Жесткий диск — один из самых удивительных компонентов современного компьютера. Только представьте себе, что мы все еще храним данные с помощью магнитно-механической технологии, которая существует с 50-х годов ХХ века и успела повидать ламповую электронику и грампластинки. Представьте, что мы живем в альтернативной Вселенной, где жесткий диск никогда не был изобретен и все данные записываются на Flash-память или другие твердотельные носители. Тогда что вы скажете на предложение сохранять информацию в виде намагниченных участков на вращающемся диске, где записывающая головка сможет точно позиционироваться на дорожках, расстояние между которыми сопоставимо по размеру с транзисторами, создаваемыми в интегральных схемах с помощью фотолитографии? Это невозможно, слишком сложно, ненадежно и недолговечно? Нет, это реальность, которую мы принимаем как нечто само собой разумеющееся. Пример технологии, доведенной до изначально непредсказуемого, даже абсурдного уровня.
Хотя в основе технологии HDD лежат простые принципы, для того чтобы она достигла таких высот, потребовались десятки лет разработки и научных исследований, огромное количество сложных, нетривиальных, подчас остроумных и невероятных решений, о которых немного известно за пределами круга людей, по профессии связанных с производством жестких дисков. Мы побеседовали именно с таким человеком — ему можно задать все вопросы, приходящие в голову по поводу технологий жестких дисков, которые применяются сейчас и будут внедряться в будущем. Знакомьтесь: Алекс Блеквелл (Alex Blackwell), главный инженер компании Western Digital в регионе EMEA.
Блеквелл часто общается с компьютерной прессой, но это явно не тот случай, к которому подошло бы казенное «по долгу службы часто приходится общаться». Чувствуется, что ему действительно нравится рассказывать людям о технологиях. Алекс говорит так увлеченно и ярко, что двухчасовое интервью с ним пролетело на одном дыхании. Это, в общем-то, и было мало похоже на интервью. У Алекса не пришлось ничего «выспрашивать», и на один вопрос он выдавал гораздо больше интереснейшей информации, чем мы изначально рассчитывали получить. Получилась фактически полноформатная лекция об интересных и неочевидных фактах, касающихся жестких дисков.
Составляя список вопросов, мы постарались сократить банальности из разряда «как у WD дела сейчас и каковы планы на будущее?» и узнать больше о жестких дисках в целом, не боясь в чем-то показаться наивными и невежественными. Алекс с удовольствием позволяет собеседнику быть жадным до знаний «почемучкой».
А еще у Блэквелла очень яркая речь, насыщенная метафорами и юмором. Попытаемся передать это в тексте, сделав его максимально близким к «непричесанной» стенограмме. Тем не менее, поскольку разговор постоянно крутился вокруг одних и тех же вопросов, мы именно так его и скомпонуем — в виде конспекта нескольких главных тем. Никакого единого сюжета, просто сборник увлекательных историй про жесткие диски. Вся речь идет от лица Алекса Блеквелла, вопросы и комментарии автора — курсивом.
⇡#О парковке головок и встроенном электрогенераторе
3DNews: Мы не так давно узнали, что жесткий диск использует электрический генератор, чтобы можно было завершить запись сектора в случае аварийного отключения. Можно рассказать об этом поподробнее?
Алекс Блеквелл: Когда внезапно пропадает электропитание, первое и самое важное для безопасности привода — запарковать головки. Потому что если они приземлятся на магнитный носитель, то они просто прилипнут, и больше не смогут подняться (в работе головка фактически летит над поверхностью за счет потока воздуха. — прим. автора). Это конец. Настолько гладкие у них поверхности. Представьте себе два абсолютно гладких листа стекла, прижатые друг к другу. Сколько силы нужно, чтобы разорвать их! Если вы включите привод после того как головки прилипли к диску, то вращение шпинделя просто оторвет кончик актуатора. Поэтому для парковки мы поднимаем головки и относим их на отдельную пластиковую площадку. Вернее, опускаем актуатор, а сами головки на кончике висят в воздухе.
