné hustoty se zpomalil. Rychlost rozvoje plošné hustoty se v letech 2010–2016 zpomalila na 10 % ročně a při přechodu z kolmého záznamu na novější technologie byly potíže.

Jak se velikost bitové buňky zmenšuje, lze na jeden disk uložit více dat. V roce 2013 by produkční stolní 3 TB HDD (se čtyřmi plotnami) měl plošnou hustotu asi 500 Gbit/in 2 , což by znamenalo bitovou buňku obsahující asi 18 magnetických zrn (11 x 1,6 zrna). Od poloviny 21. století byl pokrok plošné hustoty zpochybňován superparamagnetickým trilematem zahrnujícím velikost zrna, magnetickou sílu zrna a schopnost hlavy psát. K udržení přijatelného signálu k šumu jsou vyžadována menší zrna; menší zrna se mohou samy obrátit ( elektrotermická nestabilita ), pokud se nezvýší jejich magnetická síla, ale známé materiály zapisovací hlavy nejsou schopny generovat dostatečně silné magnetické pole dostatečné k zápisu média ve stále menším prostoru, který zrna zabírají.

Technologie magnetického úložiště jsou vyvíjeny, aby se vypořádaly s tímto trilematem a konkurovaly jednotkám SSD na bázi flash paměti . V roce 2013 společnost Seagate představila šindelový magnetický záznam (SMR), zamýšlený jako něco jako „přerušovací“ technologii mezi PMR a zamýšleným nástupcem Seagate tepelně asistovaným magnetickým záznamem (HAMR), SMR využívá překrývající se stopy pro zvýšení hustoty dat za cenu designu. složitost a nižší rychlosti přístupu k datům (zejména rychlosti zápisu a rychlosti náhodného přístupu 4k).

Naproti tomu společnost HGST (nyní součást Western Digital ) se zaměřila na vývoj způsobů utěsnění pohonů plněných héliem namísto obvyklého filtrovaného vzduchu. Vzhledem k tomu , že turbulence a tření jsou sníženy, lze dosáhnout vyšší plošné hustoty díky použití menší šířky stopy a také energie rozptýlená v důsledku tření je nižší, což má za následek nižší spotřebu energie. Kromě toho se do stejného uzavřeného prostoru vejde více talířů, ačkoliv je notoricky obtížné zabránit úniku helia. Héliové pohony jsou tedy zcela utěsněné a na rozdíl od svých vzduchem plněných protějšků nemají odvzdušňovací otvor.

Další nahrávací technologie jsou buď ve výzkumu, nebo byly komerčně implementovány za účelem zvýšení plošné hustoty, včetně tepelného magnetického záznamu Seagate (HAMR). HAMR vyžaduje jinou architekturu s přepracovanými médii a čtecími/zapisovacími hlavami, novými lasery a novými optickými převodníky pro blízké pole. Očekává se, že HAMR bude komerčně dodáván na konci roku 2020 nebo 2021. Technické problémy zpozdily zavedení HAMR o deset let oproti dřívějším projekcím z let 2009, 2015, 2016 a první poloviny roku 2019. Některé pohony přijaly dvojitá nezávislá ramena ovladače, aby se zvýšil rychlosti čtení/zápisu a konkurují SSD. Plánovaný nástupce HAMR, bit-patterned recording (BPR), byl odstraněn z plánů Western Digital a Seagate. Mikrovlnný magnetický záznam (MAMR) společnosti Western Digital, označovaný také jako magnetický záznam s pomocí energie (EAMR), byl navzorkován v roce 2020, přičemž první jednotka EAMR, Ultrastar HC550, byla dodána koncem roku 2020. Dvourozměrný magnetický záznam ( TDMR) a "proud kolmý k rovině" obří magnetorezistentní hlavy (CPP/GMR) se objevily ve výzkumných pracích. Byl navržen koncept 3D-aktivovaného vakuového pohonu (3DHD).

Míra růstu plošné hustoty klesla do roku 2016 pod historickou míru podle Moorova zákona 40 % ročně. V závislosti na předpokladech o proveditelnosti a načasování těchto technologií společnost Seagate předpovídá, že plošná hustota poroste v letech 2020–2034 o 20 % ročně.

Kapacita

Dva disky Seagate Barracuda z roku 2003 a 2009 – 160 GB a 1 TB. Od roku 2022 nabízí Seagate kapacitu až 20 TB.

Nejvyšší kapacita pevných disků dodávaných komerčně v roce 2022 je 20 TB.

Kapacita jednotky pevného disku, jak ji operační systém hlásí koncovému uživateli, je menší než množství udávané výrobcem z několika důvodů, např. operační systém využívá určité místo, využití určitého prostoru pro redundanci dat, prostor použití pro struktury souborového systému. Také rozdíl v kapacitě uváděný v jednotkách s desetinnými prefixy SI oproti binárním prefixům může vést k mylnému dojmu chybějící kapacity.

Výpočet

Moderní pevné disky se svému hostitelskému řadiči jeví jako souvislá sada logických bloků a celková kapacita disku se vypočítá vynásobením počtu bloků velikostí bloku. Tyto informace jsou k dispozici ve specifikaci produktu výrobce a ze samotného disku prostřednictvím funkcí operačního systému, které vyvolávají nízkoúrovňové příkazy disku.

