Обзор технологий хранения информации. Часть III.1 Жесткие диски (винчестеры)

Ситуация с накопителями на жестких дисках мне лично весьма напоминает ситуацию с автомобилями, оснащенными бензиновыми двигателями внутреннего сгорания. Судите сами, ни одно транспортное средство с древнейших времен не сравнится по количеству критики в свой адрес с чадящими «гробами на колесах». Они постоянно критикуются всеми: за загрязнение окружающей среды, ДТП, пробки, высокую скорость в прошлом, низкую надежность сейчас :) и т.д., и т.п. Им постоянно предрекают скорую и мучительную смерть :) - от транспорта на газе, спирте, электричестве, атомной энергии, биотопливе, от вертолетов, велосипедов, джоггинга, самодвижущихся тротуаров, поездов на магнитной подушке вплоть до телепортации и телекинеза :). Но, несмотря на столь пессимистичные в отношении их прогнозы, автомобили вот уже второй век трудятся, совершенствуются и остаются мейнстримом транспортных средств.

С компьютерными жесткими дисками схожая картина. Они также имеют богатую полувековую историю, критикуются не меньше вышеуказанных транспортных средств за скорость и ненадежность, чуть ли не ежемесячно объявляется кандидат в их «могильщики» (когда-то это были CD-диски, потом DVD и магнитооптика, не так давно флеш-память, сегодня говорится о MRAM и памяти на основе нанотрубок…). Но ежегодно создается около 5 000 000 терабайт новых данных, 92% которых хранится на жестких дисках (согласно исследованиям ученых Калифорнийского университета в Беркли). Сюда, разумеется, не входит многократно копируемая и тиражируемая информация. И аналитики предсказывают ежегодный рост продаж жестких дисков на 12-15%. Фирмы, производящие «винчестеры», вычерчивают роудмапы до 2013 года, прогнозируя плотность записи до 15 000 Гб на кв. дюйм, то есть емкость такого накопителя форм-фактора 3.5” составит около 50ТБ. Для сравнения: у современных накопителей она на уровне 100-150 Гб/кв.дюйм.

Анатомия накопителей на жестких магнитных дисках
Конструкция большинства накопителей на жестких магнитных дисках (далее: накопитель) схожа. Типичный накопитель (см. рис.1) состоит из двух основных частей: гермоблока (также называемого камерой или, на жаргоне, «банкой») и платы контроллера.



Внутри гермоблока размещается диск или набор из нескольких дисков, насаженных на один шпиндель и вращаемых электродвигателем, блок магнитных головок (БМГ) с механизмом их перемещения, а также схема предварительного усилителя сигнала.

Магнитные диски, называемые пластинами (а на жаргоне - "блинами"), выполнены из алюминия (иногда из других материалов, например, из специального стекла). Поверхность пластин отполирована и покрыта магнитным материалом (рис 2).



Информация заносится на концентрические дорожки, равномерно распределенные по всему носителю. В случае большего, чем один диск, числа носителей, все дорожки, находящиеся одна под другой, называются цилиндром. Операции чтения/записи производятся подряд над всеми дорожками цилиндра, после чего головки перемещаются на новую позицию.

Для вращения дисков применяется электродвигатель, состоящий из неподвижного якоря с обмотками и вращающегося постоянного магнита. Он обеспечивает постоянное вращение дисков с высокой скоростью (от 4500 до 15000 об./мин.). Двигатель оборудован специальными подшипниками, либо шариковыми, либо более совершенными жидкостными, в которых используется особое масло. Жидкостные подшипники имеют более низкий уровень шума и почти не выделяют тепла во время работы. Кроме того, некоторые современные накопители имеют двигатель, целиком погруженный в герметичный сосуд с маслом для более эффективного отвода тепла от обмоток.

В ранних моделях накопителей управление позиционированием и перемещением БМГ осуществлялось при помощи специального шагового двигателя. В этих системах головки перемещались на определенную величину, соответствующую расстоянию между дорожками. Дискретность шагов зависела либо от характеристик шагового двигателя, либо задавалась специальными сервометками на диске.

Сейчас же для управления головками в основном используется соленоидный привод. Он представляет собой плоскую катушку-соленоид, помещенную между полюсами постоянного магнита и закрепленную на конце рычага, вращающегося на подшипнике. На другом его конце находится легкая стрелка с магнитными головками. Катушка способна перемещаться в магнитном поле под действием проходящего через нее тока, передвигая одновременно все головки в радиальном направлении.

