Kaip viskas prasidėjo – nuo magnetinių būgnų iki šiuolaikinių diskų
Kai 1956 metais IBM pristatė pirmąjį kietąjį diską RAMAC 305, niekas net neįsivaizdavo, kad šis įrenginys pakeis visą kompiuterių istoriją. Tas pirmasis diskas svėrė beveik toną, buvo dydžio kaip du šaldytuvai ir talpino vos 5 megabaitus duomenų. Šiandien tokį kiekį informacijos galime išsiųsti elektroniniu paštu per kelias sekundes, bet tuomet tai buvo tikra revoliucija.
Kietojo disko technologija gimė iš paprastos idėjos – duomenis galima saugoti magnetizuojant metalinį paviršių. Panašiai kaip magnetofonuose įrašoma muzika ant juostelės, tik čia viskas sukasi aplink… na, tiesiogine prasme sukasi. Diskai sukasi labai greitai, o specialios galvutės skaito ir rašo informaciją neskliesdamos paviršiaus.
Per daugiau nei šešis dešimtmečius kietieji diskai evoliucionavo neįtikėtinai. Nuo tų milžiniškų spintų dydžio mašinų iki kompaktiškų 2,5 colio diskų nešiojamuose kompiuteriuose ir mažyčių 1,8 colio diskų, kurie buvo naudojami MP3 grotuvuose. Tačiau pagrindinis veikimo principas išliko tas pats – magnetizmas ir besisukantys diskai.
Kas vyksta viduje – mechanika ir fizika
Atidarę kietąjį diską (ko, beje, niekada neturėtumėte daryti namuose), pamatytumėte tikrą inžinerijos šedevrą. Viduje yra vienas ar keli blizgūs diskai, kurie atrodo kaip veidrodžiai. Šie diskai, vadinami plokštelėmis arba plateriais, padengti labai plonu magnetiniu sluoksniu – dažniausiai kobaltinių lydinių pagrindu.
Virš šių diskų, per plauką atstumu, skraido skaitymo-rašymo galvutės. Kai sakau “per plauką”, tai ne metafora – atstumas tarp galvutės ir disko paviršiaus yra maždaug 3-5 nanometrai. Tai mažiau nei virusas! Galvutės nejuda tiesiogiai ant disko, jos tiesiog “plaukioja” ant oro sluoksnio, kurį sukuria besisukantis diskas. Tai vadinama aerodinaminiu pakibimu.
Diskai sukasi neįtikėtinu greičiu – paprastai 5400 arba 7200 apsisukimų per minutę, o kai kurie serverių diskai sukasi net 15000 apsisukimų per minutę. Įsivaizduokite – tai reiškia, kad per vieną sekundę diskas apsisuka daugiau nei 100 kartų! Tokiu greičiu bet koks dulkės grūdelis būtų kaip uola greitkelyje, todėl kietieji diskai yra hermetiškai uždaryti. Viduje nėra absoliutaus vakuumo, bet oro filtravimas yra itin griežtas.
Kaip duomenys virsta magnetiniais laukais
Dabar įdomiausia dalis – kaip jūsų nuotraukos, muzika ir dokumentai tampa magnetiniais signalais. Viskas prasideda nuo skaitymo-rašymo galvutės, kuri iš esmės yra mažytis elektromagnetas. Kai reikia įrašyti duomenis, per galvutę leidžiama elektros srovė, kuri sukuria magnetinį lauką. Šis laukas magnetizuoja disko paviršių tam tikra kryptimi.
Kompiuteris viską mato kaip nulius ir vienetus. Magnetiniame diske tai išreiškiama kaip skirtingos magnetizacijos kryptys – šiaurės poliaus kryptis gali reikšti “1”, o pietų poliaus – “0”. Arba atvirkščiai, priklausomai nuo sistemos. Svarbiausia, kad yra du aiškiai skirtingi būviai.
Kai reikia perskaityti duomenis, procesas vyksta atvirkščiai. Galvutė juda virš disko paviršiaus, ir magnetiniai laukai sukelia joje mažytę elektros srovę. Šiuolaikiniai diskai naudoja labai jautrius jutiklius, vadinamus GMR (Giant Magnetoresistance) arba TMR (Tunnel Magnetoresistance) jutikliais. Šie jutikliai gali aptikti net mažiausius magnetinio lauko pokyčius.
