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Componentes internos de una unidad de disco duro de computadora portátil de 2,5 pulgadas
Un disco duro 1997 desmontado y etiquetado encima de un espejo
Una descripción general de cómo funcionan los discos duros

Una unidad de disco duro ( HDD ), disco duro , disco duro o disco fijo [b] es un dispositivo de almacenamiento de datos electromecánico que almacena y recupera datos digitales mediante almacenamiento magnético y uno o más platos rígidos de rotación rápida recubiertos con material magnético. Los platos están emparejados con cabezales magnéticos , generalmente dispuestos en un brazo actuador móvil , que leen y escriben datos en las superficies del plato. [2] Se accede a los datos de forma aleatoria , lo que significa que los bloques individualesde datos se pueden almacenar y recuperar en cualquier orden. Los discos duros son un tipo de almacenamiento no volátil que retiene los datos almacenados incluso cuando están apagados. [3] [4] [5] Los discos duros modernos suelen tener la forma de una pequeña caja rectangular .

Introducido por IBM en 1956, [6] Los HDD fueron el dispositivo de almacenamiento secundario dominante para computadoras de propósito general a partir de principios de la década de 1960. Los HDD mantuvieron esta posición en la era moderna de servidores y computadoras personales , aunque los dispositivos de computación personal producidos en grandes volúmenes, como teléfonos celulares y tabletas, dependen de dispositivos de almacenamiento de memoria flash . Más de 224 empresas han producido HDD históricamente , aunque después de una extensa consolidación de la industria, la mayoría de las unidades son fabricadas por Seagate , Toshiba y Western Digital.. Los discos duros dominan el volumen de almacenamiento producido ( exabytes por año) para los servidores . Aunque la producción está creciendo lentamente (por exabytes enviados [7] ), los ingresos por ventas y los envíos de unidades están disminuyendo porque las unidades de estado sólido (SSD) tienen tasas de transferencia de datos más altas, mayor densidad de almacenamiento de área, mejor confiabilidad [8] y mucho menor tiempos de latencia y acceso. [9] [10] [11] [12]

Los ingresos de los SSD, la mayoría de los cuales utilizan memoria flash NAND , superan ligeramente a los de los HDD. [13] Los productos de almacenamiento flash tuvieron más del doble de ingresos que las unidades de disco duro en 2017 . [14] Aunque los SSD tienen un costo por bit de cuatro a nueve veces mayor, [15] [16] están reemplazando a los HDD en aplicaciones donde la velocidad, el consumo de energía, el tamaño pequeño, la alta capacidad y la durabilidad son importantes. [11] [12] El costo por bit de las SSD está disminuyendo y la prima de precio sobre las HDD se ha reducido. [dieciséis]

Las características principales de un disco duro son su capacidad y rendimiento . La capacidad se especifica en prefijos de unidad correspondientes a potencias de 1000: una unidad de 1 terabyte (TB) tiene una capacidad de 1000 gigabytes (GB; donde 1 gigabyte = mil millones (10 9 ) bytes ). Por lo general, parte de la capacidad de un disco duro no está disponible para el usuario porque es utilizada por el sistema de archivos y el sistema operativo de la computadora , y posiblemente la redundancia incorporada para la corrección de erroresy recuperación. También existe confusión con respecto a la capacidad de almacenamiento, ya que las capacidades están expresadas en gigabytes decimales (potencias de 1000) por los fabricantes de HDD, mientras que los sistemas operativos más utilizados reportan capacidades en potencias de 1024, lo que resulta en un número menor al anunciado. El rendimiento se especifica por el tiempo requerido para mover los cabezales a una pista o cilindro (tiempo de acceso promedio) sumando el tiempo que tarda el sector deseado en moverse debajo del cabezal ( latencia promedio , que es una función de la velocidad de rotación física en revoluciones por minuto ) y, finalmente, la velocidad a la que se transmiten los datos (velocidad de datos).

Los dos factores de forma más comunes para los discos duros modernos son 3,5 pulgadas , para computadoras de escritorio, y 2,5 pulgadas, principalmente para computadoras portátiles. Los discos duros se conectan a los sistemas mediante cables de interfaz estándar , como cables PATA (Parallel ATA), SATA (Serial ATA), USB o SAS ( Serial Attached SCSI ).

Historia [ editar ]

Reproducir medios
Vídeo del funcionamiento moderno del disco duro (tapa retirada)

La primera unidad de disco duro de producción de IBM, el almacenamiento en disco 350 , se envió en 1957 como un componente del sistema IBM 305 RAMAC. Tenía aproximadamente el tamaño de dos refrigeradores de tamaño mediano y almacenaba cinco millones de caracteres de seis bits (3,75 megabytes ) [17] en una pila de 52 discos (100 superficies utilizadas). [34] El 350 tenía un solo brazo con dos cabezales de lectura / escritura, uno hacia arriba y el otro hacia abajo, que se movían tanto horizontalmente entre un par de platos adyacentes como verticalmente desde un par de platos a un segundo juego. [35] [36] [37] Las variantes del IBM 350 fueron el IBM 355 , IBM 7300 e IBM 1405 .

En 1961 IBM anunció, y en 1962 envió, la unidad de almacenamiento en disco IBM 1301, [38] que reemplazó a la IBM 350 y unidades similares. El 1301 constaba de uno (para el modelo 1) o dos (para el modelo 2) módulos, cada uno con 25 platos, cada plato de aproximadamente 18 pulgadas (3,2 mm) de grosor y 24 pulgadas (610 mm) de diámetro. [39] Mientras que las unidades de disco IBM anteriores usaban solo dos cabezales de lectura / escritura por brazo, el 1301 usaba una matriz de 48 [e] cabezas (peine), cada matriz se movía horizontalmente como una sola unidad, una cabeza por superficie utilizada. Modo cilindroSe admitieron operaciones de lectura / escritura y los cabezales volaron aproximadamente 250 micropulgadas (aproximadamente 6 µm) por encima de la superficie del plato. El movimiento de la matriz del cabezal dependía de un sistema sumador binario de actuadores hidráulicos que aseguraba un posicionamiento repetible. El gabinete 1301 tenía aproximadamente el tamaño de tres refrigeradores domésticos colocados uno al lado del otro, almacenando el equivalente a aproximadamente 21 millones de bytes de ocho bits por módulo. El tiempo de acceso fue de aproximadamente un cuarto de segundo.

También en 1962, IBM presentó la unidad de disco modelo 1311 , que tenía aproximadamente el tamaño de una lavadora y almacenaba dos millones de caracteres en un paquete de disco extraíble . Los usuarios pueden comprar paquetes adicionales e intercambiarlos según sea necesario, al igual que los carretes de cinta magnética . Los modelos posteriores de unidades de paquete extraíbles, de IBM y otros, se convirtieron en la norma en la mayoría de las instalaciones informáticas y alcanzaron capacidades de 300 megabytes a principios de la década de 1980. Los discos duros no extraíbles se denominaron unidades de "disco fijo".

En 1963 IBM introdujo el 1302, [40] con el doble de capacidad de vías y el doble de vías por cilindro que el 1301. El 1302 tenía uno (para el Modelo 1) o dos (para el Modelo 2) módulos, cada uno con un peine separado para las primeras 250 pistas y las últimas 250 pistas.

