Да, это жёстко: история и перспективы HDD

В этом материале вы узнаете краткую историю жёстких дисков, их устройство, преимущества и недостатки, а также ближайшие перспективы развития подобных устройств. Материал подготовлен совместно со специалистом отдела корпоративных продуктов REG.RU Павлом Кишеней.

С чего всё начиналось

Необходимость хранить цифровые данные появилась сразу с изобретением первых компьютеров. Изначально объёмы информации были невелики и всё помещалось на бумажном носителе. Тексты программ операторы вводили в первые компьютеры в ручном режиме. 

Следующим этапом в развитии носителей стала перфокарта — небольшой лист картона с отверстиями. При этом отсутствие отверстия обозначало цифру «1», а его присутствие — «0». Только двоичный код, только хардкор!

Дальнейшим развитием технологий стали накопители на магнитной ленте. От них, в отличие от перфокарт, не отказались даже и сегодня: в некоторых финансовых организациях их используют до сих пор. Во многом это связано с высокой стоимостью и сложностью их замены на другие типы накопителей. 

Первый жёсткий диск появился в 1956 году. Он был величиной с крупный шкаф и весил почти тонну. 

Технологии постоянно совершенствовались, и уже в 1983 году появился всем привычный формат 3,5-дюймовых жёстких дисков, который широко распространён сегодня. При этом конструкция HDD также принципиально не менялась с того времени. Выросла только плотность упаковки информации.

Как работает HDD 

Все накопители можно условно разделить на жёсткие диски (HDD) и твердотельные диски (SSD). 

По строению HDD очень похожи на проигрыватели виниловых пластинок, в которых «пластинка» делает от 5 000 оборотов в минуту. 

Чем больше дисков, тем больший объём информации можно записать на устройство. HDD производят из композитных материалов, особого пластика и стекла. Сами магнитные диски покрываются специальным ферромагнитным материалом. Именно этот тонкий слой и будет хранить информацию. 

Вся площадь делится на окружности — дорожки.

Они, в свою очередь, делятся на отрезки, тем самым разделяя площадь всего диска на сектора. Если выделить все дорожки одного радиуса на всех пластинах, то получится цилиндр.

Так, чтобы получить доступ к отдельной ячейке памяти, нужно знать: 

1. Номер цилиндра.

2. Номер головки чтения.

3. Номер сектора.

Основной недостаток жёстких дисков — большое количество движущихся частей. Со временем это приводит к отказу устройства, поэтому даже у самого надёжного HDD есть свой ограниченный ресурс. К физическим ограничениям производительности жёстких дисков относятся: 

— ограничение скорости вращения самого диска; 

— ограничение скорости перемещения считывающей головки; 

— физическая инертность головки чтения-записи; 

— плотность записи информации на единице площади пластины.

С твердотельными накопителями, которые появились значительно позже HDD (во второй половине 90-х), всё гораздо проще. Отсутствует понятие пластин, вместо них используются банки данных: на монтажной плате размещается некоторое количество MLC/SLC чипов, каждый из которых представляет собой условный банк данных. Данные на чипе хранятся постранично, что несколько напоминает структуру оперативной памяти. 

Чтобы получить доступ к единичному объёму данных, нам потребуется:

1. Номер банка памяти.

2. Номер страницы памяти.

3. Адрес строки.

К физическим ограничениям твердотельных накопителей можно отнести скорость передачи информации внутри платы, а также скорость работы флеш-накопителей.

SSD в целом значительно быстрее HDD, но цена 1 гигабайта в них выше.  

Как измеряется производительность жёстких дисков

Для оценки скорости жёстких дисков используются три метрики: 

1. Скорость последовательной записи или чтения. При таких бенчмарках информация записывается или считывается в ячейки памяти, идущие по порядку. Средний показатель для большинства HDD — 200–300 Мбит/с . 

2. Скорость случайной записи или чтения. В подобных тестах данные записываются или считываются в ячейках памяти из разных областей, не следующих по порядку. Средний показатель для большинства HDD — 50–100 Мбит/с.

3. Количество операций ввода/вывода в секунду (IOPS). Здесь оценивается количество блоков, которое успевает считаться или записаться на носитель за секунду. В среднем HDD показывают от 130 до 230 IOPS. В то же время SSD могут демонстрировать результаты в десятки тысяч IOPS. 

Также дополнительно существует параметр времени доступа. Он показывает время задержки от момента получения запроса доступа к данным до момента начала передачи информации.

Перспективы развития HDD

Спрос на хранение больших массивов данных постоянно увеличивается, и потребность в HDD в ближайшие 10–15 лет будет сохраняться на достаточно высоком уровне. 

Кроме того, есть методы, которые отчасти нивелируют некоторые недостатки HDD. Например, RAID-массивы для ускорения работы и повышения надёжности. Также существует специальное ПО, позволяющее сочетать накопители разных типов, в том числе HDD и SSD. 

Технология HDD применяется как в обычных домашних компьютерах, так и в дата-центрах. Например, в серверном оборудовании REG.RU мы используем только производительные HDD и SSD. Кроме того, мы постоянно обновляем парк наших устройств (сейчас в нём более 7 500 жёстких дисков и 4 500 твердотельных накопителей), чтобы у пользователей всегда было самое свежее железо. Также мы: 

— Используем подходящий тип дисков для каждой задачи. Для хранения — HDD, для файлов, к которым нужно обращаться часто, — SSD. 

— Применяем технологии дисковых массивов для увеличения производительности, надежности и объёма. Например, RAID 1 для повышения надёжности накопителей или RAID 0 для увеличения скорости. 

— Мониторим состояние накопителей на серверах REG.RU. Наш основной инструмент — встроенная утилита самодиагностики дисков S.M.A.R.T. Именно по её показаниям можно спрогнозировать оставшийся ресурс накопителя. Отслеживаемые параметры для жёстких дисков и твердотельных накопителей несколько отличаются. Общими показателями для них являются температура (Airflow_Temperature_Cel) и количество ошибок чтения (Raw Read Error Rate). 

— Следим за новинками индустрии и предлагаем самые современные решения.

 Закат эпохи HDD возможен, если совпадут два ключевых фактора: 

1. Цена гигабайта SSD сравняется или станет ниже цены гигабайта HDD. 

2. Весь развлекательный контент (фильмы, сериалы, игры и другое) окончательно переедет в облака, и пользователям не понадобится хранить локально большие массивы данных. Однако все эти облачные массивы всё ещё будет необходимо где-то хранить глобально. Поэтому при таком сценарии возможно исчезновение жёстких дисков с рынка потребительской электроники, но сохранение сильных позиций в дата-центрах. 

Так что,  несмотря на то, что SSD за последние 10 лет существенно сбросили в цене, а облачные сервисы привлекают своей простотой и удобством всё больше пользователей, как технология жёсткие диски будут актуальны ещё долгое время!

⌘⌘⌘

Поделитесь в комментариях, какой накопитель используется в вашем компьютере или ноутбуке. А если у вас есть какой-нибудь раритет вроде 5,25-дюймовой дискеты, перфокарты или старого IDE-HDD, также обязательно напишите в комментариях и приложите фотографию! Иначе мы не поверим!