Disco duro

disco duro

Disco duro de 2,5 pulgadas con interfaz SATA y conector de servicio de 4 pines para acceder al firmware de la unidad. Área de contención abierta
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Una unidad de disco duro, o HDD ( ing.  unidad de disco duro (magnético), HDD, HMDD ), disco duro , plegable. disco duro  - un dispositivo de almacenamiento de acceso aleatorio (dispositivo de almacenamiento de información, unidad ) basado en el principio de grabación magnética. Es el principal dispositivo de almacenamiento de datos en la mayoría de las computadoras .

A diferencia de un disquete ( floppy disk ), la información en un HDD se graba en placas duras ( aluminio o vidrio ) recubiertas con una capa de material ferromagnético , más a menudo dióxido de cromo  - discos magnéticos. El disco duro utiliza uno o más platos en el mismo eje . Los cabezales de lectura en el modo de funcionamiento no tocan la superficie de las placas debido a la capa de flujo de aire que se forma cerca de la superficie durante la rotación rápida. La distancia entre la cabeza y el disco es de varios nanómetros (en los discos modernos, unos 10 nm [1] ), y la ausencia de contacto mecánico asegura una larga vida útil del dispositivo. En ausencia de rotación del disco, los cabezales están en el eje o fuera del disco en una zona segura ("estacionamiento"), donde se excluye su contacto anormal con la superficie de los discos.

Además, a diferencia de un disquete, un medio de almacenamiento generalmente se combina con una unidad, una unidad y una unidad electrónica. Dichos discos duros se utilizan a menudo como medios de almacenamiento no extraíbles.

Desde la segunda mitad de la década de 2000, han proliferado los SSD de mayor rendimiento , desplazando a las unidades de disco de una serie de aplicaciones a pesar del mayor costo por unidad de almacenamiento; Al mismo tiempo, los discos duros, a partir de mediados de la década de 2010, se generalizaron como dispositivos de almacenamiento de bajo costo y alta capacidad tanto en el segmento de consumidores como en el corporativo.

Debido a la presencia del término disco lógico , los discos magnéticos (platters) de los discos duros, para evitar confusiones, se denominan disco físico , en argot  - pancake . Por la misma razón, las unidades de estado sólido a veces se denominan disco duro SSD , aunque no tienen discos magnéticos ni dispositivos móviles.

El nombre "Winchester"

Según una de las versiones [2] [3] , el nombre "Winchester" ( ing.  Winchester ) se le dio a la unidad gracias a Kenneth Haughton, quien trabajaba en IBM , el gerente del proyecto, como resultado , se creó una unidad de disco duro . lanzó en 1973 IBM 3340 , que por primera vez combinó platos de disco y cabezales de lectura en una carcasa de una sola pieza. Al desarrollarlo, los ingenieros utilizaron el nombre interno abreviado "30-30", que significaba dos módulos (en el diseño máximo) de 30 megabytes cada uno, lo que coincidía con la designación del arma de caza popular: el rifle Winchester Modelo 1894 , usando el cartucho de rifle . También hay una versión [4] de que el nombre proviene únicamente del nombre del cartucho, también producido por Winchester Repeating Arms Company , la primera munición creada en EE. UU. para armas civiles de "pequeño" calibre sobre pólvora sin humo, que superó cartuchos de generaciones anteriores en todos los aspectos e inmediatamente ganaron gran popularidad.  

En Europa y EE. UU., el nombre "winchester" cayó en desuso en la década de 1990 , pero en ruso se mantuvo y recibió un estatus semioficial, y en la jerga informática se redujo a la palabra "tornillo" (a veces "vinch" [ 5] ).

Tecnologías de registro de datos

El principio de funcionamiento de los discos duros es similar al funcionamiento de las grabadoras de cinta . La superficie de trabajo del disco se mueve en relación con el cabezal de lectura (por ejemplo, en forma de inductor con un espacio en el circuito magnético ). Cuando se aplica una corriente eléctrica alterna (durante la grabación) a la bobina del cabezal, el campo magnético alterno emergente del espacio del cabezal afecta el ferromagneto de la superficie del disco y cambia la dirección del vector de magnetización del dominio según la intensidad de la señal. Durante la lectura, el movimiento de los dominios cerca del espacio de la cabeza provoca un cambio en el flujo magnético en el circuito magnético de la cabeza, lo que provoca la aparición de una señal eléctrica alterna en la bobina debido a la inducción electromagnética.

Desde finales de la década de 1990, las cabezas basadas en el efecto de resistencia magnética gigante (GMR) [6] [7] comenzaron a utilizarse en el mercado de almacenamiento de información .
Desde principios de la década de 2000, los cabezales basados ​​en el efecto GMR han sido reemplazados por cabezales basados ​​en el efecto magnetorresistivo túnel (en el que un cambio en el campo magnético conduce a un cambio en la resistencia dependiendo del cambio en la intensidad del campo magnético; tal cabezales permiten aumentar la probabilidad de confiabilidad en la lectura de la información, especialmente en registros de información de alta densidad). En 2007, los dispositivos basados ​​en el efecto magnetorresistivo de túnel con óxido de magnesio (el efecto se descubrió en 2005) reemplazaron por completo a los dispositivos basados ​​en el efecto GMR.

A fines de 2020, los expertos estiman que en los próximos años, los fabricantes de discos duros pasarán a la tecnología de grabación local calentada con plato magnético ( HAMR ), que se cree que se adapta mejor a los platos de vidrio que a los de aluminio, ya que el vidrio puede soportar sin defectos el calentamiento local. hasta 700 °C, mientras que la resistencia al calor del aluminio está limitada a 200 °C [8] .

Método de registro longitudinal

Método de grabación longitudinal: la tecnología CMR ( Grabación magnética convencional )  es una grabación magnética "normal", los bits de información se graban utilizando una cabeza pequeña que, al pasar sobre la superficie de un disco giratorio, magnetiza miles de millones de áreas discretas horizontales - dominios. En este caso, el vector de magnetización del dominio se ubica longitudinalmente, es decir, paralelo a la superficie del disco. Cada una de estas áreas es un cero o uno lógico, dependiendo de la dirección de la magnetización.