Algunos HDD de alto rendimiento se fabricaron con un cabezal por pista, por ejemplo , Burroughs B-475 en 1964, IBM 2305 en 1970, de modo que no se perdió tiempo moviendo físicamente los cabezales a una pista y la única latencia fue el tiempo para el deseado. bloque de datos para rotar a su posición debajo de la cabeza. [41] Conocidas como unidades de disco de cabezal fijo o cabezal por pista, eran muy caras y ya no se fabrican. [42]

En 1973, IBM introdujo un nuevo tipo de disco duro con el nombre en código " Winchester". Su principal característica distintiva fue que las cabezas de los discos no se retiraron por completo de la pila de platos de disco cuando se apagó la unidad. En cambio, se permitió que las cabezas" aterrizaran "en un área especial de la superficie del disco al girar hacia abajo , "despegando" nuevamente cuando el disco se encendió más tarde. Esto redujo en gran medida el costo del mecanismo del actuador del cabezal, pero impidió quitar solo los discos de la unidad como se hizo con los paquetes de discos del día. En cambio, los primeros modelos de las unidades de "tecnología Winchester" incluían un módulo de disco extraíble, que incluía tanto el paquete de discos como el conjunto de la cabeza, dejando el motor del actuador en la unidad al retirarlos. Las unidades "Winchester" posteriores abandonaron el concepto de medios extraíbles y volvieron a los platos no extraíbles .

Al igual que la primera unidad de paquete extraíble, las primeras unidades "Winchester" utilizaron platos de 14 pulgadas (360 mm) de diámetro. Unos años más tarde, los diseñadores estaban explorando la posibilidad de que los platos físicamente más pequeños pudieran ofrecer ventajas. Aparecieron las unidades con platos de ocho pulgadas no extraíbles y luego las unidades que usaban un 5+Factor de forma de 14  pulg. (130 mm)(un ancho de montaje equivalente al utilizado por las unidades de disquete contemporáneas). Estos últimos estaban destinados principalmente al entonces incipiente mercado de las computadoras personales (PC).

Cuando comenzó la década de 1980, los discos duros eran una característica adicional poco común y muy costosa en las PC, pero a finales de la década de 1980 su costo se había reducido al punto en que eran estándar en todas las computadoras excepto en las más baratas.

La mayoría de los discos duros a principios de la década de 1980 se vendieron a usuarios finales de PC como un subsistema complementario externo. El subsistema no se vendió con el nombre del fabricante de la unidad, sino con el nombre del fabricante del subsistema, como Corvus Systems y Tallgrass Technologies , o con el nombre del fabricante del sistema de PC, como Apple ProFile . El IBM PC / XT de 1983 incluía un disco duro interno de 10 MB y, poco después, los discos duros internos proliferaron en las computadoras personales.

Los discos duros externos siguieron siendo populares durante mucho más tiempo en Apple Macintosh . Muchas computadoras Macintosh fabricadas entre 1986 y 1998 tenían un puerto SCSI en la parte posterior, lo que simplificaba la expansión externa. Las computadoras Macintosh compactas más antiguas no tenían bahías de disco duro accesibles para el usuario (de hecho, Macintosh 128K , Macintosh 512K y Macintosh Plus no tenían ninguna bahía de disco duro), por lo que en esos modelos los discos SCSI externos eran la única opción razonable expandiéndose sobre cualquier almacenamiento interno.

Las mejoras de HDD han sido impulsadas por el aumento de la densidad de área , que se enumera en la tabla anterior. Las aplicaciones se expandieron durante la década de 2000, desde las computadoras centrales de finales de la década de 1950 hasta la mayoría de las aplicaciones de almacenamiento masivo , incluidas las computadoras y las aplicaciones de consumo, como el almacenamiento de contenido de entretenimiento.

En las décadas de 2000 y 2010, NAND comenzó a reemplazar a los HDD en aplicaciones que requerían portabilidad o alto rendimiento. El rendimiento de NAND está mejorando más rápido que los HDD y las aplicaciones para HDD se están erosionando. En 2018, el disco duro más grande tenía una capacidad de 15 TB, mientras que el SSD de mayor capacidad tenía una capacidad de 100 TB. [43] A partir de 2018 , se pronosticaba que los discos duros alcanzarían una capacidad de 100 TB alrededor de 2025, [44] pero a partir de 2019 el ritmo de mejora esperado se redujo a 50 TB para 2026. [45] Factores de forma más pequeños, a continuación, se suspendieron alrededor de 2010. El costo del almacenamiento de estado sólido (NAND), representado por la ley de Moore , está mejorando más rápido que los discos duros. NAND tiene una mayor elasticidad precio de la demandaque los discos duros, y esto impulsa el crecimiento del mercado. [46] A finales de los años 2000 y 2010, el ciclo de vida del producto de los discos duros entró en una fase madura, y la desaceleración de las ventas puede indicar el inicio de la fase descendente. [47]

Las inundaciones de Tailandia de 2011 dañaron las plantas de fabricación y afectaron negativamente al costo de las unidades de disco duro entre 2011 y 2013. [48]

En 2019, Western Digital cerró su última fábrica de HDD en Malasia debido a la disminución de la demanda, para centrarse en la producción de SSD. [49] Los tres fabricantes de HDD restantes han tenido una demanda decreciente de sus HDD desde 2014. [50]

Tecnología [ editar ]

Datos binarios codificados de sección transversal magnética y modulación de frecuencia

Grabación magnética [ editar ]

Un disco duro moderno registra datos magnetizando una fina película de material ferromagnético [f] en ambos lados de un disco. Los cambios secuenciales en la dirección de magnetización representan bits de datos binarios . Los datos se leen del disco detectando las transiciones en la magnetización. Los datos del usuario se codifican mediante un esquema de codificación, como la codificación limitada de longitud de ejecución , [g] que determina cómo se representan los datos mediante las transiciones magnéticas.

Un diseño de disco duro típico consta de un eje que sostiene discos circulares planos, llamados platos , que contienen los datos registrados. Los platos están hechos de un material no magnético, generalmente aleación de aluminio, vidrio o cerámica. Están recubiertos con una capa poco profunda de material magnético, típicamente de 10 a 20 nm de profundidad, con una capa exterior de carbono para su protección. [52] [53] [54] Como referencia, una hoja de papel de copia estándar tiene un grosor de 0,07 a 0,18 mm (70 000 a 180 000 nm) [55] .

Disco duro destruido, bandeja de vidrio visible
Diagrama que etiqueta los componentes principales de un disco duro de computadora
Grabación de magnetizaciones individuales de bits en un disco de disco duro de 200 MB (grabación visible mediante CMOS-MagView). [56]
Grabación longitudinal (estándar) y diagrama de grabación perpendicular

Los platos de los discos duros contemporáneos se hacen girar a velocidades que varían desde las 4.200  RPM en dispositivos portátiles de bajo consumo hasta las 15.000 rpm en los servidores de alto rendimiento. [57] Los primeros discos duros giraban a 1.200 rpm [6] y, durante muchos años, la norma era de 3.600 rpm. [58] A partir de noviembre de 2019 , los platos de la mayoría de los HDD para consumidores giran a 5400 o 7200 RPM.

La información se escribe y se lee en un plato a medida que gira junto a dispositivos llamados cabezales de lectura y escritura que están posicionados para operar muy cerca de la superficie magnética, con su altura de vuelo a menudo en el rango de decenas de nanómetros. El cabezal de lectura y escritura se utiliza para detectar y modificar la magnetización del material que pasa inmediatamente debajo de él.

En las unidades modernas, hay un cabezal para cada superficie del plato magnético en el eje, montado en un brazo común. Un brazo actuador (o brazo de acceso) mueve las cabezas en un arco (aproximadamente radialmente) a través de los platos mientras giran, permitiendo que cada cabezal acceda a casi toda la superficie del plato mientras gira. El brazo se mueve mediante un actuador de bobina móvil o, en algunos diseños más antiguos, un motor paso a paso . Las primeras unidades de disco duro escribían datos a algunos bits constantes por segundo, lo que daba como resultado que todas las pistas tuvieran la misma cantidad de datos por pista, pero las unidades modernas (desde la década de 1990) utilizan la grabación de bits de zona , lo que aumenta la velocidad de escritura de la zona interior a la exterior y, por lo tanto, almacena más datos por pista en las zonas exteriores.

