Новые технологии жестких дисков. Жесткие диски – эволюция технологий записи

Жесткий диск или винчестер является одним из составляющих персонального компьютера . Это то устройство, где хранятся практически все данные и программы. Принцип действия жесткого диска основан на явлении остаточного намагничивания материалов. Непосредственным носителем информации является одна или несколько пластин, покрытых ферромагнитным материалом . Над поверхностью в буквальном смысле этого слова парит головка, которая намагничивая миллиарды крошечных областей, записывает информацию, а регистрируя остаточное магнитное поле – считывает ее.

Самый первый жесткий диск появился в 1956 году . Он состоял из 50 дисков, которые имели диаметр 60 см и вращались со скоростью почти 1,5 тыс. оборотов в минуту. Его емкость составляла всего 5 Мб, а размерами он напоминал современный холодильник.

В процессе эволюции плотность записываемой на диск информации увеличивалась, следовательно увеличивалась емкость а размеры постепенно уменьшались. Сейчас плотность записи данных увеличена примерно в 60 миллионов раз по сравнению с первыми моделями. На данный момент жесткие диски имеют емкость в сотни и тысячи Гб. Хотя их производители достигли достаточно высоких технических характеристик – эволюция технологий идет и по сей день.

Параллельная запись. Одна ячейка памяти, называемая доменом, состоит из множества атомов ферромагнетика , которым покрыты несущие пластины. Чтобы исключить влияние одного домена на другой, расположенный рядом с ним, они разделены между собой специальными буферными зонами. Это обеспечивает наиболее надежное хранение записанной информации, но делает невозможным бесконечное уменьшение размеров домена. При параллельной технологии записи магнитные частицы размещены так, что вектор магнитной направленности расположен параллельно поверхности диска. Отсюда и название метода. С технологической точки зрения – это наиболее простое из всех возможных решений, а поэтому технология является относительно самой дешевой и одной из самых надежных. Но существует и ограничение, являющееся недостатком метода – максимальная плотность составляет около 23 Гбит/см 2 .

Перпендикулярная запись. Технология начала свое существование с 2005 года . Здесь векторы магнитной направленности расположены перпендикулярно поверхности диска. Таким образом, магнитные поля соседних доменов направлены параллельно друг другу и практически не взаимодействуют. Нет необходимости ставить буферные зоны, а следовательно можно делать плотность хранения данных более высокой. Максимальная теоретическая плотность составляет 75 Гбит/см 2 .

Технология записи HAMR, по сути, является продолжением перпендикулярной. Разница состоит в том, что домен перед записью подвергается тепловой обработке. Поэтому технология и носит название «тепловая магнитная запись». При точном нагреве домена лазерным лучом достигается очень высокая плотность хранения данных – до 150 Гбит/см 2 . Пока, что это перспективная технология, находящаяся на стадии тестирования. Производители носителей информации уверены, что если ее и дальше развивать, то можно будет добиться вообще невероятных показателей – плотности записи в 7 Тбит/см 2 . Но это пока еще только далекая теория, неподтвержденная практикой.

Кстати, какими бы отличными характеристиками не обладали жесткие диски – они подвержены такой неприятности, как вероятность потери данных. И это, по сути, не зависит от используемой технологии записи. Потому программа восстановления файлов будет еще долго популярна у пользователей персональных ПК.

Для записи на ЖМД используются методы ЧМ, модифицированной частотной модуляции (МЧМ) и RLL-метод, при котором каждый байт данных преобразуется в 16-битовый код.

При методе МЧМ плотность записи данных возрастает вдвое по сравнению с методом ЧМ. Для этого метода (рис. 14.2), если записываемый бит данных является единицей, то стоящий перед ним бит тактового импульса не записывается. Если записывается «0 », а предыдущий бит был «1 », то синхросигнал также не записывается, как и бит данных. Но если перед «0 » стоит бит «0 », то синхросигнал записывается.

В настоящее время существуют 3 вида записи:

Метод параллельной записи

На данный момент это самая распространённая технология записи информации на НЖМД. Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая проходя над поверхностью вращающегося диска намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей - доменов. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности. На сегодняшний день, домены становятся настолько малы, что остро встаёт вопрос о их стабильности. Дальнейшее развитие этой технологии под вопросом, многие считают этот метод исчерпавшим себя. Плотность записи, при использовании этого метода, на данный момент равна 150 Гбит/дюйм² (23Гбит/см²).

Метод перпендикулярной записи

Для того чтобы решить проблему с дальнейшим увеличением плотности, многие производители рассматривают технологию, при которой биты информации сохранялись бы в вертикальных доменах. Это позволит использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у экспериментального прототипа - 200 Гбит/дюйм² (31 Гбит/см²), в дальнейшем планируется довести плотность до 400-500 Гбит/дюйм² (60-75 Гбит/см²).

