Жесткие диски

Накопи7тель на жёстких магни7тных ди7сках, НЖМД, жёсткий диск, винче7стер (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD) — энергонезависимое перезаписываемое компьютерное за-поминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех компью-терах.

По одной из версий название «винчестер» накопитель получил благодаря фирме IBM, кото-рая в 1973 году выпустила жёсткий диск модели 3340 емкостью 60 Мб, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инже-неры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максималь-ной компоновке) по 30 МБ каждый. Это название было созвучно обозначению популярного охот-ничьего ружья «Winchester 30-30». В Европе и США название «винчестер» вышло из употребле-ния в 1990-х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус.

1956 год — жесткий диск IBM 350 в составе первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC.

Накопитель занимал ящик размером с большой холодильник и имел вес 971 кг, а общий объём памяти 50

вращавшихся в нём покрытых чистым железом тонких дисков диаметром 610 мм составлял около 3,5

Мб.

1980 год — первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart ST-506, 5 МБ.

1986 год — стандарт SCSI.

1991 год — максимальная ёмкость 100 МБ.

1995 год — максимальная ёмкость 2 ГБ.

1997 год — максимальная ёмкость 10 ГБ.

1998 год — стандарты UDMA/33 и ATAPI.

1999 год — IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 МБ.

2002 год — стандарт ATA/ATAPI-6 и накопители емкостью свыше 137 ГБ.

2003 год — появление SATA.

2005 год — максимальная ёмкость 500 ГБ.

2005 год — стандарт Serial ATA 3G (или SATA II).

2005 год — появление SAS (Serial Attached SCSI).

2006 год — применение перпендикулярного метода записи в коммерческих накопителях.

2006 год — появление «гибридных» жёстких дисков, содержащих блок флэш-памяти.

2007 год — Hitachi представляет первый коммерческий накопитель ёмкостью 1 ТБ.

2008 год — Seagate Technology LLC представляет накопитель емкостью 1,5 ТБ.

2009 год — на основе 500-ГБайтных пластин Western Digital, затем Seagate Technology LLC вы-

пустили модели емкостью 2 ТБ.

2009 год — Western Digital объявила о создании 2,5-дюймовых HDD объемом 1 ТБ.

Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники. Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с уст-ройством позиционирования и электропривод шпинделя.

Информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или керамические) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала. Обычно используется от одной до нескольких пла-стин. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря про-слойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстоя-ние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При от-сутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Основные характеристики жесткого жиска:

– интерфейс (англ. interface) — совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим

линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Серийно выпускаемые жесткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE), SATA, SCSI, SAS, FireWire, USB, SDIO и Fibre Channel;

– ёмкость (англ. capacity) — количество данных, которые могут храниться накопителем. Ём-кость современных устройств достигает 2000 ГБ (2 ТБ);

– физический размер (форм-фактор) (англ. dimension). Почти все современные (2001—2008 года) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма — под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках. Также получили распространение форматы 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма;

– время произвольного доступа (англ. random access time) — время, за которое винчестер га-рантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапа-зон этого параметра невелик — от 2,5 до 16 мс;

– скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) — количество оборотов шпинделя в ми-нуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость пере-дачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоро-стями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции);

– надёжность (англ. reliability) — определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF). Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T.;

– потребление энергии;

– уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Указыва-ется в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ни-же. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позицио-нирования;

– сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

– объём буфера — буфером называется промежуточная память, предназначенная для сгла-живания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных (2009 год) HDD он обычно варьируется от 8 до 64 МБ.

Большая часть всех винчестеров производятся компаниями Seagate (Maxtor), Western Digital, Samsung, Hitachi (IBM), Fujitsu, Toshiba.

Диске7та — портативный магнитный носитель информации, используемый для многократной записи и хранения данных сравнительно небольшого объема. Этот вид носителя был особенно распространён в 1970-х — конце 1990-х годов. Вместо термина «дискета» иногда используется аббревиатура ГМД — «гибкий магнитный диск» (соответственно, устройство для работы с диске-тами называется НГМД — «накопитель на гибких магнитных дисках»).