La densidad de grabación máxima alcanzable con este método es de unos 23 Gb/cm². En 2010, este método fue prácticamente reemplazado por el método de registro perpendicular.

Método de notación perpendicular

El método de grabación perpendicular  es la tecnología PMR ( P erpendicular  M agnetic R ecording ) , en la que los bits de información se almacenan en dominios verticales . Esto le permite usar campos magnéticos más fuertes y reducir el área de material requerida para grabar 1 bit. El método de grabación anterior, paralelo a la superficie del plato magnético, llevó al hecho de que en algún momento los ingenieros tocaron el "techo": era imposible aumentar aún más la densidad de información en los discos. Y luego recordaron otro método de grabación, que se conoce desde la década de 1970.

La densidad de grabación con este método ha aumentado drásticamente, en más del 30 %, incluso en las primeras muestras (para 2009, 400 Gb/pulgada² o 62 Gb/cm² [9] ). El límite teórico se ha movido órdenes de magnitud y es superior a 1 Tbit/pulgada².

Los discos duros con grabación perpendicular están disponibles en el mercado desde 2006 [10] . Los discos duros continúan la tendencia hacia el aumento de la capacidad, acomodando hasta 10-14 terabytes y utilizando tecnologías como carcasas llenas de helio, SMR, HAMR/MAMR [11] además de PMR .

Método de grabación magnética en mosaico

El método de grabación magnética en mosaico - La tecnología  SMR ( S ingled  M agnetic R ecording ) se implementó a principios de la década de 2010. Aprovecha el hecho de que el ancho del área de lectura es menor que el ancho del cabezal de escritura. Las pistas se graban en este método con superposición parcial dentro de los grupos de pistas (paquetes). Cada pista siguiente del paquete cubre parcialmente la anterior (como un techo de tejas ), dejando una parte estrecha de la misma, suficiente para la cabeza de lectura. En sus detalles, es radicalmente diferente de las tecnologías de grabación CMR y PMR más populares [12] [13] [14] .

La grabación en mosaico aumenta la densidad la información grabada (los fabricantes de discos duros utilizan la tecnología para aumentar la densidad de grabación de datos, lo que les permite colocar más información en cada plato del disco duro), pero complica la reescritura: con cada cambio, debe reescribir todo el paquete de pistas superpuestas. La tecnología le permite aumentar la capacidad de los discos duros en un 15-20%, según la implementación específica; al mismo tiempo, no está exento de inconvenientes, el principal de los cuales es una baja velocidad de escritura/reescritura, que es crítica cuando se usa en computadoras cliente. Oficialmente, la tecnología de grabación magnética en mosaico se usa principalmente en discos duros para centros de procesamiento de datos (DPC), que se usa para archivos y aplicaciones como WORM (escribir una vez, leer muchas), donde la reescritura rara vez es necesaria.

A fines de la década de 2010, WD y Toshiba ocultaron deliberadamente información sobre el uso de esta tecnología en varias de sus unidades dirigidas al segmento de consumidores; su uso conduce a la incompatibilidad de las unidades con algunos modelos de servidores de archivos ya la imposibilidad de combinarlos en matrices RAID [15] , así como a una caída en la velocidad de escritura aleatoria. Además, los errores en el firmware de algunas unidades WD SMR provocaron la pérdida de datos al utilizar el sistema de archivos ZFS [16] [17] . En cuanto al tercer mayor fabricante de discos duros, Seagate, informó el uso de SMR en la documentación de algunas unidades, pero lo mantuvo oculto para otras [15] [18] .

Métodos de grabación prometedores

Método de grabación termomagnética

El método de grabación termomagnética - tecnología HAMR ( Eng.  H eat - Assisted M agnetic R ecording ) sigue siendo prometedor, sus mejoras e implementación continúan. Este método utiliza el calentamiento puntual del disco, lo que permite que la cabeza magnetice áreas muy pequeñas de su superficie. Después de que el disco se enfría, la magnetización se "arregla". Para 2009, solo se disponía de muestras experimentales, cuya densidad de grabación era de 150 Gbit/cm² [19] . Los expertos de Hitachi dicen que el límite para esta tecnología es de 2,3-3,1 Tbit/cm² y los representantes de Seagate Technology, de 7,75 Tbit/cm² [20] . Seagate , utilizando esta tecnología, lanzó un disco duro de 16 TB en 2018 [21] y de 20 TB en 2020 . Según el gerente regional de Seagate, Vic Huang, la compañía planea lanzar discos de 30 TB y 50 TB algún tiempo después [22] .

Medios de almacenamiento estructurados

Un soporte de datos estructurado ( patrón ) - tecnología BPM ( Bit-PATTERNED M edia ) - es una  tecnología prometedora para almacenar datos en un medio magnético que utiliza una matriz de celdas magnéticas idénticas para registrar datos, cada una de las cuales corresponde a un bit de información, a diferencia de las modernas tecnologías de grabación magnética, en las que un bit de información se graba en varios dominios magnéticos.

Dispositivo

El disco duro consta de un área de contención y una unidad electrónica.

Confinamiento

El área de contención incluye una carcasa hecha de aleación duradera, placas en forma de disco con revestimiento magnético (separadas por separadores en algunos modelos), así como un bloque de cabezales con un dispositivo de posicionamiento y un accionamiento de husillo eléctrico .

Contrariamente a la creencia popular, en la gran mayoría de dispositivos no existe vacío dentro de la contención . Algunos fabricantes lo hacen hermético (de ahí el nombre) y lo llenan con aire purificado y seco o gases neutros, en particular nitrógeno , y se instala una membrana delgada de metal o plástico para igualar la presión (en este caso, se proporciona un pequeño bolsillo en el interior). la carcasa del disco duro por una bolsa de gel de sílice , que absorbe el vapor de agua que queda en el interior de la carcasa después de haberla sellado). Otros fabricantes igualan la presión a través de un pequeño orificio con un filtro capaz de atrapar partículas muy finas (varios micrómetros ). Sin embargo, en este caso, la humedad también se iguala y los gases nocivos también pueden penetrar. La compensación de presión es necesaria para evitar la deformación de la carcasa de contención debido a cambios en la presión atmosférica (por ejemplo, en un avión) y la temperatura, así como cuando el dispositivo se calienta durante el funcionamiento.

