Co to jest dysk twardy?

HDD to dysk twardy, który wykorzystuje sztywne talerze pokryte warstwą magnetyczną do przechowywania danych dla różnych urządzeń, stąd nazwa „dysk twardy”. Urządzenia te są stosowane w komputerach od lat 50. XX wieku i nadal są używane, choć w znacznie mniejszym zakresie niż w poprzednich dekadach, ze względu na pojawienie się szybszych dysków półprzewodnikowych.

Dyski twarde są urządzeniami nieulotnymi, co oznacza, że mogą przechowywać dane nawet wtedy, gdy nie są zasilane. Jest to przeciwieństwo pamięci komputera PC, znanej również jako DRAM, która jest ulotna i wymaga zasilania do przechowywania danych.

Głównymi elementami dysku twardego są metalowe lub ceramiczne talerze pokryte warstwą magnetyczną, na której przechowywane są dane, oraz głowice odczytujące/zapisujące, które unoszą się nad powierzchnią talerzy i przesyłają dane do systemu hosta. Głowice odczytujące/zapisujące są używane na każdej powierzchni talerza w dysku twardym, więc zazwyczaj znajdują się po obu stronach talerza, więc jeśli jest to dysk z 10 talerzami, zazwyczaj jest 20 głowic odczytujących/zapisujących. Te małe głowice odczytujące/zapisujące są przymocowane do ramion siłownika, które wystają nad talerze z podstawy dysku, gdzie mały silnik steruje ich działaniem. Zmagnetizowane talerze są zazwyczaj nazywane „nośnikami”, ponieważ mogą przechowywać dane.

Główną zaletą dysku twardego jest możliwość przechowywania dużej ilości danych przy bardzo niskich kosztach, co sprawiło, że stały się one de facto standardowym nośnikiem danych w komputerach od ponad 60 lat. Obecnie są one nadal szeroko stosowane na całym świecie, ale coraz częściej w środowiskach korporacyjnych, takich jak centra danych i serwery, ze względu na możliwość przechowywania ogromnych ilości danych przy bardzo niskich kosztach w porównaniu z dyskami półprzewodnikowymi.

Gdy dane są żądane z systemu hosta, np. gdy użytkownik przechodzi do folderu i dwukrotnie klika plik lub folder, ramię aktuatora z głowicami odczytu/zapisu jest przesuwane do pozycji nad obracającym się talerzem, na którym znajduje się dany fragment danych, a następnie niewielki fragment danych jest odczytywany przez napęd i wysyłany do systemu hosta.

Podczas zapisywania danych na dysku proces przebiega odwrotnie: ramię przesuwa się do pustego obszaru, a głowica odczytu/zapisu dodaje nowe dane do dysku lub nadpisuje dane oznaczone do usunięcia.

Dane na talerzach są przechowywane w tak zwanych „bitach”, które przypominają mikroskopijne ziarenka ryżu. Głowice odczytujące/zapisujące są w stanie wytworzyć pola magnetyczne z bitami na talerzach, przy czym jeden koniec bitu stanowi biegun północny, a drugi biegun południowy, a ta orientacja reprezentuje stan binarny każdego bitu na dysku. Głowica odczytująca/zapisująca bada pola magnetyczne bitów i przekształca je na dane użytkowe. Podczas zapisu danych głowice odczytu/zapisu mogą namagnesować określone obszary dysku, zmieniając bity w stan górny lub dolny, tworząc binarną podstawę wszystkich danych.

Bit jest najmniejszą jednostką danych na dysku twardym, a 8 bitów tworzy bajt, następnie 1000 bajtów to kilobajt, tysiąc kilobajtów to megabajt, a każda grupa 1000 jednostek tworzy gigabajt, terabajt, petabajt i tak dalej. W sumie w ten sposób mierzymy całkowitą pojemność dysku twardego, która obecnie wynosi terabajty.

Dyski twarde straciły popularność w urządzeniach konsumenckich wraz z pojawieniem się dysków półprzewodnikowych, w skrócie SSD, które, jak sama nazwa wskazuje, nie zawierają żadnych ruchomych części. Brak ruchomych części sprawia, że są one znacznie szybsze niż dyski z obracającym się talerzem, ponieważ nie trzeba czekać, aż głowica odczytu/zapisu ustawi się w odpowiedniej pozycji, a czas „wyszukiwania”, czyli czas potrzebny do zmiany pozycji głowicy, nie występuje w dyskach SSD, ponieważ nie ma w nich ruchomych części.

Większość, jeśli nie wszystkie, wąskie gardła wydajności występujące w dyskach twardych ze względu na ich konstrukcję nie występują w dyskach SSD, dzięki czemu są one znacznie szybsze niż dyski HDD, a jednocześnie znacznie bardziej niezawodne, ponieważ można je uderzać i potrząsać bez obawy, że głowica odczytu/zapisu „uderzy” w talerz, co może spowodować uszkodzenie dysku twardego. Wadą dysków SSD jest to, że nadal są one znacznie droższe od dysków HDD, dlatego centra danych i serwery nadal wykorzystują dyski twarde do przechowywania dużych ilości danych, ponieważ stosowanie dysków SSD jest nadal zbyt kosztowne.

Pomimo tego, że dyski twarde nie są obecnie zbyt często stosowane w urządzeniach konsumenckich ze względu na niezliczone zalety dysków SSD, nadal pozostają cudem współczesnej inżynierii. Na przykład głowice odczytu/zapisu muszą unosić się nad obracającymi się talerzami, nie dotykając ich, ale jednocześnie znajdować się wystarczająco blisko, aby manipulować danymi na dysku, więc odległość między głowicą a talerzem wynosi około 3-5 nanometrów, czyli tyle, ile wynosi grubość ludzkiego odcisku palca lub wysokość kilku nici ludzkiego DNA ułożonych jedna na drugiej. Dla porównania, szerokość pojedynczego ludzkiego włosa wynosi 80 000 nanometrów.

Jeszcze bardziej niesamowite jest to, że to właśnie obracanie się talerzy zapewnia przepływ powietrza, dzięki czemu głowica „unosi się” nad talerzem i jest w stanie utrzymać się w tej niemożliwie małej odległości pomimo turbulencji spowodowanych przez obracający się bezpośrednio pod nią dysk, zwykle z prędkością do 7200 obrotów na minutę, czyli 120 obrotów na sekundę.

Pomimo stosunkowo niskiej wydajności, inżynieria i precyzja wykonania nowoczesnych dysków twardych zapierają dech w piersiach, przynajmniej dla takich nerdów jak my (i być może dla Ciebie).