Накопители жестких дисков — устройство и основные характеристики

[Ruterk]

Некогда простому пользователю компьютера следовало досконально разбираться в его устройстве, языках программирования и прочих, не относящихся напрямую к его непосредственной деятельности, вещах. Просто потому, что первые компьютеры выпускались «голыми» — без какого-либо программного обеспечения. Хочешь работать с компьютером? Учись разговаривать на его «языке». Либо общайся через посредника.

Позднее компьютерная техника развивалась по тому же сценарию, что и вся остальная — в эту область пришло разделение труда. Во-первых, произошло разделение на собственно пользователей, которые применяли для решения своих задач не компьютеры как таковые, а пакеты специализированных прикладных программ, и программистов, которые эти самые программы и писали. Последние тоже быстро разделились на системных и прикладных. Первые по-прежнему должны были разбираться в «железе» досконально, ведь их работой было написание операционных систем и прочих приложений «низкого уровня», в частности — сред для разработки программ. А вторые уже не привязывались сильно к аппаратуре, используя труд первых. Их задачей была разработка прикладных программ, отвечающих потребностям пользователей.

К моменту появления первых персональных компьютеров вся эта многоуровневая система в общем виде уже была выстроена. Но были и свои особенности. В частности, «прослойка» в виде ОС была слишком уж тонкой — писать более-менее сложные прикладные программы, не обращаясь непосредственно к аппаратуре, не получалось. Да и не так много на тот момент было прикладных программ, причем «сложность» их с точки зрения сегодняшнего дня была невысокой, так что иногда пользователю приходилось становиться самому программистом и писать для себя необходимый софт. Впрочем, первое время многих это вполне устраивало (немалое количество персоналок покупали тогда настоящие энтузиасты компьютерной техники), но свой отпечаток на ситуацию на рынке накладывало. Недаром многие руководства пользователя MS DOS начинались с описания команд системы, а заканчивались примерами применения недокументированных прерываний.

С тех беспечальных времен утекло уже немало воды. Многие современные пользователи не знают даже о всех возможностях постоянно используемых ими приложений. Чего уж там говорить об устройстве операционной системы или особенностях упрятанной в системный блок аппаратуры! С одной стороны, это не может не радовать — не знают, поскольку нет необходимости это знать. Люди сейчас просто играют в игры, смотрят фильмы, слушают музыку, переписываются с друзьями по всему земному шару, причем сразу после покупки и установки компьютера на рабочий стол, а не после того, как изучат программирование и архитектуру ЭВМ и сами напишут все необходимые программы.

С другой же стороны подобная ситуация неминуемо приводит к ряду проблем, как только начинают решаться вопросы, более сложные нежели запуск приложения. В частности, компьютеры пока еще бесплатно не раздаются. А разные модели имеют разные возможности, производительность и цену. И как сделать правильный выбор, чтобы потом о нем не жалеть? Это с электрическими чайниками все просто — лишь три критичных параметра: емкость, мощность и дизайн. Причем все три просты и понятны на бытовом уроне. Последний можно оценить визуально, емкость говорит о том, сколько чая вы можете приготовить за одну операцию, а мощность – сколько времени она займет. С компьютерами же пока все сложнее, благо их функциональность выше. Так что и производительность не есть что-то одно и определенное, а зависит от задач. Идеальная игровая станция может оказаться не лучшим выбором для видеомонтажа, а хороший компьютер для обработки видео избыточен для «офисных задач» и т.п. Поэтому нередко приходится оценивать не компьютеры в целом, а их компоненты. Следовательно, нужно хотя бы знать, какие Еще лучше, когда известны принципы их работы – это позволяет быстро, пусть и грубо, оценить и скоростные (и не только скоростные) параметры. Например, это верно для жестких дисков: человек, который знает устройство последних, не удивляется тому, что модели для ноутбуков медленнее и меньше по емкости, нежели настольные.