En los accionamientos modernos, el pequeño tamaño de las regiones magnéticas crea el peligro de que su estado magnético se pierda debido a efectos térmicos ⁠ ⁠ - inestabilidad magnética inducida térmicamente que se conoce comúnmente como el " límite superparamagnético ". Para contrarrestar esto, los platos se recubren con dos capas magnéticas paralelas, separadas por una capa de tres átomos del elemento no magnético rutenio , y las dos capas se magnetizan en orientación opuesta, reforzándose así entre sí. [59] Otra tecnología utilizada para superar los efectos térmicos y permitir mayores densidades de grabación es la grabación perpendicular , que se envió por primera vez en 2005, [60] ya partir de 2007 se utilizó en ciertos discos duros.[61] [62] [63]

En 2004, se introdujo un medio de grabación de mayor densidad, que consta de capas magnéticas blandas y duras acopladas. La denominada tecnología de almacenamiento magnético de medios de resorte de intercambio , también conocida como medios compuestos acoplados por intercambio , permite una buena capacidad de escritura debido a la naturaleza de ayuda de escritura de la capa blanda. Sin embargo, la estabilidad térmica está determinada solo por la capa más dura y no influenciada por la capa blanda. [64] [65]

Componentes [ editar ]

Un disco duro con los discos y el cubo del motor retirados, que exponen las bobinas del estator de color cobre que rodean un cojinete en el centro del motor del eje. La franja naranja a lo largo del costado del brazo es un cable de circuito impreso delgado, el cojinete del eje está en el centro y el actuador está en la parte superior izquierda.

Un disco duro típico tiene dos motores eléctricos: un motor de husillo que hace girar los discos y un actuador (motor) que coloca el conjunto del cabezal de lectura / escritura a través de los discos giratorios. El motor de disco tiene un rotor externo unido a los discos; los devanados del estator están fijos en su lugar. Frente al actuador en el extremo del brazo de soporte de la cabeza se encuentra el cabezal de lectura y escritura; cables delgados de circuito impreso conectan los cabezales de lectura y escritura a la electrónica del amplificador montada en el pivote del actuador. El reposacabezas es muy ligero, pero también rígido; en las unidades modernas, la aceleración en la cabeza alcanza los 550 g .

Pila de cabezales con una bobina de actuador a la izquierda y cabezales de lectura / escritura a la derecha
Primer plano de un solo cabezal de lectura y escritura , que muestra el lado que mira hacia el plato

La El actuador es un imán permanente y unmotor de bobina móvil que hace girar los cabezales a la posición deseada. Una placa de metal soporta un imán de alto flujo de neodimio-hierro-boro (NIB) encuclillas. Debajo de esta placa está la bobina móvil, a menudo denominada bobina de voz por analogía con la bobina en los altavoces , que está unida al concentrador del actuador, y debajo hay un segundo imán NIB, montado en la placa inferior del motor (algunos las unidades tienen un solo imán).

La bobina móvil en sí tiene la forma de una punta de flecha y está hecha de alambre magnético de cobre doblemente revestido . La capa interna es aislante y la externa es termoplástica, que une la bobina después de enrollarla en una forma, haciéndola autoportante. Las porciones de la bobina a lo largo de los dos lados de la punta de la flecha (que apuntan al centro del cojinete del actuador) interactúan luego con el campo magnético del imán fijo. La corriente que fluye radialmente hacia afuera a lo largo de un lado de la punta de la flecha y radialmente hacia adentro en el otro produce la fuerza tangencial. Si el campo magnético fuera uniforme, cada lado generaría fuerzas opuestas que se cancelarían entre sí. Por lo tanto, la superficie del imán es mitad polo norte y mitad polo sur, con la línea divisoria radial en el medio, lo que hace que los dos lados de la bobina vean campos magnéticos opuestos y produzcan fuerzas que se suman en lugar de cancelar. Las corrientes a lo largo de la parte superior e inferior de la bobina producen fuerzas radiales que no hacen girar la cabeza.

La electrónica del HDD controla el movimiento del actuador y la rotación del disco y realiza lecturas y escrituras a pedido desde el controlador de disco . La retroalimentación de la electrónica del variador se logra mediante segmentos especiales del disco dedicados a la retroalimentación del servo . Estos son círculos concéntricos completos (en el caso de la tecnología servo dedicada) o segmentos intercalados con datos reales (en el caso de la tecnología servo integrada). La retroalimentación del servo optimiza la relación señal-ruido de los sensores GMR ajustando la bobina móvil del brazo accionado. El giro del disco también utiliza un servomotor. El firmware de disco moderno es capaz de programar lecturas y escrituras de manera eficiente en las superficies del plato y reasignar sectores de los medios que han fallado.

Tasas de error y manejo [ editar ]

Las unidades modernas hacen un uso extensivo de los códigos de corrección de errores (ECC), particularmente la corrección de errores Reed-Solomon . Estas técnicas almacenan bits adicionales, determinados por fórmulas matemáticas, para cada bloque de datos; los bits adicionales permiten corregir muchos errores de forma invisible. Los bits adicionales ocupan espacio en el disco duro, pero permiten emplear densidades de grabación más altas sin causar errores incorregibles, lo que da como resultado una capacidad de almacenamiento mucho mayor. [66] Por ejemplo, un disco duro típico de 1  TB con sectores de 512 bytes proporciona una capacidad adicional de aproximadamente 93  GB para los datos ECC . [67]

En las unidades más recientes, a partir de 2009 , [68] códigos de verificación de paridad de baja densidad (LDPC) estaban reemplazando a Reed-Solomon; Los códigos LDPC permiten un rendimiento cercano al límite de Shannon y, por lo tanto, proporcionan la mayor densidad de almacenamiento disponible. [68] [69]

Las unidades de disco duro típicas intentan "reasignar" los datos en un sector físico que está fallando a un sector físico de repuesto proporcionado por el "grupo de sectores de repuesto" de la unidad (también llamado "grupo de reserva"), [70] mientras confían en el ECC para recuperar datos almacenados mientras el número de errores en un sector defectuoso aún sea lo suficientemente bajo. La función SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) cuenta el número total de errores en todo el HDD corregido por ECC (aunque no en todos los discos duros, ya que los atributos SMART relacionados "Hardware ECC recuperado" y "Soft ECC Correction" son no se admite de forma constante) y el número total de reasignaciones de sectores realizadas, ya que la aparición de muchos de estos errores puede predecir una falla en el disco duro .

