Jak funguje pevný disk (HDD - Hard Disk Drive)

Základními charakteristikami HDD jsou jeho kapacita a výkon. Kapacita se udává v jednotkových předponách odpovídajících mocninám 1000: 1-terabajtový disk (TB) má kapacitu 1 000 gigabajtů (GB; kde 1 gigabajt = 1 miliarda bajtů).

Jak funguje ukládání dat na pevný disk

Pevný disk zaznamenává data zmagnetizováním tenké vrstvy feromagnetického materiálu na povrchu plotny. Postupné změny směru magnetizace představují binární datové bity. Data se z disku čtou detekcí přechodů v magnetizaci. Uživatelská data jsou kódována pomocí kódovacího schématu, jako je kódování s omezenou délkou běhu, které určuje, jak jsou data reprezentována magnetickými přechody.

Typická konstrukce pevného disku se skládá z vřetena, které drží ploché kruhové disky, nazývané také datové plotny, na nichž jsou uložena zaznamenaná data. Plotny jsou vyrobeny z nemagnetického materiálu, obvykle z hliníkové slitiny, skla nebo keramiky, a jsou potaženy mělkou vrstvou magnetického materiálu o hloubce obvykle 10-20 nm s vnější vrstvou uhlíku pro ochranu. Pro srovnání, standardní kus kancelářského papíru má tloušťku 0,07-0,18 milimetru (70 000-180 000 nm).

Plotny v současných pevných discích se otáčejí rychlostí od 4 200 otáček za minutu v energeticky úsporných přenosných zařízeních až po 15 000 otáček za minutu u vysoce výkonných serverů. Většina spotřebitelských HDD pracuje s rychlostí 7 200 otáček za minutu.

Informace se na plotnu zapisují a čtou z ní pomocí zařízení nazývaných čtecí a zapisovací hlavy disku (r/w heads), které se pohybují velmi blízko (často desítky nanometrů) nad magnetickým povrchem. Čtecí a zapisovací hlava slouží k detekci a změně magnetizace materiálu bezprostředně pod ní. V moderních mechanikách je pro každý magnetický povrch plotny na vřetenu jedna hlava, namontovaná na společném rameni. Rameno pohonu pohybuje hlavami po oblouku napříč plotnami při jejich otáčení, což umožňuje každé hlavě přístup k téměř celému povrchu plotny při jejím otáčení. Rameno se pohybuje pomocí aktuátoru s kmitací cívkou.

U moderních pohonů hrozí kvůli malé velikosti magnetických oblastí nebezpečí ztráty jejich magnetického stavu vlivem tepelných účinků. Aby se tomu zabránilo, jsou plotny potaženy dvěma paralelními magnetickými vrstvami, oddělenými tříatomovou vrstvou nemagnetického prvku ruthenia, a obě vrstvy jsou zmagnetizovány v opačné orientaci, čímž se vzájemně posilují. Další technologií, která se používá k překonání tepelných efektů a umožňuje větší hustotu záznamu, je kolmý záznam, který byl poprvé dodán v roce 2005 a od roku 2007 se tato technologie používá v mnoha pevných discích.

Z čeho se skládá pevný disk HDD

Typický HDD má dva elektromotory: vřetenový motor, který roztáčí disky, a aktuátor (motor), který polohuje čtecí/zapisovací hlavu přes rotující disky. Motor disku má vnější rotor připojený k diskům; statorové vinutí je pevně připojeno na místě. Naproti aktuátoru na konci nosného ramene hlavy je umístěna čtecí a zapisovací hlava; tenké kabely s tištěnými obvody spojují čtecí a zapisovací hlavy se zesilovací elektronikou umístěnou na čepu aktuátoru. Nosné rameno hlavy je velmi lehké, ale také tuhé; u moderních pohonů dosahuje zrychlení na hlavě síly 550 g.

Aktuátor je motor s permanentním magnetem a pohyblivou cívkou, který vychyluje hlavy do požadované polohy.

Samotná kmitací cívka má spíše tvar hrotu šípu a je vyrobena z dvojitě potaženého měděného magnetického drátu. Povrch magnetu je napůl N-pólový, napůl S-pólový, s radiální dělící čarou uprostřed, což způsobuje, že obě strany cívky vidí opačná magnetická pole a vytvářejí síly, které se sčítají, místo aby se rušily. Proudy podél horní a dolní části cívky vytvářejí radiální síly, které způsobují pohyb ramene aktuátoru.