Starší jednotky IBM a kompatibilní jednotky, např. IBM 3390 , používající formát záznamu CKD mají záznamy s proměnnou délkou; takové výpočty kapacity pohonu musí brát v úvahu charakteristiky záznamů. Některé novější DASD simulují CKD a platí stejné vzorce kapacity.

Hrubá kapacita starších sektorově orientovaných pevných disků se vypočítá jako součin počtu cylindrů na záznamovou zónu, počtu bajtů na sektor (nejčastěji 512) a počtu zón disku. Některé moderní disky SATA také hlásí kapacitu sektoru hlavy válců (CHS), ale nejedná se o fyzické parametry, protože uváděné hodnoty jsou omezeny historickými rozhraními operačního systému. Schéma C/H/S bylo nahrazeno logickým adresováním bloků (LBA), jednoduchým lineárním adresovacím schématem, které lokalizuje bloky podle indexu celého čísla, který začíná na LBA 0 pro první blok a poté se zvyšuje. Při použití metody C/H/S k popisu moderních velkých disků je počet hlav často nastaven na 64, ačkoli typický moderní pevný disk má jednu až čtyři plotny. U moderních HDD není volná kapacita pro správu defektů zahrnuta do publikované kapacity; v mnoha dřívějších pevných discích byl však určitý počet sektorů rezervován jako náhradní, čímž se snížila kapacita operačního systému. Kromě toho mnoho pevných disků ukládá svůj firmware do vyhrazené servisní zóny, která obvykle není přístupná uživateli a není zahrnuta do výpočtu kapacity.

U subsystémů RAID snižují realizovanou kapacitu také požadavky na integritu dat a odolnost proti chybám. Například pole RAID 1 má přibližně polovinu celkové kapacity v důsledku zrcadlení dat, zatímco pole RAID 5 s n jednotkami ztrácí 1/n kapacity (což se rovná kapacitě jednoho disku) kvůli ukládání informací o paritě. . Subsystémy RAID jsou více disků, které se uživateli jeví jako jeden nebo více disků, ale poskytují odolnost proti chybám. Většina výrobců RAID používá kontrolní součty ke zlepšení integrity dat na úrovni bloku. Někteří prodejci navrhují systémy využívající pevné disky se sektory 520 bajtů tak, aby obsahovaly 512 bajtů uživatelských dat a osm bajtů kontrolního součtu, nebo pomocí samostatných 512bajtových sektorů pro data kontrolního součtu.

Některé systémy mohou pro obnovu systému používat skryté diskové oddíly , čímž snižují kapacitu dostupnou koncovému uživateli bez znalosti speciálních nástrojů pro dělení disku , jako je diskpart ve Windows .

Formátování

Data jsou uložena na pevném disku v řadě logických bloků. Každý blok je ohraničen značkami identifikujícími jeho začátek a konec, informacemi pro detekci chyb a opravami a mezerou mezi bloky, aby se umožnily drobné odchylky v časování. Tyto bloky často obsahovaly 512 bajtů použitelných dat, ale byly použity i jiné velikosti. S rostoucí hustotou disku rozšířila iniciativa známá jako Advanced Format velikost bloku na 4096 bajtů použitelných dat, což vedlo k výraznému snížení množství místa na disku používaného pro záhlaví bloků, data kontroly chyb a mezery.

Proces inicializace těchto logických bloků na plotnách fyzických disků se nazývá nízkoúrovňové formátování , které se obvykle provádí ve výrobě a běžně se na místě nemění. Vysokoúrovňové formátování zapisuje datové struktury používané operačním systémem k uspořádání datových souborů na disku. To zahrnuje zápis struktur oddílů a souborového systému do vybraných logických bloků. Část místa na disku bude například použita k uložení adresáře názvů souborů na disku a seznamu logických bloků spojených s konkrétním souborem.

Příklady schématu mapování oddílů zahrnují hlavní spouštěcí záznam (MBR) a tabulku oddílů GUID (GPT). Příklady datových struktur uložených na disku pro načtení souborů zahrnují File Allocation Table (FAT) v souborovém systému DOS a inody v mnoha souborových systémech UNIX , stejně jako další datové struktury operačního systému (také známé jako metadata ). V důsledku toho není veškerý prostor na HDD k dispozici pro uživatelské soubory, ale tato systémová režie je obvykle malá ve srovnání s uživatelskými daty.

Jednotky

Interpretace předpon desítkových a binárních jednotek
Kapacita inzerovaná výrobci Kapacita očekávaná některými spotřebiteli Hlášená kapacita
Okna macOS verze 10.6+
S předponou Bajtů Bajtů Dif.
100  GB 100 000 000 000 107,374,182,400 7,37 % 93,1 GB 100 GB
TB 1 000 000 000 000 1,099,511,627,776 9,95 % 931 GB 1 000 GB, 1 000 000 MB

V počátcích výpočtů byla celková kapacita pevných disků specifikována na 7 až 9 desetinných míst, často zkrácených s idiomem miliony . Do 70. let 20. století byla celková kapacita pevných disků uváděna výrobci pomocí desítkových předpon SI , jako jsou megabajty (1 MB = 1 000 000 bajtů), gigabajty (1 GB = 1 000 000 000 bajtů) a terabajty (1 TB = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 bajtů). Kapacity paměti se však obvykle uvádějí pomocí binární interpretace předpon, tj. pomocí mocnin 1024 místo 1000.