Las partículas de polvo que terminaron en el área de contención durante el montaje y cayeron sobre la superficie del disco se transportan durante la rotación a otro filtro: un colector de polvo.

Bloque de cabeza: un paquete de soportes (palancas) hechos de aleaciones a base de aluminio, que combinan bajo peso y alta rigidez (generalmente un par para cada disco). En un extremo se fijan en el eje cerca del borde del disco. En los otros extremos (encima de los discos), las cabezas están fijas .

Los discos (placas) generalmente están hechos de una aleación de metal. Aunque ha habido intentos de hacerlos de plástico e incluso de vidrio (IBM), estas placas han demostrado ser frágiles y de corta duración. Ambos planos de las placas, como una cinta, están cubiertos con el polvo más fino de un ferromagnético  : óxidos de hierro , manganeso y otros metales. La composición exacta y la tecnología de aplicación es un secreto comercial . La mayoría de los dispositivos económicos contienen uno o dos platos, pero hay modelos con más platos.

Los discos están rígidamente fijados en el husillo. Durante el funcionamiento, el husillo gira a una velocidad de varios miles de revoluciones por minuto (de 3600 a 15 000). A esta velocidad, se crea un poderoso flujo de aire cerca de la superficie de la placa, que levanta las cabezas y las hace flotar sobre la superficie de la placa. La forma de las cabezas se calcula de tal manera que garantice la distancia óptima desde el inserto durante la operación. Hasta que los discos hayan acelerado a la velocidad necesaria para el “despegue” de las cabezas, el dispositivo de estacionamiento mantiene las cabezas en la zona de estacionamiento . Esto evita daños en los cabezales y en la superficie de trabajo de los insertos. El motor de husillo de un disco duro es un motor de válvula .

Separador (separador): una placa de plástico o aluminio, ubicada entre las placas de los discos magnéticos y sobre la placa superior de un disco magnético. Se utiliza para igualar los flujos de aire dentro del área de contención.

Dispositivo de posicionamiento

El dispositivo de posicionamiento de la cabeza ( Jarg.  Actuator ) es un dispositivo de baja inercia motor solenoide . Consiste en un par estacionario de potentes imanes permanentes de neodimio , así como una bobina (solenoide) en un soporte de bloque de cabeza móvil. El motor junto con el sistema de lectura y procesamiento de la información del servo escrita en el disco y el controlador (controlador VCM) forman un servoaccionamiento .

El sistema de posicionamiento de la cabeza también puede ser de doble accionamiento. Al mismo tiempo, el accionamiento electromagnético principal mueve el bloque con una precisión normal y un mecanismo piezoeléctrico adicional alinea las cabezas con la pista magnética con mayor precisión.

El principio de funcionamiento del motor es el siguiente: el devanado está dentro del estator (generalmente dos imanes fijos), la corriente suministrada con diferentes intensidades y polaridades hace que posicione con precisión el soporte (balancín) con cabezas a lo largo de un camino radial. La velocidad del dispositivo de posicionamiento depende del tiempo de búsqueda de datos en la superficie de las placas.

Cada unidad tiene una zona especial llamada zona de estacionamiento: es allí donde los cabezales se detienen cuando la unidad se apaga o está en uno de los modos de bajo consumo de energía. En el estado de estacionamiento, el soporte (balancín) de la unidad principal está en la posición extrema y descansa contra el limitador de carrera. Durante las operaciones de acceso a la información (lectura/escritura), una de las fuentes de ruido es la vibración debido a los impactos de los soportes que sujetan los cabezales magnéticos contra los limitadores de recorrido en el proceso de retorno de los cabezales a la posición cero. Para reducir el ruido, se instalan arandelas amortiguadoras de goma blanda en los topes de carrera. Es posible reducir significativamente el ruido de un disco duro mediante programación cambiando los parámetros de los modos de aceleración y desaceleración de la unidad principal. Para esto, se ha desarrollado una tecnología especial: Gestión acústica automática . Oficialmente, la capacidad de controlar mediante programación el nivel de ruido de un disco duro apareció en el estándar ATA / ATAPI-6 (para hacer esto, debe cambiar el valor de la variable de control), aunque algunos fabricantes han realizado implementaciones experimentales antes.

Bloque electrónico

En los primeros discos duros , la lógica de control se colocaba en el controlador MFM , o RLL, de la computadora, y la placa electrónica contenía solo módulos para el procesamiento analógico y el control del motor del husillo, el posicionador y el interruptor del cabezal. El aumento en las tasas de transferencia de datos obligó a los desarrolladores a reducir al límite la longitud de la ruta analógica, y en los discos duros modernos, la unidad electrónica generalmente contiene: una unidad de control, memoria de solo lectura (ROM), memoria intermedia, una unidad de interfaz y una unidad de procesamiento de señales digitales .

La caja de interfaz conecta la electrónica del disco duro con el resto del sistema.

La unidad de control es un sistema de control que recibe señales eléctricas para posicionar los cabezales y genera acciones de control mediante un accionamiento de tipo “ bobina de voz ” , conmutando flujos de información de varios cabezales, controlando el funcionamiento de todos los demás nodos (por ejemplo, controlando la velocidad del husillo), recibir y procesar señales de los sensores del dispositivo (el sistema de sensores puede incluir un acelerómetro de un solo eje que se usa como sensor de choque, un acelerómetro de tres ejes que se usa como sensor de caída libre, un sensor de presión, un sensor de aceleración angular, un sensor de temperatura).

La unidad ROM almacena programas de control para unidades de control y procesamiento de señales digitales, así como información de servicio del disco duro.

