Как работает жёсткий диск: магниты, головки и миллиарды бит на блине
Жёсткий диск хранит информацию на вращающихся металлических пластинах, покрытых магнитным слоем: крошечные участки этого слоя намагничены в одном из двух направлений, что соответствует «0» или «1» двоичного кода. Чтение и запись выполняют головки, которые парят над пластинами на расстоянии около 10 нанометров — в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса.
Из чего состоит жёсткий диск
Внутри герметичного алюминиевого корпуса расположены магнитные пластины диаметром 3,5 или 2,5 дюйма. Каждая пластина изготовлена из алюминия или стекла и покрыта тонким слоем кобальт-хромового магнитного сплава толщиной около 20 нанометров. Современный накопитель ёмкостью 4 ТБ содержит от 3 до 5 таких пластин, нанизанных на общий шпиндель.
Шпиндельный двигатель раскручивает пластины с постоянной скоростью: потребительские диски вращаются со скоростью 5400 или 7200 оборотов в минуту, серверные модели достигают 10 000–15 000 об/мин. При 7200 об/мин любая точка поверхности проносится под головкой 120 раз в секунду — это и обеспечивает высокую скорость доступа к произвольным данным.
Головки чтения и записи: как они работают
Для каждой пластины предусмотрены две головки — сверху и снизу. Все головки закреплены на общей рамке, которую перемещает голосовая катушка: электромагнитный привод, работающий по тому же принципу, что и акустический динамик. За доли секунды привод позиционирует все головки одновременно над нужной дорожкой.
Головка записи представляет собой электромагнит с зазором. Когда через обмотку проходит ток, в зазоре возникает магнитное поле, которое намагничивает крошечный участок пластины в нужном направлении. Размер записываемого бита сегодня составляет около 20–50 нанометров в длину вдоль дорожки.
Головка чтения использует явление магниторезистивного эффекта: электрическое сопротивление тонкого слоя специального сплава меняется в зависимости от направления магнитного поля под ней. Электронная схема измеряет эти изменения и декодирует последовательность «0» и «1». В современных дисках применяется туннельный магниторезистивный эффект (TMR), обеспечивающий чувствительность, достаточную для чтения битов субнанометрового масштаба.
Как данные организованы на поверхности
Поверхность каждой пластины разделена на концентрические дорожки, а каждая дорожка — на секторы длиной 512 байт или 4096 байт. Современный диск ёмкостью 1 ТБ содержит около 2 миллиардов секторов. Совокупность дорожек на одном и том же расстоянии от оси на всех пластинах называется цилиндром: данные в пределах одного цилиндра считываются без перемещения головок, что ускоряет работу.
Логическое разбиение на тома и файловые системы — это уже задача операционной системы. Сам диск работает только со своими физическими адресами (LBA — логическая блочная адресация), а перевод из файловых путей в номера секторов выполняет файловая система: NTFS, ext4 или APFS в зависимости от платформы.
Почему диск шумит и нагревается
Механические шумы жёсткого диска имеют две причины. Тихое постоянное гудение издаёт шпиндельный двигатель и воздушный поток от вращения пластин. Щелчки и стрекот при обращении к данным создаёт привод головок: он перемещается рывками при случайном доступе и это слышно как характерное «тыканье». При работе с большими файлами последовательно записанными на диск движение головки плавное и практически бесшумное.
Нагрев диска обусловлен трением в подшипниках шпинделя, потерями в обмотках двигателей и рассеянием мощности в управляющей электронике. Рабочая температура большинства накопителей составляет 0–60 градусов Цельсия. Превышение верхней границы ускоряет деградацию магнитного слоя и увеличивает вероятность сбоев, поэтому в серверных стойках диски обязательно охлаждают принудительным обдувом.
