Хард дискове (Твърди дискове) HDD

ТАЗИ СТАТИЯ НЕ Е МОЯ


Твърдият диск енергонезависима компютърна памет. Информацията се съхранява по магнитен път върху покрити със специален слой плочи. Прилагателното „твърд“ подчертава разликата спрямо гъвкавия магнитен диск и напомня за исторически първото наименование запаметяващо устройство с твърд магнитен диск, ЗУТМД, използвано през 70-те и 80-те години на 20 век. Необходимостта от съхраняване на все повече информация налага устройства, използващи сменяеми дискови пакети, които разговорно също са наричани дискови пакети.

Устройство и технология

Конструкция

Запаметяващото устройство използва набор от една или повече дискови плочи (диска) около обща ос в т.нар. дисков пакет. Всяка плоча е покрита с магнитен слой, върху който информацията се записва и чете от магнитна глава. Данните се записват върху концентрични окръжности, които се наричат „пътечки“ (писти). Пистите се номерират за всяка плоча поотделно, като се започва от нулева (най-външната работна) до последната (с най-голям номер). Обикновено след нея има и няколко резервни (запасни).

Целият дисков пакет се върти с постоянна ъглова скорост около оста си, задвижван от електродвигател. При старите и големи устройства той е дори мощен трифазен електродвигател, свързан чрез ремъчна предавка с шпиндел, на който е фиксиран дисковия пакет. В съвременните устройства двигателят за пакета е най-често миниатюрен и плосък, куплиран директно към шпиндела, и управляван от специализиран контролер, стабилизиращ скоростта му на въртене.
За двете работни повърхности на всяка плоча има отделна глава за запис и четене. 

Блокът магнитни глави се задвижва чрез рамо, извършвайки операцията позициониране на главите чрез радиално преместване. В устройствата със сменяеми дискови пакети главите типично позиционират по права линия (радиално; към центъра на шпиндела на пакета), задвижвани от линеен двигател. При тези устройства, за да се постигне съвместимост на запис и четене на информацията от всеки сменяем пакет е необходимо да се настроят магнитните глави в радиална и тангенциална посока. За целта са използвани така наречени контролни пакети. При тези устройства магнитните глави се извеждат извън сменяемия дисков пакет и след това той може да се спре и смени.

При първото устройство на IBM от така наречен тип "Уинчестър" : IBM 3340, се преминава към производство на изделия, в които магнитните дискове и глави се обединяват в един неразглобяем модул. При спирането на устройството магнитните глави или "кацат" на повърхността на диска или се разтоварват (отделят) от нея. За да не се получи задиране на магнитните глави при кацането, обикновено върху повърхността е нанесен много тънък смазващ (намаляващ триенето) слой. За спиране и кацене на магнитните глави, блока глави се позиционира най-често на най-вътрешния диаметър на диска, където линейната скорост е най-ниска и височината на летене съответно най-малка.

В повечето от съвременните запаметяващи устройства с твърд магнитен диск, рамото се върти около ос, разположена извън пакета и успоредна на оста му, при което върхът на рамото и главите, закрепени на него, извършват движение по дъга от окръжност, ориентирана приблизително по радиуса на дисковия пакет.
Записът става чрез промяна на ориентацията на отделните магнитни домени. До края на 20 век записът се извършва надлъжно – ориентацията на домените е по протежение на пътечките, срещу или по посоката на въртене. Нуждата от повишаване на плътността на запис довежда до напречен запис – с ориентация на домените наляво или надясно, напречно на дължината на пистата, както и до перпендикулярен запис – перпендикулярно на повърхността, в дълбочината на магнитния слой, с ориентация на домейните нагоре или надолу.

От гледна точка на оптимизацията на достъпа до данните върху пакета във физическата им организация е въведено понятието цилиндър, обединяващо мислено пистите с еднакъв диаметър от всички работни повърхности. Цилиндрите съответстват по брой и номерация на пистите по коя да е повърхност. При само една работна повърхност (но не плоча, т.к. плочата често използва глава за всяка от двете си работни повърхности) понятието цилиндър няма смисъл. Поцилиндровите операции от тип търсене, четене или запис на информация често водят до съществена икономия във времето на достъп, доколкото в рамките на цилиндъра пистите се избират (сменят) чрез много бърза, електронна комутация на работната глава, а не се налага бавното препозициониране на друг номер писта (с друг радиус).