В общем, знать устройство компьютера и принципы работы его компонентов и сейчас временами полезно. К сожалению, количество подобной информации в свободном доступе за последние годы уменьшилось — это лет 20 назад каждое «пособие для начинающих» включало в себя описания того, как все это устроено и работает, сегодня же авторы обычно считают, что человек это либо уже знает, либо ему это не интересно. Откуда же должны браться базовые знания? Вопрос остается открытым. Поэтому мы постараемся на него ответить. По крайней мере, в отношении таких важных устройств, как накопители на жестких магнитных дисках. Итак, сегодня вашему вниманию предлагается статья из серии «Как это работает?», из которой желающие смогут узнать, как устроены винчестеры с точки зрения физики и как это сказывается на их быстродействии. Поскольку статья предназначена для начинающих, не стоит писать потом гневных писем по поводу того, что информация изложена поверхностно и не учтен ряд тонких нюансов — с ними мы со временем попробуем разобраться, ну а пока займемся фундаментом.

НЖМД с точки зрения механики

Как бы не были громоздки и тяжеловесны канцеляризмы эпохи 70-х, но, зачастую, они более понятны и точны, нежели более простые заимствованные термины. Действительно — сколько информации несет в себе слово «винчестер»? Близко к нулю — современные пользователи в основной своей массе даже не знают, почему за жесткими дисками закрепилось это название. А вот напишешь «НЖМД» и сразу можно о многом задуматься, просто расшифровав аббревиатуру. Итак, наши сегодняшние герои — Накопители на Жестких Магнитных Дисках.

С первым словом все понятно: термином «накопитель» обозначаются практически все устройства хранения информации в случае их самодостаточности либо применительно к приводу для носителей. Винчестеры или USB-флэшдрайвы относятся к первой категории — они включают в себя и носитель информации, и всю логику работы с ним. В отличие от, например, оптических дисководов или картоводов, где носитель сменный, причем это принципиальное его качество. Со вторым словом тоже вроде все понятно — бывают и накопители на гибких дисках. В просторечии — тот самый дисковод, который ныне уже стал редкостью, но 20-30 лет назад был весьма важным, а то и (в персональных компьютерах) вообще единственным устройством хранения данных. Некоторые принципы хранения данных на гибких и жестких дисках одинаковы, однако между этими устройствами есть и принципиальные отличия, поэтому и пришлось в свое время жестко разграничить эти накопители.

Теперь о дисках. Такая форма носителя информации принята не случайно — круглый диск является фигурой вращения. Причем, опять же, замечу, что диски — не единственный возможный вариант: в свое время активно применялись и накопители на магнитных барабанах. А вот накопителей на «магнитных квадратах» или треугольниках доселе не встречалось (хотя сейчас уже над ними работают, но там и принципы функционирования совершенно не похожи на привычные накопители) Почему так — мы поговорим чуть позднее. Пока же на будущее запомним, что рабочим телом в винчестерах являются диски. Обычно даже не один, а несколько, насаженных на одну ось и формирующих пакет жестких дисков.

Отсюда сразу вытекают несколько низкоуровневых физических параметров накопителя: диаметр дисков, их количество и угловая скорость вращения. Первые два ограничивают сверху требования форм-фактора накопителя, но и третий сильно связан с ними. Все дело в наличии силы трения, победить которую полностью невозможно. Соответственно, чем больше дисков в пакете и/или больше их диаметр, тем пакет тяжелее, а значит (при фиксированной скорости вращения) большую мощность должен иметь электродвигатель, который всю эту конструкцию «разгоняет» до рабочего режима и в нем поддерживает. Это первое ограничение, причем достаточно серьезное: количество энергии нередко достаточно жестко лимитируется. Вторым фактором является то, что сложности изготовления конструкции из быстровращающихся дисков большого диаметра растут в геометрической прогрессии по мере увеличения диаметра и количества дисков. Дело в том, что в реальном мире диски не являются идеально тонкими и ровными, так что следует учитывать разные досадные побочные явления, сопутствующие вращению. Такие, как, например, биения краев в вертикальной плоскости, тем большие, чем больше диаметр диска. Разумеется, усовершенствование технических процессов изготовления пластин позволяют ослабить воздействие этих факторов, но происходит это достаточно медленно.