Кончик актуатора «упал» на пластину (фото c Wikimedia Commons)
На парковку головок при обрыве питания у нас всегда есть немного свободного времени. Эта операция осуществляется с помощью электрического генератора. Но генератора как отдельного устройства в жестком диске нет. Двигатель просто используется в «реверсе», что можно сделать с любым электрическим мотором.
Так обстоят дела в течение последних 15–20 лет. Диски более старых типов парковали головки прямо на поверхность диска, у внутреннего края. Там был магнитный замок, который удерживал актуатор на месте. Если вы помните, то, выключая такой старый привод, вы слышали щелчок. Это актуатор приближался к магниту и защелкивался там. Для Western Digital производство таких дисков закончилось в 2005–2006-м, может, даже в 2007 году.
Парковать головки прямо на диске можно было потому, что изначально поверхность была не столь гладкой и головки были крупнее. Вообще, тогда все было проще. Потом поверхность потребовалось сделать очень гладкой, чтобы головка летала очень близко (сейчас зазор между головкой и поверхностью диска составляет единицы нанометров. — прим. автора). И однажды она стала слишком гладкой, чтобы можно было взлететь с нее после парковки. Тогда мы начали использовать лазер, чтобы создать текстуру на поверхности диска в парковочной зоне. Теперь, с 2007 года, парковочная зона находится вне поверхности диска, на пластиковой площадке. То есть принцип парковки головок пережил всего три этапа развития, но, несмотря на это, в данной области задействовано очень много тонких технологий.
Однако вернемся к ситуации обрыва питания. Помимо того, чтобы запарковать головки, вторая задача — спасти настолько много пользовательских данных, насколько возможно. Нужно передать на носитель фрагмент информации, который записывается в данный момент, завершить запись текущего сектора. Для этого мы просто используем остаточное вращение носителя.
Как работает жесткий диск
Рассмотрим детальнее особенности, как работает жесткий диск.
После включения контроллер загружает из флэш-памяти часть хранящейся там информации. Обработав ее, отдает приказ о запуске двигателя в гермозоне. Движок раскручивает до нужной скорости шпиндель и закрепленные на нем диски. Когда над блинами образуется достаточно сильный поток воздуха, контроллер дает команду о перемещении блока головок, которые зависают на высоте 10 нанометров над их поверхностью. «Полет» регулируется слайдерами и пружинными подвесками.
Работа головок начинается со считывания информации о состоянии диска с «нулевой дорожки». Если диск серьезно поврежден, винчестер не запустится. После проверки начинается обработка данных.
В режиме записи каждая головка генерирует электромагнитное поле, изменяющее вектор намагниченности на ферромагнитном покрытии диска. Считывая информацию, головка улавливает изменение в магнитном поле и передает соответствующие сигналы в предусилитель. Оттуда они попадают на контактную пластину, далее — в процессор, где и расшифровываются.
После завершения работы диски перестают вращаться, а головки выводятся в парковочную зону. Обычно так называется внешний край блинов. В некоторых моделях роль парковки выполняют специальные пластины вне дисков.
⇡#Некоторые впечатляющие цифры и двухступенчатый актуатор
Первый жесткий диск появился в 1956 году. Вспомните другие технологии из 1950-х. Например, радиолампы. С тех пор у нас появились транзисторы, затем первые интегральные схемы, а затем — LSI (Large Scale Integration, микросхемы с сотнями тысяч транзисторов). Или возьмем аудиозапись. Большую часть времени мы использовали пластинки со скоростью вращения 78 об/мин. Сначала с пластиковыми иглами, потом с алмазными, потом появилась магнитная лента, CD, MP3. Некоторые технологии просто прыгнули вперед, но дисковые приводы все еще работают так же, как встарь. Есть вращающийся диск и актуатор, движущийся вдоль него, магнитная поверхность с индуктивным принципом записи и чтения. Разве что автомобили остались такими же, как в то время.
Но представьте себе первый жесткий диск от IBM. Допустим, размер одного бита на этом диске 50-х годов сопоставим со стадионом «Спартак». Насколько же тогда велик бит на современном диске? Размером с этот стол? Размером с эту комнату? Размером с мой большой палец? Правильно, именно палец! Площади, занимаемые одним битом сейчас и тогда, соотносятся в масштабе 108. То есть 104 в каждом направлении.
IBM 350 (1956 г.) — самый первый жесткий диск. Предназначался для компьютера IBM 305 RAMAC (фото с Wikimedia Commons)
Геометрия жесткого диска постоянно сжимается. Сейчас дорожки на носителе находятся на расстоянии 50–60 нм друг от друга. А теперь вспомните микропроцессоры Intel, которые для производства по норме 28 нм используют фотолитографию, фабрики с гигантским оборудованием. А у нас в то же время есть вращающийся диск, и мы можем позиционировать головку в центре одной из дорожек, которые разделяют всего 60 нм, с точностью около 10 нм. Это настоящий хай-тек.
Вы знаете, что такое двухступенчатый актуатор (Dual Stage Actuator)? Представьте, что моя рука — это акутатор с головками на конце. Вот поворотная точка в плечевом суставе. И если вам требуется улучшить позиционирование руки, то можно обратить внимание на сустав пальца. На двухступенчатом актуаторе есть своего рода дополнительный маленький актуатор, который может перемещаться всего на несколько дорожек влево и вправо. За счет этого мы можем повысить точность позиционирования. Мы используем эту технологию уже около двух лет в корпоративных продуктах (серия RE3), а в 2012 году внедрили в некоторых потребительских моделях. В терабайтном диске серии Green, нескольких Blue, всей линейке Red, а теперь и в Black.
Схема двухступенчатого актуатора (из патента United States Patent 6624983)
Магнитный принцип чтения и записи информации
Информация пишется на магниточувствительный материал. Такое покрытие очень тонкое (несколько микрометров) и обладает доменной структурой.
Совет: если нужен вместительный носитель, например, для видеоигр, то трехтерабайтный WD30EFRX подойдет. Он способен передавать 1200 Мбит данных в секунду.
Такой домен является малюсенького размера областью, которая содержится в ферромагнитных образцах и намагничена однородным образом. Она отделена от соседних с ней таких же зон тоненькими переходными прослойками. Их называют границами.
Винты записывают и считывают инфо по такому принципу:
- В то время, пока действует наружное силовое поле, его линии движутся в направлении, которое соответствует доменным областям. После того, как прекращается воздействие, остаются участки, которые становятся намагниченными. За счет этого и осуществляется сохранение данных.
- Когда записываются файлы, головка формирует наружное поле, о котором говорилось в предыдущем пункте. Когда данные прочитываются, области остаточной намагниченности, которые оказались напротив, образуют в ней электродвижущую силу.
- Направленность ЭДС меняется за конкретный временной промежуток. Такой процесс представлен в виде единицы в двоичной системе. Если же ничего не меняется, процесс отождествляется с 0.
- Закрепленная на кронштейне головка движется над требуемой дорожкой. Когда диск поворачивается, она размещается как раз над нужным сектором.
- Все головки движутся в одно и то же время, при этом они считывают данные с одинаковых треков различных пластинок.
Рекомендация: если необходимо компактное переносное хранилище, подойдет вариант в обрезиненном корпусе. TS500GSJ25M3S — как раз такой.
- Внутренняя поверхность хранилища представляется размещенными подряд точечными позициями, которые представляют собой биты информации. Так как точное их местоположение нельзя определить, чтобы записать данные, нужны метки. Они наносятся заранее и играют роль навигатора. Чтобы их создать, диск и разбивается по трекам и секторам — форматируется.
- Организация доступа к данным, которые расположены на хдд, осуществляется благодаря передвижению головки по радиусу диска, а также за счет увеличения оборотов шпинделя.
Сравнение: SSD или HDD — что лучше: отличия 2 видов накопителей
⇡#WD Black и терабайтные пластины
3DNews: Расскажите, почему диски серии WD Black показывают такую впечатляющую производительность, в особенности — в тестах произвольного доступа?