При въртенето на магнитния диск, магнитната глава „лети“ на определена височина от диска, следвайки профила му. При първите дискови устройства тази височина е 2-3 микрона, а при по-късно произвежданите устройства е под 0,1 микрона. В съвремените устройства с напредъка на качеството на единичните дискове и магнитните глави намалява драстично и тази височина. При тези условия наличието на замърсявания във въздушната среда на дисковото устройство, влошава рязко надеждността и живота на устройството. Поради това монтажа на дисковото устройство с твърд диск в частта дискове и глави се извършва в чиста стая. След това този модул на дисковото устройство се затваря херметично.

Съставни части

Твърд диск със свалени дискове и капак. Виждат се медните намотки на статора около лагерите в центъра на шпиндел двигателя. Вляво горе гъвкава печатна платка и блока глави с позиционера.

Твърдият диск има два електрически двигателя: шпинделен двигател за въртене на дисковете и позиционер на главите (линеен двигател). Шпинделният двигател е с външен ротор, а статора с намотките е неподвижен. Позиционера с ъглов линеен двигател е балансиран около лагерно тяло, като от външна страна се намира намотката на линейния двигател между постоянни магнити, а от от вътрешната, между дисковете се намират леки и здрави държатели на манитните глави, окачването им (плоски пружини ) и магнитните глави.

Блок глави с бобината на линейния двигател отляво и главите запис/четене вдясно

Позиционера (англ. Actuator) се състои от постоянен магнит и безкаркасна бобина от лек емайлиран проводник. Преминаващият през бобините ток взаимодейства с магнитното поле на постоянните магнити и позиционира блока магнитни глави. 

Управлението на позиционирането се извършва от управляващата електроника на твърдия диск в зависимост от прочетената сервоинформация, която е или записана на отделна повърхност (сервоповърхност) или е разпределена - записана на служебни сектори на всяка глава запис четене. За предаването на управляващите сигнали към бобината на позиционера и информацията за запис и четене към магнитните глави служи гъвкава печатна платка. Към позиционера има и ключалка, която трябва да обездвижи позиционера в неработещо положение и по време на транспорт.

В корпуса на твърдия диск има и два филтъра: единия е циркулационен-за филтриране на евентуално генерирани частици при работата на диска и втория : барометричен за компенсиране на външното атмосферно налягане (например при различна надморска височина).

Единичен магнитен диск

Основният материал на единичните дискове са обикновено алуминиеви, магнезиеви сплави или стъкло. Използва се покритие под магнитния запомнящ слой за намаляване на дифузията и подобряване на механическите качества на подложката. Магнитния слой в съвременните твърди дискове се нанася чрез разпрашване на материали като кобалт или например по-съвременните CoCrPt с дебелина под един микрон. Върху магнитния слой се нанася много тънък слой от въглерод, който служи да предотврати повреди на магнитното покритие при кацането на магнитната глава. Поради структурата на този въглероден слой, той наподобява диамантено покритие. В съвременните твърди дискове се поставят от един до четири единични диска, като на всеки диск има по две магнитни глави (на всяка повърхност)

Глави запис/четене

Магнитната глава представлява миниатюрна електромагнитна система, която намагнитва отделни участъци от магнитния запомнящ слой и по този начин извършва записа на информацията върху него. При въртенето на единичният диск, той създава въздушна възглавница върху летящото тяло на главата, на което се намира този електромагнит и съответна подемна сила. Летящото тяло е закрепено на плоска пружина, която го притиска към повърхността и осигурява една постоянна височина на летене. През годините тази височина се намалява непрекъснато, за да достигне в днешно време по някои данни до 0,003 микрона

Магнитната система на главата първоначално се изработва от феритен магнитопровод и емайлиран проводник за намотката. Ограничените възможности за развитие на тази технология е причина още от 80-те години заедно с развитието на дисковите устройства, да се работи по разработката на тънкослойните магнитните глави. Първоначално те са аналог на индуктивните глави -намотка и магнитопровод изработени с помощта на тънкослойни технологии. По късно се преминава към магниторезистивни глави.

Магнитен запис

При твърдия диск данните се записват като се намагнетизира тънък слой от феромагнитен материал намиращ се върху твърдия диск. При последователната промяна в посоката на намагнитването се получават отделните кодирани двоични кодове. Данните се прочитат като на местата на промяна на магнитното поле се отчита промяна в електрическият сигнал на магнитната глава.

При записа на информацията около процепа на магнитната глава се получава магнитно поле , наречено понякога "магнитен пламък", което променя по определен начин магнитните домени. При четене на записа на местата на промяна на намагнитването, в магнитната глава се възбужда електрически сигнал. При преминаването от надлъжен към перпендикулярен магнитен запис се увеличава плътността на запис и четене и от там общата плътност на запис на твърдите дискове.