Обычно дискета представляет собой гибкую пластиковую пластинку, покрытую ферромаг-нитным слоем, отсюда английское название «floppy disk» («гибкий диск»). Эта пластинка помеща-ется в пластмассовый корпус, защищающий магнитный слой от физических повреждений. Обо-лочка бывает гибкой или жёсткой. Запись и считывание дискет осуществляется с помощью специ-ального устройства — дисковода гибких дисков (флоппи-дисковода).

1971 — Первая дискета диаметром в 200 мм (8″, 80 Кб) с соответствующим дисководом была

представлена фирмой IBM.

1976 — Алан Шугерт (Shugart Associates) разработал дискету диаметром 5,25″ (110 Кб).

1981 — Sony выводит на рынок дискету диаметром 3,5″ (90 мм). В первой версии объём составля-

ет 720 килобайт (9 секторов). Поздняя версия имеет объём 1440 килобайт или 1,40 мегабайт (18 секто-

ров). Именно этот тип дискеты становится стандартом (после того, как IBM использует его в своём IBM

PC).

Оптический диск — собирательное название для носителей информации, выполненных в ви-де дисков, чтение с которых ведётся с помощью оптического излучения. Диск обычно плоский, его основа сделана из поликарбоната, на который нанесён специальный слой для хранения инфор-мации. Для считывания информации используется обычно луч лазера, который направляется на слой и отражается от него. При отражении луч искажается мельчайшими выемками (питами, от англ. pit - ямка, углубление) на слое, и это можно измерить.

Первое поколение оптических дисков

Лазерный диск LaserDisc (разработка 1958 г., коммерческое применение 1978 г.). Применял-ся в 1978-2000 гг. в сфере домашнего просмотра кинофильмов. Обеспечивал значительно лучшее качество по сравнению с видеокассетами. Технологии, отработанные в этом формате, затем были использованы в CD и DVD.

Компакт-диск (CD) был разработан в 1979 году компаниями Philips и Sony. На Philips разра-ботали общий процесс производства, основываясь на своей более ранней технологии лазерных дисков. Sony, в свою очередь, использовала собственный метод кодирования сигнала PCM — Pulse Code Modulation, использовавшийся ранее в цифровых профессиональных магнитофонах. В 1982 году началось массовое производство компакт-дисков. Выпуск первого коммерческого му-зыкального CD был анонсирован 20 июня 1982 г. История гласит, что на нем был записан альбом «The Visitors» группы ABBA.

Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки так называемых питов (уг-лублений), выдавленных в поликарбонатной основе. Каждый пит имеет примерно 100 нм в глуби-ну и 500 нм в ширину. Длина пита варьируется от 850 нм до 3,5 мкм. Данные с диска читаются при помощи лазерного луча с длиной волны 780 нм. Принцип считывания информации лазером для всех типов носителей заключается в регистрации снижения интенсивности отраженного света. Лазерный луч фокусируется на информационном слое в пятно диаметром ~1,2 мкм. Если свет сфокусировался между питами, то фотодиод регистрирует максимальный сигнал. В случае, если свет попадает на пит, фотодиод регистрирует ме7ньшую интенсивность света.

Скорость чтения/записи CD указывается кратной 150 кБ/с (то есть 153 600 байт/с). Напри-мер, 48-скоростной привод обеспечивает максимальную скорость чтения (или записи) CD, равную 48 x 150 = 7200 KБ/с (7,03 MБ/с).

Существуют диски, предназначенные для записи в домашних условиях. В таких дисках ис-пользуется специальный активный материал, позволяющий производить запись/перезапись ин-формации. Различают:

– CD-R (Compact Disc Recordable) – диски для однократной записи, с органическим актив-ным материалом, запись осуществляется путём разрушения химических связей материала, что приводит к его потемнению;

– CD-RW (Compact Disc ReWritable) для многократной записи, с неорганическим активным материалом, запись осуществляется изменением коэффициента отражения материала в результате его перехода из аморфного агрегатного состояния в кристаллическое и наоборот. И в том и в дру-гом случае запись производится модуляцией мощности лазера.