Для определения необходимого положения головок служат специальные сервисные сигналы, записанные на носитель при его производстве и считываемые при позиционировании головок. В некоторых устройствах для сервосигналов используется целая поверхность и специальная головка или оптический датчик. Такой способ организации серводанных носит название «выделенная запись сервосигналов». Если сервосигналы записываются на те же дорожки, что и данные, и для них выделяется специальный сервосектор, а чтение производится теми же головками, что и чтение данных, то такой механизм называется «встроенная запись сервосигналов». Выделенная запись обеспечивает более высокое быстродействие, а встроенная - повышает емкость устройства.

Соленоидные приводы перемещают головки значительно быстрее, чем шаговые, кроме того, они позволяют производить небольшие радиальные перемещения «внутри» дорожки, что позволяет отслеживать центр окружности серводорожки. Этим достигается положение головки, наилучшее для считывания с каждой дорожки, что значительно повышает достоверность считываемых данных.

Как правило, все устройства с соленоидным приводом имеют автоматический механизм парковки головок чтения/записи при отключении питания устройства.

В нерабочем состоянии накопителя головки находятся вблизи центра дисков, в "парковочной зоне" (landing zone) и прижаты к пластинам фиксатором.

В работающем же накопителе головки создающимся потоком воздуха приподнимаются над поверхностью дисков, преодолевая усилие пружин. Толщина воздушной прослойки между диском и головкой у современных накопителей всего 0,1 мкм. Так как механический контакт головки с диском отсутствует, износа дисков и головок не происходит.

Гермоблок, несмотря на название, не полностью герметичен. Давление внутри и снаружи выравнивается с помощью фильтра. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует внутри корпуса и постоянно очищается еще одним, внутренним фильтром от пыли, сумевшей каким-то образом попасть внутрь.

Контроллер представляет собой плату электроники накопителя, на которой расположены схемы управления вращением двигателя, перемещением БМГ, управляющий микропроцессор с набором периферийных контроллеров, флэш-ПЗУ, ОЗУ, выполняющая роль буфера (кэша) жесткого диска, также на плате расположены схемы обработки сигнала. Контроллер размещается за пределами гермоблока, как правило, в его нижней части.

История жестких дисков
Можно сказать, что история жестких дисков началась в 1952 году, когда корпорация IBM предложила одному из своих ведущих инженеров, Рейнольду Джонсону, возглавить новую исследовательскую лабораторию, основной задачей которой ставился поиск альтернативы медленным перфокартам и магнитным лентам с последовательным доступом. Или, если ориентироваться на результат, то отсчет эры магнитных дисков нужно вести от 13 сентября 1956 года. Именно тогда IBM представила компьютер IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control), оснащенный первым накопителем на жестких магнитных дисках IBM 350 Disk File.

Накопитель представлял собой огромный шкаф весом почти в тонну, в котором находился пакет из 50 дисков диаметром 24 дюйма, вращавшихся со скоростью 1200об/мин. Пластины диска были смонтированы на вращающемся шпинделе и покрыты пленкой оксида железа, а головки чтения и записи были смонтированы на кронштейне, который перемещался вверх-вниз на вертикальном стержне, причем время доставки головки к нужной дорожке составляло менее одной секунды (!!!). Среднее время доступа к произвольной ячейке равнялось примерно 1 секунде. Емкость RAMAC 350 Disk File составляла по тем временам совершенно умопомрачительную цифру – 5.000.000 байт (~4,4МБ) при плотности записи 2кб/кв.дюйм.

Уже тогда в нем были заложены концепции, которые определили развитие отрасли на десятилетия, - вращающиеся пластины с магнитным покрытием, концентрические дорожки записи, быстрый доступ к любой случайно выбранной дорожке. А продольное расположение магнитных доменов продержалось ни много, ни мало полвека, и только в последние годы производители жестких дисков начали осваивать технологию перпендикулярной записи, которую в свое время рассматривали создатели RAMAC наряду с продольной записью, сделав нелегкий выбор в пользу последней :-).

Не следует думать, что IBM изобрела что-то уникальное. Нет, группа Джонсона просто стала первой из тех, кто выпустил из недр лаборатории работающий жесткий диск. Несколько компаний были близки к созданию такого устройства, в том числе очень известная в то время компания Univac. Последняя была вполне в состоянии опередить IBM, но… отдала предпочтение магнитным барабанам. Рынок ей этого не простил.

