На первый взгляд кажется, что рынок жёстких дисков не так динамичен, как рынок процессоров или видеокарт. Большинство потребителей считают, что жёсткие диски не развиваются так быстро, как другие комплектующие современного персонального компьютера.
Однако на практике всё далеко не так – производители жёстких дисков находятся в постоянном поиске эффективных решений для улучшения характеристик винчестеров. Все эти заблуждения от недостатка информации, у большого количества среднестатистических пользователей ПК знания о жёстком диске – на уровне строчки из прайс-листа: «Samsung 500 Гбайт 7200 об./мин.». Сегодня я хочу рассказать о технологиях хранения информации на компьютере, какие продукты доступны на рынке, и какие технические решения применяются для достижения максимального комфорта при работе, с все увеличивающимся разнообразием информации. Сейчас круг задач, решаемых с помощью HDD либо требующих его присутствия, намного шире. Это не только постоянная прописка в ПК и ноутбуках, но и мобильная жизнь в качестве переносного внешнего накопителя, трудовые будни в различных плеерах и записывающих устройствах.

История развития НЖМД

• 1956 — жесткий диск IBM 350 в составе первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC. Накопитель занимал ящик размером с большой холодильник, а общий объем памяти 50 вращавшихся в нем покрытых чистым железом тонких дисков диаметром с большую пиццу (610 мм) составлял около 4,4 мегабайт (5 миллионов 6-битных байт)
• 1980 — первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart ST-506, 5 Мб
• 1986 — Стандарт SCSI
• 1991 — Максимальная ёмкость 100 Мб
• 1995 — Максимальная ёмкость 2 Гб
• 1997 — Максимальная ёмкость 10 Гб
• 1998 — Стандарты UDMA/33 и ATAPI
• 1999 — IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 Мб
• 2002 — Взят барьер адресного пространства выше 137 Гб (проблема 48-bit LBA)
• 2003 — Появление SATA
• 2005 — Максимальная ёмкость 500 Гб
• 2005 — Стандарт Serial ATA 3G
• 2005 — Появление SAS (Serial Attached SCSI)
• 2006 — Применение перпендикулярного метода записи в коммерческих накопителях
• 2006 — Появление первых «гибридных» жёстких дисков, содержащих блок флэш-памяти
• 2007 — Hitachi представляет первый коммерческий накопитель ёмкостью 1 Тб
• 2008 — Seagate Technology LLC представляет накопитель емкостью 1,5 Тб
  
  
  НЖМД

Накопитель информации на жестких магнитных дисках (НDD - Hard Disk Drive), он же "винчестер", условно состоит из герметичного блока и платы электроники. Герметичный блок заполнен обычным обеспыленным воздухом под атмосферным давлением, и в нем размещены все механические части. Кинематика жесткого диска состоит из одного или нескольких магнитных дисков, жестко закрепленных на шпинделе двигателя, и системы позиционирования магнитных головок. Магнитная головка находится на одной из сторон вращающегося магнитного диска и осуществляет чтение и запись данных с поверхности магнитных дисков, вращающихся со скоростью до 15 000 оборотов в минуту. Головки закреплены на специальных держателях и перемещаются системой позиционирования между центром и краем диска. Точное позиционирование магнитных головок осуществляется по записанной на диске сервоинформации. Считывая ее, система позиционирования определяет силу тока, которую нужно пропустить через катушку электромагнитного привода для удержания магнитной головки над требуемой дорожкой.

При включении питания процессор винчестера выполняет тестирование электроники, после чего выдает команду включения шпиндельного двигателя. При достижении некоторой критической скорости вращения плотность увлекаемого поверхностями дисков воздуха становится достаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности и поднятия их на высоту меньше микрона над поверхностями дисков. С этого момента и до снижения скорости ниже критической головки "парят" на воздушной подушке и совершенно не касаются поверхностей дисков. После достижения дисками скорости вращения, близкой к номинальной, головки выводятся из зоны парковки, и начинается поиск сервометок для точной стабилизации скорости вращения, после чего выполняется считывание микрокода и другой служебной информации с магнитной поверхности. В завершение инициализации выполняется тестирование системы позиционирования путем перебора заданной последовательности дорожек, и если оно проходит успешно, жесткий диск сообщает о готовности к работе .