Алекс Блеквелл: Одна из основ высокой производительности — скорость вращения шпинделя. Вторая основа — быстрый актуатор, за счет которого уменьшается время поиска дорожки. В дисках серии WD Black и RE в двигателе актуатора используются два больших магнита. Более сильный магнит позволяет быстрее двигать головки. В других сериях, Blue и Green, устанавливают более компактный одинарный магнит, поэтому Black опережает Blue по скорости произвольного доступа, хотя последние тоже работают на 7200 об/мин.
3DNews: А когда же появятся диски WD Black с пластинами объемом 1 Тбайт?
Алекс Блеквелл: Это вопрос приоритетов. Нет технологической причины, по которой мы не можем этого сделать. Терабайтные пластины уже применяются в «зеленой» серии при объеме 1–3 Тбайт, в «синей». Понимаете, когда ты проектируешь жесткий диск и хочешь продать его с прибылью, то нужно сочетать много параметров: производительность, объем, выход годных компонентов при производстве и множество других. Важно сочетание факторов, а не просто обладание определенной технологией. Я полагаю, что для WD Black терабайтные пластины просто еще не пришли в зону оптимального сочетания характеристик.
WD Black (слева) и WD Blue (справа) — оцените разницу в размере магнитов
Нарушения поверхности жесткого диска, запилы магнитных пластин
Иногда при неисправности блока магнитных головок на жестком диске могут образоваться цилиндрические запилы. Причина – неисправная головка упала на поверхность пластины, а двигатель еще какое-то время – с гигантской скоростью – эти пластины вращал. В таких случаях магнитный слой “блина” может быть частично снят и распылен по гермозоне, а на гладкой и зеркальной поверхности пластины образуются глубокие борозды.
⇡#Как устроены головки
3DNews: Что собой представляют головки типа GPP / GMR (Perpendicular to Plane / Giant Magnetoresistance), которые сегодня используются в жестких дисках? Как они работают?
Алекс Блеквелл: Оригинальный жесткий диск IBM и все последующие диски вплоть до 1996–1997 годов имели единые головки чтения/записи. Такая головка представляет собой разорванное кольцо с проволокой, накрученной сверху. Когда на проволоку подается ток, возникает магнитное поле, которое «вытекает» через разрыв в кольце. Если поднести разрыв к чему-то, что может быть намагничено, оно намагничивается. Что и происходит с поверхностью пластины в жестком диске: возникают участки, имеющие магнитные полюса — северный и южный. В то же время, если не подавать на головку напряжение, а просто провести вдоль намагниченного участка, в ней возникает ток.
Актуатор и его кончик под микроскопом (за фото спасибо Andrew Hazelden, www.andrewhazelden.com)
Со временем стало очевидно, что единое устройство представляет собой компромисс. Что хорошо для записи, может быть неоптимальным для чтения. Тогда нашла применение идея магниторезистивности. В качестве считывающей головки стали использовать резистор, который меняет сопротивление в присутствии магнитного поля. А в качестве записывающей головки — отдельную индуктивную часть. И больше никакого компромисса. Позже появилось второе поколение этой технологии — GMR (Giant Magnetoresistance), где Giant указывает на величину напряжения, которое позволяет развить резистивный элемент. Он просто стал более чувствительным. А на будущее после GMR у нас есть вот какая штука: TuMR — Tunneling Magnetoresistance, которая еще больше повысит эффективность головки.
Теперь о записи. Катушка с разрывом в середине, о которой я говорил изначально, используется для так называемой продольной магнитной записи. Намагниченные участки на пластине образуются в продольной ориентации. Подобно тому, как машины паркуются на улице.
Продольная и перпендикулярная запись
Но теперь мы берем и устанавливаем эти магнитики вертикально. Получается перпендикулярная запись. Не зная технологии, трудно себе представить, как это делается. На самом деле, нужно добавить к магнитной пластине еще один слой, который как бы отражает один из полюсов катушки и создает слабый магнитный эффект, распределенный по большой площади. Вот как работает перпендикулярная запись. Для машин также было бы лучше, чтобы они парковались вертикально, особенно в Москве. Главное — не забыть убрать кофе из подстаканника.