Software hlásí kapacitu pevného disku nebo paměti v různých formách pomocí desítkových nebo binárních předpon. Rodina operačních systémů Microsoft Windows používá při vykazování kapacity úložiště binární konvenci, takže HDD nabízený jeho výrobcem jako 1 TB disk je těmito operačními systémy uváděn jako 931 GB HDD. Mac OS X 10.6 („ Snow Leopard “) používá při vykazování kapacity pevného disku desetinnou konvenci. Výchozí chování nástroje příkazového řádku df v systému Linux je hlásit kapacitu pevného disku jako počet 1024bajtových jednotek.

Rozdíl mezi interpretací desítkové a binární předpony způsobil určitý zmatek spotřebitelů a vedl k hromadné žalobě proti výrobcům pevných disků . Žalobci tvrdili, že použití desetinných předpon účinně uvedlo spotřebitele v omyl, zatímco žalovaní popírali jakékoli pochybení nebo odpovědnost a tvrdili, že jejich marketing a reklama jsou ve všech ohledech v souladu se zákonem a že žádný člen třídy neutrpěl žádné škody nebo zranění.

Vývoj ceny

Cena HDD za bajt se v letech 1988–1996 snižovala o 40 % ročně, v letech 1996–2003 o 51 % a v letech 2003–2010 o 34 % ročně. Pokles cen se v letech 2011–2014 zpomalil na 13 % ročně, protože nárůst plošné hustoty se zpomalil a povodně v Thajsku v roce 2011 poškodily výrobní zařízení a v letech 2010–2017 se držely na 11 % ročně.

Federální rezervní rada zveřejnila kvalitativně upravený cenový index pro rozsáhlé podnikové úložné systémy zahrnující tři nebo více podnikových pevných disků a souvisejících řadičů, stojanů a kabelů. Ceny těchto velkokapacitních skladovacích systémů klesaly v letech 2004–2009 o 30 % ročně a v letech 2009–2014 o 22 % ročně.

Tvarové faktory

8-, 5,25-, 3,5-, 2,5-, 1,8- a 1palcový HDD spolu s pravítkem pro zobrazení velikosti ploten a čtecích a zapisovacích hlav
Novější 2,5palcový (63,5 mm) 6 495 MB pevný disk ve srovnání se starším 5,25palcovým pevným diskem s plnou výškou 110 MB

První pevný disk IBM, IBM 350 , používal stoh padesáti 24palcových ploten, ukládal 3,75 MB dat (přibližně velikost jednoho moderního digitálního obrázku) a měl velikost srovnatelnou se dvěma velkými ledničkami. V roce 1962 představila IBM svůj model 1311 disk, který používal šest 14palcových (nominální velikost) ploten ve vyjímatelném obalu a měl velikost zhruba jako pračka. To se stalo na mnoho let standardním rozměrem talíře, používaným i jinými výrobci. IBM 2314 použilo talíře stejné velikosti v jedenácti vysokém balení a zavedlo uspořádání „pohon v zásuvce“. někdy nazývaná „pizzová pec“, i když „zásuvka“ nebyla úplným pohonem. Do 70. let byly HDD nabízeny v samostatných skříních různých rozměrů obsahujících jeden až čtyři HDD.

Od konce 60. let byly nabízeny disky, které zcela pasovaly do šasi, které by se montovalo do 19palcového stojanu . RK05 a RL01 společnosti Digital byly ranými příklady použití jednotlivých 14palcových ploten ve vyjímatelných balíčcích, přičemž celý disk se vešel do 10,5palcového vysokého rackového prostoru (šest rackových jednotek). Od poloviny do konce osmdesátých let byl oblíbeným produktem podobně velký Fujitsu Eagle , který používal (shodou okolností) 10,5palcové plotny.

S rostoucím prodejem mikropočítačů s vestavěnými disketovými jednotkami (FDD) se staly žádoucí pevné disky, které by pasovaly do držáků FDD. Počínaje Shugart Associates SA1000 , formát HDD zpočátku následoval po 8palcových, 5¼palcových a 3½palcových disketových mechanikách. Ačkoli se na tyto jmenovité velikosti odkazují, skutečné velikosti těchto tří jednotek jsou 9,5", 5,75" a 4" široké. Protože neexistovaly žádné menší disketové jednotky, menší rozměry HDD, jako jsou 2½palcové jednotky (ve skutečnosti 2,75" široké) vyvinuté na základě nabídky produktů nebo průmyslových standardů.

Od roku 2019 jsou nejoblíbenějšími velikostmi 2½palcové a 3½palcové pevné disky. Do roku 2009 všichni výrobci přerušili vývoj nových produktů pro 1,3palcové, 1palcové a 0,85palcové provedení kvůli klesajícím cenám flash pamětí , které nemají žádné pohyblivé části. Zatímco jmenovité velikosti jsou v palcích, skutečné rozměry jsou uvedeny v milimetrech.

