HDD

• HDD
  • Úvod a historie
  • Fyzická struktura
    • Talíř(y)
    • Vřeteno a motor hnacího vřetena
    • Čtecí/zapisovací hlava disku
    • Ovladač a rameno ovladače
  • Jak jsou organizována data na HDD?
  • Zápis dat (magnetický záznam)
  • Rozhraní
  • Omezení HDD a životnost HDD

Úvod a historie

První pevný disk, IBM 350, byl představen v září 1956 jako součást systému RAMAC (Random Access Memory Accounting). Ačkoli IBM 350 možná nevypadá jako pevné disky (HDD), které známe a stále milujeme dnes, byl to začátek úložných médií, která dominovala sektoru počítačových úložišť. Tato nadvláda zůstala z velké části nezpochybněna až do představení komerčních flash disků SSD v 90. letech společností SanDisk. Navzdory tomu, že jsou HDD v mnoha spotřebitelských i profesionálních nastaveních pomalu nahrazovány SSD, stále nabízejí nejnižší cenu za GB úložiště, takže se často vyskytují tam, kde je potřeba velké množství úložiště (několik TB) a rychlost není prvořadá. Takže to vyvolává otázku, jak fungují pevné disky?

Fyzická struktura

Pevné disky se skládají z několika fyzických součástí. Hlavní komponenty jsou: talíř(y), vřeteno, pohon, rameno pohonu, čtecí/zapisovací hlava(y).

Talíř(y)

Talíř pevného disku je to, co fyzicky obsahuje data na pevném disku a podle kterého má pevný disk své jméno. Na rozdíl od měkkých (disketových) disků, které se nacházejí uvnitř diskety, je plotna v HDD pevná, obvykle vyrobená ze skla, keramiky nebo hliníku. Tyto disky jsou následně potaženy tenkou magnetickou vrstvou. Tato magnetická vrstva je rozdělena na miliardy jednotlivých sekcí, z nichž každá představuje kousek. Tyto úseky lze následně zmagnetizovat a vytvořit tak vlastní trvalé magnetické pole, data lze zakódovat do stavů magnetického pole. Nyní máme základ pro to, jak lze data ukládat na talíř. Každá plotna má dvě strany, na kterých lze ukládat data, a každý pevný disk obvykle obsahuje jednu až pět ploten.

Vřeteno a motor hnacího vřetena

Vřeteno je zodpovědné za držení talíře (talířů) na místě. Vřeteno je připojeno k motoru hnacího vřetena, který je zodpovědný za roztočení talířů, to se měří v otáčkách za minutu a pro komerční použití se obvykle pohybuje mezi 5 400 a 7 200. Je důležité, aby motor hnacího vřetena otáčel disk stálou rychlostí as velmi malými vibracemi. Motor vřetena je připojen k obvodům zpětné vazby, které mohou monitorovat rychlost talíře, rychlost motoru vřetena lze ovládat, aby se zmírnily jakékoli změny v rychlosti talíře.

Čtecí/zapisovací hlava disku

Čtecí/zapisovací hlava disku se používá k přeměně elektrického proudu na magnetické pole k manipulaci s magnetickým polem talíře (zápis), nebo k přeměně magnetického pole talíře na elektrický proud při čtení. /psací hlava (čtení). Tyto čtecí/zapisovací hlavy mají extrémně nízkou vůli nad talířem, často jezdí na tenké vrstvě vzduchu, která funguje jako mazivo a vyrovnávací paměť mezi čtecí/zapisovací hlavou a talířem. Toto je známé jako vzduchové ložisko. Vzdálenost mezi talířem a čtecí/zapisovací hlavou je známá jako letová výška. Každý talíř má obecně dvě čtecí/zapisovací hlavy, jednu pro každou stranu talíře.