После фурора, произведенного первым жестким диском, всю дальнейшую историю развития этого класса накопителей можно вкратце охарактеризовать как поступательное движение в направлении увеличения поверхностной плотности записи на пластину. Параллельно возрастала скорость вращения шпинделя, сокращалось время доступа, уменьшались габариты и масса, совершенствовались потребительские свойства, среди которых приоритетным постепенно становился жизненный цикл изделия.

Что добавила с тех пор принципиального инженерная мысль? Фактически только сервометки, гермоблок и принцип «одна поверхность – одна пара головок».

В 1971 году той же IBM в модели 3330-1 Merlin была реализована идея отдельных головок чтения/записи для каждой поверхности. А в 1973 году появился накопитель IBM 3340. По сравнению с RAMAC, он стал намного миниатюрнее (эдакий шкафчик высотой в метр), в нем был впервые реализовано «парение» головок над поверхностью, а корпус, где находились диски, стал герметичным. Плотность записи была доведена до 1,7Мб на квадратный дюйм, а время доступа снижено до 25мс. Вполне справедливо считают эту модель родоначальником современных жестких дисков. Кстати, именно этот накопитель получил неофициальное прозвище «винчестер», широко употребляемое сейчас, как короткий синоним словосочетания «накопитель на жестких магнитных дисках». Такое прозвище ему дали за емкость: он имел несменяемую емкость 30Мбайт и 30МБ в сменном отсеке по аналогии со знаменитой винтовкой 30-30 Winchester. В том же 1973 году IBM впервые применила сервотехнологию для позиционирования головок на пластинах.

А в 1979 году все та же IBM ввела в обращение тонкопленочную технологию изготовления магнитных головок. Это позволило довести плотность магнитной записи до 7,9млн.бит на квадратный дюйм. Она была применена в накопителе IBM Piccolo – первом жестком диске формата 8”.

К 1980 году эпоха безраздельного царствования IBM закончилась – на рынке появились накопители других компаний, например, Seagate Technology. Кстати, первый накопитель форм-фактора 5.25” был выпущен именно этой компанией. С тех пор миниатюризация пошла полным ходом: в 1983 году Rodime запустила в продажу 3,5-дюймовые диски, а в 1988-м появился первый 2.5-дюймовый накопитель от PrairieTek. И, наконец, IBM первой в мире представила однодюймовый жесткий диск — Microdirve объемом 340МБ. Это произошло в 1999 году.

Диски уменьшались, емкость же их росла. Четверть века понадобилось индустрии для того, чтобы взять рубеж в 1ГБ. Это произошло в 1982 году. Компания Hitachi вошла в историю с накопителем H-8598 емкостью 1,2ГБ.

На взятие следующего знакового рубежа в 1ТБ снова потребовалось четверть века. В 2006 году компанией Hitachi был выпущен терабайтный винчестер.

Параллельно с емкостью росла и скорость вращения шпинделя. В 1993 г. Seagate Technology представила первый накопитель со скоростью вращения шпинделя 7200об/мин — 2,1ГБ ST121550 Barracuda, а винчестер со скоростью 10000 оборотов в минуту появился через четыре года в линейке продуктов той же Seagate. Это был ST19101 Cheetah 9 емкостью 9,1Гбайт. Рекорд в 1998 году побила Hitachi. Диски в ее накопителе DK3F-1 емкостью 9,2ГБ, вращались со скоростью 12 000об/мин. А первый «пятнадцатитысячник» был выпущен на рубеже XXI века (в 2000 году) компанией Seagate. Им стал 18,4-гигабайтный ST318451 Cheetah X15.

Ну и, наконец, с 2005 года начали появляться модели, основанные на ином методе магнитной записи – перпендикулярном. Первой отметилась накопителем на этом принципе компания Toshiba, выпустив 1,8-дюймовый жесткий диск MK4007 GAL, емкостью 40ГБ. Но в продажу первой запустила перпендикулярные диски не Toshiba, а все та же Seagate в 2006 году.

Часть I Принципы работы и классификация ЗУ
Часть II.1 История ЗУ с последовательным доступом
Часть II.2 Современные ЗУ с последовательным доступом
Часть III.1 Жесткие диски (винчестеры)
Часть III.2 Интерфейсы жестких дисков
Часть IV. Устройства магнитной записи со съемным носителем (FDD, ZIP, JAZZ). Магнитооптические устройства.
Часть V. Оптические ЗУ (CD/DVD)
Часть VI. Флэш-память
Часть VII. ОЗУ и кэш-память
Часть VIII. Экзотические виды памяти. Перспективные разработки