Výkonové charakteristiky

Faktory, které omezují dobu přístupu k datům na HDD, většinou souvisí s mechanickou povahou rotujících disků a pohyblivých hlav, včetně:

  • Doba vyhledávání je měřítkem toho, jak dlouho trvá hlavové sestavě cesta ke stopě disku, který obsahuje data.
  • Rotační latence je způsobena tím, že požadovaný sektor disku nemusí být přímo pod hlavičkou, když je požadován přenos dat. Průměrná rotační latence je uvedena v tabulce na základě statistického vztahu, že průměrná latence je polovina rotační periody.
  • Bitová rychlost nebo rychlost přenosu dat (jakmile je hlava ve správné poloze) vytváří zpoždění, které je funkcí počtu přenesených bloků; typicky relativně malý, ale může být poměrně dlouhý při přenosu velkých souvislých souborů.

Zpoždění může také nastat, pokud jsou disky jednotky zastaveny kvůli úspoře energie.

Defragmentace je postup používaný k minimalizaci zpoždění při načítání dat přesunutím souvisejících položek do fyzicky blízkých oblastí na disku. Některé operační systémy počítačů provádějí defragmentaci automaticky. Přestože automatická defragmentace má za cíl zkrátit zpoždění přístupu, během procesu bude dočasně snížen výkon.

Dobu přístupu k datům lze zlepšit zvýšením rychlosti otáčení (a tím snížením latence) nebo zkrácením doby strávené vyhledáváním. Zvýšení hustoty oblasti zvyšuje propustnost zvýšením datové rychlosti a zvýšením množství dat pod sadou hlav, čímž se potenciálně sníží vyhledávací aktivita pro dané množství dat. Čas potřebný k přístupu k datům nedržel krok s nárůstem propustnosti, který sám o sobě nedržel krok s růstem bitové hustoty a kapacity úložiště.

Latence

Charakteristiky latence typické pro HDD
Rychlost otáčení
[ot./min]
Průměrná rotační latence
[ms]
15 000 2
10 000 3
7 200 4.16
5 400 5.55
4 800 6.25

Rychlost přenosu dat

Od roku 2010 má typický pevný disk pro stolní počítače se 7 200 otáčkami za minutu trvalou rychlost přenosu dat „z disku do vyrovnávací paměti “ až 1 030  Mbit/s . Tato sazba závisí na umístění stopy; rychlost je vyšší pro data na vnějších stopách (kde je více datových sektorů na rotaci) a nižší směrem k vnitřním stopám (kde je méně datových sektorů na rotaci); a je obecně poněkud vyšší pro disky s 10 000 otáčkami za minutu. Současným široce používaným standardem pro rozhraní „buffer-to-computer“ je 3,0  Gbit/s SATA, které dokáže poslat z vyrovnávací paměti do počítače asi 300 megabajtů/s (10bitové kódování), a je tak stále pohodlně napřed. dnešní přenosové rychlosti z disku do vyrovnávací paměti. Rychlost přenosu dat (čtení/zápis) lze měřit zápisem velkého souboru na disk pomocí speciálních nástrojů pro tvorbu souborů a následným přečtením souboru. Přenosová rychlost může být ovlivněna fragmentací souborového systému a rozložením souborů.

Rychlost přenosu dat HDD závisí na rychlosti otáčení ploten a hustotě záznamu dat. Vzhledem k tomu, že teplo a vibrace omezují rychlost otáčení, postupná hustota se stává hlavní metodou pro zlepšení sekvenční přenosové rychlosti. Vyšší otáčky vyžadují výkonnější motor vřetena, který vytváří více tepla. Zatímco plošná hustota postupuje zvýšením jak počtu stop na disku, tak počtu sektorů na stopu, pouze to druhé zvyšuje rychlost přenosu dat pro dané otáčky za minutu. Vzhledem k tomu, že rychlost přenosu dat sleduje pouze jednu ze dvou složek plošné hustoty, její výkon se zlepšuje nižší rychlostí.

Další úvahy

Mezi další faktory týkající se výkonu patří kvalitativně upravená cena , spotřeba energie, slyšitelný hluk a odolnost proti otřesům při provozu i mimo něj.

Přístup a rozhraní

Vnitřní pohled na pevný disk Seagate z roku 1998 , který používal rozhraní Parallel ATA
2,5palcový SATA disk nad 3,5palcovým SATA diskem s detailním záběrem (7pinových) datových a (15pinových) napájecích konektorů

Současné pevné disky se připojují k počítači prostřednictvím jednoho z několika typů sběrnic , včetně paralelních ATA , Serial ATA , SCSI , Serial Attached SCSI (SAS) a Fibre Channel . Některé disky, zejména externí přenosné disky, používají IEEE 1394 nebo USB . Všechna tato rozhraní jsou digitální; elektronika na měniči zpracovává analogové signály ze čtecích/zapisovacích hlav. Současné jednotky představují konzistentní rozhraní ke zbytku počítače, nezávislé na interně používaném schématu kódování dat a nezávislé na fyzickém počtu disků a hlav v jednotce.