Магнитный слой

Возвращаемся к аббревиатуре, и вспоминаем, что у нас вращаются не просто какие-то там абстрактные диски, а магнитные, т.е. имеющие покрытие с определенными магнитными свойствами. Именно благодаря ему диски и способны хранить информацию. На первом уровне абстракции можно считать, что каждый микроскопический участок определенной площади (о чем чуть позже) хранит ровно один бит данных. Соответственно, его можно считать или записать.

Магнитное покрытие также имеет свои свойства. Во-первых, это его площадь нанесения, которая несколько меньше, нежели весь диск. Использовать области у самых краев обычно чревато последствиями из-за особенностей технологии изготовления — не получается в этих областях нанести покрытие идеально. Тоже самое можно сказать и о центре. Соответственно, вся рабочая область заключена между двумя числами — минимальным и максимальным радиусом, первый из которых строго больше нуля, а второй — строго меньше радиуса самого диска. И вторым важнейшим параметром является плотность записи, т.е. величина обратная площади, потребной на хранение единицы информации. На практике же этим значением пользуются не часто, оперируя величинами продольной и поперечной плотностей записи, что связано с механикой работы самого накопителя. Изучим этот вопрос поподробнее.

Головки, дорожки, сектора

Несмотря на то, что для хранения информации используется большая часть поверхности диска, в каждый момент времени мы можем работать лишь с небольшой ее частью (иначе не нужно было и с вращением огород городить). Для чтения или записи данных используется магнитная головка (по одной на каждую используемую сторону дисков в пакете), летящая над поверхностью диска на небольшой высоте. Соответственно, за один оборот диска под ней проходит целая концентрическая дорожка, а для доступа к соседним областям головку необходимо смещать к центру или в обратном направлении. Совокупность всех дорожек, расположенных на равном расстоянии от центра на разных дисках, кстати, именуется цилиндром. Каждая дорожка имеет отличную от нуля ширину, так что на диске помещается конечное их количество. Сколько? Зависит от ширины рабочего слоя (которая, в свою очередь, определяется в основном диаметром диска) и от поперечной плотности записи. Ну или наоборот — поперечная плотность записи это показатель того, сколько дорожек мы можем разместить в одном дюйме при текущем уровне технологии производства дисков и головок. Обычно определяющим является второе — резкое увеличение поперечной плотности связано с внедрением новых технологий производства магнитных головок, позволяющих им оперировать с дорожками меньшей ширины. Происходит такое, к сожалению, достаточно редко, зато сразу же существенно увеличивает емкость дисков.