Метод тепловой магнитной записи

Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat assisted magnetic recording - HAMR) на данный момент активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». Именно этот метод собираются использовать компании Seagate и IBM для достижения плотности в 4 Тбит на кв. дюйм (620 Гбит на кв. см). Это позволит изготовить 3,5-дюймовый винчестер объемом 25 Тб. В качестве максимальной отметки плотности пока названо значение 100 Тбит на кв. дюйм (около 15 Тб на кв. см), что соответствует 0,65-Пб (петабайт) объема в форм-факторе 3,5 дюйма.

Формат записи информации на жестком магнитном диске

В НЖМД обычно используются форматы данных с фиксированным числом секторов на дорожке (17, 34 или 52) и с объемом данных в одном секторе 512 или 1024 байта. Секторы маркируются магнитным маркером.

Конкретный формат данных определяется внутренней программной конфигурацией ПЭВМ и техническими характеристиками адаптера накопителя. Структура формата (рис. 14.3) подобна структуре, применяемой в НГМД.

Начало каждого сектора обозначается адресным маркером. В начале идентификатора и поля данных записываются байты синхронизации, служащие для синхронизации схемы выделения данных адаптера НЖМД. Идентификатор сектора содержит адрес диска в пакете, представленный кодами номеров цилиндра, головки и сектора. В отличие от НГМД в НЖМД в идентификатор дополнительно вводят байты сравнения и флага. Байт сравнения представляет одинаковое для каждого сектора число, с помощью которого осуществляется правильность считывания идентификатора. Байт флага содержит флаг - указатель состояния дорожки (основная или запасная, исправная или дефектная).

Контрольные байты записываются в поле идентификатора один раз при записи идентификатора сектора, а в поле данных - каждый раз при каждой новой записи данных. Контрольные байты в НЖМД предназначены не только для определения, но и для коррекции ошибок считывания. Наиболее часто используются полиномные корректирующие коды; использование конкретных кодов зависит от схемной реализации адаптера.

Перед использованием НЖМД производится его начальное форматирование - процедура, выполняемая под управлением специальной программы, при работе которой на дисковый пакет записывается служебная информация и проверяется пригодность полей данных.

В последнее время компании используют адаптивное форматирование . Его суть заключается в том, что каждый экземпляр накопителя индивидуально настраивается на заводе таким образом, чтобы обеспечить лучшую производительность и надежность. Для этого каждая пара «головка-поверхность пластины» собранного диска тестируется на определение характеристик быстродействия, и затем каждая сторона магнитной пластины индивидуально форматируется (размечается на дорожки и сектора) так, чтобы обеспечить наилучшие характеристики при работе именно с данной головкой. В результате, линейная плотность записи на каждой стороне каждой пластины может не совпадать с соседними

Пять различных интервалов в НЖМД используются для синхронизации электронных процессов чтения-записи и управления работы электромеханических узлов накопителя.

В результате начального форматирования определяется расположение секторов, и устанавливаются их логические номера. Поскольку скорость вращения диска очень большая, для обеспечения минимального числа оборотов диска при обращении к последовательным секторам, секторы с последовательными номерами размещаются через N физических секторов друг от друга (рис. 14.4).

Кратность расположения секторов задается при форматировании диска. Коэффициенты чередования бывают 6:1, 3:1, и 1:1. Новейшие модели НЖМД используют коэффициенты 1:1, а их контроллеры считывают с диска за одно его обращение информацию с целой дорожки и затем хранят ее в буферной памяти. При запросе из буферной памяти передается информация уже из требуемых секторов.

Каждая дорожка диска разделяется на одинаковое число секторов, поэтому сектора на дорожках, которые находятся ближе к нулевой дорожке, имеют меньший размер. Для записи таких секторов

используются магнитные поля большей интенсивности (компенсация записи ). Число поверхностей диска (головок), число цилиндров (дорожек) и точка, с которой начинается компенсация записи, являются параметрами для настройки контроллера НЖМД.

Среднее время доступа к информации на НЖМД составляет

t ср =t n +0,5/F+t обм, (14.1)

где t n - среднее время позиционирования; F - скорость вращения диска; t обм - время обмена. Время обмена зависит от технических средств контроллера и типа его интерфейса, наличия встроенное буферной кэш-памяти, алгоритма кодирования дисковых данных и коэффициента чередования.

Могут быть намагничены одним из двух возможных способов, которые обозначают ноль или единицу, т. е. 1 бит. Такая намагниченная область называется магнитным доменом и представляет собой миниатюрный магнит на поверхности диска с определенной ориентацией южного и северного магнитного полюса. Для записи бита магнитная головка создает определенным образом направленное магнитное поле, которое ориентирует домен, вектор намагниченности которого сохраняется в течение длительного времени после того, как головка прекратила свое воздействие на магнитную поверхность. Плотность записи, количество информации, которое может быть записано на единицу поверхности пластины, связано с размерами доменов. Общеупотребительными величинами плотности записи являются:

BPSI (плотность записи на единицу площади) - количество информации, которое может быть записано на квадратном дюйме магнитного диска.
TPI - (плотность дорожек) - величина, показывающая, насколько близко друг от друга расположены дорожки на пластине. Измеряется в количестве дорожек на дюйм.
BPI (линейная плотность) - величина, показывающая, насколько плотно "упакованы" данные на дорожке. Измеряется в битах на дюйм дорожки.

