Как работает жесткий диск?

Средний ноутбук за 500 долларов предлагает 256 ГБ памяти. Вы можете увидеть эту цифру и подумать: «Вау, представьте, сколько фильмов, песен и изображений я мог бы сэкономить на этом ребенке», верно?

Но задумывались ли вы когда-нибудь о том, как хранятся ваши данные?

Что ж, ответ может вас шокировать, поскольку жесткий диск вашей системы использует магнетизм для хранения данных. По сравнению с компакт-диском этот подход более эффективен. На самом деле, если бы вы поставили перед собой компакт-диски эквивалентной емкости, они наверняка поднялись бы до уровня ваших глаз.

Напрашивается вопрос: как работает жесткий диск?

Как работает жесткий диск?

Чтобы полностью понять жесткий диск, вы должны знать, как он работает физически. По сути, это диски, расположенные один над другим на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга. Эти диски называются пластинами. Отполированные до зеркального блеска и невероятно гладкие, они могут хранить огромное количество данных.

Далее у нас рука. Это записывает и читает данные на диск. Он растягивается над пластиной и перемещается по ней от центра к краю, считывая и записывая данные на пластину с помощью своих крошечных головок, которые парят прямо над пластиной. Рычаг в среднем на бытовых приводах может колебаться около 50 раз в секунду. Эта цифра может достигать тысяч на многих высокопроизводительных машинах и машинах, используемых для сложных вычислений.

Чтобы представить ситуацию в перспективе, для жестких дисков, работающих со скоростью 5400 об/мин, рука перемещается со скоростью 62 мили в час. Кроме того, рука находится всего в 10 нанометрах от пластины, и именно на этом расстоянии рука должна считывать и записывать данные на пластину.

Для выполнения этой задачи жесткие диски используют концепции магнетизма, и чтобы понять, как работает жесткий диск, нам нужно вернуться к некоторым основам.

Объяснение магнетизма в жестких дисках

Прежде чем перейти к жестким дискам, давайте разберемся с концепциями, которые жесткие диски используют для хранения данных.

Проще говоря, жесткие диски используют ферромагнетизм для сохранения всех ваших файлов за считанные секунды. Но что такое ферромагнетизм?

Вы помните, что держали набор скрепок рядом с магнитом всю ночь только для того, чтобы обнаружить, что скрепки теперь ведут себя как магниты? Такое поведение некоторых металлов, приобретающих магнитные свойства при расположении рядом с магнитами, известно как ферромагнетизм. Это изменение свойств металлов используется для хранения данных на жестком диске.

Хотя пластина на вашем диске выглядит как зеркало под поверхностью, она состоит из триллионов крупинок. Эти зерна обладают свойствами, подобными скрепкам, которые мы обсуждали ранее, и могут хранить магнитную информацию, когда они приближаются к магнитному полю. Для хранения информации эти зерна могут иметь два различных состояния, и эти состояния известны как магнитные моменты.

Вдобавок к этому, в отличие от канцелярских скрепок, размер этих крупинок очень мал, а квадратный дюйм пластины может хранить сотни гигабит данных. Поэтому для записи данных в эти маленькие зерна используется электромагнит с очень маленькой головкой. Вот как записываются данные на эти зерна с помощью электромагнита.

Запись данных на жесткий диск

Допустим, ваш компьютер хочет сохранить файл на жестком диске. Эти данные не что иное, как набор 1 и 0, которые изменяют направление, в котором ток течет в записывающей головке. Из-за изменения тока меняется полярность электромагнита, создавая другое магнитное поле в нижней пластине. Именно эти различия в магнитных полях на пластине создают различные магнитные моменты в зернах.

Поэтому, если ваша система хочет сохранить 1, зерно будет иметь другой магнитный момент по сравнению с 0. Эти различия в магнитных свойствах зерен позволяют жестким дискам хранить данные.

Понимание различных методов хранения данных на пластине

Люди генерируют больше данных, чем когда-либо прежде; фактически, в 2021 году во всем мире было создано, захвачено, скопировано и использовано более 75 зеттабайт данных. Это ошеломляющее число показывает, что на жестких дисках необходимо хранить больше данных, чем когда-либо прежде. Для этого зерна на тарелках нужно сделать мельче и натискать их поближе друг к другу.

Это создает проблемы, поскольку более мелкие зерна могут потерять магнитную информацию, которой они обладают, из-за факторов окружающей среды. Следовательно, для решения этой проблемы магнитные моменты должны быть выровнены в разных направлениях.