El "Formato sin identificación", desarrollado por IBM a mediados de la década de 1990, contiene información sobre qué sectores son malos y dónde se han ubicado los sectores reasignados. [71]

Solo una pequeña fracción de los errores detectados terminan como no corregibles. Algunos ejemplos de tasas de error de lectura de bits no corregidas especificadas incluyen:

  • Las especificaciones de 2013 para unidades de disco SAS empresariales establecen que la tasa de error es un error de lectura de un bit no corregido por cada 10 16 bits leídos, [72] [73]
  • Las especificaciones de 2018 para discos duros SATA de consumo establecen que la tasa de error es un error de lectura de un bit no corregido por cada 10 14 bits. [74] [75]

Dentro de un modelo de fabricante dado, la tasa de errores de bits no corregidos suele ser la misma independientemente de la capacidad de la unidad. [72] [73] [74] [75]

El peor tipo de errores son las corrupciones silenciosas de datos que son errores no detectados por el firmware del disco o el sistema operativo del host; Algunos de estos errores pueden deberse a un mal funcionamiento de la unidad de disco duro, mientras que otros se originan en otra parte de la conexión entre la unidad y el host. [76]

Desarrollo [ editar ]

Densidades de área de unidades de disco duro de vanguardia desde 1956 hasta 2009 en comparación con la ley de Moore. Para 2016, el progreso se había desacelerado significativamente por debajo de la tendencia de densidad extrapolada. [77]

La tasa de avance de la densidad del área fue similar a la ley de Moore (se duplicó cada dos años) hasta 2010: 60% por año durante 1988-1996, 100% durante 1996-2003 y 30% durante 2003-2010. [78] Hablando en 1997, Gordon Moore llamó al aumento "asombroso", [79] mientras observaba más tarde que el crecimiento no puede continuar para siempre. [80] La mejora de los precios se desaceleró al -12% anual durante 2010-2017, [81] a medida que se desaceleraba el crecimiento de la densidad de áreas. La tasa de avance de la densidad de área se redujo al 10% anual durante 2010-2016, [82] y hubo dificultades para migrar de la grabación perpendicular a tecnologías más nuevas. [83]

A medida que disminuye el tamaño de la celda de bits, se pueden colocar más datos en un solo disco de disco. En 2013, un disco duro de producción de escritorio de 3 TB (con cuatro platos) habría tenido una densidad de área de aproximadamente 500 Gbit / en 2, lo que habría equivalido a una celda de bits que comprende aproximadamente 18 granos magnéticos (11 por 1,6 granos). [84] Desde mediados de la década de 2000, el progreso de la densidad de área ha sido desafiado por un trilema superparamagnético que involucra el tamaño del grano, la fuerza magnética del grano y la capacidad de la cabeza para escribir. [85] Para mantener una señal a ruido aceptable, se requieren granos más pequeños; los granos más pequeños pueden revertirse automáticamente ( inestabilidad electrotérmica) a menos que su fuerza magnética aumente, pero los materiales de cabeza de escritura conocidos no pueden generar un campo magnético lo suficientemente fuerte como para escribir el medio en el espacio cada vez más pequeño que ocupan los granos.

Se están desarrollando tecnologías de almacenamiento magnético para abordar este trilema y competir con las unidades de estado sólido (SSD) basadas en memoria flash . En 2013, Seagate introdujo la grabación magnética con tejas (SMR), [86] concebida como una especie de tecnología "provisional" entre PMR y la grabación magnética asistida por calor (HAMR) sucesora prevista de Seagate , SMR utiliza pistas superpuestas para aumentar la densidad de datos, en el costo de la complejidad del diseño y velocidades de acceso de datos más bajas (particularmente velocidades de escritura y velocidades de acceso aleatorio 4k) [87] [88] Por el contrario, Western Digital se centró en desarrollar formas de sellarAccionamientos llenos de helio en lugar del aire filtrado habitual. Esto reduce la turbulencia y la fricción , y coloca más platos en el mismo espacio del recinto, aunque el gas helio es notoriamente difícil de evitar que se escape.

Otras tecnologías de grabación están en desarrollo a partir de 2019 , incluida la grabación magnética asistida por calor (HAMR) de Seagate . HAMR requiere una arquitectura diferente con medios rediseñados y cabezales de lectura / escritura, nuevos láseres y nuevos transductores ópticos de campo cercano. [89] Se espera que HAMR se envíe comercialmente a finales de 2020 o 2021. [90] [91] Las cuestiones técnicas retrasaron la introducción de HAMR en una década, con respecto a proyecciones anteriores de 2009, [92] 2015, [93] 2016, [94 ] y el primer semestre de 2019. Algunas unidades han adoptado brazos de accionamiento independientes duales para aumentar las velocidades de lectura / escritura y competir con las SSD. [95] sucesor previsto de HAMR,grabación con patrón de bits (BPR), [96] se ha eliminado de las hojas de ruta de Western Digital y Seagate. [97] Se espera que la grabación magnética asistida por microondas de Western Digital (MAMR), [98] [99] se envíe comercialmente en 2021, con muestreo en 2020. [100] Grabación magnética bidimensional (TDMR) [84] [101 ] y cabezas de magnetorresistencia gigante "corriente perpendicular al plano" (CPP / GMR) han aparecido en trabajos de investigación. [102] [103] [104] Se ha propuesto un concepto de accionamiento por vacío accionado por 3D (3DHD). [105]

La tasa de crecimiento de la densidad de área ha caído por debajo de la tasa histórica de la ley de Moore del 40% anual. [77] Dependiendo de los supuestos sobre la viabilidad y el calendario de estas tecnologías, Seagate pronostica que la densidad de área crecerá un 20% por año durante 2020-2034. [45]

Capacidad [ editar ]

Dos unidades Seagate Barracuda , de 2003 y 2009, respectivamente de 160 GB y 1 TB. A partir de 2020, Seagate ofrece capacidades de hasta 16 TB.

Los HDD de escritorio de mayor capacidad tenían 18 TB a mediados de 2020. [106]

La capacidad de una unidad de disco duro, según lo informado por un sistema operativo al usuario final, es menor que la cantidad indicada por el fabricante por varias razones: el sistema operativo usa algo de espacio, el uso de algo de espacio para la redundancia de datos y el uso del espacio para las estructuras del sistema de archivos. Además, la diferencia en la capacidad informada en unidades SI con prefijos decimales frente a prefijos binarios puede llevar a una falsa impresión de capacidad faltante.

Cálculo [ editar ]

Las unidades de disco duro modernas aparecen ante su controlador de host como un conjunto contiguo de bloques lógicos, y la capacidad bruta de la unidad se calcula multiplicando el número de bloques por el tamaño del bloque. Esta información está disponible en la especificación del producto del fabricante y en la propia unidad mediante el uso de funciones del sistema operativo que invocan comandos de la unidad de bajo nivel. [107] [108]

Algunas unidades más antiguas, por ejemplo, IBM 1301 , CKD , tienen registros de longitud variable y el cálculo de la capacidad debe tener en cuenta las características de los registros. Algunos DASD más nuevos simulan CKD y se aplican las mismas fórmulas de capacidad.

La capacidad bruta de los discos duros orientados a sectores más antiguos se calcula como el producto de la cantidad de cilindros por zona de grabación, la cantidad de bytes por sector (más comúnmente 512) y el recuento de zonas de la unidad. [ cita requerida ] Algunas unidades SATA modernas también informan capacidades de sector de cabeza de cilindro (CHS), pero estos no son parámetros físicos porque los valores informados están limitados por interfaces históricas del sistema operativo. El esquema C / H / S ha sido reemplazado por el direccionamiento de bloques lógicos (LBA), un esquema de direccionamiento lineal simple que ubica los bloques por un índice entero, que comienza en LBA 0 para el primer bloque y se incrementa a partir de entonces. [109]Cuando se utiliza el método C / H / S para describir las unidades grandes modernas, la cantidad de cabezales se establece a menudo en 64, aunque una unidad de disco duro típica, a partir de 2013 , tiene entre uno y cuatro platos.

En los discos duros modernos, la capacidad de reserva para la gestión de defectos no se incluye en la capacidad publicada; sin embargo, en muchas de las primeras unidades de disco duro se reservaba un cierto número de sectores como repuestos, lo que reducía la capacidad disponible para el sistema operativo.

