Жесткие диски

Накопитель на жестких магнитных дисках состоит из четырех главных элементов, каждый из которых вносит свой вклад в его характеристики: носителя (пакета дисковых пластин, вращающихся на одной оси), головок чтения/записи, позиционера (устройства, "наводящего" головки на нужную дорожку) и контроллера, обеспечивающего согласованное управление всеми элементами диска и передачу данных между ним и компьютером по одному из стандартных интерфейсов, в нашем случае - SCSI.

Несомненно, главный параметр любого жесткого диска - его емкость, т. е. количество байт данных, которое можно на него записать. Определяющие факторы для этого параметра - поверхностная плотность записи, размер и количество дисковых пластин. Поверхностная плотность определяется размером магнитных частиц покрытия пластин и величиной зазора головки чтения/записи.

Уменьшение размеров магнитных частиц давно уже дошло до стадии перманентной войны разработчиков с так называемым сверхпарамагнитным эффектом, заставляющим микроскопический магнитный домен самопроизвольно менять направление намагниченности за счет теплового движения молекул. Чтобы избежать этого эффекта, применяются специальные многослойные покрытия с антиферромагнитной связью (AFC) и так называемые синтетические ферримагнетики (SFM). Большое внимание уделяется и покрытиям, способным обеспечить вертикальную запись на носителях, обладающих магнитооптическими свойствами (в них применяются пленки на основе сплава тербия, железа и кобальта).

Не менее важную роль в повышении поверхностной плотности играет уменьшение размеров головки чтения/записи. Большинство изготовителей жестких дисков сейчас применяют головки чтения на основе супермагниторезистивного спинового клапана (GMR-SV), причем от головок, в которых ток протекает в плоскости головки (current-in-plane, CIP), переходят к таким, где ток протекает перпендикулярно плоскости головки (current-perpendicular-plane, CPP), и туннельным магниторезистивным (TMR) структурам.

Поперечная плотность записи, т. е. количество дорожек на единицу длины радиуса диска, увеличивается за счет повышения точности позиционирования головок (применяются двухступенчатые схемы позиционирования, в которых обычный позиционер на основе "звуковой катушки" служит для грубого позиционирования, а затем подвес головки точно "доводится" пьезоэлектрическим микроактуатором). На поперечную плотность записи влияют также нерегулярные боковые биения пластин, обусловленные неидеальностью подшипников шпиндельного двигателя. Чтобы избежать этого, применяют керамические подшипники, а в последнее время все большее распространение получают двигатели с гидродинамическими подшипниками (FDB, Fluid Dynamic Bearing), в которых вместо шариков используется специальное масло. Еще один фактор, ограничивающий поперечную плотность, - точность записи на диск сервоинформации. Она записывается на дисковые пластины специальным устройством на заключительном этапе изготовления накопителя.

Отметим, что увеличение количества дисковых пластин, а следовательно, и головок чтения/записи, во-первых, удорожает диск, а во-вторых, снижает его надежность. Поэтому изготовители современных жестких дисков стараются уменьшить число пластин до 2-4, а для изделий, требующих повышенной надежности, и до одной.

Второй по значимости параметр диска - внутренняя скорость передачи данных между головкой чтения/записи и поверхностью магнитных пластин (она отличается от внешней скорости, с которой данные передаются по интерфейсу между диском и компьютером). Внутренняя скорость, как и емкость, в первую очередь определяется поверхностной плотностью записи, а во вторую - скоростью вращения. Можно возразить, что скорость вращения оказывает большее влияние на скорость передачи, однако скорости вращения растут намного медленнее, чем плотность записи. Каждый шаг в этом направлении сопряжен с массой проблем, связанных с тем, что повышаются потребление мощности, тепловыделение, шумы; возникает необходимость в увеличении механической прочности пластин, разработке новых двигателей и т. п. В то же время скорость передачи при переходе от 10 к 15 тыс. об./мин увеличивается всего на 50%, в то время как увеличение плотности записи в два раза поднимает скорость тоже вдвое. Тем не менее диски на 15 тыс. об./мин, бывшие сравнительно недавно экзотической новинкой, прочно заняли свое место в линейках продукции всех изготовителей SCSI-дисков.

Третий важный параметр любого жесткого диска - время доступа к данным. Оно определяется скоростью перемещения позиционера и расстоянием, которое ему приходится проходить (и следовательно, диаметром дисковых пластин), а также латентностью, т. е. средним временем появления нужного сектора под головкой после ее выхода на заданную дорожку. Латентность, которая считается равной времени полуоборота диска, напрямую зависит от скорости вращения и для современных дисков, вращающихся со скоростями 10 и 15 тыс. об./мин, составляет соответственно 3 и 2 мс. Полное среднее время доступа для современных SCSI-дисков высшего класса снизилось до 3-4 мс.

Четвертый параметр - объем буферной памяти (кэш-буфера) накопителя. Увеличение объема буфера позволяет увеличить внешнюю скорость передачи благодаря использованию специальных алгоритмов кэширования, в первую очередь так называемого упреждающего чтения (это предполагает чтение в буфер не только заданного сектора, но и последующих секторов дорожки, с тем чтобы дальнейшая выборка данных происходила из буфера). В подавляющем большинстве современных SCSI-дисков объем кэш-буфера составляет 8 Мбайт.

Для серверных дисков один из важнейших параметров - надежность. Мы уже упоминали такой радикальный путь повышения надежности, как уменьшение числа пластин и соответственно головок. Кроме того, изготовители принимают меры для повышения надежности, оснащая контроллер диска специальными средствами самодиагностики, обнаружения ошибок, "скрытия" дефектных секторов и т. п. Такие технологии, как S.M.A.R.T, позволяют заблаговременно прогнозировать отказ диска. Применяемая IBM технология парковки головок вне дисковых пластин повышает ударостойкость накопителя и заметно увеличивает количество допустимых циклов его включения/выключения, поскольку полностью исключает прямой контакт головок с пластинами в процессе раскручивания или остановки шпиндельного двигателя. Seagate благодаря применению комплексной технологии защиты 3D Defense System и других технологических ухищрений удалось поднять наработку на отказ своих накопителей до фантастической величины 1,2 млн ч.

Внешняя скорость передачи определяется в первую очередь пропускной способностью интерфейса накопителя. Ясно, что пропускная способность интерфейса должна быть по крайней мере не меньше внутренней скорости передачи данных с учетом кэширования в буферной памяти. Учитывая, что максимальная внутренняя скорость передачи у современных дисков приблизилась к 100 Мбайт/с, решить эту задачу даже с помощью интерфейса Ultra320 SCSI (пропускная способность до 320 Мбайт/с) в многодисковой системе не так-то просто.

Взято с bytemag.ru