La memoria intermedia suaviza la diferencia de velocidad entre la interfaz y la unidad (se utiliza memoria estática de alta velocidad ). Aumentar el tamaño de la memoria intermedia en algunos casos le permite aumentar la velocidad de la unidad.

La unidad de procesamiento de señales digitales limpia la señal analógica leída y la decodifica (extracción de información digital). Para el procesamiento digital, se utilizan varios métodos, por ejemplo, el método PRML (Partial Response Maximum Likelihood - la máxima probabilidad con una respuesta incompleta). La señal recibida se compara con las muestras. En este caso, se selecciona una muestra que sea más similar en forma y características temporales a la señal decodificada.

  • Fotografía macro de la cabeza magnética, abajo: un reflejo de espejo de la superficie del disco magnético

  • Microfoto de cabeza magnética

  • Cabeza magnética estacionada

  • Placa controladora en unidad Fujitsu SAS de 3,5" y 73 GB

  • Componentes mecánicos y eléctricos del accionamiento de cabezales magnéticos.

  • Se requiere un controlador ( placa de extensión ) para conectar un disco MFM a la placa base

  • Placa controladora en una unidad IDE antigua

Comparación de interfaz

Para discos duros internos:

Ancho de banda, Gbps Longitud máxima del cable, m ¿Se requiere un cable de alimentación? Número de unidades por canal Número de conductores en el cable. Otras características
Ultra ATA /133 1.2 0,46 Sí (3,5") / No (2,5") 2 40/80 Controlador+2Esclavo, intercambio en caliente no es posible
SATA -300 2.4 una Sí una 7 Host/Slave, intercambiable en caliente en algunos controladores
SATA -600 4.8 sin datos Sí una 7
Ultra -320SCSI 2.56 12 Sí dieciséis 50/68 los dispositivos son iguales, posibilidad de intercambio en caliente
S.A.S. 2.4 ocho Sí Más de 16384 intercambio en caliente; es posible conectar dispositivos SATA a controladores SAS

Para dispositivos externos basados ​​en discos duros, que casi siempre se crean sobre la base de discos duros internos utilizando una tarjeta adaptadora (convertidor de interfaz):

Ancho de banda, Gbps Longitud máxima del cable, m ¿Se requiere un cable de alimentación? Número de unidades por canal Número de conductores en el cable. Otras características
FireWire /400 0.4 4,5 (hasta 72 m en cadena) Sí/No (según el tipo de interfaz y la unidad) 63 4/6 los dispositivos son iguales, posibilidad de intercambio en caliente
FireWire /800 0.8 4,5 (hasta 72 m en cadena) Sí/No (según el tipo de interfaz y la unidad) 63 9 los dispositivos son iguales, posibilidad de intercambio en caliente
USB 2.0 0.48

(en realidad - 0.25)

5 (hasta 72 m cuando se conecta en serie a través de concentradores ) Sí/No (según el tipo de unidad) 127 cuatro Host/Esclavo, intercambiable en caliente
USB 3.0 4.8 sin datos Sí/No (según el tipo de unidad) sin datos 9 Bidireccional, compatible con USB 2.0
Rayo diez
ethernet
eSATA 2.4 2 Sí 1 (hasta 15 con multiplicador de puertos) 7 Host/Esclavo, intercambiable en caliente

Geometría del disco magnético

Con el fin de direccionar, el espacio superficial de los platos del disco se divide en pistas  : áreas anulares concéntricas. Cada pista se divide en segmentos- sectores iguales . El direccionamiento CHS asume que todas las pistas en un área de disco determinada tienen el mismo número de sectores.

Cilindro  : un conjunto de pistas equidistantes del centro en todas las superficies de trabajo de los platos del disco duro. El número de cabeza especifica la superficie de trabajo utilizada y el número de sector  especifica un sector específico en la pista.

Para utilizar el direccionamiento CHS, debe conocer la geometría del disco que se utiliza: el número total de cilindros, cabezales y sectores que contiene. Inicialmente, esta información debía ingresarse manualmente; en el estándar ATA - 1, se introdujo la función de autodetección de geometría (el comando Identificar unidad) [23] .

Influencia de la geometría en la velocidad de las operaciones del disco

La geometría del disco duro afecta la velocidad de lectura/escritura. Más cerca del borde exterior del plato del disco, la longitud de las pistas aumenta (caben más sectores, la cantidad de sectores en los cilindros era antes la misma) y, en consecuencia, la cantidad de datos que el dispositivo puede leer o escribir en uno revolución. Al mismo tiempo, la velocidad de lectura puede variar de 210 a 30 MB/s. Conociendo esta característica, es recomendable colocar aquí las particiones raíz de los sistemas operativos. La numeración de sectores comienza desde el borde exterior del disco desde cero.

Características de la geometría de los discos duros con controladores integrados

Zonificación

En las placas de los "discos duros" modernos, las pistas se agrupan en varias zonas ( ing.  Zoned Recording ). Todas las pistas de una zona tienen el mismo número de sectores. Sin embargo, hay más sectores en las vías de las zonas exteriores que en las vías de las interiores. Esto permite, utilizando una pista exterior más larga, conseguir una densidad de grabación más uniforme, aumentando la capacidad de la placa con la misma tecnología de producción.

Sectores de reserva

Es posible que haya sectores de repuesto adicionales en cada pista para aumentar la vida útil del disco. Si ocurre un error irrecuperable en cualquier sector, entonces este sector puede ser reemplazado por uno de reserva ( reasignación en inglés  ). Los datos almacenados en él se pueden perder o restaurar usando ECC , y la capacidad del disco seguirá siendo la misma. Hay dos tablas de reasignación: una se completa en la fábrica, la otra se completa durante la operación. Los límites de zona, el número de sectores por pista para cada zona y las tablas de asignación de sectores se almacenan en la ROM de la unidad electrónica.