Typicky DSP v elektronice uvnitř jednotky odebírá nezpracovaná analogová napětí ze čtecí hlavy a používá PRML a opravu chyb Reed–Solomon k dekódování dat a poté tato data odešle přes standardní rozhraní. Tento DSP také sleduje míru chyb zjištěnou detekcí a opravou chyb a provádí přemapování chybných sektorů , shromažďování dat pro vlastní monitorování, analýzu a hlášení a další interní úkoly.

Moderní rozhraní propojují měnič s hostitelským rozhraním pomocí jediného datového/řídícího kabelu. Každý pohon má také další napájecí kabel, obvykle přímo k napájecí jednotce. Starší rozhraní měla samostatné kabely pro datové signály a pro řídicí signály měniče.

  • Small Computer System Interface (SCSI), původně pojmenované SASI pro Shugart Associates System Interface, bylo standardem na serverech, pracovních stanicích, počítačích Commodore Amiga , Atari ST a Apple Macintosh až do poloviny 90. let, kdy byla většina modelů převedena na novější rozhraní. . Omezení délky datového kabelu umožňuje připojení externích zařízení SCSI. Sada příkazů SCSI se stále používá v modernějším rozhraní SAS.
  • Integrated Drive Electronics (IDE), později standardizované pod názvem AT Attachment (ATA, s aliasem PATA ( Paralelní ATA ) zpětně přidaným po zavedení SATA) přesunulo řadič HDD z karty rozhraní na diskovou jednotku. To pomohlo standardizovat rozhraní hostitel/řadič, snížit složitost programování v ovladači hostitelského zařízení a snížit náklady a složitost systému. 40kolíkové připojení IDE/ATA přenáší 16 bitů dat najednou na datovém kabelu. Datový kabel byl původně 40vodičový, ale později požadavky na vyšší rychlost vedly k režimu „ultra DMA“ (UDMA) využívajícím 80vodičový kabel s dalšími dráty pro snížení přeslechů při vysoké rychlosti.
  • EIDE byla neoficiální aktualizace (od společnosti Western Digital) původního standardu IDE, přičemž klíčovým vylepšením bylo použití přímého přístupu do paměti (DMA) pro přenos dat mezi diskem a počítačem bez zapojení CPU , což bylo později přijaté vylepšení. podle oficiálních standardů ATA. Přímým přenosem dat mezi pamětí a diskem eliminuje DMA potřebu, aby CPU kopírovalo bajt na bajt, což mu umožňuje zpracovávat jiné úlohy, zatímco probíhá přenos dat.
  • Fibre Channel (FC) je nástupcem paralelního rozhraní SCSI na podnikovém trhu. Jedná se o sériový protokol. U diskových jednotek se obvykle používá topologie připojení Fibre Channel Arbitrated Loop (FC-AL). FC má mnohem širší využití než pouhá disková rozhraní a je základním kamenem sítí SAN (Storage Area Network). Nedávno byly vyvinuty i další protokoly pro tuto oblast, jako je iSCSI a ATA přes Ethernet . Je matoucí, že jednotky obvykle používají měděné kroucené dvoulinky pro Fibre Channel, nikoli optické kabely. Ty jsou tradičně vyhrazeny pro větší zařízení, jako jsou servery nebo řadiče diskových polí .
  • Serial Attached SCSI (SAS). SAS je sériový komunikační protokol nové generace pro zařízení navržený tak, aby umožňoval mnohem vyšší rychlost přenosu dat a je kompatibilní se SATA. SAS používá mechanicky kompatibilní datový a napájecí konektor ke standardním 3,5palcovým SATA1/SATA2 HDD a mnoho serverově orientovaných řadičů SAS RAID je také schopno adresovat SATA HDD. SAS používá sériovou komunikaci namísto paralelní metody používané v tradičních zařízeních SCSI, ale stále používá příkazy SCSI.
  • Serial ATA (SATA). Datový kabel SATA má jeden datový pár pro rozdílový přenos dat do zařízení a jeden pár pro rozdílový příjem ze zařízení, stejně jako EIA-422 . To vyžaduje, aby byla data přenášena sériově. Podobný systém diferenciální signalizace se používá v RS485 , LocalTalk , USB , FireWire a diferenciální SCSI . SATA I až III jsou navrženy tak, aby byly kompatibilní s podmnožinou příkazů SAS a kompatibilními rozhraními a využívaly je. Proto lze pevný disk SATA připojit a ovládat pomocí řadiče pevného disku SAS (až na některé drobné výjimky, jako jsou disky/řadiče s omezenou kompatibilitou). Nelze je však připojit opačně – řadič SATA nelze připojit k jednotce SAS.

Integrita a selhání

Detail hlavy HDD spočívající na talíři disku; jeho zrcadlový odraz je viditelný na povrchu talíře. Pokud není hlava v přistávací zóně, mohou se hlavy dotýkat talířů během provozu katastrofálně.

