Введение
HDD, или жесткий диск, долгое время был основным устройством хранения данных как в ПК, так и в серверах и мэйнфреймах. Сейчас эту роль во многом взяли на себя SSD, но нередки ситуации, когда без жестких дисков до сих пор не обойтись.
Первый HDD был создан инженерами IBM в 1956 году. Он включал в себя 50 покрытых сверхчистым железом пластин, по габаритам был размером с холодильник и весил почти тонну. При этом записать на него можно было всего 3,5 Мбайта, но для того времени это были отличные результаты. Диск применялся в мейнфреймах для ускорения обработки и хранения данных.
Жаргонное название «винчестер» связано с разработкой в 70-х жесткого диска IBM 3340. Этот диск был первым, в котором предусматривался цельный корпус, а в нем размещались пластины со считывающими головками. В процессе разработки HDD инженеры использовали сокращение «30-30». Это обозначало максимальную конфигурацию – два модуля емкостью по 30 Мб. Это совпало с маркировкой популярного у охотников калибра 30-30 Winchester. Существуют и другие версии появления этого жаргонизма, но эта является основной и наиболее обоснованной. Причем в Европе и Америке этот жаргонизм давно ушел в прошлое, но до сих пор сохраняется в русском языке.
"Хранилище" IBM 3340 (1973) объемом 60Mb
В дальнейшем происходило быстрое развитие технологии, позволившее существенно снизить габариты жестких дисков, цену и радикально нарастить объем записываемых данных. Уже через 10 лет HDD были размером с посудомоечную машину. А еще через десятилетие, к началу 80-х, габариты дисков стали сравнимы с современными, хотя форм-фактор был и крупнее. Сейчас эволюция жестких дисков на протяжение более 50 лет позволила обеспечить надежное хранение огромных объемов данных, в сочетании с приемлемой скоростью записи\чтения по очень доступной цене в пересчете за 1 Гбайт.
Из чего состоит современный жесткий диск
В целом устройство всех жестких дисков идентично. Конструкцию можно разделить на:
- Гермоблок.
- Блок электроники.
Блок электроники и гермоблок HDD
Гермоблок представляет собой надежный металлический корпус, внутри находятся основные функциональные части жестких дисков. Для записи данных в гермоблоке располагаются металлические или стеклянные диски, прикрепленные к шпинделю электромотора, который поддерживает их равномерное вращение с заданной скоростью. В большинстве HDD используются пластины из алюминия, на который нанесен слой ферромагнетиков. Иногда применяются и пластины из стекла (также покрытого ферромагнетиком), но эта технология не получила широкой популярности.
Для записи\считывания информации с пластин в гермоблоке размещается металлический кронштейн, на одном конце которого находятся головки чтения\записи, а другой подключен к сервоприводу. Последний нужен для позиционирования головок, он работает за счет электромагнитных сил, возникающих между мощными неодимовыми магнитами.
Устройство позиционирования головок жесткого диска является одним из самых совершенных механических устройств, созданных человеком. Высочайшая точность работы сервопривода обеспечивает точность позиционирования головки считывания\записи с практически нанометровой точностью, при этом механизм способен работать многие годы даже при очень высоких нагрузках.
Нужно отметить, что в каждом накопителе имеется особая парковочная зона, в которую головки устанавливаются в момент, когда накопитель отключен от питания или находится в режиме низкого электропотребления. Это нужно для предотвращения контакта головок с поверхностью пластин, в результате которого произойдет серьезная поломка с потерей данных.
Магнитные диски, шпиндель, сервопривод внутри HDD
Во многих жестких дисках корпус не полностью герметичен, в нем имеются специальные отверстия для выравнивания давления между внутренним пространством и окружающей средой. Они оснащаются надежными фильтрами, также внутри размещаются дополнительные циркуляционные фильтры. Сложная система фильтрации нужна для исключения попадания внутрь даже мельчайших частиц пыли и влаги. Это связано с тем, что головки чтения\записи парят над пластинами за счет аэродинамических сил, при этом расстояние между ними и пластиной составляет около 10 нм. Поэтому мельчайшая пылинка, попавшая между головкой и диском может привести к серьезным повреждениям. Даже лучшие системы фильтрации не могут полностью предотвратить проникновение внутрь микрочастиц. Именно поэтому внутри HDD размещаются циркуляционные фильтры, необходимые для их улавливания. По-настоящему герметичны только новейшие поколения жестких дисков, заполненные инертным газом – гелием. Они в системах фильтрации не нуждаются.