Продольная же плотность записи показывает, сколько бит информации можно вместить на один дюйм длины окружности, которую собой представляет дорожка, рассматриваемая в качестве математической абстракции. Зависит она также от уровня технологии производства дисков и головок, однако менее подвержена скачкообразным  изменениям, поскольку при одной и той же технологии производства головок может быть увеличена улучшением характеристик магнитного покрытия (либо переход на новую технологию, либо улучшение текущей). Правда, несмотря на то, что продольная плотность измеряется в битах на дюйм, на самом деле с отдельными битами на дисках не работают — слишком уж мелкая величина. И с байтами, обычно, тоже. Разве что в очень-очень старых компьютерах емкость запоминающих устройств была столь небольшой, что процессору удавалось адресовать не только каждый байт оперативной памяти, но и каждый байт на магнитных барабанах (диски тогда еще не применялись), так что иерархическая система памяти не требовалась – она вся могла считаться оперативной. Однако к моменту появления первых персональных компьютеров емкость дисковых накопителей стала уже слишком большой, чтобы адресовать напрямую каждый байт, так что они окончательно стали устройствами с так называемым блочным доступом: минимальной единицей информации, которую можно считать с диска или записать на него, является блок или сектор. Типичный его размер для IBM PC и его последователей составляет, кстати, 512 байт. Хотя изначально допустимы были и другие значения, но стандартными они не стали, так что масса программного обеспечения просто неспособна работать с секторами, отличными от указанного выше размера. Только сейчас некоторые производители жестких дисков начали осваивать увеличенные в восемь раз секторы (по 4К байт, соответственно), однако этот процесс находится лишь в начальной стадии.  В любом случае, на дорожке должно помещаться целое количество секторов. Причем крайне желательно, чтобы на соседних дорожках количество секторов было одинаковым. В случае дискет или первых винчестеров так и вовсе — считалось, что все дорожки содержат одинаковое количество секторов. Так что фактическая продольная плотность записи весьма быстро возрастала от окраин к центру, вместе с уменьшением длины дорожек. Причем максимальное ее значение ограничивалось технологией, так что, по сути, большая часть площади внешних дорожек расходовалось нерационально. Впрочем, пока дорожек было мало (на дискетах, например, их количество равно 40 или 80) с этим можно было мириться, а вот с ростом поперечной плотности записи такие потери становились все более и более существенными. Некоторое время с ними сделать было ничего нельзя, поскольку системное программное обеспечение было рассчитано на постоянное количество секторов на дорожке, однако по мере совершенствования дисковых интерфейсов и переноса большей части электроники непосредственно в накопитель, реальную физическую структуру последнего от программ удалось спрятать. Последние так и продолжали считать, что на диске количество секторов на дорожку является постоянной величиной, хотя на деле одинаковым оно осталось лишь в пределе ограниченной полосы из нескольких десятков дорожек, зато таковых зон стало несколько. Конечно, определенные потери дискового пространства есть и при данном методе (поскольку реальная и технологическая плотности записи обязаны совпадать на внутренних дорожках каждой зоны, а на внешних первая быстро становится меньше второй, так что часть информации, которую потенциально можно было бы разместить на диске, просто «не помещается»), однако они много меньше, чем при наличии всего одной зоны. Ну а по сложности реализации данный метод лишь немногим сложнее «однозонного» и куда проще подхода, при котором количество секторов было бы различным на всех дорожках.

В общем, к чему все это? К тому, что из-за блочной организации дискового пространства с точки зрения операционных систем и прочего программного обеспечения, теоретическая продольная плотность записи (обычно указываемая для всего жесткого диска) на практике недостижима. Точнее, достижима она лишь для нескольких дорожек — внутренних в каждой зоне, а на внешних реальная плотность записи ниже теоретической. Впрочем, благодаря зонной организации, отличается она не так уж и сильно, так что для наших целей можно считать и продольную, и поперечную плотность записи постоянными характеристиками НЖМД. Но очень слабо зависящими от производителя — как мы увидим далее, для всех потребительских характеристик накопителя желательно, чтобы плотность записи (в обоих направлениях) была бы максимальной. Именно поэтому о плотности записи вспоминают лишь тогда, когда при смене линеек накопителей производителю удается ее увеличить. А искусственно ее занижать (по сравнению с технологически возможной) просто невыгодно. Вот и не занижают.

Теперь же, разобравшись более-менее с низкоуровневыми характеристиками винчестеров, поднимемся на уровень выше — к тем параметрам, которые нужны нам как пользователям на практике.

Емкость

Начнем с самого простого, а для многих — основного и чуть ли не единственного параметра. Действительно — начиная выбор винчестера большинство сначала определяется с его емкостью, а потом уже (если есть желание) начинает выбирать конкретную модель из нескольких равных по объему. Кроме того, начинать с этого параметра удобно потому, что он достаточно прост.