Производительность

Производительность дисковой системы зависит от быстродействия кинематики НЖМД. Механические движущиеся детали пока остаются самым медленным звеном в цепи передачи данных от магнитной поверхности диска в оперативную память компьютера. Наиболее длительными фазами в операциях чтения/записи данных являются: поиск дорожки и считывание нескольких сервометок для точного позиционирования магнитной головки на дорожке, содержащей требуемый сектор; ожидание поворота диска на угол, необходимый для доступа к сектору идентифицированной дорожки (среднестатистически - половина оборота магнитного диска).

Скоростные характеристики жесткого диска обычно определяется двумя параметрами:

• Среднее время доступа   (от 3 до 13 мс).
• Средняя скорость чтения и записи. ( до 130 Мб/с и до 90 Мб/с соответственно)
• Скорость вращения шпинделя — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об./мин. (серверы и высокопроизводительные рабочие станции). Это важный параметр, который несколько приостановил свое развитие из-за сложности реализации.

Жёсткий диск – достаточно сложный элемент компьютера, так как является электронно-механическим изделием и ко всему прочему работает при больших физических нагрузках. Проблемы с жестким диском делятся на сбои механики и сбои электроники. Самым распространенным механическим сбоем является появление дефектных участков на поверхности жесткого диска, а электронные сбои чаще всего связаны с контроллером.
Появление дефектных участков на поверхности жесткого диска свидетельствует либо о преждевременном износе накопителя, либо о проблемах на стадии производства. Современные диски имеют резервную поверхность для "подмены" пришедших в негодность кластеров. И если программы диагностики говорят о наличии сбойных кластеров, то значит это резервная поверхность уже полностью использована. Есть поводы для серьезного беспокойства.
Механические элементы не вечны, и стоит чётко понимать, что винчестер рано или поздно выйдет из строя. Поэтому, чтобы не потерять важные данные, я настоятельно рекомендую делать резервную копию информации. Если жёсткий диск выйдет из строя, вы сможете купить новый и записать данные из back-up. Всегда стоит помнить один важный момент: с ростом ёмкости жёсткого диска и, соответственно, объёма информации на нём возрастают требования к резервированию данных, back-up попросту становится больше.

Надёжность жёстких дисков измеряется временем наработки на отказ (Mean Time Between Failures). Параметр MTBF для каждой модели винчестера можно найти на сайтах производителей, и измеряется он зачастую в часах непрерывной работы. Как правило, большинство жёстких дисков имеют сопоставимый, довольно высокий уровень MTBF, исключение составляют серьёзные Enterprise и серверные решения.

Вот так выглядят накопители на флеш-памяти:

Твердотельные накопители SSD

Первые накопители подобного типа (на ферритовых сердечниках) были созданы еще для ламповых вычислительных машин. Однако с появлением барабанных, а затем и дисковых накопителей вышли из употребления из-за чрезвычайно высокой стоимости. В 1978 компания StorageTek разработала первый твердотельный накопитель современного типа (основанный на RAM-памяти). В 1995 компания M-Systems представила первый твердотельный накопитель на flashпамяти. Твердотельный жесткий диск (Solid State Disk – SSD) – накопитель данных, основанный на флеш – памяти. Состоит из массива микросхем флеш – памяти и контроллера, обеспечивающего взаимодействие с компьютером по интерфейсу SATA или ATA. Выпускаются в стандартных форм – факторах 1,8″, 2,5″ и 3,5″.
Твердотельный жесткий диск (Solid State Disk – SSD) – накопитель данных, основанный на флеш – памяти. Состоит из массива микросхем флеш – памяти и контроллера, обеспечивающего взаимодействие с компьютером по интерфейсу SATA или ATA. Выпускаются в стандартных форм – факторах 1,8″, 2,5″ и 3,5″.

Сам термин "flash-память" придумал в июне 1984 года некто Шоджи Аризуми (Shoji Ariizumi), сотрудник корпорации Toshiba, уже после того, как его руководитель доктор Фуджио Масуока (Fujio Masuoka) послал сообщение о новом, изобретенном им типе энергонезависимой памяти на конференцию разработчиков электронных приборов IEDM в Сан-Франциско. Так гласит официальная история, однако на рынок flash-память вывела не Toshiba, а Intel, и только спустя четыре года, в 1988 году, - слишком велики оказались трудности внедрения в производство.