Para los subsistemas RAID , la integridad de los datos y los requisitos de tolerancia a fallas también reducen la capacidad obtenida. Por ejemplo, una matriz RAID 1 tiene aproximadamente la mitad de la capacidad total como resultado de la duplicación de datos, mientras que una matriz RAID 5 con n unidades pierde 1 / n de capacidad (lo que equivale a la capacidad de una sola unidad) debido al almacenamiento de información de paridad. . Los subsistemas RAID son varias unidades que parecen ser una o más unidades para el usuario, pero proporcionan tolerancia a fallas. La mayoría de los proveedores de RAID utilizan sumas de comprobación para mejorar la integridad de los datos a nivel de bloque. Algunos proveedores diseñan sistemas que utilizan HDD con sectores de 520 bytes para contener 512 bytes de datos de usuario y ocho bytes de suma de comprobación, o mediante el uso de sectores separados de 512 bytes para los datos de suma de comprobación. [110]

Algunos sistemas pueden usar particiones ocultas para la recuperación del sistema, lo que reduce la capacidad disponible para el usuario final.

Formateando [ editar ]

Los datos se almacenan en un disco duro en una serie de bloques lógicos. Cada bloque está delimitado por marcadores que identifican su inicio y final, detección de errores y corrección de información, y espacio entre bloques para permitir variaciones de tiempo menores. Estos bloques a menudo contenían 512 bytes de datos utilizables, pero se han utilizado otros tamaños. A medida que aumentó la densidad de la unidad, una iniciativa conocida como Formato avanzado extendió el tamaño del bloque a 4096 bytes de datos utilizables, con una reducción significativa resultante en la cantidad de espacio en disco utilizado para encabezados de bloque, datos de verificación de errores y espaciado.

El proceso de inicialización de estos bloques lógicos en los platos del disco físico se denomina formateo de bajo nivel , que generalmente se realiza en la fábrica y normalmente no se cambia en el campo. [111] El formateo de alto nivel escribe estructuras de datos utilizadas por el sistema operativo para organizar los archivos de datos en el disco. Esto incluye escribir estructuras de sistema de archivos y particiones en bloques lógicos seleccionados. Por ejemplo, parte del espacio del disco se utilizará para contener un directorio de nombres de archivos de disco y una lista de bloques lógicos asociados con un archivo en particular.

Los ejemplos de esquema de asignación de particiones incluyen el registro de inicio maestro (MBR) y la tabla de particiones GUID (GPT). Ejemplos de estructuras de datos almacenadas en el disco para recuperar archivos incluyen la tabla de asignación de archivos (FAT) en el sistema de archivos DOS e inodos en muchos sistemas de archivos UNIX , así como otras estructuras de datos del sistema operativo (también conocidas como metadatos ). Como consecuencia, no todo el espacio de un disco duro está disponible para archivos de usuario, pero esta sobrecarga del sistema suele ser pequeña en comparación con los datos del usuario.

Unidades [ editar ]

En los primeros días de la informática, la capacidad total de los discos duros se especificaba en 7 a 9 dígitos decimales, frecuentemente truncados con el idioma millones . [114] [40] En la década de 1970, los fabricantes proporcionaban la capacidad total de los discos duros mediante prefijos decimales del SI , como megabytes (1 MB = 1.000.000 de bytes), gigabytes (1 GB = 1.000.000.000 de bytes) y terabytes (1 TB = 1.000.000.000.000 de bytes. ). [112] [115] [116] [117] Sin embargo, las capacidades de memoria se suelen citar utilizando una interpretación binaria de los prefijos, es decir, utilizando potencias de 1024 en lugar de 1000.

El software informa la unidad de disco duro o la capacidad de la memoria en diferentes formas utilizando prefijos decimales o binarios. La familia de sistemas operativos Microsoft Windows utiliza la convención binaria al informar sobre la capacidad de almacenamiento, por lo que un disco duro ofrecido por su fabricante como una unidad de 1 TB es informado por estos sistemas operativos como un disco duro de 931 GB. Mac OS X 10.6 (" Snow Leopard ") utiliza una convención decimal al informar sobre la capacidad del disco duro. [118] El comportamiento predeterminado de la utilidad de línea de comandos df en Linux es informar la capacidad del disco duro como un número de unidades de 1024 bytes. [119]

La diferencia entre la interpretación del prefijo decimal y binario causó cierta confusión entre los consumidores y dio lugar a demandas colectivas contra los fabricantes de discos duros . Los demandantes argumentaron que el uso de prefijos decimales engañó efectivamente a los consumidores, mientras que los demandados negaron cualquier irregularidad o responsabilidad, afirmando que su marketing y publicidad cumplían en todos los aspectos con la ley y que ningún miembro de la clase sufrió daños o lesiones. [120] [121] [122]

Evolución de precios [ editar ]

El precio de HDD por byte mejoró a una tasa de −40% anual durante 1988-1996, −51% anual durante 1996-2003 y −34% anual durante 2003-2010. [27] [78] La mejora de los precios se desaceleró hasta el -13% anual durante 2011-2014, ya que el aumento de la densidad de superficie se ralentizó y las inundaciones de Tailandia de 2011 dañaron las instalaciones de fabricación [83] y se mantuvieron en un -11% anual durante 2010-2017 . [123]

La Junta de la Reserva Federal ha publicado un índice de precios ajustado por calidad para sistemas de almacenamiento empresarial a gran escala que incluyen tres o más HDD empresariales y controladores, racks y cables asociados. Los precios de estos sistemas de almacenamiento a gran escala mejoraron a una tasa de ~ 30% anual durante 2004-2009 y ~ 22% anual durante 2009-2014. [78]

Factores de forma [ editar ]

Discos duros de 8, 5,25, 3,5, 2,5, 1,8 y 1 pulgada, junto con una regla para mostrar el tamaño de los platos y los cabezales de lectura y escritura
Un disco duro de 6495 MB de 2,5 pulgadas (63,5 mm) más nuevo en comparación con un disco duro de 110 MB de altura completa de 5,25 pulgadas más antiguo

La primera unidad de disco duro de IBM , la IBM 350 , utilizaba una pila de cincuenta platos de 24 pulgadas, almacenaba 3,75 MB de datos (aproximadamente el tamaño de una imagen digital moderna) y tenía un tamaño comparable al de dos refrigeradores grandes. En 1962, IBM presentó su disco modelo 1311 , que usaba seis platos de 14 pulgadas (tamaño nominal) en un paquete extraíble y era aproximadamente del tamaño de una lavadora. Este se convirtió en un tamaño de plato estándar durante muchos años, utilizado también por otros fabricantes. [124] El IBM 2314usó platos del mismo tamaño en un paquete de once alturas e introdujo el diseño de "unidad en un cajón". a veces llamado el "horno de pizza", aunque el "cajón" no era la unidad completa. En la década de 1970, los discos duros se ofrecían en gabinetes independientes de diferentes dimensiones que contenían de uno a cuatro discos duros.

A partir de finales de la década de 1960, se ofrecieron unidades que encajaban completamente en un chasis que se montaba en un bastidor de 19 pulgadas . Los modelos RK05 y RL01 de Digital fueron los primeros ejemplos en los que se utilizaron platos individuales de 14 pulgadas en paquetes extraíbles, y todo el disco encajaba en un espacio de rack de 10,5 pulgadas de alto (seis unidades de rack). A mediados y finales de la década de 1980, el Fujitsu Eagle de tamaño similar , que usaba (casualmente) platos de 10,5 pulgadas, era un producto popular.