⇡#Технологии будущего: Shingled Recording, Heat-Assisted Recording, Bit-Patterned Media
3DNews: В новостях уже мелькают технологии под названиями Shingled Recording, Heat-Assisted Recording, Bit-Patterned Media, которые позволят плотности записи на HDD расти в будущем. В чем их сущность и как скоро можно ожидать появления коммерческих продуктов, в которых они будут внедрены?
Алекс Блеквелл: Shingled Recording — это такая странная технология, которая заимствует кое-что у SSD. Идея в том, чтобы, как и сейчас, записывать данные последовательно на магнитную пластину, только вместо одной дорожки здесь и одной там с промежутком между ними мы будем накладывать дорожки одна на другую. Но нам придется быть очень осторожными в том, как применять эту технологию. Потому что Shingled Recording повлияет на то, как хост-контроллер будет использовать привод. И в конце концов она может оказаться всего лишь нишевым решением для конкретного рынка, который будет в ней заинтересован.
Прим. автора: коль скоро дорожки накладываются друг на друга, при необходимости записать фрагмент данных на одной дорожке придется сначала прочитать и сохранить все данные из пересекающихся дорожек, а затем записать все это обратно на диск. Другой вариант — стараться производить запись на свободные участки, что приведет к сильной фрагментации файлов. Все это действительно очень похоже на то, как работает SSD с NAND-памятью, которая также позволяет освобождать ячейки для перезаписи только в виде крупных блоков (скажем, по 128 Кбайт). Поскольку у жестких дисков и так плохи дела с произвольным доступом, то похоже, что дискам с Shingled Recording уготована судьба хранилищ больших объемов данных с преимущественно последовательной записью.
Shingled Recording
Cледующая технология — Heat-Assisted Recording. Возьмем кусок масла. Вы достаете его из холодильника и кладете на стол в теплый день. Тогда оно становится очень мягким, и в нем можно проделать дырку пальцем. Но чтобы сделать дырку в куске сразу из холодильника, нужно что-то очень острое. Точно так же удобно представить свойство магнитного носителя — coercivity.
Коэрцитивная сила — такое размагничивающее внешнее магнитное поле напряженностью H, которое необходимо приложить к ферромагнетику, предварительно намагниченному до насыщения, чтобы довести до нуля его намагниченность I или индукцию магнитного поля B внутри (Wikipedia).
Для диска с малой плотностью записи подходит мягкое масло (низкое coercivity) и толстый палец (большое расстояние между головкой и носителем). Для диска с большой плотностью записи, чтобы удерживать намагниченные участки, нужно твердое масло (высокое coercivity), а чтобы производить запись — очень, очень острый «палец»: большая напряженность магнитного поля и меньший зазор между записывающей головкой и носителем.
Возьмем жесткий диск IBM из 1950-х. Можно было разглядеть провода, накрученные на головке, и расстояние до носителя. Теперь головки изготавливаются как интегральные схемы, из тонкопленочных материалов. Но я, вероятно, буду вынужден вас убить, если расскажу о головках слишком много. Головки — это технология, которая держит нас в бизнесе.
Итак, мы можем развить только ограниченную напряженность магнитного поля. И приблизить головку к носителю тоже уже не можем. Но мы можем сделать намагниченный носитель «тверже». Нам нужен небольшой лазер, чтобы сделать масло мягким, проделать в нем дырку и положить обратно в холодильник. Вы можете ожидать, что эта технология станет коммерчески доступной в течение двух-трех лет. Но сначала — Shingled Recording, которая может как сочетаться с Heat-Assisted Recording, так и применяться отдельно.