Vzhledem k extrémně těsné vzdálenosti mezi hlavami a povrchem disku jsou pevné disky náchylné k poškození při nárazu hlavyselhání disku , při kterém hlava škrábe o povrch plotny, což často obrousí tenký magnetický film a způsobí data. ztráta. Zhroucení hlavy může být způsobeno poruchou elektroniky, náhlým výpadkem napájení, fyzickým šokem, kontaminací vnitřního krytu disku, opotřebením, korozí nebo špatně vyrobenými talíři a hlavami.

Systém vřetena HDD spoléhá na hustotu vzduchu uvnitř krytu disku, aby podpíral hlavy v jejich správné letové výšce , zatímco se disk otáčí. HDD vyžadují určitý rozsah hustoty vzduchu, aby správně fungovaly. Spojení s vnějším prostředím a hustotou se děje malým otvorem v krytu (asi 0,5 mm na šířku), obvykle s filtrem na vnitřní straně ( odvzdušňovací filtr ). Pokud je hustota vzduchu příliš nízká, pak není dostatečný zdvih pro letící hlavu, takže se hlava dostane příliš blízko k disku a hrozí pád hlavy a ztráta dat. Pro spolehlivý provoz ve vysokých nadmořských výškách nad asi 3 000 m (9 800 stop) jsou zapotřebí speciálně vyrobené utěsněné a natlakované disky. Moderní disky obsahují teplotní senzory a přizpůsobují svůj provoz provoznímu prostředí. Odvzdušňovací otvory jsou vidět na všech diskových jednotkách – obvykle mají vedle sebe nálepku, která uživatele varuje, aby otvory nezakrýval. Vzduch uvnitř pohonu se také neustále pohybuje, přičemž je v pohybu unášen třením o rotující talíře. Tento vzduch prochází vnitřním recirkulačním (nebo "recirkulačním") filtrem, aby se odstranily veškeré zbytky nečistot z výroby, jakékoli částice nebo chemikálie, které se mohly nějakým způsobem dostat do uzavřeného prostoru, a jakékoli částice nebo odplynění generované interně během normálního provozu. Velmi vysoká vlhkost přítomná po delší dobu může korodovat hlavy a talíře. Výjimkou jsou hermeticky uzavřené pevné disky plněné héliem, které do značné míry eliminují problémy s životním prostředím, které mohou nastat kvůli vlhkosti nebo změnám atmosférického tlaku. Takové HDD byly představeny společností HGST ve své první úspěšné implementaci velkého objemu v roce 2013.

Zejména u obřích magnetorezistivních (GMR) hlav má menší náraz hlavy způsobený kontaminací (která neodstraní magnetický povrch disku) stále za následek dočasné přehřátí hlavy v důsledku tření o povrch disku a může způsobit, že data nebudou čitelná. na krátkou dobu, dokud se teplota hlavy nestabilizuje (tzv. "tepelná asperita", problém, který lze částečně řešit správnou elektronickou filtrací čteného signálu).

Když selže logická deska pevného disku, lze jednotku často obnovit do funkčního stavu a data obnovit výměnou desky s obvody za identický pevný disk. V případě závad čtecí a zapisovací hlavy je lze vyměnit pomocí specializovaných nástrojů v bezprašném prostředí. Pokud jsou diskové plotny nepoškozené, lze je přenést do identického krytu a data zkopírovat nebo naklonovat na nový disk. V případě selhání diskové plotny může být vyžadováno rozebrání a zobrazení diskových ploten. Pro logické poškození souborových systémů lze pro obnovu dat použít různé nástroje, včetně fsck na systémech podobných UNIX a CHKDSK na Windows . Zotavení z logického poškození může vyžadovat vyřezávání souborů .

Běžným očekáváním je, že pevné disky navržené a uváděné na trh pro serverové použití budou selhávat méně často než běžné disky obvykle používané ve stolních počítačích. Dvě nezávislé studie Carnegie Mellon University a Google však zjistily, že „třída“ disku nesouvisí s poruchovostí disku.

Shrnutí výzkumu z roku 2011 týkající se vzorů selhání SSD a magnetických disků od Tom's Hardware shrnulo výsledky výzkumu takto:

  • Střední doba mezi poruchami (MTBF) nevypovídá o spolehlivosti; roční poruchovost je vyšší a obvykle relevantnější.
  • Pevné disky nemají tendenci selhat během brzkého používání a teplota má jen malý vliv; místo toho se míra selhání s věkem neustále zvyšuje.
  • SMART upozorňuje na mechanické problémy, ale ne na jiné problémy ovlivňující spolehlivost, a proto není spolehlivým indikátorem stavu.
  • Poruchovost disků prodávaných jako „podnikové“ a „spotřebitelské“ jsou „velmi podobné“, ačkoli tyto typy disků jsou přizpůsobeny pro různá provozní prostředí.
  • V diskových polích selhání jednoho disku výrazně zvyšuje krátkodobé riziko selhání druhého disku.

Od roku 2019 společnost Backblaze, poskytovatel úložišť, hlásila roční poruchovost dvě procenta ročně pro farmu úložišť se 110 000 běžně dostupnými pevnými disky, jejichž spolehlivost se mezi modely a výrobci značně liší. Backblaze následně uvedl, že míra selhání u HDD a SSD ekvivalentního stáří byla podobná.