Con el aumento de las ventas de microcomputadoras que incorporan unidades de disquete (FDD) , las unidades de disco duro que encajarían en los soportes de FDD se volvieron deseables. Comenzando con Shugart Associates SA1000 , los factores de forma de HDD inicialmente siguieron a los de las unidades de disquete de 8 pulgadas, 5½ pulgadas y 3½ pulgadas. Aunque se refieren a estos tamaños nominales, los tamaños reales de esas tres unidades son respectivamente de 9,5 ", 5,75" y 4 "de ancho. Debido a que no había unidades de disquete más pequeñas, factores de forma de HDD más pequeños, como unidades de 2½ pulgadas (en realidad, 2,75" de ancho) desarrollado a partir de ofertas de productos o estándares de la industria.

A partir de 2019 , los discos duros de 2½ pulgadas y 3½ pulgadas son los tamaños más populares. Para 2009, todos los fabricantes habían interrumpido el desarrollo de nuevos productos para los factores de forma de 1,3 pulgadas, 1 pulgada y 0,85 pulgadas debido a la caída de los precios de la memoria flash , [125] [126] que no tiene partes móviles. Mientras que los tamaños nominales están en pulgadas, las dimensiones reales se especifican en milímetros.

Características de rendimiento [ editar ]

Los factores que limitan el tiempo para acceder a los datos en un disco duro están relacionados principalmente con la naturaleza mecánica de los discos giratorios y los cabezales móviles, que incluyen:

  • El tiempo de búsqueda es una medida de cuánto tarda el conjunto del cabezal en viajar hasta la pista del disco que contiene los datos.
  • Se incurre en latencia de rotación porque el sector de disco deseado puede no estar directamente debajo de la cabeza cuando se solicita la transferencia de datos. La latencia de rotación promedio se muestra en la tabla, basada en la relación estadística de que la latencia promedio es la mitad del período de rotación.
  • La tasa de bits o la tasa de transferencia de datos (una vez que el cabezal está en la posición correcta) crea un retraso que es una función del número de bloques transferidos; normalmente relativamente pequeño, pero puede ser bastante largo con la transferencia de archivos contiguos de gran tamaño.

También puede producirse un retraso si los discos de la unidad se detienen para ahorrar energía.

La desfragmentación es un procedimiento que se utiliza para minimizar la demora en la recuperación de datos moviendo elementos relacionados a áreas físicamente próximas en el disco. [127] Algunos sistemas operativos de computadora realizan la desfragmentación automáticamente. Aunque la desfragmentación automática tiene como objetivo reducir los retrasos en el acceso, el rendimiento se reducirá temporalmente mientras el procedimiento está en curso. [128]

Time to access data can be improved by increasing rotational speed (thus reducing latency) or by reducing the time spent seeking. Increasing areal density increases throughput by increasing data rate and by increasing the amount of data under a set of heads, thereby potentially reducing seek activity for a given amount of data. The time to access data has not kept up with throughput increases, which themselves have not kept up with growth in bit density and storage capacity.

Latency[edit]

Data transfer rate[edit]

As of 2010, a typical 7,200-rpm desktop HDD has a sustained "disk-to-buffer" data transfer rate up to 1,030 Mbit/s.[129] This rate depends on the track location; the rate is higher for data on the outer tracks (where there are more data sectors per rotation) and lower toward the inner tracks (where there are fewer data sectors per rotation); and is generally somewhat higher for 10,000-rpm drives. A current widely used standard for the "buffer-to-computer" interface is 3.0 Gbit/s SATA, which can send about 300 megabyte/s (10-bit encoding) from the buffer to the computer, and thus is still comfortably ahead of today's disk-to-buffer transfer rates. Data transfer rate (read/write) can be measured by writing a large file to disk using special file generator tools, then reading back the file. Transfer rate can be influenced by file system fragmentation and the layout of the files.[127]

HDD data transfer rate depends upon the rotational speed of the platters and the data recording density. Because heat and vibration limit rotational speed, advancing density becomes the main method to improve sequential transfer rates. Higher speeds require a more powerful spindle motor, which creates more heat. While areal density advances by increasing both the number of tracks across the disk and the number of sectors per track,[130] only the latter increases the data transfer rate for a given rpm. Since data transfer rate performance tracks only one of the two components of areal density, its performance improves at a lower rate.[131]

Other considerations[edit]

Other performance considerations include quality-adjusted price, power consumption, audible noise, and both operating and non-operating shock resistance.

Access and interfaces[edit]

Inner view of a 1998 Seagate HDD that used the Parallel ATA interface
2.5-inch SATA drive on top of 3.5-inch SATA drive, showing close-up of (7-pin) data and (15-pin) power connectors

Current hard drives connect to a computer over one of several bus types, including parallel ATA, Serial ATA, SCSI, Serial Attached SCSI (SAS), and Fibre Channel. Some drives, especially external portable drives, use IEEE 1394, or USB. All of these interfaces are digital; electronics on the drive process the analog signals from the read/write heads. Current drives present a consistent interface to the rest of the computer, independent of the data encoding scheme used internally, and independent of the physical number of disks and heads within the drive.

Typically a DSP in the electronics inside the drive takes the raw analog voltages from the read head and uses PRML and Reed–Solomon error correction[132] to decode the data, then sends that data out the standard interface. That DSP also watches the error rate detected by error detection and correction, and performs bad sector remapping, data collection for Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology, and other internal tasks.

Modern interfaces connect the drive to the host interface with a single data/control cable. Each drive also has an additional power cable, usually direct to the power supply unit. Older interfaces had separate cables for data signals and for drive control signals.

  • Small Computer System Interface (SCSI), originally named SASI for Shugart Associates System Interface, was standard on servers, workstations, Commodore Amiga, Atari ST and Apple Macintosh computers through the mid-1990s, by which time most models had been transitioned to newer interfaces. The length limit of the data cable allows for external SCSI devices.
  • Integrated Drive Electronics (IDE), later standardized under the name AT Attachment (ATA, with the alias PATA (Parallel ATA) retroactively added upon introduction of SATA) moved the HDD controller from the interface card to the disk drive. This helped to standardize the host/controller interface, reduce the programming complexity in the host device driver, and reduced system cost and complexity. The 40-pin IDE/ATA connection transfers 16 bits of data at a time on the data cable. The data cable was originally 40-conductor, but later higher speed requirements led to an "ultra DMA" (UDMA) mode using an 80-conductor cable with additional wires to reduce crosstalk at high speed.
  • EIDE was an unofficial update (by Western Digital) to the original IDE standard, with the key improvement being the use of direct memory access (DMA) to transfer data between the disk and the computer without the involvement of the CPU, an improvement later adopted by the official ATA standards. By directly transferring data between memory and disk, DMA eliminates the need for the CPU to copy byte per byte, therefore allowing it to process other tasks while the data transfer occurs.
  • Fibre Channel (FC) is a successor to parallel SCSI interface on enterprise market. It is a serial protocol. In disk drives usually the Fibre Channel Arbitrated Loop (FC-AL) connection topology is used. FC has much broader usage than mere disk interfaces, and it is the cornerstone of storage area networks (SANs). Recently other protocols for this field, like iSCSI and ATA over Ethernet have been developed as well. Confusingly, drives usually use copper twisted-pair cables for Fibre Channel, not fibre optics. The latter are traditionally reserved for larger devices, such as servers or disk array controllers.
  • Serial Attached SCSI (SAS). The SAS is a new generation serial communication protocol for devices designed to allow for much higher speed data transfers and is compatible with SATA. SAS uses a mechanically compatible data and power connector to standard 3.5-inch SATA1/SATA2 HDDs, and many server-oriented SAS RAID controllers are also capable of addressing SATA HDDs. SAS uses serial communication instead of the parallel method found in traditional SCSI devices but still uses SCSI commands.
  • Serial ATA (SATA). The SATA data cable has one data pair for differential transmission of data to the device, and one pair for differential receiving from the device, just like EIA-422. That requires that data be transmitted serially. A similar differential signaling system is used in RS485, LocalTalk, USB, FireWire, and differential SCSI. SATA I to III are designed to be compatible with, and use, a subset of SAS commands, and compatible interfaces. Therefore, a SATA hard drive can be connected to and controlled by a SAS hard drive controller (with some minor exceptions such as drives/controllers with limited compatibility). However they cannot be connected the other way round—a SATA controller cannot be connected to a SAS drive.