Geometría lógica

A medida que crecía la capacidad de los discos duros fabricados, su geometría física ya no se ajustaba a las restricciones impuestas por las interfaces de software y hardware (consulte: Capacidad del disco duro ). Además, las pistas con diferente número de sectores no son compatibles con el método de direccionamiento CHS. Como resultado, los controladores de disco comenzaron a informar una geometría lógica no real, sino ficticia, que se ajusta a las limitaciones de las interfaces, pero que no se corresponde con la realidad. Por lo tanto, los números máximos de sectores y cabezas para la mayoría de los modelos son 63 y 255 (los valores máximos posibles en las funciones de interrupción BIOS INT 13h), y el número de cilindros se selecciona de acuerdo con la capacidad del disco. La geometría física del disco en sí no se puede obtener en el modo de funcionamiento normal [24] y es desconocida para otras partes del sistema.

Direccionamiento de datos

El área de datos mínima direccionable en un disco duro es un sector . El tamaño del sector es tradicionalmente de 512 bytes [25] . En 2006, IDEMA anunció la transición a un tamaño de sector de 4096 bytes, cuya finalización está prevista para 2010 [26] .

Western Digital ya ha anunciado [27] el lanzamiento de una nueva tecnología de formateo llamada Advanced Format y ha lanzado una serie de unidades que utilizan la nueva tecnología. Esta serie incluye las líneas AARS/EARS y BPVT.

Antes de utilizar una unidad con tecnología de formato avanzado para trabajar en Windows XP, debe realizar el procedimiento de alineación de la(s) partición(es) utilizando una utilidad especial [28] . Si las particiones de disco se crean con Windows Vista , Windows 7 y Mac OS , no se requiere alineación [29] .

Windows Vista, Windows 7, Windows Server 2008 y Windows Server 2008 R2 tienen soporte limitado para discos de gran tamaño [30] [31] .

Hay dos formas principales de direccionar sectores en un disco:

  • sector de cabeza de cilindro ( en inglés  , sector de cabeza de cilindro, CHS );
  • direccionamiento de bloque lineal ( LBA ) . 
CHS

Con este método, el sector se direcciona por su posición física en el disco con tres coordenadas: número de cilindro , número de cabeza y número de sector . En discos de más de 528 482 304 bytes (504 MB) con controladores incorporados, estas coordenadas ya no corresponden a la posición física del sector en el disco y son "coordenadas lógicas" (ver arriba ).

LBA

Con este método, la dirección de los bloques de datos en el portador se especifica utilizando una dirección lineal lógica. El direccionamiento LBA comenzó a implementarse y utilizarse en 1994 junto con el estándar EIDE (Extended IDE). La necesidad de LBA se debió, en parte, a la aparición de discos de gran capacidad que no se podían utilizar por completo con los antiguos esquemas de direccionamiento.

El método LBA corresponde a Sector Mapping for SCSI . El BIOS del controlador SCSI realiza estas tareas automáticamente, es decir, el método de direccionamiento lógico fue típico para la interfaz SCSI desde el principio.

Características

  • Interfaz ( interfaz en inglés  ): un medio técnico de interacción entre dos dispositivos diferentes, que en el caso de los discos duros es un conjunto de líneas de comunicación, señales enviadas a través de estas líneas, medios técnicos que admiten estas líneas (controladores de interfaz) y reglas de intercambio. (protocolo). Los discos duros internos modernos producidos en masa en diferentes momentos utilizaron interfaces ATA (también conocidas como IDE y PATA), SATA , SCSI , SAS . Varios dispositivos basados ​​en discos duros también podrían usar interfaces eSATA , FireWire , SDIO , Fibre Channel , USB 2 , USB 3 , Thunderbolt .
  • Capacidad ( capacidad en inglés  ): la cantidad de datos que puede almacenar la unidad. Desde la creación de los primeros discos duros, como resultado de la mejora continua en la tecnología de grabación de datos, su capacidad máxima posible ha ido aumentando continuamente. La densidad de grabación en discos duros ha aumentado 60 millones de veces en 50 años (de 1961 a 2011) [32] . Para unidades con factor de forma de unidad de 3,5 pulgadas, en 2016 alcanzó 6, 8 o 10 TiB [33] , y para 2020, 20 TiB [34] . A diferencia del sistema de prefijos binarios generalmente aceptado en informática , que denota un múltiplo de 1024, los fabricantes utilizan valores que son múltiplos de 1000 al designar la capacidad de los discos duros, por lo que la capacidad de un disco duro marcado como “200 GB” es 186,2 GiB [35] [36 ] [37] .
  • Tamaño físico ( factor de forma ; dimensión en inglés  ): casi todas las unidades de 2001 a 2008 para computadoras personales y servidores tienen 3,5 o 2,5 pulgadas de ancho  , el tamaño de los soportes estándar para ellas, respectivamente, en computadoras de escritorio y portátiles . También se han generalizado los formatos de 1,8, 1,3, 1 y 0,85 pulgadas. Se ha interrumpido la producción de unidades en factores de forma de 8 y 5,25 pulgadas. En la época de los primeros discos duros, IBM tenía como norma que todos los modelos debían pasar por una puerta estándar de 75 cm [38] .
  • Tiempo de acceso aleatorio ( eng.  tiempo de acceso aleatorio ): el tiempo promedio durante el cual el disco duro realiza la operación de colocar el cabezal de lectura/escritura en una sección arbitraria del disco magnético, depende de la velocidad de rotación. El rango de este parámetro es de 2.5 a 16 ms , muchas veces las especificaciones indican un tiempo de acceso promedio del orden de 8-10 ms [39] . Como regla, los discos para servidores tienen el tiempo mínimo, los discos para dispositivos portátiles tienen más tiempo. A modo de comparación, este parámetro para SSD es inferior a 1 ms, además, los SSD pueden procesar varias solicitudes aleatorias al mismo tiempo.
  • Velocidad del husillo ( velocidad del husillo en inglés  ) - el número de revoluciones del husillo por minuto. El tiempo de acceso y la velocidad media de transferencia de datos dependen en gran medida de este parámetro. Actualmente, los discos duros se fabrican con las siguientes velocidades de rotación estándar: 4200, 5400 y 7200 (laptops); 5400, 5700, 5900, 7200 y 10,000 (computadoras personales); 10.000 y 15.000 rpm (servidores y estaciones de trabajo de alto rendimiento). Un aumento en la velocidad de rotación del eje en los discos duros para computadoras portátiles se ve obstaculizado por el efecto giroscópico , cuya influencia es insignificante en las computadoras estacionarias.
  • Confiabilidad ( confiabilidad en inglés  ) - se define como el tiempo medio entre fallas (MTBF). Además, la gran mayoría de las unidades modernas son compatibles con la tecnología SMART .
  • El número de operaciones de E/S por segundo ( ing.  IOPS ): depende de la velocidad de rotación, el tamaño de las solicitudes y la localización de las solicitudes. Para los discos modernos de 7200 rpm, este parámetro se estima en alrededor de 75 a 100 operaciones/s para el acceso aleatorio a la unidad y está determinado en mayor medida por el tiempo de acceso aleatorio [40] [41] . Para operaciones lineales (secuenciales), los indicadores "iops" están determinados por el tiempo total de transferencia de datos y se calculan a través de la velocidad de lectura lineal y el tamaño de las operaciones [42] [43] .
  • El consumo de energía  es un factor importante para los dispositivos móviles.
  • Resistencia a los golpes ( íng.  G-shock rating ): la resistencia del variador a golpes o picos de presión repentinos, medida en unidades de sobrecarga permisible en el estado de encendido y apagado.
  • La tasa de transferencia de datos ( tasa de transferencia ing.  ) para el acceso secuencial difiere según las áreas del disco (zonas, ZBR [44] ) [45] :
    • zona exterior del disco: unos 150-200 MB/s;
    • zona interna del disco: unos 70-100 MB/s
  • Tamaño  del búfer: el búfer se denomina memoria intermedia y está diseñado para suavizar las diferencias en la velocidad de lectura/escritura y la transferencia a través de la interfaz. En las unidades modernas, generalmente varía de 8 a 128 MB.