Вот различные способы хранения данных на пластинах:

• Продольная магнитная запись: как следует из названия, продольная магнитная запись (LMR) сохраняет данные в продольном направлении. Это означает, что магнитные диполи имеют ту же ориентацию, что и движение записывающей головки — параллельно плоскости пластины. Несмотря на свою эффективность, размер диполей на жестких дисках, использующих технологию LMR, занимает много места. Благодаря этому LMR предлагает плотность 100 ГБ на квадратный дюйм.
• Перпендикулярная магнитная запись: Перпендикулярная магнитная запись (PMR), также известная как обычная магнитная запись, обеспечивает больший объем памяти по сравнению с LMR. Причиной этого увеличения является различие в ориентации магнитных диполей. Видите ли, в LMR данные хранятся продольно, но в технологии PMR диполи выровнены перпендикулярно. Следовательно, диполи на приводе PMR перпендикулярны движению записывающей головки. Это изменение ориентации увеличивает плотность информации, поскольку каждый диполь занимает меньше места по сравнению с диполями, используемыми в технологии LMR. Благодаря этому PMR предлагает плотность 300-400 ГБ на квадратный дюйм.
• Смешанная магнитная запись: как объяснялось ранее, данные на жестком диске хранятся по крупицам. Эти гранулы для хранения данных размещаются на круглых дорожках на жестком диске. Именно по этим дорожкам перемещается записывающая головка для сохранения информации. Хотя эти дорожки расположены близко друг к другу в технологиях PMR и LMR, они не перекрываются, поскольку это вызывает проблемы при чтении данных. Тем не менее, SMR перекрывает дорожки на жестком диске, чтобы увеличить объем данных, которые можно хранить на диске. Поскольку эти перекрывающиеся дорожки выглядят как черепица на крыше, эта технология получила название Shingled Magnetic Recording. Благодаря перекрытию SMR увеличивает плотность хранения на 25 процентов.
• Магнитная запись с нагреванием. Хотя переход от LMR к PMR привел к существенному увеличению объема данных, которые можно было хранить на жестком диске, этого было недостаточно для таких компаний, как Google, Facebook, Microsoft и Amazon, которые хранить не менее 1200 петабайт информации. Поэтому, чтобы еще больше увеличить плотность информации на жестком диске, появилась магнитная запись с тепловым воздействием (HAMR). Эта технология нагревает диск с помощью лазеров, чтобы зерна можно было расположить ближе друг к другу, а хранящаяся в них информация не терялась из-за факторов окружающей среды. Благодаря этому усовершенствованию жесткие диски, использующие HAMR, могут хранить более двух терабайт данных на квадратном дюйме.

В дополнение к выравниванию диполей, то, как ваш диск разбит на разделы, также повлияет на его производительность (и да, существует оптимальный метод разделения, чтобы максимизировать производительность).

Чтение данных с жестких дисков

Теперь, когда мы понимаем, как данные записываются на жесткие диски, мы можем посмотреть, как жесткий диск может читать записанные данные.

Видите ли, зерна на жестком диске выстроены в ряд дорожек. Именно на этих дорожках хранится информация. Когда вы сохраняете файл на своем компьютере, записывающая головка записывает часть этой дорожки, а жесткий диск запоминает местоположение файла.

Когда вы открываете файл, ЦП просит жесткий диск сделать то же самое. Жесткий диск перемещает руку на ту же дорожку, куда были записаны данные.

Именно здесь на сцену выходит считывающая головка. Точно так же, как записывающая головка использует электромагнит для записи данных, считывающая головка использует гигантскую магниторезистивную (GMR) головку. Однако, в отличие от записывающей головки, которая индуцирует магнитные поля, GMR обнаруживает изменения магнитных полей на пластине. Благодаря этим свойствам считывающей головки она может считывать данные с пластины.

Именно это чтение и запись данных делает ваш жесткий диск шумным.

Стоит ли покупать жесткие диски?

Твердотельные накопители покорили мир, предлагая более высокие скорости чтения/записи. Тем не менее, за эту скорость приходится платить, и найти дешевые твердотельные накопители с большой емкостью — непростая задача.

Поэтому, если у вас есть огромная игровая библиотека, которая расширяется до нескольких терабайт, лучше всего приобрести механический жесткий диск, на котором можно хранить все эти данные, не прожигая дыру в вашем кармане.