Производительность

Для простого пользователя компьютера одним из определяющих факторов комфортной работы за компьютером является скорость работы дисковой подсистемы (загрузка операционной системы, скорость копирования и открытия файлов). Здесь у твердотельных накопителей есть большое  преимущество и запас прочности для развития и модернизации технологий скорости работы, нежели у НЖМД.
Скоростные характеристики SSD накопителей определяются теми же параметрами что и НЖМД:

• Среднее время доступа   (0,1 мс).
• Средняя скорость чтения и записи (до 250 Мб/с и до 170 Мб/с соответственно).

SSD накопители могут работать в более широком диапазоне температур, а их надёжность прекрасно подходит для промышленных ПК. Традиционные винчестеры могут работать при температурах 5-55°C, за некоторыми исключениями, но большинство флэш-накопителей выдерживает  70°C, а модели промышленного класса работоспособны даже при диапазонах от -40°C до 85°C, что позволяет использовать их, например, для автомобильных компьютеров в условиях нашей зимы. Их терпимость как к высоким температурам так и к низким, позволяет использовать компьютер там где раньше это было затрудненно или вовсе невозможно.
   Говоря о надежности носителей информации, построенных на flash-памяти, главным образом стоит отметить отсутствие механически движущихся частей. Ведь для работы обычных НЖМД, к которым мы все привыкли, нужна слаженная работа его механики в целом, это и балансировка шпинделя, на котором крутятся диски, и четкая работа  считывающей головки. А полное ее (механики) отсутствие в накопителях SSD позволяет нам с уверенностью говорить о том, что твердотельные накопители гораздо мене чувствительны к вибрации и внешним воздействиям окружающей среды.
Рассмотренные преимущества надежности SSD, позволяют использовать накопители на flash-памяти в тех условиях, в которых использование НЖМД неприемлемо.

Преимущества перед НЖМД:

• более высокая скорость запуска, переход Power On - Ready 1 сек;
• отсутствие движущихся частей;
• время доступа 0,1 мс;
• производительность, чтение до 250 Мб/с;
• производительность, запись до 170 Мб/с;
• низкая потребляемая мощность;
• полное отсутствие шума от движущихся частей и охлаждающих вентиляторов;
• высокая механическая стойкость;
• широкий диапазон рабочих температур;
• практически устойчивое время считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;
• малый размер и вес;
• совместимость с SATA-I, SATA-2.

Недостатки

• высокая цена за 1 Гб (от 8 долларов за гигабайт);
• малая емкость (лишь экспериментальные твердотельные накопители имеют емкость 1 Тб и больше, в продаже доступны NAND SSD до 250 Гб);
• более высокая чувствительность к некоторым эффектам, например, внезапной потере питания, магнитным и электрическим полям;
• ограниченное количество циклов перезаписи: обычная флэш-память позволяет записывать данные до 100 тыс. раз, более дорогостоящие виды памяти — до 5 млн. раз;
• медленная скорость записи (для флэш-памяти);

Что такое «RAID»?

В 1987 году Паттерсон (Patterson), Гибсон (Gibson) и Катц (Katz) из калифорнийского университета Беркли опубликовали статью «Корпус для избыточных массивов из дешевых дисководов (RAID)» (A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID)). В этой статье описывались разные типы дисковых массивов, обозначаемых сокращением RAID - Redundant Array of Independent (или Inexpensive) Disks (избыточный массив независимых (или недорогих) дисководов). В основу RAID положена следующая идея: объединяя в массив несколько небольших и/или дешевых дисководов, можно получить систему, превосходящую по объему, скорости работы и надежности самые дорогие дисководы. Вдобавок ко всему такая система с точки зрения компьютера выглядит как один единственный дисковод.
Известно, что среднее время наработки на отказ массива дисководов равно среднему времени наработки на отказ одиночного дисковода, деленному на число дисководов в массиве. Вследствие этого среднее время наработки на отказ массива оказывается слишком малым для многих приложений. Однако дисковый массив можно несколькими способами сделать устойчивым к отказу одного дисковода.

Когда нежен «RAID»?

Если Вы заинтересовались этим вопросом, то Вы, по-видимому, столкнулись или предполагаете вскоре столкнуться с одной из ниже перечисленных проблем на Вашем компьютере:

• явно не хватает физического объема винчестера, как единого логического диска. Наиболее часто эта проблема возникает при работе с файлами большого объема (видео, графика, базы данных);
• явно не хватает производительности винчестера. Наиболее часто эта проблема возникает при работе с системами нелинейного видео монтажа или при одновременном обращении к файлам на винчестере большого количества пользователей;
• явно не хватает надежности винчестера. Наиболее часто эта проблема возникает при необходимости работать с данными, которые ни в коем случае нельзя потерять или которые должны быть всегда доступны для пользователя. Печальный опыт показывает, что даже самая надежная техника иногда ломается и, как правило, в самый не подходящий момент.