Nivel de ruido

El nivel de ruido es el ruido producido por la mecánica del convertidor durante su funcionamiento. Especificado en decibelios . Las unidades silenciosas son dispositivos con un nivel de ruido de aproximadamente 26 dB o menos. El ruido consiste en el ruido de rotación del husillo (incluido el ruido aerodinámico) y el ruido de posicionamiento.

Para reducir el ruido de los discos duros, se utilizan los siguientes métodos:

  • Herramientas integradas del sistema AAM . Cambiar el disco duro al modo de bajo ruido conduce a una disminución en el rendimiento en un promedio de 5-25%, pero hace que el ruido durante la operación sea casi inaudible;
  • diseño y métodos tecnológicos:
  • uso de dispositivos de absorción de ruido [46] ;
  • montaje sobre arandelas de goma o silicona;
  • reemplazo completo del soporte con una suspensión flexible.

Fallos

  • Oxidación de las pistas de la placa del disco;
  • Daño a la cabeza magnética al leer;
  • Más sensible a daños mecánicos durante el funcionamiento debido al funcionamiento constante del motor eléctrico de las placas, a diferencia de SSD .

Los discos duros se caracterizan por una alta fiabilidad de funcionamiento y almacenamiento de información. Pueden durar décadas. Por lo general, se reemplazan para comprar una unidad de disco duro de mayor capacidad, mucho antes de que falle la unidad anterior.

Producción

El proceso de producción de discos duros consta de varias etapas:

  • La aleación de aluminio entra en la zona de mecanizado en forma de espacios en blanco cilíndricos largos.
  • Los espacios en blanco se cortan de los espacios en blanco. A continuación, se le da a la pieza de trabajo las dimensiones exactas requeridas con un cortador y se procesan los chaflanes .
  • A continuación, en una pulidora plana , las superficies de trabajo de las piezas de trabajo se pulen hasta la pureza deseada.
  • Los cospeles se limpian, se colocan en cassettes y se trasladan al área de inspección y transporte (esta zona tiene una clase de limpieza de 100), donde se realiza el control de los cospeles.

Para el recubrimiento magnético, las piezas de trabajo se mueven a la zona de recubrimiento magnético (ubicada dentro de la zona de prueba, clase 10).

  • Allí está instalada una línea galvánica automática para la aplicación de recubrimientos multicapa . El trabajo es realizado por robots bajo el control del operador.

Después de completar el proceso de aplicación de recubrimientos magnéticos, los discos se colocan en casetes y se trasladan nuevamente al área de prueba.

  • Los casetes con discos van por el transportador hasta la certificadora , que es una unidad bastante grande (la más grande del taller) que cuenta con varios ejes y un sistema de instalación automática de discos a partir de casetes. El certificador también tiene cabezales para escribir y leer discos montados en ejes. Los discos están formateados con un sector largo para toda la pista. Al leer, se detectan defectos, que se ingresan en la base de datos.
  • Los panqueques controlados se apilan en casetes y se envían al almacén.

Formateo de bajo nivel

En la etapa final de ensamblaje del dispositivo, las superficies de las placas se formatean  : se forman pistas y sectores sobre ellas. El método específico lo determina el fabricante y/o el estándar, pero al menos cada pista está marcada magnéticamente para indicar el inicio de la pista.

Hay utilidades que pueden probar los sectores físicos de un disco y ver y editar sus datos de servicio hasta cierto punto [47] . Las capacidades específicas de dichas utilidades dependen en gran medida del modelo de disco y de la información técnica conocida por el autor del software de la familia de modelos correspondiente [48] .

Aplicaciones

Algunos de los dispositivos que utilizan discos duros son:

Mercado

Los discos duros siguieron siendo populares durante la primera década del siglo XXI, ya que no había un reemplazo digno para ellos en ese momento: los discos de estado sólido (SSD) recién comenzaban su camino de desarrollo y, por lo tanto, eran costosos y acomodaban cantidades muy pequeñas de datos. . A principios de la década de 2020, el crecimiento continuo de la popularidad de las SSD como unidades más confiables y rápidas (en el segmento de consumo, los usuarios eligieron cada vez más SSD entre HDD y SSD del mismo tamaño) llevó al hecho de que los envíos de unidades de disco duro en el volumen global colapsó en un 15% (en 2022 en relación con 2021) [49] .