Основными причинами невозможности бесконечного уменьшения размера домена является:

Размер магнитной головки. В настоящее время именно она определяет размер минимальной намагничиваемой области - домена.
Ослабление уровня считываемого сигнала и увеличения в нем уровня шума.
Спонтанное саморазмагничивание домена, вызванное воздействием температуры .

Помимо уменьшения размера доменов производители жестких дисков используют и другие технологии увеличения плотности записи:

PRML - максимальное правдоподобие при неполном отклике. Это алгоритм преобразования аналогового сигнала, записанного на магнитный диск, основанный на ряде положений теории распознавания образов. В методе PRML для декодирования применяется набор образцов, с которыми сравнивается считанный сигнал, и за результат принимается наиболее похожий. Состоит из двух частей - подсистема Partial Response (частичный отклик) переводит сигнал из аналоговой формы в цифровую, минимизируя шумы, а подсистема Maximum Likelihood (максимальное правдоподобие) производит цифровую обработку сигнала для восстановления наиболее правдоподобной его формы. Данный алгоритм и его развитие EPRML применяется практически во всех современных жестких дисках .

AFC - антиферромагнитная пара (магнитно-компенсированые пленки). Суть идеи заключается в нанесении на диск трехслойного антиферромагнитного покрытия, в котором пара магнитных слоев разделена специальной изолирующей прослойкой из рутения. За счет того, что расположенные друг под другом магнитные домены имеют антипараллельную ориентацию магнитного поля, они образуют пару, которая оказывается более устойчивой к спонтанному перемагничиванию, чем одиночный "плоский" домен.

PMR - перпендикулярный вектор намагниченности. Эта технология позволяет практически вдвое увеличить плотность записи информации и уменьшает проблемы с магнитным влиянием (интерференцией). В отличие от классической технологии записи, используются магнитные домены с перпендикулярным, а не параллельным поверхности диска вектором магнитного поля. При этом соседние и различающиеся домены уже не "глядят" друг на друга одноименными полюсами, которые, как известно, отталкиваются. Это позволяет уменьшить размер междоменного пространства по сравнению с классической технологией записи, что так же увеличивает емкость жестких дисков.

Продольная запись

Перпендикулярная запись

HAMR - термомагнитная запись. Суть идеи заключается в использовании магнитных материалов, обеспечивающих высокую термостабильность записанных участков поверхности. Для записи информации магнитный домен предварительно разогревается с помощью сфокусированного лазерного пучка. Диаметр пучка и определяет размер области, соответствующей одному биту информации. При повышении температуры домена происходит существенное изменение его магнитных свойств (уменьшается коэрцитивная сила), и, таким образом, нагретые участки становятся способными к намагничиванию. Для массового внедрения HAMR в серийное производство необходима разработка эффективного теплоотвода от магнитных пластин во время записи информации.

SOMA - самоорганизующиеся магнитные решетки. Данная технология предусматривает формирование на поверхности диска монодисперсного слоя "самоорганизующихся магнитных массивов" из мельчайших однородных железно-платиновых конгломератов размером около 3 нм (3 нм - это 10-15 атомов твердого вещества, выложенных в ряд). Применение этой "нанотехнологии" позволит существенно снизить уровень нестабильности отдельных магнитных зерен и уменьшить размеры домена.

Прогресс собственно жестких дисков - если не учитывать повышение интеллекта их котроллеров и переход к объектным решениям на системном уровне - происходит в следующих направлениях: диски становятся компактнее, увеличивается их емкость и скорость доступа к данным. Уменьшение геометрических размеров станет возможным благодаря переходу к вертикальной записи и интерфейсу Serial Attached SCSI.

Вертикальная запись

Одним из решений, обеспечивающих дальнейшее ежегодное удвоение плотности записи и открывающих возможности для совершенствования физики дисков на ближайшее десятилетие, станет переход от параллельной к перпендикулярной записи. Различие двух методов записи состоит в том, каким образом ориентированы магнитные домены на дисковой пластине - горизонтально или вертикально.