Pro minimalizaci nákladů a překonání poruch jednotlivých pevných disků spoléhají poskytovatelé úložných systémů na redundantní pole HDD. Pevné disky, které selžou, jsou průběžně vyměňovány.

Segmenty trhu

Spotřebitelský segment

Dva špičkové SATA 2,5palcové pevné disky s 10 000 otáčkami za minutu, továrně namontované v 3,5palcových rámech adaptéru
Stolní HDD
Pevné disky pro stolní počítače mají obvykle dvě až pět vnitřních ploten, rotují rychlostí 5 400 až 10 000  ot./min . a mají přenosovou rychlost médií 0,5 Gbit/s nebo vyšší (1 GB = 10 9 bajtů; 1 Gbit/s = 10 9 bit/s). Dřívější (1980–1990) pohony mívaly pomalejší rychlost otáčení. V květnu 2019 bylo na HDD pro stolní počítače s nejvyšší kapacitou uloženo 16  TB s plánem vydat 18 TB disky později v roce 2019. 18 TB HDD byly vydány v roce 2020. Od roku 2016 byla typická rychlost pevného disku v průměrném stolním počítači je 7 200 ot./min, zatímco levné stolní počítače mohou používat disky s 5 900 ot./min nebo 5 400 ot./min. Po nějakou dobu v roce 2000 a na začátku roku 2010 někteří uživatelé stolních počítačů a datová centra také používali disky s 10 000 otáčkami za minutu, jako je Western Digital Raptor , ale tyto disky se od roku 2016 staly mnohem vzácnějšími a nyní se běžně nepoužívají, protože byly nahrazeny flash disky NAND. SSD disky.
Mobilní (notebook) HDD
Jsou menší než jejich stolní a podnikové protějšky, mají tendenci být pomalejší a mají nižší kapacitu, protože obvykle mají jeden vnitřní talíř a měly fyzickou velikost 2,5" nebo 1,8" namísto běžnějších 3,5" pro stolní počítače. Mobilní HDD se točí rychlostí 4 200 ot./min., 5 200 ot./min., 5 400 ot./min. nebo 7 200 ot./min., přičemž 5 400 ot./min je nejběžnější. 7 200 ot./min. disky bývají dražší a mají menší kapacitu, zatímco modely s 4 200 ot./min mají obvykle velmi velké úložné kapacity. ), mobilní HDD mají obecně nižší kapacitu než jejich stolní protějšky.
HDD spotřební elektroniky
Zahrnují pohony zabudované do digitálních videorekordérů a automobilových vozidel . První jmenované jsou nakonfigurovány tak, aby poskytovaly zaručenou kapacitu streamování, a to i při chybách čtení a zápisu, zatímco druhé jsou navrženy tak, aby odolávaly větším množstvím otřesů. Obvykle se točí rychlostí 5400 ot./min.
Externí a přenosné HDD
Dva 2,5" externí USB pevné disky
Současné externí pevné disky se obvykle připojují přes USB-C ; starší modely používají běžné USB (někdy s použitím dvojice portů pro lepší šířku pásma) nebo (výjimečně) např. eSATA připojení. Varianty využívající rozhraní USB 2.0 mají obecně nižší rychlost přenosu dat ve srovnání s interně připojenými pevnými disky připojenými přes SATA. Funkce jednotky Plug and Play nabízí kompatibilitu systému a nabízí velké možnosti úložiště a přenosný design. K březnu 2015 se dostupné kapacity pro externí pevné disky pohybovaly od 500 GB do 10 TB. Externí pevné disky jsou obvykle dostupné jako sestavené integrované produkty, ale lze je sestavit také kombinací externího krytu (s USB nebo jiným rozhraním) se samostatně zakoupeným diskem. Jsou k dispozici ve velikostech 2,5 palce a 3,5 palce; 2,5palcové varianty se obvykle nazývají přenosné externí disky , zatímco 3,5palcové varianty jsou označovány jako stolní externí disky . "Přenosné" disky jsou baleny v menších a lehčích skříních než "stolní" disky; „přenosné“ disky navíc využívají napájení poskytované připojením USB, zatímco „stolní“ disky vyžadují externí napájecí bloky . Funkce jako šifrování , Wi-Fi připojení, biometrické zabezpečení nebo více rozhraní (například FireWire ) jsou k dispozici za vyšší cenu. Existují předem sestavené externí pevné disky, které po vyjmutí z krytů nelze použít interně v notebooku nebo stolním počítači kvůli vestavěnému rozhraní USB na deskách s plošnými spoji a nedostatku rozhraní SATA (nebo Parallel ATA ).