Действительно, чему равна емкость НЖМД? Количеству жестких дисков (точнее, рабочих поверхностей — из-за ограничений по высоте накопителя, не у каждого диска используются обе стороны, но нам сейчас это не совсем важно), умноженному на емкость каждого из них. А емкость одной рабочей поверхности (одной стороны диска) равна его площади, умноженной на плотность записи. Площадь же круга (опять же — мы помним, что у нас, скорее, кольцо, поскольку внутренние и внешние области не используются, однако их размеры обычно постоянны, так что можно и упростить картину для ясности) пропорциональна квадрату его диаметра. Таким образом, увеличивая диаметр дисков и их количество в пакете при той же плотности записи, мы очень быстро увеличиваем емкость накопителя, причем диаметр более важен: количество дисков дает лишь линейный рост емкости, а диаметр — квадратичный. А при равном количестве и диаметре дисков подобный же эффект дает увеличение плотности записи. В общем, для получения максимальной емкости увеличивать нужно все, кроме скорости вращения — она ни малейшего влияния не оказывает.

Энергопотребление

Почему мы ставим эту характеристику на второе место — выше производительности? Мода сейчас такая — на энергоэффективность. Во-первых. Во-вторых же, в фаворе ныне и портативные компьютеры, которые по объемам продаж уже обогнали стационарных, а тут экономия энергии не прихоть, а насущная необходимость — многие готовы ради лишнего часа автономной работы пожертвовать и половиной производительности.

Итак, что же влияет на потребление энергии? Очевидно, что плотность записи на нее не влияет. А вот все механические характеристики дисков влияют, причем отрицательным образом. Действительно — работа силы трения тем выше, чем выше скорость вращения, следовательно, низкооборотистые диски будут всегда экономичнее высокооборотистых. Причем при одинаковой скорости вращения требуется тем более мощный электродивгатель, чем тяжелее пакет дисков. А последний тем тяжелее (при прочих равных), чем больше в нем дисков и чем больше их диаметр. Таким образом, для максимальной экономии энергии нужно уменьшать диаметр дисков, их количество и скорость их вращения.

Заметим, что выше описан, так сказать, экстенсивный (т.е. чисто количественный) способ экономии энергии. Кроме него есть и интенсивный — развивать технологии. Например, если мы освоим новый материал для производства дисков, который позволит сделать их более легкими, то при том же диаметре и количестве дисков уменьшится масса всего пакета, а, следовательно, и сила трения, и потребляемая на ее преодоление мощность. Аналогичного эффекта можно добиться, применив улучшенные подшипники в системе подвеса дисков. Улучшение технологии магнитных головок позволяет им работать с меньшими областями намагничивания и обходиться в работе меньшими токами, а это тоже благотворно влияет на энергопотребление. В общем, есть масса безусловно полезных способов борьбы с излишним потреблением энергии, которыми пользуются все производители. Но очень часто бывает так, что все технологические ухищрения уже применены, а достигнутого уровня экономии все равно недостаточно. В этом случае не остается ничего иного, кроме как использовать экстенсивные методы.

Скорость выполнения последовательных операций

И вот, наконец-то, мы добрались и до производительности. Начнем с линейных операций, благо многие до сих пор считают скорость копирования файлов мерилом производительности винчестеров. В общем случае это абсолютно неправильно, хотя... если основная и единственная задача накопителя — служить хранилищем видеотеки, то, действительно, последовательные операции наиболее важны: мы работаем с большими файлами, причем читаем или записываем их исключительно последовательно от начала к концу.

Как рассчитать предельную скорость линейных операций? Очень просто — она тем выше, чем большее количество битов информации проходит мимо магнитной головки за единицу времени. Соответственно, очень важное значение имеет последовательная плотность записи — чем она выше, тем больше скорость. Вторым же компонентом в этом произведении является обычная «физическая» скорость движения диска относительно головки, разная для каждой дорожки, поскольку при постоянной угловой скорости вращения диска, линейная зависит от радиуса дорожки. Именно поэтому получается такой любопытный эффект, что на внешних дорожках скорость последовательных чтения и записи намного выше, чем на внутренних. Благодаря ему нередко диски массовых серий умудряются на внешних дорожках обгонять своих высокопроизводительных собратьев с большей скоростью вращения того же поколения. А вот диски разных поколений практически всегда имеют разную скорость выполнения последовательных операций даже при одинаковых физических параметрах — плотность записи различается существенно.