В любом случае носителями двоичных чисел являются магнитные домены, сгруппированные в так называемые «зерна». Основной характеристикой способа записи является его интегральная плотность (areal density), которая складывается из произведения линейной плотности, определяемой числом битов на один дюйм дорожки (Bits per Inch, BPI), на количество дорожек на дюйм диаметра (Tracks per Inch, TPI). При заданной скорости вращения для увеличения интегральной плотности в четыре раза достаточно удвоить как TPI, так и BPI. На самом деле процесс увеличения плотности вовсе не так линеен: на уменьшение зернистости оказывают влияние и увеличение скорости вращения дисков, необходимое для повышения скорости обмена данными, и снижение соотношения сигнал/шум, и другие физические факторы. Наблюдавшийся квазилинейный рост оставался возможным до того момента, пока технологии не подошли вплотную к суперпарамагнитному пределу, который делает невозможным последующее увеличение плотности традиционными методами. Суть этого ограничения состоит в том, что миниатюризация зерен рано или поздно приводит к тому, что носитель теряет свою стабильность и превращается в хаотически расположенное множество намагниченных частиц, произвольным образом изменяющих свою направленность. Суперпарамагнитный эффект возникает в том случае, когда энергия, необходимая для изменения магнитного момента, становится сравнимой с термической окружающей среды.

Современные технологии параллельной записи основываются на двух типах эффектов, эффекте супермагниторезистивности (giant magnetoresistive, GMR) и туннельном магниторезистивном эффекте (tunnel magnetoresistance, TMR). И TMR, и GMR являются средствами для совершенствования линейной записи, но их возможности приблизились к так называемому «суперпарамагнитному пределу». Для сохранения нынешних темпов роста плотности необходим переход к вертикальной записи, где домены ориентированы не вдоль поверхности дисковой пластины, а ортогонально ей (рис. 1), следовательно, их можно упаковать плотнее.

Простота такого решения является кажущейся. В действительности же замена одного типа записи другим связана с преодолением серьезных технических проблем. В частности, необходимо обеспечить меньшую высоту полета головки и придать головкам специальную конструкцию, которая бы обеспечивала именно вертикальную запись, а в качестве подложки должен использоваться специальный мягкий с точки зрения магнетизма материал. Так или иначе, по прогнозам, уже в 2007 году эти сложности будут преодолены, и на рынок начнут поступать жесткие диски с вертикальной записью.

Сериализация SCSI

Первая версия параллельного интерфейса SCSI была представлена компанией Shugart Associates в 1979 году под именем SASI (Shugart Associates System Interface). После доработки совместно с отделением корпорации NCR, которое сегодня существует как самостоятельная компания Engenio, в 1986 году он был принят в качестве стандарта ANSI. Как у любой параллельной шины, пропускная способность SCSI равняется произведению тактовой частоты шины на размер порции данных, передаваемой за один такт. В первых версиях ширина шины составляла один байт, а частота - 5 МГц, соответственно пропускная способность равнялась 5 Мбайт/с. В наиболее «продвинутой» версии Ultra320 SCSI порция из 2 байт передается на частоте 80 МГц. С учетом использования удваивающего пропускную способность алгоритма DDR скорость передачи данных достигла 320 Мбайт/с .

К 2001 году, после двух десятилетий постоянного усовершенствования параллельного варианта SCSI, стало очевидно, что ресурсы этого интерфейса исчерпаны. Тогда, в осознании приближающего тупика, группа компаний-производителей жестких дисков организовала «мозговой штурм» с участием ведущих экспертов отрасли. Результатом этой акции стали предложения по созданию нового интерфейса - Serial Attached SCSI. В дальнейшем эти предложения были переданы в технический комитет ANSI INCITS T10, где к 2003 году они были доведены до стадии стандарта ANSI. Решение не было неожиданным. Ранее в форме SATA был сериализован интерфейс ATA, причем признание этого интерфейса произошло подобно взрыву; с не меньшей скоростью завоевал признание интерфейс USB.

Чем же вызвана волна стремительной замены параллельных интерфейсов последовательными ? Что за этим стоит, ведь еще на памяти замена старых последовательных интерфейсов параллельными ? Как ни странно, но потребовались годы, чтобы осознать, что параллелизм оказался временным решением. Сначала казалось, что замена одного провода несколькими в соответствующее число раз увеличивает скорость. Появление плоских кабелей воспринималось как высокое техническое достижение. Однако, хотя повышение эффективности при параллельной передаче данных, казалось бы, лежит на поверхности, у этой технологии есть серьезный органический дефект: она обостряет проблему синхронизации . Можно до определенного предела наращивать скорость передачи, повышая частоту шины, но за этим пределом издержки на синхронизацию превышают преимущества параллелизма. На самом деле параллельная шина работает только в те короткие моменты времени, когда поступают внешние синхроимпульсы, все остальное время она попросту простаивает. Последовательный канал по определению предполагает включение разделительных меток внутрь передаваемых данных, данные идут единым потоком, поэтому есть возможность для полного использования пропускной способности канала. Примерно такая же проблема свойственна современным процессорам, пагубность синхронизации обнаружилась, когда тактовая частота стала измеряться мегагерцами. К счастью, задача замены параллельных интерфейсов последовательными намного проще, чем замена синхронных процессоров асинхронными. В результате уже сегодня диски SATA II емкостью до 500 Гбайт способны передавать данные со скоростью, достигающей 3 Мбит/с.