Серво запис

За да може записаната информация да бъде прочетена е необходимо при всяко позициониране на определен цилиндър /пътека да се позиционира точно на съответното място на записа. С развоя на твърдите дискове това се извършва по различен начин:

С предварително настройване на положението на магнитните глави (радиално и тангенциално) с използването на така наречени контролни пакети (при сменяемите дискови пакети).

С използването на отделна повърхност в пакета от магнитни дискове - сервовърхност, върху която е записана предварително сервоинформация, служеща за точното позициониране на блока магнитни глави. Тази информация се записва предварително на сервоповърхността с използването на специално оборудване- серворайтер. Тази информация се чете непрекъснато по време на работата на твърдия диск от сервоглавата. Сервоинформацията , записана предварително, трябва да се запази по време на целия живот на твърдия диск. Затова е важно да се елеминират външни и вътрешни магнитни полета, както и всички части на твърдия диск намиращи се в близост до тази информация да бъдат немагнитни. Записа на сервоинформацията се извършва в чиста стая.

Разпределена сервоинформация - всяка двойка диск и глава съдържа необходимата за позиционирането си на съответната пътека информация.

Твърд диск с хелий

Western Digital със своята дъщерна фирма HGST разработва и през 2013 започва производството на твърд диск напълнен вместо въздух с хелий-технология HelioSeal. Предимствата са следните:

Хелият като много по-лек газ от въздуха (седем пъти по-лек) има голяма разлика в поведението при летенето на магнитните глави. При въздуха, който е по тежък флуид от хелия се получават турболенции при висока скорост и допълнителни вибрации в магнитните глави.

Създават се топлинни загуби, които не позволяват увеличаването на броя на единичните магнитни дискове. При твърдите дискове с хелий на мястото на пет диска могат да се поставят седем при по-малки топлинни загуби

Хелият е газ, който много трудно може да се уплътни херметично поради малкия размер на молекулата му, но при изпълнение на тази задаче се получава устройство, което напълно е изолирано от външните условия и не се влияе от замърсяване в околната среда. Тези твърди дискове могат да се потапят и охлаждат отвън без проблеми, включително в течна среда.

Тези устройства имат 20% по-малък разход на енергия, по-тихи са и с по-ниска работна температура.

Увеличава се надеждността на твърдия диск. Обявеният от Western Digital параметър MTBF e 2,5 милиона часа.

В края на 2015 година Western Digital и в началото на 2016 година фирма Seagate обявяват производство на 10ТВ, 3.5 твърд диск с тази технология.

SMR

Shingled Magnetic Recording (SMR) е техника на запис/четене, разработена за използване в някои твърди дискове. Целта е да се увеличи радиалната плътност на запис. Увеличаването на коерцитивната сила на магнитното покритие на единичния магнитен диск изисква по-силно магнитно поле за пренамагнитване му. При технологията SMR това се постига с магнитна глава за запис, която е по-широка от тази за четене и препокрива част от съседната пътека^[2]. По този начин при записа на всяка една пътека се изтрива и част от записа на съседната пътека.

При стандартния магнитен запис отделните пътеки за магнитния запис са паралелни и отделени на определено разстояние , така че да не си влияят по време на запис и четене. При новия метод на запис припокриването при запис, позволява получаването на пътеки със записана информация по-тесни от широчината на записващата глава. Това позволява увеличение на обема на записаната информация с 25 процента.

Поради това че при запис се засяга и съседната пътека, се променя начина на записване. При запис трябва да се презаписват и засегнатите пътеки. Това прави процеса на запис много по-бавен от четенето. Има различни начини за организация на работа. Тези устройства естествено са подходящи за архивиране, тъй като скоростта на процеса на четене на информацията не се намалява.

Seagate доставя такива дискове от септември 2013 г.

HAMR

HAMR heat-assisted magnetic recording е топлинно-асистиран магнитен запис (или хибриден запис), и с него се означава един метод за магнитен запис, който трябва да осигури много по-голяма плътност на запис от сега произвежданите серийно устройства.

Seagate показва през 2002 година за първи път лабораторен опит с HAMR. Междувременно поради редица технически проблеми, които трябва да се решат с магнитното покритие, защитното смазващо покритие и магнитните глави, серийно произвеждани устройства се очакват не по-рано от 2018 година. По време на процеса на запис магнитното покритие, върху което трябва да се записва се нагрява локално с лазер до температурата на Кюри, за да може магнитното поле, необходимо за записа да се държи колкото си може по-малко. Крайния резултат е многократно увеличаване на плътността на запис.

Характеристики

Капацитет

Капацитетът на твърдия диск е количеството данни, които могат да се запишат на него. Модерните твърди дискове достигат капацитет 4 000 GB (и повече) за размер 3,5".

Размери

Преди появата на персоналните компютри твърдите дискове се произвеждат в множество различни размери, като обикновено се поставят в самостоятелни или в стандартни 19-инчови шкафове. Тъй като първите персонални компютри имат вградени флопидискови устройства, твърдите дискове за този пазар започват да се конструират със същите размери – първоначално стандартните за флопидисковите устройства ширини 8", 5,25" и 3,5". По-късно се появяват и твърди дискове с по-малки размери. Към 2009 година най-малките размери (1,3", 1" и 0,85") са спрени от производство, поради поевтиняването на флаш-паметта.

Стандартните размери твърди дискове са:

Означение	Ширина, mm	Дебелина, mm	Дължина, mm
8"	241,3	117,5	362
5,25"	146,1	41,4	203
3,5"	101,6	25,4	146
2,5"	69,85	7-15	100
1,8"	54	8	71
1"	42,8	5	36,4
0,85"	24	5	32

Интерфейс – съвкупността от връзки, сигнали, технически средства за поддръжка на връзките и правила на обмен. Модерните твърди дискове ползват интерфейси ATA (AT Attachment, или IDE – Integrated Drive Electronic, или Parallel ATA), (EIDE), Serial ATA, SCSI (Small Computer System Interface), SAS, FireWire, USB, SDIO и Fibre Channel.

Време за произволен (случаен) достъп (на английски: random access time) – от 3 до 15 милисекунди.

Скорост на въртене на шпиндела (на английски: spindle speed) – брой обороти на шпиндела за минута. От нея зависят времето за достъп и скоростта на предаване на данните. Към 2007 г. се произвеждат твърди дискове със скорости на въртене: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуци), 7200 и 10 000 (персонални компютри), 10 000 и 15 000 об/мин. (сървъри и работни станции).

Надеждност (на английски: reliability) – средно време за амортизация (до първия отказ) (Mean Time Between Failures, MTBF).

Количество входно-изходни операции за секунда – съвременните дискове позволяват около 50 оп./сек при произволен достъп и около 100 оп./сек при последователен достъп.

Консумация на енергия – важен фактор при мобилните устройства.

Ниво на шум – шумът при работа на диска, измерен в децибели. За да се счита за тих, дискът трябва да има ниво на шума около 26 dB и по-малко.

Устойчивост на удари (на английски: G-shock rating) – допустимото натоварване се измерва в единици g.

Скорост на предаване на данни (на английски: Transfer Rate):

Вътрешна зона на диска: от 44,2 до 74,5 MB/s

Външна зона на диска: от 74,0 до 111,4 MB/s

Причини за повреди и мерки за сигурност

Най-често срещаните причини за повреди в твърдия диск са:

При новите високооборотни твърди дискове има основно термични проблеми, свързани с нагряването на въздуха между единичните дискове.

Задиране на магнитната глава и диска. При нормална работа главата лети върху диска на определена височина. При определени условия- вибрации, удари , замърсяване и други , може да се получи задиране.

Външните магнитни полета могат да изтрият и разрушат служебната сервоинформация и направят диска негоден.

Грешка в електрониката и износване на механиката

Дълъг престой в неработещо положение, когато главата лежи неподвижно на диска, може да доведе до залепването й върху него и невъзможност изобщо диска да се завърти.

Стресови вибрации и удари могат да доведат до бързо повреждане.

Висока температура на работа , над работната температура посочена от производителя.

Твърдите дискове по принцип могат да работят във всяко положение , но трябва все пак да се има предвид и указанието на производителя. Дисковете е добре да са закрепени към конструкцията на компютъра , за да се намали влиянието на собствените вибрации.

По време на монтаж да се спазват правила за ESD.

Да се прави редовно копиране на важните документи от твърдия диск.

Средният брой работни часове, преди един диск да се повреди се означава като MTTF (Mean Time To Failure), а при твърдите дискове , които се ремонтират MTBF- (Mean Time Between Failures). Това са данни , които се събират статистически за различните модели на различните производители.

Производители на твърди дискове

През 2014 година в света са произведени 564 милиона твърди диска с общ обем 529 Exabyte .Промените през последните 20 години са довели в крайна сметка до намаляване на броя на производителите до три основни фирми.

Име	Пазарен дял 2014[7]
Western Digital	43 %
Seagate	41 %
Toshiba	16 %