Решить эти и некоторые другие проблемы может создание на Вашем компьютере RAID-системы.

Уровни RAID, и какой из них выбрать?

Уровней RAID существует множество, но для домашнего использования предпочтительны 0-го и 1-го, так как они не требуют больших затрат и просты в ревлизации.

RAID-0. Обычно определяется как НЕ избыточная группа дисководов без контроля четности. RAID-0 по способу размещения информации по дисководам, входящим в массив, иногда называется "Striping" ("полосатый" или "тельняшка") . Файлы распределяются поблочно по всем жёстким дискам, то есть RAID-контроллер записывает данные практически одновременно на несколько винчестеров. Так как RAID-0 не обладает избыточностью, авария одного дисковода приводит к аварии всего массива. С другой стороны RAID-0 обеспечивает максимальную скорость обмена и эффективность использования объема дисководов. Поскольку для RAID-0 не требуются сложные математические или логические вычисления, затраты на его реализацию минимальны.
Область применения: аудио- и видео приложения требующие высокой скорости непрерывной передачи данных, которую не может обеспечить одиночный дисковод. Например, исследования, проведенные фирмой Mylex, с целью определить оптимальную конфигурацию дисковой системы для станции нелинейного видео монтажа показывают, что, по сравнению с одним дисководом, массив RAID-0 из двух дисководов дает прирост скорости записи/чтения на 96%(по данным теста Miro VIDEO EXPERT Benchmark). Минимальное количество дисководов в массиве "RAID-0" - 2шт.

RAID-1. Более известен как "Mirroring" ("Зеркалирование") - это пара дисководов, содержащиходинаковую информацию и составляющих один логический диск. Запись производится на оба дисковода в каждой паре. Тем не менее, дисководы, входящие в пару, могут совершать одновременные операции чтения. Таким образом «зеркалирование» может удваивать скорость чтения, но скорость записи остается неизменной. RAID-1 обладает 100% избыточностью и авария одного дисковода не приводит к аварии всего массива - контроллер просто переключает операции чтения/записи на оставшийся дисковод. Это делает его предпочтительным если вам необходимо обеспечить надежное хранение данных. Минимальное количество дисководов в массиве "RAID-1" - 2шт.

Заключение

Есть мнение, что дни накопителей на жестких магнитных дисках (НЖМД, HDD) уже сочтены. В ближайшие несколько лет HDD сможет удерживать свои позиции на рынке благодаря высокой емкости и низкой стоимости, но, тем не менее, будет смещаться в более специфичные и уменьшающиеся ниши. «Гибель» жестких дисков неизбежна не только из-за недостатков технологии и высокого потребления энергии, но просто из-за размеров. С одной стороны, SSD обеспечит вам большую скорость передачи данных, намного меньшее энергопотребление (читай «большее время автономной работы»), отсутствие шума и минимум тепловыделения. Но с другой стороны, твердотельный накопитель обойдется вам в 10 раз больше чем обычный винчестер такого же объема. Ко всему прочему жесткие диски пока превосходят SSD по объему в некоторых форм-факторах. Так что же стоит выбрать: накопитель SSD, более скоростной и дорогой, или HDD с большей емкостью? Решать только вам, исходя из потребностей и желаний.
Ясно, что HDD не исчезнет завтра. И весьма вероятно, что НЖМД переживут флэш-память, предельный техпроцесс производства которой по слухам 22 нм. Компания IBM недавно заявила, что полностью удалит стандартные жесткие диски из своих продуктов только к 2018 году, это должно означать, что к 2020 купить устройство с HDD будет проблемно.
А пока SSD не получили широкого распространения у обычных пользователей,  в виду многих факторов (из-за цены в первую очередь), модернизировать свою дисковую подсистему можно организовав RAID массив, ускорив ее работу и защитив информацию от потери. На данный момент это сравнительно не дорогой и легкий в реализации способ, который обеспечит видимое превосходство перед использованием одиночного HDD.

Сводная таблица скоростных характеристик НЖМД, SSD, RAID-0.