Integrity and failure[edit]

Close-up of an HDD head resting on a disk platter; its mirror reflection is visible on the platter surface.

Due to the extremely close spacing between the heads and the disk surface, HDDs are vulnerable to being damaged by a head crash – a failure of the disk in which the head scrapes across the platter surface, often grinding away the thin magnetic film and causing data loss. Head crashes can be caused by electronic failure, a sudden power failure, physical shock, contamination of the drive's internal enclosure, wear and tear, corrosion, or poorly manufactured platters and heads.

The HDD's spindle system relies on air density inside the disk enclosure to support the heads at their proper flying height while the disk rotates. HDDs require a certain range of air densities to operate properly. The connection to the external environment and density occurs through a small hole in the enclosure (about 0.5 mm in breadth), usually with a filter on the inside (the breather filter).[133] If the air density is too low, then there is not enough lift for the flying head, so the head gets too close to the disk, and there is a risk of head crashes and data loss. Specially manufactured sealed and pressurized disks are needed for reliable high-altitude operation, above about 3,000 m (9,800 ft).[134] Modern disks include temperature sensors and adjust their operation to the operating environment. Breather holes can be seen on all disk drives – they usually have a sticker next to them, warning the user not to cover the holes. The air inside the operating drive is constantly moving too, being swept in motion by friction with the spinning platters. This air passes through an internal recirculation (or "recirc") filter to remove any leftover contaminants from manufacture, any particles or chemicals that may have somehow entered the enclosure, and any particles or outgassing generated internally in normal operation. Very high humidity present for extended periods of time can corrode the heads and platters. An exception to this are hermetically sealed, helium filled HDDs that largely eliminate environmental issues that can arise due to humidity or atmospheric pressure changes. Such HDDs were introduced by HGST in their first successful high volume implementation in 2013.

For giant magnetoresistive (GMR) heads in particular, a minor head crash from contamination (that does not remove the magnetic surface of the disk) still results in the head temporarily overheating, due to friction with the disk surface, and can render the data unreadable for a short period until the head temperature stabilizes (so called "thermal asperity", a problem which can partially be dealt with by proper electronic filtering of the read signal).

When the logic board of a hard disk fails, the drive can often be restored to functioning order and the data recovered by replacing the circuit board with one of an identical hard disk. In the case of read-write head faults, they can be replaced using specialized tools in a dust-free environment. If the disk platters are undamaged, they can be transferred into an identical enclosure and the data can be copied or cloned onto a new drive. In the event of disk-platter failures, disassembly and imaging of the disk platters may be required.[135] For logical damage to file systems, a variety of tools, including fsck on UNIX-like systems and CHKDSK on Windows, can be used for data recovery. Recovery from logical damage can require file carving.

A common expectation is that hard disk drives designed and marketed for server use will fail less frequently than consumer-grade drives usually used in desktop computers. However, two independent studies by Carnegie Mellon University[136] and Google[137] found that the "grade" of a drive does not relate to the drive's failure rate.

A 2011 summary of research, into SSD and magnetic disk failure patterns by Tom's Hardware summarized research findings as follows:[138]

  • Mean time between failures (MTBF) does not indicate reliability; the annualized failure rate is higher and usually more relevant.
  • As of 2019, a storage provider reported an annualized failure rate of two percent per year for a storage farm with 110,000 off-the-shelf HDDs. The reliability varies between models and manufacturers.[139]
  • Magnetic disks do not tend to fail during early use, and temperature has only a minor effect; instead, failure rates steadily increase with age.
  • S.M.A.R.T. warns of mechanical issues but not other issues affecting reliability, and is therefore not a reliable indicator of condition.[140]
  • Failure rates of drives sold as "enterprise" and "consumer" are "very much similar", although these drive types are customized for their different operating environments.[141][142]
  • In drive arrays, one drive's failure significantly increases the short-term risk of a second drive failing.

To minimize cost and overcome failures of individual HDDs, storage systems providers rely on redundant HDD arrays. HDDs that fail are replaced on an ongoing basis.[139][92]

Market segments[edit]

Desktop HDDs
They typically store between 60 GB and 8 TB and rotate at 5,400 to 10,000 rpm, and have a media transfer rate of 0.5 Gbit/s or higher (1 GB = 109 bytes; 1 Gbit/s = 109 bit/s). Earlier (1980-1990s) drives tend to be slower in rotation speed. As of May 2019, the highest-capacity desktop HDDs stored 16 TB,[143][144] with plans to release 18 TB drives later in 2019.[145] 18 TB HDDs were released in 2020. As of 2016, the typical speed of a hard drive in an average desktop computer is 7200 RPM, whereas low-cost desktop computers may use 5900 RPM or 5400 RPM drives. For some time in the 2000s and early 2010s some desktop users and data centers also used 10k RPM drives such as Western Digital Raptor but such drives have become much rarer as of 2016 and are not commonly used now, having been replaced by NAND flash-based SSDs.
Mobile (laptop) HDDs
Two enterprise-grade SATA 2.5-inch 10,000 rpm HDDs, factory-mounted in 3.5-inch adapter frames
Smaller than their desktop and enterprise counterparts, they tend to be slower and have lower capacity. Mobile HDDs spin at 4,200 rpm, 5,200 rpm, 5,400 rpm, or 7,200 rpm, with 5,400 rpm being the most common. 7,200 rpm drives tend to be more expensive and have smaller capacities, while 4,200 rpm models usually have very high storage capacities. Because of smaller platter(s), mobile HDDs generally have lower capacity than their desktop counterparts.
There are also 2.5-inch drives spinning at 10,000 rpm, which belong to the enterprise segment with no intention to be used in laptops.
Enterprise HDDs
Typically used with multiple-user computers running enterprise software. Examples are: transaction processing databases, internet infrastructure (email, webserver, e-commerce), scientific computing software, and nearline storage management software. Enterprise drives commonly operate continuously ("24/7") in demanding environments while delivering the highest possible performance without sacrificing reliability. Maximum capacity is not the primary goal, and as a result the drives are often offered in capacities that are relatively low in relation to their cost.[146]
The fastest enterprise HDDs spin at 10,000 or 15,000 rpm, and can achieve sequential media transfer speeds above 1.6 Gbit/s[147] and a sustained transfer rate up to 1 Gbit/s.[147] Drives running at 10,000 or 15,000 rpm use smaller platters to mitigate increased power requirements (as they have less air drag) and therefore generally have lower capacity than the highest capacity desktop drives. Enterprise HDDs are commonly connected through Serial Attached SCSI (SAS) or Fibre Channel (FC). Some support multiple ports, so they can be connected to a redundant host bus adapter.
Enterprise HDDs can have sector sizes larger than 512 bytes (often 520, 524, 528 or 536 bytes). The additional per-sector space can be used by hardware RAID controllers or applications for storing Data Integrity Field (DIF) or Data Integrity Extensions (DIX) data, resulting in higher reliability and prevention of silent data corruption.[148]
Consumer electronics HDDs
They include drives embedded into digital video recorders and automotive vehicles. The former are configured to provide a guaranteed streaming capacity, even in the face of read and write errors, while the latter are built to resist larger amounts of shock. They usually spin at a speed of 5400 RPM.