Podnik a obchodní segment

HDD pro servery a pracovní stanice
Obvykle se používá na počítačích s více uživateli, na kterých běží podnikový software . Příklady jsou: databáze pro zpracování transakcí, internetová infrastruktura (e-mail, webový server, e-commerce), vědecký výpočetní software a software pro správu úložišť. Podnikové disky běžně pracují nepřetržitě ("24/7") v náročných prostředích a poskytují nejvyšší možný výkon bez obětování spolehlivosti. Maximální kapacita není primárním cílem, a proto jsou disky často nabízeny v kapacitách, které jsou v poměru k jejich ceně relativně nízké.
Nejrychlejší podnikové pevné disky se otáčí rychlostí 10 000 nebo 15 000 ot./min. a mohou dosahovat sekvenční přenosové rychlosti přes 1,6 Gbit/s a trvalé přenosové rychlosti až 1 Gbit/s. Disky běžící při 10 000 nebo 15 000 otáčkách za minutu používají menší plotny ke zmírnění zvýšených požadavků na energii (protože mají menší odpor vzduchu ), a proto mají obecně nižší kapacitu než stolní disky s nejvyšší kapacitou. Podnikové pevné disky se běžně připojují prostřednictvím sériového rozhraní SCSI (SAS) nebo Fibre Channel (FC). Některé podporují více portů, takže je lze připojit k redundantnímu adaptéru hostitelské sběrnice .
Podnikové pevné disky mohou mít velikost sektorů větší než 512 bajtů (často 520, 524, 528 nebo 536 bajtů). Dodatečný prostor pro jednotlivé sektory mohou využít hardwarové řadiče RAID nebo aplikace pro ukládání dat Data Integrity Field (DIF) nebo Data Integrity Extensions (DIX), což vede k vyšší spolehlivosti a prevenci tichého poškození dat .
HDD pro nahrávání videa
Tato řada byla podobná spotřebním HDD pro záznam videa s požadavky na stabilitu streamu a podobná serverovým HDD s požadavky na podporu rozšiřitelnosti, ale také byla silně orientována na růst vnitřní kapacity. Hlavní obětí pro tento segment je rychlost zápisu a čtení.

Výrobci a prodej

Schéma konsolidace výrobce HDD

Pevné disky v průběhu času vyrobilo více než 200 společností, ale konsolidace dnes soustředila výrobu pouze na tři výrobce: Western Digital , Seagate a Toshiba . Výroba je převážně v oblasti Pacifiku.

Celosvětové příjmy z diskových úložišť klesaly o osm procent ročně, z vrcholu 38 miliard dolarů v roce 2012 na 22 miliard dolarů (odhad) v roce 2019. Výroba úložišť HDD rostla v letech 2011–2017 o 15 % ročně, z 335 na 780 exabajtů ročně. Dodávky pevných disků během tohoto období klesaly o sedm procent ročně, z 620 na 406 milionů kusů. Dodávky pevných disků měly během let 2018–2019 klesnout o 18 %, z 375 milionů na 309 milionů kusů. V roce 2018 má Seagate 40 % kusových zásilek, Western Digital 37 % kusových zásilek a Toshiba 23 % kusových zásilek. Průměrná prodejní cena dvou největších výrobců byla v roce 2015 60 USD za kus.

Konkurence ze strany SSD

Pevné disky jsou nahrazovány pevnými disky (SSD) na trzích, kde je jejich vyšší rychlost (až 4950 megabajtů ) (4,95 gigabajtů ) za sekundu u SSD M.2 (NGFF) NVMe nebo 2500 megabajtů (2,5 gigabajtů ) za sekundu u Jednotky rozšiřujících karet PCIe ), odolnost a nižší výkon jsou důležitější než cena, protože bitová cena SSD je čtyřikrát až devětkrát vyšší než u HDD. Od roku 2016 mají HDD poruchovost 2–9 % ročně, zatímco SSD mají méně poruch: 1–3 % ročně. SSD disky však mají více neopravitelných datových chyb než HDD.

SSD nabízejí větší kapacity (až 100 TB) než největší HDD a/nebo vyšší hustotu úložiště (100 TB a 30 TB SSD jsou umístěny v pouzdrech 2,5palcových HDD, ale mají stejnou výšku jako 3,5palcový HDD), ačkoli jejich cena zůstává zakazující.

Laboratorní demonstrace 1,33-Tb 3D NAND čipu s 96 vrstvami (NAND běžně používaná v jednotkách SSD (SSD)) měla od roku 2019 5,5 Tbit/in 2 , zatímco maximální plošná hustota pro HDD je 1,5 Tbit/in 2 . Plošná hustota flash paměti se zdvojnásobuje každé dva roky, podobně jako u Moorova zákona (40 % za rok) a rychleji než 10–20 % za rok u HDD. Od roku 2018 byla maximální kapacita 16 terabajtů pro HDD a 100 terabajtů pro SSD. HDD byly použity v 70 % stolních počítačů a notebooků vyrobených v roce 2016 a SSD byly použity ve 30 %. Podíl využití HDD klesá a podle jedné prognózy by mohl v letech 2018–2019 klesnout pod 50 %, protože SSD nahrazují HDD s menší kapacitou (méně než jeden terabajt) ve stolních počítačích a noteboocích a MP3 přehrávačích.

Trh s čipy flash paměti (NAND) na bázi křemíku, které se používají v SSD a dalších aplikacích, roste rychleji než u HDD. Celosvětové příjmy z NAND vzrostly v letech 2011–2017 o 16 % ročně z 22 miliard USD na 57 miliard USD, zatímco produkce vzrostla o 45 % ročně z 19 na 175 exabajtů.

Viz také

Poznámky

Reference

Další čtení

externí odkazy