Дисковый накопитель на жестких магнитных дисках

Дисковый НЖМД (Hard Disk Drive — HDD) состоит из пакета дисков — от 4 до 9, диаметром дисков 3,5″ (89 мм) (1 дюйм = 2,54 мм), высота корпуса дисковода: 25 мм у настольных ПК, 41 мм у машин-серверов, 12 мм у портативных ПК.

Накопитель на жестких магнитных дисках часто называют «винчестер»^[1] (рис. 7.1). Диски соединены между собой при помощи центрального шпинделя. Для записи данных используются обе поверхности дисков, кроме внешних сторон для пакета. Шпиндель вращается с высокой постоянной скоростью (обычно 3600, 5400 или 7200 об./мин). Отдельная пластина содержит набор концентрических дорожек, разделенных на блоки данных объемом 512 байт (сектора). Число блоков на дорожке указывается при форматировании поверхности дисков. Дорожки нумеруются от внешней стороны к центру, дорожки с одним номером, но расположенные на разных пластинах пакета магнитных дисков, называются цилиндрами.

Рис. 7.1. Схема устройства накопителя на жестких магнитных дисках Поворотный позиционер с коромыслом управляет движением магнитных головок для их установки на нужный цилиндр. Запись и считывание информации осуществляется с помощью головок, которые имеют конструкцию в виде гребенки. Головки подводятся к определенной дорожке с помощью сервопривода, они не соприкасаются с поверхностью пластин.

Для записи информации на магнитные диски используются технологии, обеспечивающие чрезвычайно высокую плотность записи — до сотен Гбайт данных на одну сторону диска. Общая емкость пакета жестких магнитных дисков возросла до 500 Мбайт — 1 Тбайт. Высокая плотность записи на магнитный диск достигается за счет уменьшения размера домена (минимальной намагничиваемой области), но лимитирована размером головки считывания/ записи. Используются следующие стандартные показатели плотности записи информации на диск:

¦ BPSI (Bits Per Square Inch) — количество информации, которое может быть записано на квадратном дюйме магнитного диска;

¦ TPI (Tracks Per Inch) — число дорожек на дюйм;

¦ BPI (Bits Per Inch) — линейная плотность, количество бит на один дюйм дорожки.

Рассмотрим наиболее популярные технологии записи информации на магнитный диск.

Технология PRML (Partial Response Maximum Likelihood — максимальное правдоподобие при неполном отклике) предусматривает, что сигнал переводится из аналоговой формы в цифровую с помощью подбора наиболее похожего образца, минимизируются шумы, далее выполняется обработка сигнала для восстановления наиболее правдоподобной его цифровой формы.

Технология AFC (AntiFerromagnetically-Coupled — антиферромагнитная пара магнитно-компенсированых пленок) предполагает, что на диск нанесено трехслойное антиферромагнитное покрытие, в котором пара магнитных слоев разделена специальной изолирующей прослойкой из рутения. Магнитные домены имеют антипараллельную ориентацию магнитного поля и образуют пару, которая оказывается более устойчивой к спонтанному перемагничиванию, чем одиночный «плоский» домен.

В технологии PMR (Perpendicular Magnetic Recording — перпендикулярный вектор намагниченности) используются магнитные домены с перпендикулярным вектором магнитного поля для увеличения плотности записи информации, устранения магнитного влияния (интерференции), сокращения размера междоменного пространства.

Технология HAMR (Heat Assistant Magnetic Recording — термомагнитная запись) основана на использовании магнитных материалов, обеспечивающих высокую термостабильность записанных участков поверхности. Для записи информации магнитный домен предварительно разогревается с помощью сфокусированного лазерного пучка, диаметр пучка соответствует размеру области для записи 1 бит информации, изменяются магнитные свойства (уменьшается коэрцитивная сила), участки намагничиваются^[2].

При использовании технологии SOMA (Self-Organized Magnetic Array — самоорганизующиеся магнитные решетки) на поверхности диска формируется монодисперсный слой самоорганизующихся магнитных массивов из железно-платиновых конгломератов размером около 3 нм.

Обмен данными между жестким диском и оперативной памятью поддерживается: программой, когда данные перемещаются между жестким диском и оперативной памятью под управлением центрального процессора (РЮ, Programmed Input/Outpu); аппаратно с помощью прямого способа доступа к памяти (Direct Memory Access — DMA), когда данные перемещаются между диском и оперативной памятью без участия центрального процессора, перехватывая управление шиной.

Для устройств на жестких магнитных дисках используют следующие интерфейсы подключения к системной шине: параллельные IDE (Integrated Drive Electronics — электроника, встроенная в привод), SCSI (Small Computer Systems Interface) и др.; последовательные обмена данными SATA (Serial АТА), SAS и др.

С целью повышения скорости обмена данными процессора с дисками используется кэширование дисков (кэш — быстродействующий буфер емкостью несколько мегабайт для кратковременного хранения считываемой или записываемой на диск информации).

Кэш создается на флэш-памяти, на дисководе или в оперативной памяти. Большинство современных накопителей имеют собственную кэш-память емкостью от 2 до 8 Мбайт. Скорость обмена данными процессора с кэш-памятью достигает 100 Мбайт/с.

Для жестких дисков разработана технология SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology), позволяющая вести наблюдение за основными характеристиками накопителя.

О состоянии жесткого диска свидетельствуют следующие основные показатели: число оборотов шпинделя, число перемещений головок, количество циклов включения-выключения, высота головок над поверхностью диска, число переназначенных секторов, время поиска дорожки, число ошибок поиска и др. С помощью этих показателей дается интегральная оценка надежности в сравнении с некоторым эталонным значением в диапазоне от 0 до 100. Высокая оценка говорит об отсутствии изменений данного параметра или медленном его ухудшении, низкая — о возможном скором сбое (значение, меньшее минимального значения, которое гарантирует безотказную работу накопителя, означает выход узла из строя). Технология SMART позволяет осуществлять мониторинг параметров состояния, сканирование поверхности жесткого диска, автоматическую замену сомнительных секторов на надежные и т. п.

• [1] Термин «винчестер» является жаргонным названием первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30/30 известного охотничьего ружья винчестер.
• [2] Для массового внедрения HAMR в серийное производство необходима разработка эффективного теплоотвода от магнитных пластин во время записи информации.