Топология SAS отличается оригинальностью: ее можно представить как сеть, но без коммутации, сеть, функционирование которой поддерживается контроллерами дисков и хостов (Target Initiator), а также специальными устройствами Expander, Fanout и Edge. В совокупности они образуют домен SAS, термином SAS Domain называют сеть устройств и пространство уникальных и World Wide Names (WWN), уникальных идентификаторов. Всего в домене SAS может быть до 16256 устройств.

В данный момент скорость передачи данных по интерфейсу SAS составляет 3 Гбит/с, в ближайшее время этот показатель обещает вырасти до 6 Гбит/с, а к 2010 году - до 10 Гбит/с. Отличительная черта SAS состоит еще и в том, что коннекторы к дискам имеют несколько вариантов исполнения. Среди них: SFF 8482, совместимый с коннектором SATA, SFF 8470, совместимый с Infiniband, и SFF 8088, обеспечивающий передачу со скоростью 10 Гбит/с. SAS поддерживает транспортные протоколы Serial SCSI Protocol (SSP) и Serial ATA Tunneling Protocol (STP), при совместимости коннекторов это позволяет совмещать в одном накопителе диски разных типов.

Дальние рубежи

Дальнейшее уплотнение записи перпендикулярной записи станет возможным с внедрением технологии HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording). Из названия следует, что технология эта предполагает вспомогательный нагрев, который осуществляется с помощью лазера (за 1 пикосекунду область записи нагревается до 100 ?C). По разным оценкам, плотность записи может возрасти на один или два порядка; есть основания надеяться, что к 2010 году возможно достижение показателя 5 Тбит/кв. дюйм.

Радикальное повышение плотности станет возможным, если уменьшить область хранения одного бита данных до одного домена; в таком случае частицы будут выстроены в битовый массив (Bit Patterned Media). Теоретически существует два альтернативных решения, которые позволили бы этого добиться, одно - на основе специальных методов литографии на поверхности диска, другое - путем создания соответствующей структуры материала.

По первому пути идут исследователи из лаборатории IBM в Алмадене совместно с коллегами из Стэнфордского университета. Они нашли способ нанесения магнитной маски на поверхность диска. Для этого под очень большим давлением полимер припечатывается на основу из оксида кремния и далее сложным образом обрабатывается. Второй путь избрали компании Hitachi и Seagate. В Hitachi (рис. 2) новую технологию именуют Patterned Magnetic Media, а в Seagate аналогичная технология получила название Self-Ordered Magnetic Array (SOMA). В том и другом случае идея заключается в создании такого носителя, структура которого задавалась бы не извне, как в случае литографии, а собственными свойствами материала. В Seagate работают со сплавом FePt, который позволяет поучать идеально ровную ячеистую структуру с размером ячейки в несколько нанометров.

Из «невращающихся» альтернатив жестким дискам наиболее близкой является неразрушаемая память на основе технологии, используемой для флэш-накопителей, а в более отдаленной перспективе - технология PST (Probe Storage Technology), представляющая собой массив сканирующих микроскопов (atomic force microscope, AFM).

Вертикальная запись

Перспективность техники вертикальной записи известна хорошо и давно. Впервые этот метод был предложен еще в XIX веке пионером магнитной записи Вольдемаром Поульсеном. А в 1955 году, т. е. параллельно с проектом RAMAC, ставшим родоначальником современных дисков, также в корпорации IBM стартовал проект ADF, в котором предполагалось использовать именно вертикальную запись. Проект должен был обеспечить в десять раз большую емкость и в десять раз меньшее время доступа. Диск ADF предназначался для системы резервирования билетов Airlines Airline Reservations System (Sabre), а также для оборонного суперкомпьютера Stretch. В августе 1959 года был собран опытный образец диска ADF (IBM 1301), но уже в следующем году работы по этой тематике были свернуты. Оказалось, на уровне развития технологий, доступном в 60-е годы, линейная запись обеспечивала более высокую надежность, ей и было отдано предпочтение. Заслуга реанимация идет перпендикулярной записи принадлежит японскому ученому Шуничи Иваски; он в 1976 опубликовал результаты своих исследований и тем самым стимулировал новую волну разработок.

В отличие от параллельных шин в последовательных соединениях, таких как Serial Storage Architecture (SSA), Fibre Channel (FC-AL) и Serial Attached SCSI (SAS), данные передаются порциями по одному биту. Поэтому скорость измеряется в Мбит/с; кроме того, в них может не быть фиксированной тактовой частоты.