Manufacturers and sales[edit]

Diagram of HDD manufacturer consolidation

More than 200 companies have manufactured HDDs over time, but consolidations have concentrated production to just three manufacturers today: Western Digital, Seagate, and Toshiba. Production is mainly in the Pacific rim.

Worldwide revenue for disk storage declined eight percent per year, from a peak of $38 billion in 2012 to $22 billion (estimated) in 2019.[45] Production of HDD storage grew 15% per year during 2011–2017, from 335 to 780 exabytes per year.[149] HDD shipments declined seven percent per year during this time period, from 620 to 406 million units.[149][82] HDD shipments were projected to drop by 18% during 2018–2019, from 375 million to 309 million units.[150] In 2018, Seagate has 40% of unit shipments, Western Digital has 37% of unit shipments, while Toshiba has 23% of unit shipments.[151] The average sales price for the two largest manufacturers was $60 per unit in 2015.[152]

Competition from SSDs[edit]

HDDs are being superseded by solid-state drives (SSDs) in markets where their higher speed (up to 4950 megabytes) (4.95 gigabytes) per second for M.2 (NGFF) NVMe SSDs,[153] or 2500 megabytes (2.5 gigabytes) per second for PCIe expansion card drives[154]), ruggedness, and lower power are more important than price, since the bit cost of SSDs is four to nine times higher than HDDs.[16][15] As of 2016, HDDs are reported to have a failure rate of 2–9% per year, while SSDs have fewer failures: 1–3% per year.[155] However, SSDs have more un-correctable data errors than HDDs.[155]

SSDs offer larger capacities (up to 100 TB[43]) than the largest HDD and/or higher storage densities (100 TB and 30 TB SSDs are housed in 2.5 inch HDD cases but with the same height as a 3.5-inch HDD[156][157][158][159][160]), although their cost remains prohibitive.

A laboratory demonstration of a 1.33-Tb 3D NAND chip with 96 layers (NAND commonly used in solid state drives (SSDs)) had 5.5 Tbit/in2 as of 2019,[161] while the maximum areal density for HDDs is 1.5 Tbit/in2. The areal density of flash memory is doubling every two years, similar to Moore's law (40% per year) and faster than the 10–20% per year for HDDs. As of 2018, the maximum capacity was 16 terabytes for an HDD,[162] and 100 terabytes for an SSD.[30] HDDs were used in 70% of the desktop and notebook computers produced in 2016, and SSDs were used in 30%. The usage share of HDDs is declining and could drop below 50% in 2018–2019 according to one forecast, because SSDs are replacing smaller-capacity (less than one-terabyte) HDDs in desktop and notebook computers and MP3 players.[163]

The market for silicon-based flash memory (NAND) chips, used in SSDs and other applications, is growing faster than for HDDs. Worldwide NAND revenue grew 16% per year from $22 billion to $57 billion during 2011–2017, while production grew 45% per year from 19 exabytes to 175 exabytes.[149]

External hard disk drives[edit]

Two 2.5" external USB hard drives

External hard disk drives typically connect via USB; variants using USB 2.0 interface generally have slower data transfer rates when compared to internally mounted hard drives connected through SATA. Plug and play drive functionality offers system compatibility and features large storage options and portable design. As of March 2015, available capacities for external hard disk drives ranged from 500 GB to 10 TB.[164]

External hard disk drives are usually available as assembled integrated products but may be also assembled by combining an external enclosure (with USB or other interface) with a separately purchased drive. They are available in 2.5-inch and 3.5-inch sizes; 2.5-inch variants are typically called portable external drives, while 3.5-inch variants are referred to as desktop external drives. "Portable" drives are packaged in smaller and lighter enclosures than the "desktop" drives; additionally, "portable" drives use power provided by the USB connection, while "desktop" drives require external power bricks.

Features such as encryption, Wi-Fi connectivity,[165] biometric security or multiple interfaces (for example, FireWire) are available at a higher cost.[166] There are pre-assembled external hard disk drives that, when taken out from their enclosures, cannot be used internally in a laptop or desktop computer due to embedded USB interface on their printed circuit boards, and lack of SATA (or Parallel ATA) interfaces.[167][168]

  • In GUIs, storage drives are commonly symbolized with a hard disk drive icon

See also[edit]

  • Automatic acoustic management
  • Cleanroom
  • Click of death
  • Comparison of disk encryption software
  • Data erasure
  • Drive mapping
  • Error recovery control
  • Hard disk drive performance characteristics
  • Hybrid drive
  • Microdrive
  • Network drive (file server, shared resource)
  • Object storage
  • Write precompensation

Notes[edit]

  1. ^ This is the original filing date of the application which led to US Patent 3,503,060, generally accepted as the definitive hard disk drive patent.[1]
  2. ^ Further inequivalent terms used to describe various hard disk drives include disk drive, disk file, direct access storage device (DASD), CKD disk, and Winchester disk drive (after the IBM 3340). The term "DASD" includes other devices beside disks.
  3. ^ Comparable in size to a large side-by-side refrigerator.
  4. ^ The 1.8-inch form factor is obsolete; sizes smaller than 2.5 inches have been replaced by flash memory.
  5. ^ 40 for user data, one for format tracks, 6 for alternate surfaces and one for maintenance.
  6. ^ Initially gamma iron oxide particles in an epoxy binder, the recording layer in a modern HDD typically is domains of a granular Cobalt-Chrome-Platinum-based alloy physically isolated by an oxide to enable perpendicular recording.[51]
  7. ^ Historically a variety of run-length limited codes have been used in magnetic recording including for example, codes named FM, MFM and GCR which are no longer used in modern HDDs.
  8. ^ a b Expressed using decimal multiples.
  9. ^ a b Expressed using binary multiples.

References[edit]

  1. ^ Kean, David W., "IBM San Jose, A quarter century of innovation", 1977.
  2. ^ Arpaci-Dusseau, Remzi H.; Arpaci-Dusseau, Andrea C. (2014). "Operating Systems: Three Easy Pieces, Chapter: Hard Disk Drives" (PDF). Arpaci-Dusseau Books. Archived (PDF) from the original on February 16, 2015. Retrieved March 7, 2014.
  3. ^ Patterson, David; Hennessy, John (1971). Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface. Elsevier. p. 23. ISBN 9780080502571.
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Further reading[edit]

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  • Messmer, Hans-Peter (2001). The Indispensable PC Hardware Book (4th ed.). Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-59616-8.
  • Kheong Chn, Sann (2005). "An Introduction to the HDD, modelling, detection and decoding for magnetic recording channels" (PDF). The Eleventh Advanced International Conference on Telecommunications. Retrieved January 10, 2020.

External links[edit]

  • Hard Disk Drives Encyclopedia
  • Video showing an opened HD working
  • Average seek time of a computer disk
  • Timeline: 50 Years of Hard Drives
  • HDD from inside: Tracks and Zones. How hard it can be?
  • Hard disk hacking – firmware modifications, in eight parts, going as far as booting a Linux kernel on an ordinary HDD controller board
  • Hiding Data in Hard Drive’s Service Areas, February 14, 2013, by Ariel Berkman
  • Rotary Acceleration Feed Forward (RAFF) Information Sheet, Western Digital, January 2013
  • PowerChoice Technology for Hard Disk Drive Power Savings and Flexibility, Seagate Technology, March 2010
  • Shingled Magnetic Recording (SMR), HGST, Inc., 2015
  • The Road to Helium, HGST, Inc., 2015
  • Research paper about perspective usage of magnetic photoconductors in magneto-optical data storage.