Второе поколение оптических дисков

DVD

MiniDisc

DataPlay

GD-ROM

Fluorescent Multilayer Disc

Universal Media Disc

Первые диски и проигрыватели DVD появились в ноябре 1996 в Японии и в марте 1997 в США, приводы по стоимости ~$17000, сами диски - по $50. Изначально «DVD» расшифровыва-лось как «Digital Video Disc» (цифровой видеодиск), поскольку данный формат первоначально разрабатывался как замена видеокассетам. Позже стали расшифровывать DVD как Digital Versatile Disc (цифровой многоцелевой диск). Для считывания и записи DVD используется красный лазер с длиной волны 650 нанометров. Единица скорости (1x) чтения/записи DVD составляет 1 385 000 байт/с (то есть около 1352 Кбайт/с = 1,32 Мбайт/с), что примерно соответствует 9-й скорости (9x) чтения/записи CD, которая равна 9 × 150 = 1350 Кбайт/с. Таким образом, 16-скоростной привод обеспечивает скорость чтения (или записи) DVD равную 16 × 1,32 = 21,12 Мбайт/с.

Физически DVD может иметь одну или две рабочие стороны и один или два рабочих слоя на каждой стороне. От их количества зависит ёмкость диска (из-за чего они получили также названия DVD-5, 9, 10, 18, по принципу округления ёмкости диска в Гб до ближайшего сверху целого числа)

Тип DVD-диска Емкость, Гб

1-сторонние 1-слойные (DVD-5) 4,7

1-сторонние 2-слойные (DVD-9) 8,5

2-сторонние 1-слойные (DVD-10) 9,4

2-сторонние 2-слойные (DVD-18) 17,1

GD-ROM (сокращение от англ. Gigabyte Disc read-only memory) — формат оптических дис-ков, разработанный компанией Yamaha для Sega. Он подобен стандарту CD-ROM за исключением того, что биты на диске упакованы плотнее, обеспечивая более высокую емкость (приблизительно 1.2 гигабайта

Universal Media Disc (UMD) — оптический накопитель, разработанный компанией Sony для использования в игровых приставках PlayStation Portable. Емкость: 1.80 Гб (двуслойный), 900 Мб (однослойный). Длина волны лазера: 660 nm (красный)

Флуоресцентный многоуровневый диск (FMD) — формат оптического носителя, разрабо-танный компанией «Constellation 3D», использующий флуоресценцию вместо отражения для хра-нения данных. Форматы, основанные на измерении интенсивности отраженного света (такие как CD или DVD), имеют практическое ограничение в 2 слоя хранения данных, главным образом, из-за эффекта интерференции. Однако использование флуоресценции позволяет работать, соответст-вуя принципам объёмной оптической памяти и иметь до 100 слоёв. Они позволяют вместить объ-ём до 1 Тб при размерах обычного компакт-диска.

Питы на диске заполнены флуоресцентным материалом. Когда лазерный луч фокусируется на них, они вспыхивают, излучая световые волны разных длин. Поскольку слои не содержат ме-таллы, они прозрачны, и свет проходит через них беспрепятственно. Это позволяет иметь множе-ство слоёв. Главное ограничение — суммарная толщина диска.

Образец диска объемом 50 Гб был представлен на компьютерной выставке COMDEX в ноябре

2000 года. Первые образцы использовали красные лазеры с длиной волны 650 нм и имели объём 140 ГБ.

Последующие модификации использовали сине-фиолетовые лазеры с длиной волны 405 нм и вместимо-

стью до 1 Тб.

Затем компания «Constellation 3D» прекратила работу из-за скандала, начавшегося после выставки

COMDEX 2000 (представленный образец был фальшивым и проигрывался на обычном поддельном при-

воде). Вследствие этого компания обанкротилась.

Вскоре сформированная компания D Data Inc. приобрела патент на эту разработку в 2003 году и

представила её под именем цифрового многослойного диска (DMD).

Цифровой Многослойный Диск («DMD» — с англ. «Digital Multilayer Disk») является опти-ческим диском, разработанным компанией D Data Inc. Диск основан на трехмерной оптической технологии хранения данных, разработанной для FMD. Диск основан на технологии красного ла-зера и составлены из нескольких слоев данных, к которым присоединяется флуоресцентный мате-риал, который реагирует на освещение красного лазера. DMD-диски на красном лазере могут по-тенциально иметь до 100 Гб места для хранения данных.