Страница 2 из 11

ЧАСТЬ I. восстановление файлов с жесткого диска

ГЛАВА 1. КАК РАБОТАЕТ ЖЕСТКИЙ ДИСК И КАК НА НЕМ ХРАНЯТСЯ ДАННЫЕ

Немного об устройстве жесткого диска. Общее устройство HDD

Что же представляет собой жесткий диск (по строгому - накопитель на жестких дисках)? Если у вас не было возможности его лицезреть, то скажем, что снаружи он выглядит как единый металлический блок. Причем очень прочный и полностью герметичный. Дело в том, что технология работы диска настолько тонка, что даже мельчайшая инородная частица, попавшая внутрь, способна полностью нарушить его работу. Дополнительно, для предотвращения кризисной ситуации, в жесткий диск был помещен фильтр очистки. Также корпус винчестера служит в качестве экрана от электропомех. На самом деле жесткий диск состоит из двух основных частей - механики и электроники. Основу механической части составляют пластины (диски), имеющие круглую форму. Вообще-то диск может быть и всего один. Все зависит от емкости винчестера в целом. По одной из версий название «винчестер» жесткий диск получил благодаря фирме, которая в 1973 году выпустила жесткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инжене- у ры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 Мб каждый. Кеннет Хотон, руководитель проекта, по созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья «Winchester 30-30» предложил назвать этот диск «винчестером». В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус, а в компьютерном сленге сократилось до слов «винт» (наиболее употребимый вариант), «винч» и «веник». Независимо от того, какой материал используется в качестве основы диска, он покрывается тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным, и именно в нем сохраняется записанная информация. Самыми распространенными являются следующие типы рабочего слоя:
ОКСИДНЫЙ;
тонкопленочный;
двойной антиферромагнитный (AFC)

В настоящее время встречаются экземпляры жестких дисков, состоящие из четырех и более пластин. Состав дисков может быть различен. Их изготавливают из алюминия, стекла или керамики. Последние два состава более практичны, однако очень дороги, и поэтому они используются для создания «элитных» жестких дисков. После изготовления пластины покрывают слоем ферромагнитного материала. Со времен создания первых винчестеров здесь использовалась окись железа. Однако данное вещество имело существенный недостаток. Диски, покрытые данным ферромагнетиком, имели небольшую износостойкость. В связи с этим в настоящее время в качестве покрытия пластин большинство производителей используют кобальт хрома. Износостойкость данного вещества на порядок превышает годами применявшийся ферромагнетик. К тому же данное покрытие намного тоньше, так как наносится методом напыления, что значительно увеличивает плотность записи. Ферромагнетик наносится на обе стороны диска, поэтому данные будут размещаться также с двух сторон. Пластины помещаются на шпиндель на одинаковое друг от друга расстояние, образовывая таким образом их пакет. Под дисками находится двигатель, который их вращает. С обеих сторон пластин размещены головки чтения/записи. Они устроены таким образом, чтоб перемещаться от края диска до его центра. За это «отвечает» специально выделенный для этого двигатель. Электроника представляет собой плату, на которой помещены различные «нужные» для работы винчестера элементы, такие как процессор, управляющая программа, ОЗУ, усилитель записи/чтения и другие. Каждая сторона пластины разбита на дорожки. Они, в свою очередь, на сектора. Все дорожки одного диаметра всех поверхностей образуют цилиндр. Современные винчестеры имеют «инженерный цилиндр». Он содержит служебную информацию (модель диска, серийный номер и т.п.), предназначенную для дальнейшего считывания компьютером..

Раньше для того, чтобы диск был готов к работе, пользователю необходимо было провести так называемое форматирование на низком уровне. В BIOS даже присутствовал соответствующий пункт. Сейчас же данная разметка производится сразу при производстве винчестеров. Дело в том, что при низкоуровневом форматировании происходит запись сервоинформации. Она содержит специальные метки, которые нужны для стабилизации скорости вращения шпинделя, поиска головками необходимых секторов, а также слежения за положением головок на поверхности пластин. Если вы думаете, что «плохие» сектора на винчестере появляются только в процессе эксплуатации, то вы ошибаетесь. Любой вновь созданный жесткий диск уже имеет bad block. Так вот, при низкоуровневом форматировании данные блоки обнаруживаются и записываются в специальную таблицу переназначения. Затем в процессе эксплуатации контроллер жесткого диска заменит неисправные блоки работоспособными, которые специально резервируются для таких целей уже при производстве. В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с концентрических окружностей вращающихся магнитных дисков (дорожек), разбитых на секторы емкостью 512 байт. Дорожка - это «кольцо» данных на одной стороне диска. Дорожка записи на диске слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения информации. Во многих накопителях ее емкость превышает 100 тыс. байтов, и отводить такой блок для хранения небольшого файла крайне расточительно. Поэтому дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами .

Принципы работы жесткого диска

В силу своей специфичности, при работе винчестера не происходит прямого контакта магнитных головок с поверхностью пластин. Можно сказать по-другому: соприкосновение «смерти подобно». Конструкция головок создана так, что она позволяет «парить» над поверхностью пластин. Двигатель вращает шпиндель с такой скоростью (до 15000 об/мин), что от крутящихся дисков создается сильный поток воздуха. При этом получается эффект воздушной подушки. Зазор между головками и дисками составляет доли микрона. Однако, как мы упоминали выше, недопустимо соприкосновение головок с поверхностью. Но ведь бывают сбои в электроснабжении, скажете вы. Да, естественно. Вот для этого случая была придумана так называемая "парковочная зона". И когда происходит ситуация, в которой скорость вращения шпинделя опускается ниже границы допустимой нормы (во время обычной работы или в экстренном режиме при отключении питания), которую постоянно отслеживает процессор жесткого диска, головки отводятся в эту самую парковочную зону. Зона находится у самого шпинделя, где не происходит записи информации, поэтому магнитным головкам можно спокойно «лечь» на поверхность диска. Как же выполняется "запуск" винчестера? В двух словах все происходит примерно так. Как только жесткий диск получил питание, его процессор начинает тестировать электронику и при положительном результате запускает двигатель, вращающий пластины. По мере увеличения скорости вращения достигается эффект воздушной подушки, которая подымает магнитные головки с зоны парковки. Когда скорость достигает необходимой величины, головки покидают парковочную зону и с помощью контроллера "ищут" сервометки, чтобы стабилизировать частоту вращения. Затем производится переназначение "плохих" секторов, а также проверка позиционирования головок. В случае положительного результата проделанной работы контроллер винчестера переходит в рабочий режим. Конечно же, механический процесс работы жесткого диска при более детальном рассмотрении более глубокий, но мы не задаемся целью его подробнейшего описания. Главное, чтоб вы поняли основные принципы механизма взаимодействия головок с пластинами. Если кого-то интересует детализация данного процесса, то на эту тему создано огромное количество материалов. А мы перейдем к другой части рабочего процесса винчестера - технологии чтения/записи данных.

Технологии чтения/записи данных на жестком диске

Чтение/запись информации на диск происходит с помощью магнитных головок, принцип движения которых был рассмотрен выше. Если вы еще застали старый добрый магнитофон, то способ записи/чтения звука на/с магнитной ленты идентичен рассматриваемому нами. Данные преобразуются в переменный электрический ток, который поступает на магнитную головку, после чего он преобразуется в магнитное поле, с помощью которого происходит намагничивание нужных участков магнитного диска. Мы уже знаем, что пластины жесткого диска покрыты ферромагнитным слоем. Отдельно выбранная область данного покрытия может быть намагничена одним из двух возможных способов. Намагничивание одним способом будет обозначать ноль, другим способом - единицу. Такой отдельно намагниченный участок называется доменом. Он представляет собой мини-магнитик с определенной ориентацией южного и северного полюсов. Воздействуя на определенный домен внешним магнитным полем (магнитной головкой), он примет данное соответствие. Прекратив воздействие внешнего поля, на поверхности возникают зоны остаточной намагниченности. Они означают сохраненную на диске информацию. Хочется отметить, что именно от размера домена зависит плотность записи данных, то есть собственно емкость диска. С давних пор было известно о двух технологиях записи информации на винчестер: параллельной и перпендикулярной. Хотя второй метод записи более производителен, он немного сложнее в технологическом разрешении. Поэтому производителями использовался и совершенствовался параллельный способ до тех пор, пока ему не пришел физический предел. Если вкратце описать технологию параллельной записи, то она такова. Намагниченность доменов располагается параллельно плоскости диска. Все, наверное, в детстве «баловались» магнитиками и поэтому знают, что они будут притягиваться, когда повернуть их друг к другу разными полюсами (синим и красным). И наоборот, если попробовать прижать их друг к другу сторонами одинакового цвета, то такая попытка никогда не увенчается успехом. Так вот, при использовании данной технологии на границе соседних доменов возникает поле рассеяния, забирающее энергию их магнитных полей. Вследствие этого крайние частицы доменов становятся менее стабильными, к тому же увеличивается влияние термофлуктуации на его магнитный порядок. При использовании технологии перпендикулярной записи намагниченность доменов располагается под углом 90° к плоскости пластины. Благодаря этому пропадает эффект отталкивания однополюсных соседних доменов, ведь в данном расположении намагниченные частицы повернуты друг к другу разными полюсами. Это позволяет уменьшить размер междоменного пространства по сравнению с параллельной технологией записи, что также увеличивает емкость жестких дисков. Однако для данного способа записи требуется использование более сложного состава магнитного слоя. Под тонким защитным слоем расположен записывающий слой, состоящий из окисленного сплава кобальта, платины и хрома. Подложка состоит из двух слоев сложного химического состава, называемых антиферромагнит-носвязанными слоями. Именно они позволяют снять внутренние напряженности магнитного поля. К тому же перпендикулярная запись требует использования других магнитных меток, которые смогут генерировать более сильное магнитное поле.Плотность перпендикулярной записи составляет 500 Гбит/дюйм2. Это позволит выпускать винчестеры емкостью несколько терабайт. Однако наука не стоит на месте, и уже вовсю идет разработка новых технологий. Одна из них называется HAMR (Heat Assistant Magnetic Recording) - Термомагнитная запись. Эта технология является последователем перпендикулярной записи и направлена на её улучшение. Запись в данном случае происходит с предварительным нагревом с помощью лазера. Нагрев происходит в течение пикосекунды, при этом температура достигает 100 °С. Магнитные частицы домена в данном случае получают больше энергии, поэтому при генерации поля большой напряженности не требуется. А высокая энергия обеспечивает повышенную стабильность записанной информации. Опять же применение данной технологии невозможно без использования материалов с высоким уровнем анизотропности. Однако подходящие для этого сплавы слишком дороги. К тому же при термомагнитной записи потребуется две раздельных головки. Еще нужно позаботиться о том, как отводить тепло от дисков. Но все же огромной мотивацией применения термомагнитной записи служит тот факт, что данная технология позволяет добиться плотности записи до 1 Тбит/дюйм2