Отверстие (диафрагма) "do not cover this hole" для выравнивания давления внутри и снаружи HDD
На наружной части корпуса жестких дисков размещается блок электроники, в виде небольшой электронной платы с разъемами для подключения компьютерного интерфейса. В современных HDD эта плата представляет собой настоящий компьютер в миниатюре, с процессором, постоянной и оперативной памятью и собственной системой ввода\вывода. Задачей процессора является слежение за процессами внутри диска и поддержание его стабильной работы, также имеется специальный контроллер преобразующий аналоговый сигнал от головки в цифровой и наоборот. Оперативная память выступает в качестве быстрого буфера для хранения наиболее часто используемых данных. В отдельных сериях дисков имеется достаточно большой объем флеш-памяти (несколько гигабайт), используемый с той же целью, то есть в качестве буфера. Такая технология называется SSHDD и представляет собой гибрид твердотельных дисков и жестких, но широкого распространения она не получила.
Блок электроники HDD с основными комплектующими для управления диском
Типы записи данных на HDD
Принцип записи\чтения данных жестких дисков во многом похож на работу кассетных магнитофонов. Запись происходит за счет переменного магнитного поля, которое генерирует катушка в головке. Магнитное поле воздействует на перемещающуюся под головкой поверхность диска, покрытую слоем ферромагнетика. В результате образуется участок намагниченности, когда головка будет проходить над ним, в магнитопроводе произойдет изменение магнитного потока, которое вызовет генерацию сигнала. Затем он усиливается и обрабатывается, на финальной стадии оцифровывается и передается по интерфейсу подключения.
Но несмотря на то, что принципиально технология записи не изменилась, в процессе эволюции жестких дисков она также серьезно модернизировалась, ниже мы разберем основные типы записи информации на пластины HDD.
CMR диски
Это диски, в которых применяется технология продольной записи, описанная выше. При использовании такой технологии вектор намагниченности каждого магнитного домена располагается продольно, то есть вдоль поверхности диска. В зависимости от направления магнитного поля каждый участок считывается как ноль или единица. Именно с этой технологии начиналось развитие HDD, так как более ранние методики не позволяли достигать приемлемой плотности записи данных.
Основной недостаток таких жестких дисков – низкая плотность записи, не превышающая 23 Гбит\дюйм, поэтому к 2010 году от их использования почти полностью отказались.
CMR HDD диск HGST 600GB HUC101860CSS200
PMR диски
Диски, выполненные с использованием метода перпендикулярной записи пришли на смену CMR-дискам. Они позволили решить их основную проблему – низкую плотность записи. Суть метода заключается в том, что намагниченность домена располагается не продольно, а перпендикулярно поверхности пластины. Это позволило существенно уменьшить площадь каждого домена, но для записи потребовалось использовать гораздо более мощные магниты в головке и более чувствительные методики считывания информации.
Хотя сейчас именно PMR-диски занимают основной объем рынка, технология также практически исчерпала себя, о чем официально заявили инженеры Seagate в 2023 году. Но она пока не потеряла своего значения, до сих пор большая часть жестких дисков осуществляет запись и считывание с использованием метода PMR.
SMR диски
В таких HDD используется новейшая разработка «черепичной» записи. Хотя сама технология появилась более 10 лет назад, широко применять ее начали только сейчас. Главная особенность метода SMR состоит в частичном наложении каждой группы дорожек на следующую, подобно тому, как укладывается черепица на кровле. Она не стала радикальным новшеством, таким как PMR, можно сказать, что SMR является эволюцией PMR метода.
Использование SMR позволяет дополнительно нарастить плотность записи, в сравнении с обычной PMR (примерно на 20%). Но использование SMR сопряжено с серьезным недостатком – существенным замедлением скорости перезаписи, так как необходимо каждый раз при перезаписывании даже отдельных битов осуществлять стирание и запись всего пакета перекрывающихся дорожек. Поэтому в жестких дисках для обычных компьютеров SMR-диски не прижились, но они широко используются в центрах обработки данных и архивах для хранения WORM-данных, которые редко перезаписываются, но часто считываются. Для хранения такой информации SMR диски оптимальны, а их недостатки не существенны. Вероятнее всего, что технология дальнейшего развития не получит, но просуществует какое-то время в качестве нишевой, до момента появления более перспективных типов записи.
Отличия SMR Черепичной записи от SMR традиционной
Развитие жестких дисков не остановилось на методе SMR, сейчас инженеры работают над рядом перспективных технологий, которые позволят еще больше нарастить плотность хранения данных, хотя по скорости чтения\записи с SSD жесткие диски конкурировать и не смогут. К наиболее перспективным направлениям можно отнести: