Napędy twardych dysków

Rozwój techniki twardych dysków przypomina marsz w siedmiomilowych butach. Przed siedmioma laty standardem był dysk o pojemności 1,6 GB. Dzisiaj przeciętne modele oferują pojemność stokrotnie większą. Rośnie nie tylko pojemność. Dzisiejsze dyski są znacznie bardziej zaawansowane technicznie, bardziej niezawodne, a przy tym dużo tańsze (biorąc pod uwagę cenę 1 GB).

Rozwój techniki twardych dysków przypomina marsz w siedmiomilowych butach. Przed siedmioma laty standardem był dysk o pojemności 1,6 GB. Dzisiaj przeciętne modele oferują pojemność stokrotnie większą. Rośnie nie tylko pojemność. Dzisiejsze dyski są znacznie bardziej zaawansowane technicznie, bardziej niezawodne, a przy tym dużo tańsze (biorąc pod uwagę cenę 1 GB).

Dlaczego tak się dzieje? Duch wynalazczości nie uznaje żadnych hamulców. Twardy dysk ma określony kształt i wymiary oraz kilka złączy określonych specyfikacją.

Istotne właściwości dysku, takie jak wydajność, pobór mocy i cena, zależą od technologii, która kryje się w jego wnętrzu, niewidoczna dla użytkownika. Producenci mogą zatem optymalizować i udoskonalać napędy niemal według własnego uznania.

Zajrzymy do środka wirujących pamięci i postaramy się odpowiedzieć na pytanie, dlaczego postęp w technice twardych dysków był tak szybki. Z dzisiejszej perspektywy praktycznie nie widać końca ani barier tego postępu. O ile nie będzie to wyraźnie zaznaczone inaczej, wszystkie opisy i parametry odnoszą się do dysków 3,5-calowych.

Historia

Już w roku 1878 Amerykanin Oberlin Smith próbował zapisać dane elektryczne na namagnesowanym drucie. W roku 1888 zdecydował się nie patentować swojego wynalazku, lecz udostępnić go publicznie. Mniej więcej w tym samym czasie na pomysł magnetycznego zapisu danych wpadł Duńczyk Valdemar Poulsen. W wyniku tego powstał bęben z nawiniętym drutem stalowym, który już w roku 1889 służył jako automatyczna sekretarka. Kolejni wynalazcy skupili się w kolejnych latach na problemie szeregowego zapisu danych na drucie, a później na taśmie. Już w latach pięćdziesiątych XX wieku były pojedyncze egzemplarze pamięci bębnowych.

Jednak właściwy dzień narodzin twardego dysku to 13 września 1956 roku. Tego dnia IBM zaprezentował pierwszy twardy dysk o oznaczeniu 305 RAMAC ( http://www.ibm.com/ibm/history/story/era2.html ) i pojemności 5 MB. Pojemność ta rozkładała się na 50 talerzy o średnicy 60 cm każdy. Cenę dzierżawy urządzenia ustalono na 150 dol. miesięcznie za 1 MB. Rok później IBM wdrożył koncepcję "szeroki zapis, wąski odczyt", która do dziś znajduje zastosowanie w technologiach MR i GMR.

Firma Seagate zbudowała w roku 1979 pierwszy twardy dysk w formacie 5,25 cala. W roku 1981 pojawiło się SCSI, a w 1982 Seagate opracował interfejs ST 506, z którego później powstały IDE, E-IDE, ATA i AATAPI. Napęd Seagate ST 506, od którego wziął nazwę interfejs, miał, podobnie jak RAMAC z roku 1956, pojemność 5 MB. W roku 1988 wynaleziono Fibre Channel. W 1996 Seagate zaprezentował Cheetah, pierwszą serię dysków o prędkości obrotowej 10 000 obr./min. W 1998 Seagate wprowadził serię dysków Barracuda o maksymalnej pojemności 50 GB. Zaledwie dwa lata później wartość ta zwiększyła się do 183 GB. To więcej, niż przeciętny dotąd wzrost pojemności o 60 procent rocznie lub 100 procent w ciągu dwóch lat. W latach 1957-1990 tempo wzrostu wynosiło około 25 procent rocznie.

Gęstość zapisu wzrastała od 2000 bitów/cal<sup>2</sup> w roku 1957 do ponad 1 Gb/cal<sup>2</sup> w latach 1995 do 1997. Dzisiejsze wartości oscylują wokół 30 do 60 Gb/cal<sup>2</sup>. W najbliższym czasie można oczekiwać gęstości zapisu rzędu 100 Gb/cal<sup>2</sup> w napędach produkowanych seryjnie.

Budowa twardego dysku

Porządek - podział geometryczny talerza magnetycznego na sektory i ścieżki. Pozycjonowanie głowice zapewnia ramię z aktuatorem.

Porządek - podział geometryczny talerza magnetycznego na sektory i ścieżki. Pozycjonowanie głowice zapewnia ramię z aktuatorem.