Третье поколение оптических дисков

Blu-ray Disc

HD DVD

Forward Versatile Disc

Ultra Density Optical

Versatile Multilayer Disc

Blu-ray (букв. «голубой-луч») получил своё название от использования для записи и чтения коротковолнового (405 нм) «синего» (технически сине-фиолетового) лазера. Представлен общест-венности в 2006 году.

Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23,3, 25, 27,0 или 33 Гб, двухслойный диск может вместить 46,6, 50, или 54 Гб. Возможно применение и большего количества слоев, так, 5 октября 2009 года японская корпорация TDK сообщила о создании записываемого десятислойного Blu-ray диска емкостью 320 Гигабайт.

Применяются также диски BD-R (одноразовая запись) и BD-RE (многоразовая запись). Вы-пускаются как диски стандартного размера 120 мм, так и размером 80 мм для использования в цифровых фото- и видеокамерах.

HD DVD (англ. High-Density DVD — DVD высокой ёмкости) — еще одна технология записи оптических дисков, бывший основной конкурент BD. Разработка и развитие были прекращены в начале 2008 года.

Ultra Density Optical (UDO) — формат оптического диска для хранения видео высокой чётко-сти. UDO представляет собой картридж 5.25” с оптическим диском внутри. Объём диска на дан-ный момент составляет от 60 Гб до 120 Гб. Для записи может использоваться как красный лазер (650нм), так и сине-фиолетовый (405 нм), причем во втором случае максимальный объем диска может достигать 500 Гб. Формат представлен в 2000 г., используется для хранения видео высокой чёткости.

HD VMD (Hígh Dénsity - Versátile Multiláyer Disc) - формат цифровых носителей на оптиче-ских дисках, предназначенный для хранения видео высокой чёткости, представлен в 2006 г. На одной стороне HD VMD-диска помещает до 5 Гб данных, но за счёт того, что диски являются мно-гослойными (до 20 слоёв) их ёмкость достигает 100 Гб. Для чтения и записи используется красный (650нм) лазер, что позволяет производить устройства, совместимые с дисками CD и DVD.

Четвертое поколение оптических дисков

Holographic Versatile Disc

SuperRens Disc

Голографический многоцелевой диск (Holographic Versatile Disc) использует технологию, из-вестную как голография. Два лазера: один — красный, а второй — зелёный, сведённые в один па-раллельный луч. Зелёный лазер читает данные, закодированные в виде сетки с голографического слоя близкого к поверхности диска, в то время как красный лазер используется для чтения вспо-могательных сигналов с обычного компакт-дискового слоя в глубине диска. Вспомогательная ин-формация используется для отслеживания позиции чтения.

Предполагаемая информационная ёмкость этих дисков — до 3.9 терабайт (TB), что сравнимо с 6000 CD, 830 DVD или 160 однослойными дисками Blu-ray; скорость передачи данных — 1 Гбит/сек. HVD стандарт был утверждён и опубликован 28 июня 2007 года.

Флеш-память (англ. Flash-Memory) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. Изобретена в 1984 г. в корпорации Toshiba, ком-мерческое использование начала Intel в 1988 г. Флэш-память может быть прочитана сколько угод-но раз, но писать в нее можно ограниченно (максимально — около миллиона). Более распростра-нена флеш-память, выдерживающая всего около 100 тысяч циклов перезаписи — но и это намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW. Кроме того, флэш-память не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жёстких дисков, более надёжна и компактна.

Основные характеристики:

– форм-фактор (тип карты). Применяются USB-флэш-карты, снабженные адаптером для подключения в USB-разъему компьютера. Помимо них, широко распространены флэш-карты, предназначенные для использования в мобильной цифровой технике, это:

Тип Размер, мм

MMC

MMC (MultiMedia Card) 24×32×1,4

RS-MMC (Reduced Size MultiMedia Card) 24×18×1,4

DV-RS-MMC (Dual Voltage Reduced Size MultiMedia Card) 24×18×1,4, двойное питание

MMCmicro 14×12×1,1

SD

SD Card (Secure Digital Card), SDHC (SD High Capacity) 32×24×2,1

miniSD 21,5×20×1,4

microSD 11×15×1