Ovladač a rameno ovladače

Čtecí/zapisovací hlava disku je připevněna k trojúhelníkové lehké slitině zvané rameno ovladače. Toto rameno se pohybuje po povrchu talíře a umožňuje čtecí/zapisovací hlavě přístup k různým stopám (více o stopách později) pomocí ovladače. Kombinací pohybu aktuátoru a otáčení talíře se čtecí/zapisovací hlava může pohybovat po celém povrchu talíře.

Jak jsou organizována data na HDD?

Pro pochopení toho, jak jsou data uložena na HDD, existují dva klíčové pojmy: stopy a sektory. Talíř na pevném disku je rozdělen na soustředné prstence, které se počítají do tisíců. Tyto stopy lze poté dále rozdělit na sektory. Sektor je nejmenší adresovatelná úložná jednotka na disku. Nyní, když víme, jak jsou data fyzicky uložena na HDD, jak můžeme sledovat, kde jsou všechny sektory a stopy? Zde přichází na řadu oslovování.

Cylinder-head-sector (CHS) byla raná metoda pro adresování sektorů na HDD. Abychom porozuměli CHS, musíme porozumět každé složce zvlášť. Cylinder definuje stopy v zásobníku talířů, které mají stejné číslo stopy. Například pevný disk s válci od nuly (na okraji talíře) do deseti (uprostřed talíře), skutečný počet válců jednotky je mnohem větší než toto, válec nula by obsahoval všechny nejvzdálenější stopa na každém talíři. Tím jsou v podstatě definovány všechny dráhy, ke kterým lze přistupovat, aniž by se rameno pohonu muselo pohybovat. Hlava určuje, na který talíř a na kterou stranu talíře přistupujeme. Můžeme to považovat za význam „na kterou čtecí/zapisovací hlavu máme odkaz“. Kombinací hodnoty cylindru a hodnoty hlavy můžeme určit určitou stopu na konkrétní straně talíře. Poslední částí CHS je sektor, který jednoduše definuje, který sektor na trati. Kombinací všech tří částí CHS můžeme adresovat jakýkoli sektor na pevném disku pomocí tří čísel, nejmenší je 0/0/1 (v adresování CHS není žádný sektor 0 a čísla sektorů začínají na 1).

Druhým schématem adresování je logické blokové adresování (LBA). LBA je podstatně jednodušší než CHS a čísluje každý sektor od 0, například LBA0, LBA1 atd. Fyzické umístění každého sektoru je do značné míry irelevantní a je přeloženo firmwarem disku. To dává firmwaru disku svobodu dynamicky mapovat data, takže vadné sektory mohou být nahrazeny sektory z rezervy, aniž by došlo k odhalení specifik disku operačnímu systému. Hostitel může přistupovat k určitým sektorům na pevném disku pomocí čísla LBA, což od hostitele odebírá mnoho aspektů fyzického úložiště a činí adresování nezávislým na struktuře disku. To umožňuje klonování disků na náhradu jiného typu bez složitého přemapování. LBA nahradilo CHS jako primární metodu pro adresování úložiště.

Zápis dat (magnetický záznam)

Nyní víme, jak jsou data fyzicky uložena na pevném disku a jak jsou organizována, ale jak se data zapisují?

Konvenční HDD využívají záznamovou techniku ​​nazývanou kolmý magnetický záznam (PMR). Můžete také slyšet PMR nazývané konvenční magnetický záznam (CMR). PMR je vylepšením dřívější formy magnetického záznamu zvaného podélný magnetický záznam (LMR). PMR obsahuje pod záznamovým materiálem měkkou magnetickou podkladovou vrstvu, tato podkladová vrstva extrémně dobře vede magnetický tok (měření magnetického pole procházejícího určitým bodem). To má za následek vytvoření extrémně silného magnetického pole kolem záznamového materiálu, mnohem vyššího než magnetické pole používané v LMR. To má několik výhod, při použití silnějších elektrických polí lze pro záznamovou vrstvu použít materiály s vyšší magnetickou koercitivitou. Tyto materiály vyžadují silnější magnetická pole k magnetizaci,