Duomenų organizavimas – takeliai, sektoriai ir klasteriai
Duomenys diske nėra išmėtyti chaotiškai. Viskas organizuota labai griežtai, panašiai kaip miesto gatvės ir namai. Diskas padalintas į koncentrinius žiedus, vadinamus takeliais arba takelius. Įsivaizduokite vinilo plokštelę – panašiai, tik čia takeliai nėra spiralė, o atskiri žiedai.
Kiekvienas takelis padalintas į mažesnius segmentus – sektorius. Tradiciškai vienas sektorius talpina 512 baitus duomenų, nors naujesni diskai naudoja 4096 baitų (4 KB) sektorius. Operacinė sistema grupuoja kelis sektorius į klasterius – tai mažiausias duomenų kiekis, kurį sistema gali priskirti failui.
Štai kodėl kartais mažas failas užima daugiau vietos diske, nei tikėtumėtės. Jei turite 1 KB failą, bet klasterio dydis yra 4 KB, visas klasteris bus užimtas, net jei didžioji dalis lieka tuščia. Tai kaip užsakyti taksi vienam žmogui – mokate už visą automobilį, net jei kiti sėdynės lieka tuščios.
Perpendicular vs Longitudinal – magnetizacijos revoliucija
Apie 2005-2006 metus kietųjų diskų pramonėje įvyko didžiulė permaina, kuri daugeliui vartotojų liko nepastebėta, bet buvo itin svarbi. Ankstesni diskai naudojo išilginę (longitudinal) magnetizaciją – magnetiniai domenai buvo orientuoti horizontaliai, lygiagrečiai disko paviršiui.
Problema buvo ta, kad kuo tankiau bandai sutalpinti duomenis, tuo labiau šie magnetiniai domenai pradeda trukdyti vienas kitam. Tai kaip bandyti sutalpinti daug magnetų labai arti vienas kito – jie pradeda veikti vienas kitą ir gali netgi pakeisti savo orientaciją. Tai vadinamas superparamagnetiniu efektu, ir jis buvo tikra problema.
Sprendimas? Statmenoji (perpendicular) magnetizacija. Vietoj to, kad magnetiniai domenai būtų orientuoti horizontaliai, juos pasuko vertikaliai – statmenai disko paviršiui. Tai leido sutalpinti daug daugiau duomenų tame pačiame plote, nes vertikaliai orientuoti domenai mažiau trukdo vienas kitam. Šis pokytis leido diskų talpai šoktelėti nuo maždaug 100-200 GB iki kelių terabaitų.
SMR ir HAMR – naujausios technologijos
Kietųjų diskų gamintojai niekada nenustoja ieškoti būdų, kaip sutalpinti daugiau duomenų. Viena iš naujesnių technologijų yra SMR (Shingled Magnetic Recording) – čerpių principu veikiantis įrašymas. Įsivaizduokite stogo čerpes – kiekviena kita čerpė šiek tiek uždengia ankstesnę. Panašiai SMR diskuose nauji takeliai šiek tiek uždengia ankstesnius.
Tai leidžia sutalpinti daugiau takelių tame pačiame plote, bet turi trūkumą – jei reikia pakeisti duomenis viename takelyje, gali tekti perrašyti ir kelis gretimus takelius. Todėl SMR diskai puikiai tinka archyvavimui ir duomenų saugojimui, bet ne tiek gerai intensyviam darbui su nuolat kintančiais duomenimis.
HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording) yra dar pažangesnis metodas. Čia naudojamas lazeris, kuris trumpam įkaitina disko paviršių prieš įrašant duomenis. Įkaitintas paviršius tampa lengviau magnetizuojamas, o atvėsus – duomenys tampa stabilesni. Tai kaip kaustyti geležį – įkaitusi ji lengvai deformuojasi, bet atvėsusi tampa labai tvirta. HAMR technologija žada diskus su 20-30 TB talpa ateityje.
Kodėl kietieji diskai vis dar gyvi SSD eroje
Daug kas galvoja, kad kietieji diskai jau turėtų būti išnykę, nes SSD (Solid State Drive) yra greičiau, tyliau ir patvaresni. Tačiau realybė kitokia – kietieji diskai vis dar dominuoja tam tikrose srityse, ir tam yra rimtų priežasčių.
Pirmiausia – kaina. Kietojo disko gigabaitas kainuoja maždaug 5-10 kartų pigiau nei SSD. Jei jums reikia saugoti 10 TB duomenų, skirtumas gali siekti šimtus eurų. Duomenų centrams ir archyvams, kur saugomi petabaitai informacijos, šis skirtumas tampa milžiniškas.
