Познакомимся со структурой и механизмом работы жесткого и твердотельного диска. В конце статьи определим оптимальные параметры накопителя для домашнего ПК. Обсудить

1. Жесткий диск (HDD)

1.1. Устройство жесткого диска

Жесткий диск содержит один или несколько физических дисков, которые вращаются со скоростью от 5400 до 15 000 оборотов в минуту (Рис. 1).

Рис. 1. Запуск HDD с четырнадцатью дисками

Сервопривод приводит в движение коромысло. Сервопривод состоит из двух постоянных магнитов и катушки между ними. При подаче тока через катушку создается магнитное поле. Это поле взаимодействует с постоянными магнитами и сдвигает коромысло в сторону. Интенсивность, длительность и полярность тока определяют, насколько быстро, как далеко и в какую сторону смещается коромысло (Рис. 2).

Рис. 2. Устройство жесткого диска (HDD)

Коромысло перемещается до 50 раз в секунду (Рис. 3). На его конце расположены головки, которые считывают и записывают информацию.

Рис. 3. Работа коромысла жесткого диска

В результате вращения диска создается воздушный поток, который удерживает головку на расстоянии около 10 нм от поверхности диска (толщина волоса – 70 000 нм). Когда компьютер выключен или диск еще не разогнался, головки находятся в «парковочной зоне» (Рис. 4).

Рис. 4. Парковочная зона головок жесткого диска

Данные хранятся в дорожках на поверхности диска. Каждая дорожка разделена на секторы. Секторы образуют кластер. Ориентируясь на карту дорожек и секторов, контроллер записывает и считывает информацию.

Рис. 5. Структура жесткого диска: 1 – дорожка, 2 – сектор дорожки, 3 – геометрический сектор, 4 – кластер

Логическая плата управляет всеми описанными процессами: скоростью вращения дисков, чтением и записью информации, позиционированием коромысла.

Рис. 6. Логическая плата жесткого диска

1.2. Запись информации

Запись информации реализуется следующим образом. На поверхность диска нанесен ферромагнитный слой, состоящий из доменов – областей с сонаправленными магнитными моментами атомов (Рис. 7). Пишущая часть головки изменяет направление вектора намагниченности доменов в одно из состояний – логический 0 или 1 (один бит).

Рис. 7. Домены жесткого диска (HDD)

Перемагничивание домена перезаписывает информацию (Рис. 8).

Рис. 8. Перезапись данных на жестком диске

При записи на несколько дисков, информация записывается на обеих сторонах каждого диска (Рис. 9).

Рис. 9. Фактически диск состоит из множества дисков, запись на которых производится с обеих сторон. Источник: Animagraffs (англ.)

1.3. Чтение информации

Считывающая часть головки работает на эффекте туннельного магнетосопротивления. Головка состоит из двух магнитов и слоя диэлектрика между ними. Магнитное поле домена на магнитном диске влияет на туннелирование электронов и соответствующий ток в считывающей части магнитной головки.

1.4. Параметры жесткого диска

1.4.1. Метод записи

Существует два способа записи данных: CMR – метод перпендикулярной записи и SMR – метод черепичной записи. У SMR объем диска больше на 20%, но скорость записи и перезаписи ниже по сравнению с CMR.

Рис. 10. Методы записи информации на жесткий диск: CMR (слева) и SMR

1.4.2. Форм-фактор

У HDD два форм-фактора: 2.5 и 3.5 дюйма. Габариты выбираются в зависимости от назначения – ноутбук или настольный ПК.

Рис. 11. Форм-факторы HDD: 2.5″ (наверху) и 3.5″

1.4.3. Исполнение

При внутреннем исполнении диск помещается внутрь корпуса компьютера. Внешние HDD предназначены для временного подключения в качестве съемных носителей.

1.4.4. Интерфейс подключения

Чаще всего встречается интерфейс SATA III с пропускной способностью до 6 Гбит/с. Он обратно совместим с SATA II (3 Гбит/с) и SATA I (1.5 Гбит/с). Внешние диски подключаются по USB 2 и 3, USB Thunderbolt.

Рис. 12. Интерфейс SATA III

1.4.5. Кэш-память

Кэш-память хранит часто запрашиваемые данные и достигает 512 Мб (больше – лучше).

Можно ли установить HDD вертикально?

Все внутренние жесткие диски Seagate и Maxtor можно установить и боком, и вверх ногами. Если они не перемещаются при использовании и достаточно охлаждаются, направление установки не имеет значения. Ответ на сайте компании Seagate.

2. Твердотельный накопитель (SSD)

SSD-накопитель (англ. solid-state drive) – твердотельное запоминающее устройство с использованием флэш-памяти. SSD, в отличие от HDD, не содержит механические компоненты, не шумит, быстро считывает и записывает.

Информация записывается в ячейки. Память различается способом соединения ячеек в массив:

• NOR – двумерная матрица. Применяется в микропроцессорах.
• NAND – трехмерный массив. Используется в картах памяти, SSD-накопителях.