K dispozici je však třetí, novější technika magnetického záznamu: šindlový magnetický záznam (SMR). Můžeme uvažovat o PMR záznamových stopách vedle každé s malou mezerou mezi každou stopou, v žádném bodě se nepřekrývají. SMR to změní zápisem překrývajících se stop. Při pohledu na data zaznamenaná na talíři vypadají tyto stopy podobně jako střešní šindele, přičemž každá stopa se překrývá na další. Díky tomu je každá stopa užší, což umožňuje uložit více stop na talíř, čímž se zvyšuje hustota uložení. Překrývající se tratě jsou pak organizovány do zón, šindele se přerušují na konci každé zóny.

SMR má však své nevýhody. Protože se stopy překrývají, přímá úprava stopy není možná, protože stopa, která se na ni překrývá, musí být také přepsána, v důsledku toho musí být přepsány také všechny stopy v zóně, což prodlužuje dobu zápisu, poněkud podobně jako zesílení zápisu nalezené na SSD. Protože se však šindele na konci každé zóny zlomí, musí být přepsána pouze jedna zóna celá a ne celá strana talíře. Jednotky SMR také obsahují části LMR, které lze použít jako mezipaměť pro ukládání těchto zápisů, lze je pak zapisovat do sekcí SMR disku během období nízké aktivity. 

Vzhledem k tomu, že poptávka po nákladově efektivním velkokapacitním úložišti stále roste, můžeme očekávat, že disky SMR budou stále běžnější. Z pohledu výrobce disků je SMR perfektní pro zvýšení hustoty úložiště jejich jednotek bez přidávání dalších ploten. Ne všichni jsou s tím však spokojeni, protože existují tvrzení, že disky SMR mohou mít problémy s výkonem ve srovnání s disky PMR. Fascinující a podrobné srovnání mezi disky PMR a SMR najdete v tomto článku od ServeTheHome. To vyvrcholilo právní žalobou proti společnosti WesternDigital za údajné „downgrade“ pevných disků WD Red NAS z PMR na SMR, aniž by o tom spotřebitele informoval:

„Hattis Law podal žalobu na společnost Western Digital Corporation, která tvrdí, že Western Digital tajně přešel mnoho svých pevných disků, včetně pevných disků WD Red NAS, na horší technologii šindelového magnetického záznamu (SMR), čímž klame a poškozuje spotřebitele.

Více o této kontroverzi si můžete přečíst v našem příspěvku na blogu zde .

Rozhraní

Vzhledem k množství času, po který jsme HDD používali, byly dostupné pomocí několika různých rozhraní.

Dvě z nejstarších rozhraní, která byla široce dostupná, byly ST-506 a ST-401 vyvinuté společností Seagate v roce 1980 a 1981. Přestože tato dvě rozhraní byla podobná, ST-401 obsahovalo několik vylepšení oproti ST-506, která zlepšila rychlost a zvýšila kapacitu disku. Standardy SCSI a IDE/ATA byly velkým krokem ve vývoji disků, protože obsahovaly vestavěný řadič v samotném disku. To umožnilo opravu chyb, přemapování a optimalizaci výkonu specifickou pro samotný disk. SCSI bylo představeno v roce 1986 a Parallel ATA (PATA, také známé jako IDE) bylo poprvé představeno přibližně ve stejnou dobu, bylo vyvinuto společnostmi Western Digital a Compaq v roce 1986. Původně se standard jmenoval AT Attachment (ATA), protože se připojoval přímo. na 16bitový ISA port, který byl zaveden IBM PC/AT. PATA byl následován Serial ATA (SATA), který byl poprvé k dispozici v roce 2003, v Seagate Barracuda SATA V, prvním pevném disku, který používal rozhraní SATA. Před uvedením SATA v roce 2000 byla PATA známá jako AT Attachment nebo ATA. SATA se rychle stalo dominantním rozhraním pro úložná zařízení a je zdaleka nejběžnějším rozhraním, které dnes používají pevné disky. Další rozhraní, které dnes můžete vidět, je Serial Attached SCSI (SAS), které používá sadu příkazů SCSI.