Productores

Inicialmente, había una gran variedad de discos duros en el mercado, producidos por muchas empresas . Con una competencia más dura, un crecimiento explosivo de la capacidad que requiere tecnología moderna y márgenes de beneficio decrecientes, la mayoría de los fabricantes han sido comprados por competidores o han cambiado a otros tipos de productos.

Había una empresa llamada Conner Peripherals a mediados de la década de 1990 , que posteriormente fue comprada por Seagate.

En la primera mitad de la década de 1990, estaba Micropolis Corporation , que producía unidades SCSI premium muy caras para servidores. Pero con el lanzamiento de los primeros discos duros de 7200 rpm de la industria. utilizaba cojinetes de husillo de baja calidad suministrados por Nidec, y Micropolis sufrió pérdidas fatales en las devoluciones, quebró y Seagate la compró por completo.

Los discos duros también fueron producidos por NEC .

Fujitsu continúa produciendo discos duros para computadoras portátiles y unidades SCSI, pero abandonó el mercado masivo de unidades de escritorio en 2001 debido a la falla masiva del chip controlador Cirrus Logic (el fundente de mala calidad provocó la corrosión de la soldadura). Antes de esto, los discos duros de Fujitsu se consideraban[ ¿por quién? ] lo mejor en el sector de escritorio , con excelentes características de superficies giratorias, prácticamente sin sectores reasignados en fábrica. En 2009, la producción de discos duros se transfirió por completo a Toshiba [50] .

Después de fallas fatales asociadas con fallas masivas de discos para computadoras de escritorio a principios de la década de 2000 (los contactos de un conector fabricado sin éxito de un recipiente hermético se oxidaron), la división de IBM , cuyos discos hasta ahora se consideraban casi estándar, fue comprada por Hitachi en 2002 . [51] .

Quantum Quantum Corp. dejó una marca bastante brillante en la historia de los discos duros . , pero también falló a principios de la década de 2000, incluso más trágicamente que IBM y Fujitsu: en los discos duros de la serie Quantum CX, el chip de conmutación del cabezal ubicado en el banco hermético del disco falló, lo que condujo a una extracción de datos muy costosa de un disco fallido.

Uno de los líderes en la producción de discos fue Maxtor . En 2001, Maxtor compró la división de discos duros de Quantum y también sufrió problemas de reputación con los llamados discos "delgados". En 2006, Maxtor fue adquirida por Seagate [51] .

En la primavera de 2011, Western Digital adquirió la producción de Hitachi (las fábricas de unidades de 3,5 pulgadas se transfirieron a Toshiba en 2012) [52] [53] [54] ; al mismo tiempo, Samsung vendió su división HDD a Seagate [55] [56] .

Desde 2012, quedan tres fabricantes principales: Seagate , Western Digital y Toshiba [57] [58] .

Fabricantes de placas
  • El mayor fabricante independiente del mundo de platos de aluminio para discos duros es la empresa japonesa Showa Denko (SDK), con su producción principal en Malasia [59] .
  • La única empresa que produce placas de vidrio para discos duros es la empresa japonesa Hoya Corporation (los ingresos por la producción de placas de vidrio para ferrocarril le aportaron el 35% de los ingresos totales, y el 65% restante proviene de las ventas de lentes de contacto y anteojos) [ 60] [61 ] .

Costo

Desde la introducción de los discos duros en 1956, su precio ha bajado de decenas de miles de dólares a decenas de dólares a mediados de la década de 2010. El costo de la capacidad ha disminuido de $9200 a $0,000035 por megabyte [62] .

Las inundaciones de 2011 en Tailandia inundaron las fábricas de discos duros de Western Digital , Seagate Technology , Hitachi y Toshiba . Según IDC , esto condujo a una caída de un tercio en la producción de discos duros [63] . Según Piper Jaffray, en el cuarto trimestre de 2011, la escasez de discos duros en el mercado mundial será de 60-80 millones de unidades con un volumen de demanda de 180 millones, al 9 de noviembre de 2011, los precios de los discos duros ya han aumentado en el rango de 10 a 60% [ 64] .

En 2020, debido a la pandemia de COVID-19 , los fabricantes de discos duros redujeron significativamente la producción de unidades, pero en el futuro, según los expertos, este mercado comenzará a crecer nuevamente (al menos en el nicho de unidades de almacenamiento). Hablamos de discos duros de hasta 20 TB. Las unidades de mayor capacidad en el próximo año o dos pasarán a la grabación en caliente (HAMR), para la cual, como se cree, las placas de vidrio son más adecuadas que las de aluminio. El crecimiento de los datos en las redes que se espera con la expansión de las comunicaciones 5G requerirá sistemas de almacenamiento nuevos y de mayor capacidad, que los SSD no podrán hacer frente, el trabajo remoto y el Internet de las cosas también se convertirán en una fuente de crecimiento tangible en la demanda de Unidades de disco duro [65] [66] .

En mayo de 2021, en relación con el lanzamiento de la criptomoneda Chia , basada en la minería HDD , el precio de los discos duros aumentó 2-3 veces [67] [68] [69] [70] [71] .