В общем, подводя итоги, для увеличения скоростей линейных чтения и записи производителям необходимо увеличивать плотность записи, скорость вращения дисков и их диаметр (последнее никак не повлияет на внутренние дорожки, зато повысит скорость на внешних и, соответственно, увеличит ее и в среднем).

Скорость выполнения случайных операций

Что касается более актуальных ныне (из-за многозадачности современных операционных систем) операций со случайным доступом к дискам, то тут все гораздо сложнее, нежели с «прямолинейной» логикой линейных. Для начала разберемся, каков именно физический смысл времени доступа к информации, определяющего скорость выполнения случайных операций.

Итак, нам необходим определенный блок с данными (мы помним, что именно он является наименьшей единицей). Мы не можем просто взять его и получить (что легко делается в носителях на базе флэш-памяти — там по номеру блока нужный выдается сразу, где бы он не располагался, что и обеспечивает этим накопителям превосходное время доступа как минимум на операциях чтения) — сначала нужно переместить головку на нужную дорожку, а потом дождаться прохождения под ней нужного сектора. Сумма же времени выполнения этих операций и будет давать нам время доступа.

С первым компонентом все достаточно просто — время нужное на «попадание» на запрошенную дорожку прямо пропорционально диаметру пластины. Некогда его «портила» и поперечная плотность записи, поскольку применялись шаговые двигатели, способные за одну операцию сместить головку только на одну дорожку, однако те времена давно прошли. Теперь — только диаметр, да и то косвенно: определенное время на перемещение головки требуется, благо в худшем случае ее придется «гонять» по всему радиусу. А сколько на диске дорожек не слишком важно: внутренние схемы по номеру дорожки определяют примерное ее физическое местоположение и перемещают головку куда нужно (по крайней мере, пытаются), так что уже после первой же операции позиционирования в подборе нужного места участвует не более чем десяток дорожек, независимо от их общего количества на диске.

Ладно — нужную дорожку мы нашли, теперь осталось дождаться нужного сектора. Сколько? Угадать сложно — в лучшем случае мы получим нужный нам блок данных сразу же после позиционирования, в худшем его придется ждать целый оборот диска (если он только что «проскочил»). Согласно законам статистики, из этого следует, что в среднем у нас на ожидание нужных данных будет требоваться пол-оборота диска. Из чего неумолимо следует, что чем выше скорость вращения диска, тем меньше время ожидания.

После того, как сектор окажется в нужном месте, его нужно прочитать или записать, так что теоретически на полную скорость выполнения случайных операций влияют и все те факторы, что важны для последовательных операций. Однако на самом деле ими вполне можно пренебречь — блоки данных настолько невелики, что само физическое их чтение занимает много меньше времени, чем позиционирование головки и ожидание. Таким образом, для получения минимального времени доступа к данным (и, следовательно, максимальной производительности на случайных операциях) необходимо уменьшать диаметр диска и увеличивать его скорость вращения.

Некоторые практические примеры

Несложно заметить, что все требования к физическим параметрам жестких дисков весьма противоречивы — например, для увеличения скорости последовательных операций диаметр диска нужно увеличивать, а вот для лучшего поведения на случайных запросах требуется поступать в точности наоборот. Именно поэтому конструкторам постоянно приходится идти на компромиссы, а диски для разных сегментов рынка абсолютно разные. Посмотрим — какие. Для лучшего закрепления материала.

Диски массовых серий

Требуется: высокая емкость при низкой стоимости.
Желательно: высокая производительность на линейных и случайных операциях.
Нежелательно: высокое энергопотребление.

