Жёсткий диск

Жёсткий диск, также накопитель на жёстких магнитных ди́сках (НЖМД, англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD; жарг. винчестер) — запоминающее устройство (устройство хранения информации, накопитель) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров, хотя в современных ноутбуках и неттопах, например, часто используются только SSD форм-фактора M.2 — NVMe и/или SATA M.2.

В отличие от гибкого диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего диоксида хрома, магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной («парковочной») зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Также, в отличие от гибкого диска, носитель информации обычно совмещают с накопителем, приводом и блоком электроники. Такие жёсткие диски часто используются в качестве несъёмного носителя информации, хотя существовали и жёсткие диски со сменными пакетами пластин, заключёнными в картриджи — таковыми были, например, системы Jaz и Rev от Iomega, не нашедшие популярности из-за дороговизны и низкой надёжности, при этом быстроходный синхронный двигатель, похожий на двигатель в обычном жёстком диске, блок головок с приводом и электроника являлись частью дисковода, а картриджи предполагалось использовать аналогично обычным дискетам.

Со второй половины 2000-х годов получили распространение более производительные твердотельные накопители, вытесняющие дисковые накопители из ряда применений несмотря на более высокую стоимость единицы хранения; жёсткие диски при этом, по состоянию на середину 2010-х годов, получили широкое распространение как недорогие и высокоёмкие устройства хранения как в потребительском сегменте, так и корпоративном.

Жёсткие диски оставались популярны в течение первого десятилетия XXI века, поскольку достойной замены им на тот момент не существовало: твердотельные накопители (SSD) тогда только развивались и потому стоили дорого, вмещая при этом совсем небольшие объёмы данных. В начале 2021 года продажи SSD в штучном выражении превышали HDD в соотношении 3:2 (99 млн против 64 млн.), тем не менее, по рынку объёма хранимой памяти, HDD сохраняют лидерство в соотношении 4,5:1 (288,3 ЭБ против 61,5 ЭБ у SSD). В начале 2022-х продолжающийся рост популярности SSD как более надёжных и быстрых накопителей привёл к тому, что поставки жёстких дисков в общемировом объёме упали на 15 % (по отношению к 2021 году).

Вопреки расхожему мнению, в подавляющем большинстве устройств внутри гермоблока нет вакуума. Одни производители делают его герметичным (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом, а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану (в таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса (и особенно крышки) гермоблока при перепадах атмосферного давления (например, в самолёте) и температуры, а также при прогреве устройства во время работы.

Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермоблоке и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр — пылеуловитель.

Блок головок — пакет кронштейнов (рычагов) из сплавов на основе алюминия, совмещающих в себе малый вес и высокую жёсткость (обычно по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла (IBM), такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика — окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения составляют коммерческую тайну. Большинство бюджетных устройств содержит одну или две пластины, но существуют модели с бо́льшим числом пластин.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (от 3600 или даже меньше до 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить на очень небольшом расстоянии над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки, в современных дисках зона парковки располагается не над поверхностью пластин. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин. Шпиндельный двигатель жёсткого диска — вентильный, похож на синхронный по принципу действия.

Сепаратор (разделитель) — пластина, изготовленная из пластика или алюминия, находящаяся между пластинами магнитных дисков и над верхней пластиной магнитного диска. Используется для выравнивания потоков воздуха внутри гермозоны.

Сравнение интерфейсов

Для внутренних жёстких дисков:

Для внешних устройств на базе жёстких дисков, которые почти всегда создаются на базе внутренних жёстких дисков с использованием платы-переходника (преобразователя интерфейсов):

С целью адресации пространство поверхности пластин диска делится на дорожки — концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки — секторы. Адресация CHS предполагает, что все дорожки в заданной зоне диска имеют одинаковое число секторов.