Antra – ilgaamžiškumas tam tikrais atvejais. SSD turi ribotą įrašymų skaičių – kiekviena atmintinės ląstelė gali būti perrašyta tik tam tikrą skaičių kartų. Kietieji diskai tokio apribojimo neturi. Jei tiesiog saugote duomenis ir retai juos keičiate, kietasis diskas gali tarnauti dešimtmečius.
Trečia – duomenų atkūrimas. Jei kietasis diskas sugenda, dažnai dar įmanoma atkurti duomenis specialiose laboratorijose. Su SSD tai daug sudėtingiau – kai sugenda kontroleris ar atmintinės lustai, duomenys dažnai prarandi negrįžtamai.
Ką daryti, kad jūsų kietasis diskas tarnautų ilgai
Kietasis diskas yra mechaninis įrenginys su judančiomis dalimis, todėl reikia tam tikros priežiūros ir atsargumo. Pirmiausia – vengti fizinių smūgių. Kai diskas veikia ir sukasi, bet koks stipresnis purtymas gali lemti tai, kad galvutė palies disko paviršių. Tai vadinama “head crash” ir paprastai reiškia duomenų praradimą.
Temperatūra taip pat svarbi. Kietieji diskai geriausia veikia 20-40°C temperatūroje. Per karšta – diskas gali deformuotis, per šalta – tepimo medžiagos gali sustingti. Jei jūsų kompiuteris stipriai kaista, verta pagalvoti apie papildomą vėsinimą.
Reguliariai darom atsargines kopijas. Tai ne tiek priežiūra, kiek sveiko proto taisyklė. Kiekvienas kietasis diskas anksčiau ar vėliau suges – tai ne “ar”, o “kada” klausimas. Svarbiausių duomenų kopijos turėtų būti bent dviejose vietose – pavyzdžiui, išoriniame diske ir debesyje.
S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) yra įdiegta beveik visuose šiuolaikiniuose diskuose. Ši sistema stebi disko būklę ir gali įspėti apie artėjančius gedimus. Yra nemokamų programų kaip CrystalDiskInfo ar Hard Disk Sentinel, kurios parodo S.M.A.R.T. duomenis. Jei matote įspėjimus – laikas daryti atsargines kopijas ir galvoti apie disko keitimą.
Kur link sukasi ateitis – hibridiniai sprendimai ir naujos medžiagos
Kietųjų diskų technologija nėra sustojusi vietoje, nors ir atrodo, kad SSD pamažu perima lyderystę. Vienas įdomus sprendimas – hibridiniai diskai (SSHD – Solid State Hybrid Drive), kurie jungia tradicinį kietąjį diską su nedideliu SSD lustų kiekiu. SSD dalis naudojama kaip spartinančioji atmintis dažniausiai naudojamiems duomenims, o didžioji dalis informacijos saugoma įprastame kietajame diske.
Tai gana protingas kompromisas – gaunate didesnę talpą už prieinamą kainą, bet kartu ir geresnį greitį nei paprastas kietasis diskas. Tiesa, tokie sprendimai nėra tokie populiarūs, kiek tikėtasi, nes daugelis vartotojų tiesiog pasirenka atskirą SSD sistemai ir kietąjį diską duomenims.
Mokslininkai eksperimentuoja su naujomis medžiagomis ir metodais. Vienas žadančių krypčių – MAMR (Microwave-Assisted Magnetic Recording), kur naudojamos mikrobangos, padedančios įrašyti duomenis dar tankiau. Kitas įdomus dalykas – helio pripildyti diskai. Helis yra mažiau tankus nei oras, todėl sukelia mažesnį pasipriešinimą. Tai leidžia sutalpinti daugiau diskų plokštelių tame pačiame korpuse ir sumažina energijos sąnaudas.
Taip pat tiriamos galimybės naudoti naujus magnetinius materijalus, kurie leistų saugoti duomenis dar tankiau. Kai kurie tyrimai rodo, kad teoriškai įmanoma pasiekti net 100 TB talpos viename standartinio dydžio kietajame diske. Žinoma, nuo laboratorijos iki parduotuvės lentynos dar ilgas kelias, bet perspektyvos įdomios.
Galų gale, kietieji diskai ir SSD greičiausiai egzistuos greta dar ne vieną dešimtmetį. Kiekviena technologija turi savo nišą – SSD ten, kur reikia greičio ir patvarumo, kietieji diskai ten, kur reikia didelės talpos už prieinamą kainą. O gal ateityje pamatysime visiškai naujų technologijų, kurios pakeis abi? Laikas parodys, bet kol kas kietasis diskas, nors ir senas, vis dar gyvuoja ir tobulėja.