Совокупность этих требований быстро позволяет понять, почему все диски массовых серий от разных производителей одинаковые. Действительно — для получения максимальной емкости и высокой производительности на последовательных операциях требуется увеличивать диаметр дисков, поэтому в этом классе он всегда максимальный и регулируется не особенностями технологии, а сторонними факторами. Например, долгие годы (да и сейчас пока еще) типичным диаметром пластин для массовых дисков было 3,5 дюйма, однако все больший рост популярности ноутбуков, возможно, приведет к существенному увеличению доли дисков на 2,5 дюйма, переориентации промышленности на них и «отмиранию» более крупных винчестеров (как это было в свое время с моделями на 5,25?). Хотя производители будут сопротивляться этому всеми силами — недаром они иногда даже пытаются идти против течения с тем или иным успехом. Достаточно вспомнить серию Quantum Bigfoot: пятидюймовые винчестеры, которые начали выпускаться уже во времена тотального господства меньших форм-факторов. Ну и что? Большой диаметр пластин помогал им иметь достаточную емкость даже при одном диске (что сильно упрощало и удешевляло механику) и неплохую скорость выполнения последовательных операций даже при низкой частоте вращения. Все испортили только медлительные случайные операции, из-за которых диски слабо годились для применения в компьютере в единственном числе. В общем, опередили они свое время — вот сейчас во времена массового использования видеотек на жестких дисках очень многие не отказались бы от пятидюймового монстрика терабайт так на 10 (что при нынешнем уровне технологий вполне достижимо для таких моделей), который будет использоваться как раз только для хранения и воспроизведения мультимедийных файлов (т.е. будет либо вторым в компьютере, либо вообще станет основой для стационарного ВЖД).

Почему производители не увеличивают количество дисков в этих моделях? На самом деле, увеличивают — несколько лет назад типичным было применение всего двух пластин, ныне же три-четыре для старших моделей в линейках стандарт де-факто. Но слишком ускорять такой процесс не получается, поскольку, во-первых, ограничены внешние размеры, а во-вторых, многодисковые винчестеры требуют применения более сложной (и дорогой!) механики. По тем же причинам очень медленно растет со временем и «оборотистость» таких накопителей: дорого в производстве и не слишком-то нужно (на емкости не сказывается, а скорость последовательных операций лучше наращивать при помощи плотности записи). В общем, по всем этим причинам на сегодняшний день стандартным вариантом для массовых жестких дисков стал следующий: пластины диаметром 3,5 дюйма, общим количеством до четырех (пять в некоторых моделях одного производителя), вращающиеся со скоростью 7200 оборотов в минуту.

Высокоскоростные накопители

Требуется: высокая скорость выполнения случайных операций.
Желательна: высокая производительность на линейных шаблонах.

Попробуем подняться классом выше — на уровень накопителей для рабочих станций и серверов. Здесь не нужна слишком уж высокая емкость отдельного диска — они все равно используются в составе массивов. Да и из двух видов производительности существенно более важны случайные модели доступа. Именно поэтому производители таких моделей практически всегда предлагают рынку высокооборотистые (частота вращения 10-15 тысяч оборотов в минуту) модели на пластинах уменьшенного диаметра (2,5-2,8 дюйма). Как мы уже писали выше, это приводит к тому, что по скорости выполнения последовательных операций они не сильно-то лучше представителей массовых серий, да еще и очень сильно отстают от них по емкости: пластины маленькие и их меньше (иначе слишком уж растет сложность изготовления накопителя и его энергопотребление). Впрочем, при этом скоростные показатели даже на последовательных шаблонах «более равномерны», поскольку выше скорость на внутренних дорожках, ну а производительность на случайных операциях, естественно, существенно выше, чем у всех остальных семейств жестких дисков.

Энергоэффективные НЖМД

Требуется: высокая емкость при низкой стоимости и энергопотреблении.