Elektronika pevného disku řídí pohyb aktuátoru a otáčení disku a provádí čtení a zápis na základě požadavku řadiče disku. Zpětná vazba elektroniky disku se uskutečňuje pomocí speciálních segmentů disku určených pro zpětnou vazbu servopohonu. K otáčení disku se rovněž používá servomotor. Moderní firmware pevného disku je schopen efektivně plánovat čtení a zápis na povrchy ploten a přemapovat sektory média, které selhaly.

Zpracování chyb na pevném disku HDD

Moderní disky hojně využívají kódy pro korekci chyb (ECC), zejména Reed-Solomonovu korekci chyb nebo kódy pro kontrolu parity s nízkou hustotou. Tyto techniky ukládají pro každý blok dat dodatečné bity určené matematickými vzorci; dodatečné bity umožňují neviditelně opravit mnoho chyb. Samotné dodatečné bity zabírají místo na pevném disku, ale umožňují použití vyšší hustoty záznamu, aniž by docházelo k neopravitelným chybám, což vede k mnohem větší úložné kapacitě.

Typické pevné disky se pokoušejí "přemapovat" data ve fyzickém sektoru, který je chybný, na náhradní fyzický sektor. Je třeba doufat, že k tomu dojde v době, kdy je chyb v chybném sektoru ještě dostatečně málo, aby ECC dokázalo obnovit data beze ztráty. Systém S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) počítá celkový počet chyb v celém HDD opravených ECC a celkový počet přemapování, protože výskyt mnoha takových chyb může předpovídat selhání HDD.

Závady pevných disků

Vzhledem k extrémně malým vzdálenostem mezi hlavami a povrchem disku jsou pevné disky náchylné k poškození při nárazu hlavy - poruše disku, při které čtecí hlava poškrábe povrch datové plotny, často obrousí tenkou magnetickou vrstvu a způsobí ztrátu dat. Pády hlav mohou být způsobeny selháním elektroniky, náhlým výpadkem napájení, fyzickým nárazem, znečištěním vnitřního krytu disku, opotřebením, korozí nebo špatně vyrobenými plotnami a hlavami. Poškození datové plotny disku patří všeobecně mezi závady velmi nepříjemného charakteru. Důvodem je fakt, že zcela zásadně ovlivňuje kvalitu obnovy dat. Zatímco s potřebným technickým vybavením a patřičnými znalostmi lze například poškozené čtecí hlavy disku vyřešit velmi dobře, pokud je povrch datové plotny poškozený do takové míry, že již neobsahuje původní obsah, dochází k datové ztrátě různých úrovní.

Soustava vřetena pevného disku se spoléhá na tlak vzduchu uvnitř krytu disku, který udržuje hlavy ve správné letové výšce, zatímco se disk otáčí. Pro správnou funkci HDD je zapotřebí určitý rozsah tlaků vzduchu. Spojení s vnějším prostředím a tlakem probíhá malým otvorem v krytu (šířka asi 0,5 mm), obvykle s filtrem na vnitřní straně (odvzdušňovací filtr). Pokud je tlak vzduchu příliš nízký, nemá letící hlava dostatečný vztlak, takže se hlava příliš přiblíží k disku a hrozí pád hlavy a ztráta dat. Pro spolehlivý provoz ve vysokých nadmořských výškách, nad přibližně 3 000 m, jsou zapotřebí speciálně vyrobené utěsněné a přetlakové disky. Moderní disky obsahují teplotní čidla a přizpůsobují svůj provoz provoznímu prostředí. Odvětrávací otvory lze vidět na všech pevných discích - obvykle jsou vedle nich opatřeny nálepkou, která uživatele upozorňuje, aby otvory nezakrýval. Vzduch uvnitř provozní jednotky je také v neustálém pohybu, je strháván do pohybu třením s rotujícími plotnami. Tento vzduch prochází vnitřním recirkulačním (nebo "recirkulačním") filtrem, který odstraňuje veškeré zbytky nečistot z výroby, veškeré částice nebo chemikálie, které se mohly nějakým způsobem dostat do krytu, a veškeré částice nebo zplodiny vznikající uvnitř při běžném provozu. Velmi vysoká vlhkost po delší dobu může způsobit korozi hlav a ploten.