Cronología

  • 1956  : el primer disco duro IBM 350 como parte de la primera computadora en serie IBM 305 RAMAC [72] . La unidad ocupaba una caja del tamaño de un refrigerador grande y tenía un peso de 971 kg, y la capacidad total de memoria de 50 discos delgados con un diámetro de 610 mm que giraban cubiertos con hierro puro era de aproximadamente 5 millones de palabras de 6 bits ( 3,5 MB en términos de palabras de 8 bits - bytes ).
  • 1961 : el  disco duro IBM 1301 fue el primero en tener cabezales de lectura/escritura instalados para cada disco; 28 MB [73] .
  • 1973 - El  disco duro IBM 3340 , llamado Winchester, fue el primero en utilizar cabezales ligeros de lectura/escritura que se ciernen sobre un disco giratorio bajo la acción de fuerzas aerodinámicas, lo que hizo posible reducir significativamente el espacio de aire entre el disco y la cabeza También por primera vez, las placas y las cabezas se empaquetaron en cámaras herméticas, lo que excluyó las influencias externas en el mecanismo; 30 MB [74] .
  • 1979  - en el disco duro IBM 3370 , por primera vez, se fabricaron cabezales magnéticos utilizando tecnología de película delgada, que se ha desarrollado desde finales de la década de 1960. Gracias a esto, la densidad de grabación aumentó a 7,53 Mbps. Los cabezales de lectura/escritura de película delgada se produjeron hasta 1991, después de lo cual fueron reemplazados por cabezales magnetorresistivos [75] .
  • 1980  : el primer Winchester de 5,25 pulgadas, Shugart ST-506 ; 5 MB (los discos duros industriales de IBM han alcanzado capacidades de 1 GB [75] ). Los discos duros de 5,25" se fabricaron hasta 1998 [32] .
  • 1981 - Shugart ST-412 de  5,25 pulgadas ; 10 MB [75] .
  • 1983  : el primer disco duro de 3,5 pulgadas, lanzado por una pequeña empresa escocesa , Rodime ; 10 MB. Este factor de forma fue patentado por Rodime como una invención patentada [32] .
  • 1985  - Estándar ESDI , estándar ST-412 modificado.
  • 1986  - Estándares SCSI , ATA (IDE).
  • 1990  - capacidad máxima 320 MB.
  • 1991  : IBM lanza el primer disco duro Tamba-1 de 2,5 pulgadas con una capacidad de 63 MB y un peso de poco más de 200 gramos [32] .
  • 1992  : el primer disco duro con una velocidad de eje de 7200 rpm; 2,1 GB [32] .
  • 1995  - capacidad máxima 2 GB.
  • 1996  : el primer disco duro con una velocidad de eje de 10 000 rpm, Seagate Cheetah [76] .
  • 1997  - capacidad máxima 10 GB.
  • 1998  - UDMA/33 y estándares ATAPI .
  • 1999  : IBM lanza Microdrive con una capacidad de 170 y 340 MB.
  • 2000  : IBM lanza Microdrive con una capacidad de 500 MB y 1 GB. En el mismo año, aparecieron los primeros discos duros con una velocidad de eje de 15.000 rpm, lanzados por Seagate e IBM. En esta carrera de velocidades de rotación se detuvo [77] .
  • 2001  : Maxtor lanza "DiamondMax D536X", el primer disco duro estándar de 3,5 pulgadas con una capacidad de 100 GB [78] .
  • 2002  - Estándar ATA/ATAPI-6 y unidades de 137 GB.
  • 2003 -  Estándar SATA .
  • 2003: Hitachi lanza el Microdrive de 2 GB.
  • 2004  : Seagate lanza ST1, un análogo de Microdrive con una capacidad de 2,5 y 5 GB.
  • 2005  : Hitachi (HGST) lanza "Hitachi Deskstar 7K500", el primer disco duro estándar de 3,5 pulgadas con una capacidad de 500 GB.
  • 2005: estándares SATA II (Serial ATA 3G) y SAS (Serial Attached SCSI).
  • 2005: Seagate lanza ST1  , un análogo de Microdrive con una capacidad de 8 GB.
  • 2006  - aplicación del método de grabación perpendicular en unidades comerciales.
  • 2006: aparición de los primeros discos duros "híbridos" que contienen un bloque de memoria flash .
  • 2006: Seagate lanza ST1, un análogo de Microdrive con una capacidad de 12 GB.
  • 2007 : Hitachi presenta la primera unidad comercial de 1 TB  y 3,5 pulgadas "Hitachi Deskstar 7K1000" .
  • 2009  : basado en discos Western Digital de 500 GB , luego Seagate lanzó modelos de 2 TB [79] .
  • 2009: Samsung lanzó los primeros discos duros USB 2.0 [80] .
  • 2009: Western Digital anunció la creación de discos duros de 2,5 pulgadas con una capacidad de 1 TB (densidad de grabación: 333 GB en una placa) [81] .
  • 2009: aparición del estándar SATA III (SATA 6G).
  • 2010  : Seagate lanza un disco duro de 3 TB.
  • 2010: Samsung lanza un disco duro con platos que tienen una densidad de grabación de 667 GB por plato [82] .
  • 2011  - Western Digital lanzó el primer disco en discos de 750 GB [83] .
  • 2011: Hitachi y Seagate lanzaron unidades en discos de 1 TB [84] [85] .
  • 2011: Seagate presentó la primera unidad del mundo de 4 TB y 3,5 pulgadas [86] [87] .
  • 2013  - Western Digital lanza una unidad de 6 TB con 7 platos en lugar de 5 [88] .
  • 2014  : Western Digital lanza el modelo "Ultrastar He10", la primera unidad de 10 TB del mundo con helio en lugar de aire dentro de la carcasa. Tiene 7 placas [89] [90] .
  • 2017: Toshiba lanzó la unidad MG07ACA, que tiene una capacidad de 14 TB [91] .
  • 2018: con la tecnología HAMR, Seagate lanzó el primer disco duro de 16 TB del mundo [92] [21] .
  • 2020: WDC y Seagate lanzan discos duros de 20 TB [8] .

Notas

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  24. ↑ No hay comandos para esto en las especificaciones ATA y SCSI.
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  36. ↑ Otro ejemplo: el volumen es de 320 GB y el número de sectores disponibles es de 625.142.448 . Sin embargo, si se multiplica el número de sectores por su tamaño (512), el resultado es 320.072.933.376 . "320" de aquí se obtiene solo dividiendo por 1000³, dividiendo por 1024³ da solo 298. Barracuda 7200.9 Disco duro PATA de 320 GB (ST3320833A)  (inglés) . Seagate. — Pestaña Especificaciones técnicas. Consultado el 8 de diciembre de 2008. Archivado desde el original el 23 de agosto de 2011.
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Literatura

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Enlaces

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