Рассмотрим работу архитектуры NAND, так как она почти целиком занимает потребительскую нишу SSD-накопителей для повседневной работы.

2.1. Принцип работы NAND

Бит информации хранится в транзисторах с плавающим затвором (floating gate). При подаче положительного напряжения на управляющий затвор (control gate), электроны преодолевают изолирующий слой оксида и попадают в плавающий затвор. Отрицательно заряженный плавающий затвор препятствует движению заряженных частиц от истока (source) к стоку (drain) – транзистор «закрывается», получаем логическую единицу (Рис. 13).

Рис. 13. Запись данных в ячейку SSD накопителя. Источник: Hyperstone (англ.)

При подаче на управляющий затвор отрицательного потенциала, электроны его покидают – получаем «открытый» транзистор и логический ноль (Рис. 14).

Рис. 14. Удаление данных из ячейки SSD накопителя. Источник: Hyperstone (англ.)

Ограниченное количество циклов перезаписи связано с деформацией слоя оксида после нескольких лет работы.

2.2. Типы ячеек

Выделяют следующие типы ячеек:

• SLC (single-level cell) – один бит на ячейку;
• MLC (multi-level cell) – два бита на ячейку;
• TLC (triple-level cell) – три бита на ячейку;

Рис. 15. Количество бит в ячейках SLC, MLC и TLC

• 3D MLC NAND, 3D TLC NAND, 3D QLC NAND – приставка 3D означает, что ячейки памяти размещены не планарно, а добавлено третье измерение. Получается многоэтажная структура (Рис. 16);
• 3D XPoint – разработка компаний Intel и Micron, в которой ячейки памяти считываются и записываются с помощью селектора без использования транзистора.

Рис. 16. Планарная и трехмерная архитектура NAND памяти

2.3. Параметр IOPS

IOPS (англ. input/output operations per second) – количество операций ввода-вывода, выполняемых накопителем за одну секунду. Для HDD этот параметр не превышает 200 IOPS и зависит от скорости работы механики и интерфейса. В SDD – также от скорости интерфейса и от алгоритма драйвера. В твердотельных накопителях значение IOPS достигает полумиллиона.

2.4. Форм-фактор и размер

• 2.5 дюйма SATA;
• M.2;
• mSATA;
• PCI-Express (через плату расширения).

Рис. 17. Форм-факторы твердотельных накопителей (SSD)

На смену интерфейсу SATA пришел более быстрый NVMe (Non-Volatile Memory Express), который использует шину PCI-Express: скорость возросла в 3-7 раз.

Рис. 18. Сравнение скорости чтения и записи HDD, SSD и NVMe SSD накопителей в программе CrystalDiskInfo. Источник: Хабр Q&A

Накопители в форм-факторе M.2 выпускаются в четырех размерах для ноутбуков и настольных компьютеров: 22×42, 22×60, 22×80 и 22×110 мм.

2.5. Параметр TBW

TBW (англ. total bytes written) – максимальный объем информации, который записывается на диск. Оценивается в терабайтах. После превышения TBW корректная работа накопителя не гарантируется.

3. Выбираем накопитель

3.1. Где использовать HDD и SSD

• HDD – для бэкапов и создания RAID-массивов;
• SSD – во всех остальных случаях.

3.2. Какой HDD выбрать

• скорость вращение шпинделя – от 5400 до 7200 об/мин;
• интерфейс SATA III;
• кэш-память – максимальное значение;
• CMR или SMR выбираются исходя из задачи.

3.3. Какой SSD выбрать

Диск, на котором запускается ОС и рабочие программы:

• формат M.2;
• тип ячеек 3D NAND;
• IOPS – чем больше, тем лучше;
• поддержка NVMe.

Диск для хранения:

• разъем SATA III;
• тип ячеек – MLC, TLC или 3D NAND.

4. Классификация дисков Western Digital и Seagate

4.1. Диски Western Digital

• WD Blue – обычный диск для повседневных задач;
• WD Red – увеличенный объем диска, для систем NAS;
• WD Black – наличие двухъядерного процессора и динамического кэширования повышает быстродействие в сравнение с другими дисками;
• WD Purple и WD Gold – для систем видеонаблюдения и работы 24/7.

Рис. 19. Диски Western Digital Blue, Red, Black и Purple

4.2. Диски Seagate

• Barracuda Compute – ежедневные задачи;
• Firecuda Gaming – быстрые диски для геймеров;
• SkyHawk Surveillance – видеонаблюдение;
• Ironwolf NAS – для систем NAS.

Рис. 20. Диски Seagate Firecuda Gaming, Ironwolf NAS, SkyHawk Surveillance и Barracuda Compute ***

Мы познакомились с двумя дополняющими друг друга типами накопителей: HDD и SSD. Узнали об их устройстве, принципе работы и параметрах, на которые нужно обратить внимание перед покупкой. Надеемся, полученная информация вам пригодится. Если есть вопросы, задавайте в комментариях.