Жёсткий диск или винчестер — запоминающее устройство (устройство хранения информации, накопитель) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

Технология записи данных

Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке за счёт электромагнитной индукции. С конца 1990-х на рынке устройств хранения информации начали применяться головки на основе эффекта гигантского магнитного сопротивления (ГМС). С начала 2000-х головки на основе эффекта ГМС стали заменяться на головки на основе туннельного магниторезистивного эффекта (в них изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления в зависимости от изменения напряжённости магнитного поля; подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации, особенно при больших плотностях записи информации). В 2007 году устройства на основе туннельного магниторезистивного эффекта с оксидом магния (эффект открыт в 2005 году) полностью заменили устройства на основе эффекта ГМС. По оценкам экспертов конца 2020 года, в ближайшие годы производители жёстких дисков будут переходить на технологию записи с локальным разогревом магнитных пластин (HAMR), для которой, как считается, лучше подходят стеклянные пластины, а не алюминиевые, так как стекло без появления дефектов сможет выдержать локальный нагрев до 700 °C, тогда как термостойкость алюминия ограничена 200 °C.

Характеристики

Интерфейс

Интерфейс (англ. interface) — техническое средство взаимодействия двух разнородных устройств, что в случае с жёсткими дисками является совокупностью линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии (контроллеры интерфейсов), и правил (протокола) обмена. Современные серийно выпускаемые внутренние жёсткие диски в разное время использовали интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, SCSI, SAS. В ряде устройств на базе жёстких дисков могли также применяться интерфейсы eSATA, FireWire, SDIO, Fibre Channel, USB 2, USB 3, Thunderbolt.

Ёмкость

Ёмкость (англ. capacity) — количество данных, которые могут храниться накопителем. С момента создания первых жёстких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная ёмкость непрерывно увеличивается. Плотность записи на жёстких дисках за 50 лет (с 1961 по 2011 год) увеличилась в 60 млн раз. Для дисков с форм-фактором дисководов 3,5 дюйма на 2016 год она достигала 6, 8 или 10 ТиБ, а к 2020 году — 20 ТиБ. В отличие от общепринятой в информатике системы двоичных приставок, обозначающих кратную 1024 величину, производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 ГиБ.

Физичексий размер

Физический размер (форм-фактор; англ. dimension) — почти все накопители 2001—2008 годов 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, 1,3, 1 и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюйма. Во времена создания первых жёстких дисков у IBM существовало правило: все модели должны были проходить через стандартный дверной проём в 75 см.

Время произвольного доступа

Время произвольного доступа (англ. random access time) — среднее время, за которое винчестер выполняет операцию позиционирования головки чтения/записи на произвольный участок магнитного диска, зависит от скорости вращения. Диапазон этого параметра — от 2,5 до 16 мс, часто в спецификациях указывают среднее время доступа порядка 8—10 мс. Как правило, минимальным временем обладают диски для серверов, самым большим — диски для портативных устройств. Для сравнения, у SSD-накопителей этот параметр меньше 1 мс, кроме того, SSD способны обрабатывать несколько случайных запросов одновременно.

Скорость вращения шпинделя

Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки); 5400, 5700, 5900, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры); 10 000 и 15 000 об./мин. (серверы и высокопроизводительные рабочие станции). Увеличению скорости вращения шпинделя в винчестерах для ноутбуков препятствует гироскопический эффект, влияние которого пренебрежимо мало в неподвижных компьютерах.

Надёжность

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

Количество операций ввода-вывода в секунду

Количество операций ввода-вывода в секунду (англ. IOPS) — зависит от скорости вращения, размера запросов и локализации запросов. У современных дисков на 7200 об/с этот параметр оценивается как около 75—100 оп./с при произвольном доступе к накопителю, и определяется в большей степенью временем произвольного доступа. При линейных (последовательных) операциях показатели «iops» определяются общим временем передачи данных и вычисляются через линейную скорость чтения и размер операций.

Потребление энерги

Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств.

Сопротивляемость ударам

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

Скорость передачи данных

Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate) при последовательном доступе различается для областей диска

внешняя зона диска: порядка 150-200 МБ/с

Внутренняя зона диска: порядка 70-100 МБ/с

Объём буфера

Объём буфера — буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных дисках он обычно варьируется от 8 до 128 МБ.

Уровень шума

Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.