В последнее время направление «экологичных винчестеров» развивается бурными темпами. Во многом это связано с тем, что производительность не так уж и важна в ряде сфер. Особенно для некомпьютерного применения — в бытовом магнитофоне, к примеру, любая скорость будет избыточной, поскольку даже HD-поток исчисляется мегабитами, а даже самые древние винчестеры на последовательных операциях (случайных в таком устройстве не будет вовсе) способны на десятки мегабайт в секунду. Внешние жесткие диски до последнего времени были ограничены производительностью наиболее распространенного интерфейса USB 2.0, так что высокая скорость самому винчестеру тут тоже не нужна. Да и в компьютере вовсе не обязательно использовать диски с одинаковой скоростью — если винчестеров несколько, то часть из них, используемая преимущественно для хранения больших объемов данных, может быть и более медленной, нежели тот, на который установлена операционная система и прикладные программы. Но если скорость не важна, то на первое место начинают выходить уже такие параметры, как энергопотребление и шум, а уменьшить их, сохраняя емкость, можно простым снижением скорости вращения. Причем нельзя сказать, что производительность таких моделей так уж плоха — плотность-то записи растет постоянно (без этого увеличивать объем не получится), так что скорость выполнения линейных операций обычно несколько ниже, чем у массовых моделей того же поколения, но выше, чем у более ранних устройств (причины этого объяснены выше). В общем, в этот класс ныне попадают винчестеры с пластинами по 3,5 дюйма, но более низкой, нежели типовые 7200 оборотов в минуту винчестеры. Насколько более низкой? Зависит от моделей. Обычно от 5000 до 5900 об/мин, хотя мы не удивимся, если через некоторое время скорость вращения продолжит снижаться и далее.

Мобильные винчестеры

Требуется: компактность, низкое энергопотребление.
Желательна: высокая емкость.

Иногда потребление даже предыдущего класса накопителей оказывается слишком высоким, а в некоторых сферах их применение просто невозможно — например, в большинство ноутбуков винчестер на пластинах по 3,5 дюйма просто не поместится. Выход очевиден — нужно уменьшать диаметр пластин. Обычно это 2,5 дюйма, хотя бывает и меньше. От высокоскоростных же накопителей эти модели отличаются низкой скоростью вращения — максимум 7200 об/мин, а чаще 5400 или даже 4200 оборотов в минуту. Связано это не только с требованиями экономичности, но и с тем, что желательно получить максимально-возможную емкость, так площадь пластины используется более полно, чем в моделях высокой производительности, в том числе и «неудобные» внутренние и самые дальние от центра дорожки. Но работают они медленно не только по этой причине — приходится использовать и более компактную (а, следовательно, и низкопроизводительную) механику магнитных головок. Все это приводит к тому, что даже самые быстрые ноутбучные модели медленнее не только массовых, но и энергоэффективных настольных винчестеров. Даже при большей скорости вращения и, несмотря на уменьшенные пластины — головки приходится перемещать на меньшее расстояние, но и движутся они медленнее. Таким образом, топовый мобильный винчестер по скорости будет всегда проигрывать самому бюджетному «зеленому». А по емкости проиграет и массовому — ввиду жесткого ограничения на энергопотребление, в дисках с более высокой скоростью вращения приходится использовать меньшее количество пластин. Но этот самый уровень энергопотребления и в одном, и в другом случае просто недостижим ни для какого менее портативного класса винчестеров.

Итого

В целом, как видим, все достаточно просто и легко объяснимо. Правда у особо дотошных читателей уже наверняка на языке вертится вопрос — а почему же тогда диски разных производителей (и даже разных семейств одного производителя) даже при примерно равных низкоуровневых характеристиках нередко сильно различаются по производительности? Самый простой, но на деле ничего не объясняющий, ответ — а потому, что у них разная электроника. В чем там бывают различия и как они сказываются на производительности и других характеристиках, будет темой следующих статей.


Автор: Андрей Korzh Кожемяко
Источник: http://www.ixbt.com/storage/faq-hdd-p1.shtml