Heat-Assisted Magnetic Recording (HAMR)
Другая технология, которая значится в нашем технологическом roadmap’е после HAMR, — это Bit-Patterned Media. HAMR, как и сейчас, все еще подразумевает использование непрерывного носителя, хотя и из экзотических материалов. А Bit-Patterned Media означает запись индивидуальных битов данных, окруженных пустотой. Тогда намагниченные участки смогут располагаться очень близко друг к другу, не вызывая интерференции. Проблема в том, чтобы создать структуры такого размера. Существующая литография не дает нам даже той плотности записи, которую мы имеем с непрерывным носителем. Должны произойти большие улучшения в литографии, чтобы за счет Bit-Patterned Media произошло увеличение плотности записи.
Bit-Patterned Media
⇡#«Нативная» поддержка секторов 4 Кбайт
3DNews: Ну когда уже?
Алекс Блеквелл: Мы хотели бы увидеть «нативную» поддержку секторов 4 Кбайт. Они уже дали нам преимущество на уровне самого накопителя: форматирование стало на 10% эффективнее, коррекция ошибок — проще. Но только представьте, столько денег уже вложено в инфраструктуру, построенную вокруг секторов 512 бит…
Я бы показал вам диск WD с «нативной» поддержкой секторов 4 Кбайт прямо сейчас (нужно только сначала заказать из США). А как только рынок будет к этому готов, мы тут же можем начать их продавать. Достаточно одного-двух месяцев на подготовку.
⇡#Жесткие диски с гелием. До семи пластин в корпусе
3DNews: HGST не так давно продемонстрировала жесткий диск, вместо воздуха заполненный гелием. Будут ли за счет этого действительно коммерчески производиться жесткие диски с семью магнитными пластинами?
Алекс Блеквелл: Гелий хорош тем, что он менее плотный по сравнению с воздухом. Из-за меньшей плотности можно сделать магнитные пластины тоньше и легче, можно поместить больше пластин в корпус, вплоть до семи. Подумайте о компаниях, которые хотят получить максимальную плотность данных на квадратный метр. Вот им понравятся такие диски.
3DNews: А нельзя ли было с таким же успехом просто разрядить воздух внутри корпуса?
Алекс Блеквелл: Мы все используем аэродинамическую технику, чтобы контролировать расстояние от головки до поверхности носителя. И я не знаю, какова будет физика при использовании разряженного воздуха. Я также думал об использовании водорода вместо гелия. И об этом я также не могу ничего сказать. Водород легче получить, чем гелий, — путем электролиза воды. А вот ресурс гелия ограничен, и, чтобы получить больше, нам нужен токамак — установка для термоядерного синтеза. Хотя если гелия хватает для наполнения шариков, то, предполагаю, будет достаточно и для жестких дисков.
На самом деле, мы сейчас уже используем гелий в процессе производства. Привод заполняется гелием на стадии, которая требует большой точности позиционирования головок. Сложность при внедрении гелия в коммерческих продуктах состоит в том, чтобы удержать его внутри по меньшей мере в течение гарантийного срока. Молекула газа очень маленькая, поэтому легко выходит через мельчайшие поры. Я не знаю подробностей о том, как это сделала HGST, но если вы посмотрите на конструкцию жесткого диска, то увидите элементы, на которые для этого нужно обратить особое внимание.
Первая вещь — нужно заблокировать воздушный фильтр. Привод превратится в сосуд под давлением. Вторая — нужно убедиться, что прокладка между крышкой и корпусом не является пористой для гелия. Это задача по части материалов.
3DNews: Появятся ли когда-нибудь диски с гелием под брендом WD?
Алекс Блеквелл: Я никогда не говорю «никогда». Мы уже используем гелий в производстве и знаем, какие технологии для этого нужны. Кроме того, преимущество в нашей индустрии часто измеряется в месяцах, а не в годах.
Как выбрать жесткий диск
Перед покупкой стоит вспомнить о функциях вашего компьютера. Если ПК используется лишь для работы с офисными документами и вечерних просмотров фильмов, достаточно выбрать жесткий диск с минимальным объемом памяти (сейчас это 500 Гб). О быстродействии диска тоже можно не беспокоиться.
Если пользователь привык скачивать игры и фильмы из интернета, ему понадобится диск до 1 Тб. Настоящим геймерам и киноманам даже этого может оказаться недостаточно.