Zewnętrznie dyski różnią się między sobą praktycznie tylko wyglądem. Szerokość czołowa oraz dolne i boczne punkty mocowania są zdefiniowane. Grubość dysku może być różna. Głębokość obudowy dysku nie może przekroczyć pewnej wartości. Zdefiniowany jest także rodzaj i umiejscowienie gniazd połączeniowych (E-IDE lub SCSI). Częściowo dotyczy to również gniazd zasilania, jeśli nie są zintegrowane z gniazdem sygnałowym. W żaden sposób nie jest zdefiniowana budowa wewnętrzna i wyposażenie techniczne. Dotyczy to na przykład wielkości lub funkcji logicznej pamięci cache. Dzięki temu producenci mogą na przykład stosować również technologie optyczne, mimo że dyski twarde to urządzenia w przeważającej części elektromagnetyczne.

Twarde dyski zawierają wbudowane, wirujące talerze, których powłoka magnetyczna służy jako nośnik danych. Efekty elektromagnetyczne, jak indukcja czy zmiany strumieni magnetycznych, powstają w wyniku względnego ruchu między komponentami elektrycznymi i magnetycznymi. Najprostsza forma takiego ruchu to ruch obrotowy, przy czym obowiązuje zasada - im szybciej, tym wydajniej. Im szybsza jest bowiem zmiana strumienia magnetycznego w cewce, tym większy jest indukowany prąd, a tym samym silniejszy jest sygnał.

Trochę ciasno

Wewnątrz twardego dysku silnik elektryczny obraca wokół osi jeden lub więcej (do dwunastu) talerzy z możliwie największą prędkością obrotową. Jest to na ogół 5400, 7200, 10 000, a nawet 15 000 obrotów na minutę. Producenci już testują większe prędkości obrotowe. Talerze pokryte są substancją magnetyczną. Ponad talerzami znajdują się głowice zapisujące i odczytujące, umieszczone na ramionach. Ramiona przemieszczają głowice między wewnętrzną a zewnętrzną częścią użytecznego promienia dysku, ustawiając je nad odpowiednią w danej chwili ścieżką. W obudowie jest bardzo mało miejsca na silnik, dlatego też masa talerzy powinna być jak najmniejsza.

Talerze i głowice znajdują się w hermetycznie zamkniętej obudowie. Chroni to przed wilgocią i zanieczyszczeniami. Taki układ określano wcześniej mianem technologii Winchester.

Dużo problemów nastręcza odprowadzanie powstającego ciepła. Zmiany temperatur między fazami spoczynku a pracą z pełnym obciążeniem powodują wydłużenie materiałów. Powoduje to zmianę położenia geometrycznego głowicy na ramieniu. Oznacza to, że głowica zapisuje ścieżkę obok właściwej linii lub podczas odczytu pozycjonowana jest obok właściwej ścieżki. Dlatego wszyscy producenci starają się ograniczyć pobór mocy przez silniki i układy scalone. Modyfikowane są również łożyska, żeby zmniejszyć opory tarcia.

Rozmieszczenie danych

Element magnetorezystywny - schemat budowy głowicy MR w przekroju bocznym (źródło - Quantum, obecnie Maxtor).

Element magnetorezystywny - schemat budowy głowicy MR w przekroju bocznym (źródło - Quantum, obecnie Maxtor).

Ścieżki mają postać koncentrycznych kręgów na talerzu dysku. Każdy krąg jest podzielony na wiele sektorów, nazywanych też blokami. Sektory/bloki w dyskach do komputerów PC mają najczęściej wielkość 512 bajtów. W systemach uniksowych i komputerach typu mainframe bloki są na ogół większe. W każdym sektorze musi też znaleźć się dodatkowe miejsce na informacje niezbędne do zarządzania danymi.

Odczyt i zapis zawsze odbywa się w całym sektorze, nawet jeśli rzeczywiście wykorzystywana jest tylko część znajdujących się tam danych. W celu ułatwienia adresowania często łączy się pewną liczbę sektorów w tak zwane klastry.

W dyskach z wieloma talerzami ścieżki znajdujące się geometrycznie ponad sobą tworzą cylinder. W takim przypadku wszystkie głowice pozycjonowane są jednocześnie na odpowiednie ścieżki. W przypadku zapisu dużych ilości danych nie są one rozmieszczane na różnych ścieżkach, lecz jednocześnie na tych samych ścieżkach różnych talerzy. W ten sposób zmniejsza się liczba koniecznych ustawień głowic, a więc uzyskuje się większą przepustowość danych.

Długość koncentrycznych ścieżek jest w pobliżu osi dysku mniejsza od długości ścieżek na obwodzie talerza. Odpowiednio, prędkość względna głowicy względem talerza jest większa przy jego zewnętrznej krawędzi. Gdyby sektory miały postać segmentów o stałym kącie, skutkowałoby to marnotrawstwem przestrzeni na ścieżkach zewnętrznych. Dlatego w długich zewnętrznych ścieżkach znajduje się więcej sektorów niż w wewnętrznych.

W ten sposób powstają strefy o jednakowej liczbie sektorów w ścieżce, ponieważ nową strefę można utworzyć dopiero wtedy, gdy kolejna ścieżka jest o tyle dłuższa, że pomieści kolejny kompletny sektor na 512 bajtów danych. W wyniku takiego podziału na strefy powstają struktury, które wyglądają jak wycinki spiralnych krzywych, wychodzących od osi dysku. Na jednym talerzu znajduje się przeciętnie od 15 do 25 stref.


Zobacz również