Omezení HDD a životnost HDD

Vzhledem k mechanické povaze pevných disků existuje několik nevýhod, které je třeba vzít v úvahu. Dvěma z nich jsou „rotační zpoždění“ a „doba vyhledávání“. Tyto dva pojmy spolu úzce souvisejí a oba ovlivňují, jak dlouho trvá fyzický přístup k sektoru na plotně (oba se měří v milisekundách, ms). Zpoždění rotace je množství času mezi vytvořenou I/O operací a množstvím času, za který se plotna otočí z jednoho sektoru do druhého. Představte si disk se 64 sektory na stopě, zpoždění rotace bude větší při pohybu ze sektoru 1 do sektoru 32, než by bylo ze sektoru 1 do sektoru 2. Doba vyhledávání se vztahuje k pohybu čtecí/zapisovací hlavy z jedné stopy na talíři k další, čím dále je další stopa od aktuální stopy, tím delší bude doba vyhledávání.

Další nevýhodou pevných disků je schopnost provádět vždy pouze jeden příkaz, v důsledku čehož je extrémně důležité, aby příkazy byly obsluhovány logickým způsobem, aby se zkrátila doba vyhledávání a zpoždění otáčení mezi jednotlivými příkazy. Protokol SATA AHCI obsahuje rozšíření Native Command Queuing (NCQ). To umožňuje jednotkám pevných disků interně optimalizovat pořadí, ve kterém se provádějí příkazy pro čtení a zápis. AHCI má jedinou frontu příkazů, která obsahuje 32 příkazů. Tyto příkazy pak mohou být obsluhovány interním plánovacím algoritmem pevného disku v pořadí, které považují za nejvhodnější. Některé z běžných metod plánování pro HDD jsou: Kdo dřív přijde, ten dřív servíruje, Nejkratší čas vyhledávání jako první, Výtah (SCAN), Kruhové skenování (C-SCAN) a C-LOOK. Obrázek níže ukazuje NCQ optimalizující pořadí 4 příkazů:

Přestože byly pevné disky optimalizovány tak, aby spouštěly příkazy efektivním způsobem, jsou horší ve srovnání s flashovými úložišti, zejména novějšími flash disky, které používají protokol NVMe, který má 65535 front s 65536 příkazy na frontu. Ve spojení s absencí pohyblivých částí SSD, což znamená, že nedochází k žádnému zpoždění otáčení nebo vyhledávání, není výkon HDD schopen odpovídat výkonu SSD. 

Pohyblivé části uvnitř HDD jsou také mnohem náchylnější k poškození otřesy a vibracemi než flash média. Jedním příkladem poškození šokem je náraz hlavy; k tomu dochází, když se čtecí/zapisovací hlava dotkne talíře pod ním. To způsobí vážné poškození talíře, protože magnet je poškrábán, což může vést ke ztrátě dat v celých stopách.

Správná péče o pevný disk je klíčem k zajištění dlouhé životnosti disku. AKCP , kteří vyrábějí nástroje pro síťové monitorování teploty, prostředí a napájení v datových centrech, navrhují, že vypnuté pevné disky lze bezpečně skladovat při teplotě mezi -40 °C (-40 °F) a 70 °C (158 °F). Upozorňují však, že tyto teploty se budou mezi výrobci lišit. Pokud je to možné, všechna paměťová média by měla být chráněna před extrémními teplotami a otřesy.

S ohledem na to, jak dlouho můžete očekávat, že váš HDD vydrží? Na tuto otázku je těžké odpovědět. BackBlaze provedla studii více než 200 000 diskových jednotek od různých výrobců. Poznamenali, že během prvních tří a půl roku zaznamenali poruchovost pod 2 %; poruchovost rychle vzrostla až do roku šest. Došli k závěru, že přiměřený odhad střední délky života pevného disku je asi šest let a devět měsíců.