Как данные хранятся на жестком диске

Наименьшая единица информации, которой оперирует система управления жесткого диска, носит название сектора. В подавляющем числе современных носителей сектор равен 512 байтам. Используемая в настоящий момент система адресации секторов называется LBA (Logical block addressing). В то же время для дисков небольшой ёмкости или с целью обратной совместимости со старым оборудованием может быть использована система адресации CHS. Аббревиатура CHS расшифровывается как Cylinder, Head, Sector - цилиндр, головка, сектор. Из названия понятен смысл этого типа адресации, как привязанной к частям устройства жесткого диска. Преимущество LBA над CHS в том, что вторая имеет ограничение на максимальное число адресуемых секторов, в количественном представлении равное 8,4 гигабайта, LB А данного ограничения лишена. Первый сектор жесткого диска (а точнее, нулевой) носит название MBR (Master Boot Record), или главной загрузочной записи. В начале этого сектора находится код, куда передает управление базовая система ввода-вывода компьютера при его загрузке. В дальнейшем этот код передает управление загрузчику операционной системы. Также в 0 секторе находится таблица разделов жесткого диска. Раздел представляет собой определенный диапазон секторов. В таблицу заносится запись о разделе, с номером его начального сектора и размером. Всего в таблице разделов может находиться четыре таких записи. Раздел, запись о котором находится в таблице разделов нулевого сектора, носит название первичного (primary). Из-за упомянутых ограничений таких разделов на одном диске может быть максимум четыре. Некоторые операционные системы устанавливаются только на первичные тома. При необходимости использования большего числа разделов в таблицу заносится запись о расширенном (extended) разделе. Данный тип раздела представляет собой контейнер, в котором создаются логические (logical) разделы. Логических томов может быть неограниченное количество, однако в ОС семейства Windows число одновременно подключенных томов ограничено количеством букв латинского алфавита. Эти три типа разделов имеют наиболее широкую АР, поддержку среди подавляющего числа операционных систем и наибольшее распространение. Фактически в домашних условиях либо масштабе клиентских машин организаций встречаются именно эти типы разделов. Однако это не значит, что типы разделов ограничиваются этими тремя видами. Существует большое число специализированных разделов, но и они используют первичные тома в качестве контейнеров. Раздел - это всего лишь размеченное пространство на диске; чтобы сохранить в нем какую-либо информацию для организации структуры хранения данных, должна быть создана файловая система. Данный процесс носит название форматирования раздела. Типов файловых систем существует великое множество, в ОС семейства Windows используются FAT/ NTFS, в операционных системах на ядре Линукс применяются Ext2/3FS, ReiserFS, Swap. Существует множество утилит для кроссплатформен-ного доступа к различным файловым системам из не поддерживающих их изначально операционных систем (например, обеспечивающих возможность доступа из Windows к разделам Linux и наоборот). Некоторые файловые системы, например FAT/NTFS, оперируют более крупными структурами данных на жестком диске, носящими название кластеров. Кластер может включать произвольное число секторов. Манипулирование размером кластера приносит дополнительный выигрыш к произво дительности файловой системы или расходованию свободного пространства. Таким образом, получается следующая логическая структура хранения данных: жесткий диск разбивается на разделы (при этом информация об этом разбиении хранится в так называемой главной загрузочной записи) - они носят названия С:, D:, Е: и т.д., на каждый раздел устанавливается файловая система (в результате форматирования раздела). Файловая система содержит информацию о том, как разграничено пространство раздела (логического диска) и где какие файлы на нем находятся. Ну а далее на разделе хранятся файлы, которые разбиваются на определенное количество кластеров, физически занимающих определенное количество секторов, на которые разбиты дорожки жесткого диска. Файловая система присваивает всем секторам свои адреса, а затем по этим адресам хранит свои файлы, записывая в свою таблицу адреса кластеров (диапазонов кластеров), принадлежащих тем или иным файлам.