Перед приобретением «объемного», а значит, дорогого диска лучше убедиться в возможностях BIOS. Без расширения UEFI он просто не видит диски емкостью свыше 2 Тб.
Игроманам и специалистам, работающим с графическими и видеофайлами, стоит обратить внимание на скорость обработки информации (в технических характеристиках эти данные не указывается, но их результаты тестирования можно найти в интернете). Возможно, что в погоне за скоростью придется перейти с привычного магнитного на гораздо более дорогой, но «шустрый» SSD.
⇡#Про надежность, долговечность и статистику
3DNews: Каков расчетный срок жизни отдельно взятого привода? Возьмем жесткий диск с MTBF (mean time between failures, «среднее время наработки на отказ») на уровне 1 млн часов. В пересчете на годы это даст совершенно нереальный срок жизни в 114 лет. Похоже, что так просто MTBF в срок жизни не переводится…
Алекс Блеквелл: На самом деле MTBF не является утверждением о долговечности отдельно взятого диска. Это статистическое утверждение о популяции дисков. Миллион часов MTBF говорит мне, что я, будучи менеджером дата-центра с сотней тысяч дисков, могу ожидать, что один из них будет отказывать каждые 10 часов. Что даст мне возможность понять, сколько запасных приводов нужно иметь на руках.
MTBF вычисляется с помощью такого теста. Если вам нужно получить MTBF 2 млн часов, вы должны сгенерировать больше 2 млн часов работы. Наполняете стойки тысячей дисков и гоняете в течение тысячи часов (шесть недель). Так и получается миллион часов. А еще мы можем повысить температуру тестового стенда, ускоряя в четыре раза амортизацию дисков. Вот уже 4 млн часов работы. Если за это время два диска отказали, то и получается MTBF 2 млн часов. На самом деле мы начали удалять MTBF из наших документов на устройства, ибо люди зачастую неправильно понимают, что означают эти числа.
И все же, какова сервисная жизнь отдельно взятого диска? По консервативной оценке, она составляет не меньше 5 лет. Вы сами вряд ли знаете кого-то, кто использовал бы компьютер старше этого срока. Проживет ли диск дольше — зависит эксплуатации. Это как машина. Если каждый день ездишь по сотне километров, то она износится быстрее, чем машина, которая выходит из гаража только в выходные.
Более точную оценку продолжительности жизни дать трудно, так как сейчас в ходу мало дисков десятилетнего возраста. Диск такой давности имеет объем всего 10-40 Гбайт, большинство из них находятся в снятых с гарантии и более неиспользуемых компьютерах. Нет данных. Все, что у нас есть на этот счет, — это частные, иногда анекдотические свидетельства. Например, один из моих клиентов недавно списал массив дисков WD, которые были куплены пять лет назад, и все до единого еще работали. А это был дата-центр с режимом работы 24/7.
Корпоративные жесткие диски изначально проектируются с упором на надежность. Это и подбор компонентов, и конструкция. Например, в дисках форм-фактора 2,5 дюйма на 15 000 об/мин используются пластины емкостью 300 Гбайт. В то время как высшая на сегодня емкость пластины этого размера — 500 Гбайт. Надежность — серьезная дисциплина. У нас в Western Digital этим занимаются множество людей со степенью PhD.
Важный фактор, который вносит вклад в надежность жесткого диска, — это температура. Чем она выше, тем чаще они ломаются. Температура — это все. У нас есть модель связи количества отказов и так называемой эффективной активационной энергии, в которую вносит свой вклад и температура. Похожие модели есть и у Seagate, HGST, Toshiba. Они очень точные, все это легко измерить и проверить. Для владельцев дата-центров мой совет: держите жесткие диски в диапазоне 40–50 °C.
Характеристики винчестеров
Технические показатели устройств влияют на качество их работы, долговечность, вместительность и цену. Основные — рассматриваются в таблице.
Интересно: внутренний AL14SEB030N отличается быстротой передачи информации — до 1568 мегабит в одно мгновение, а также «живучестью» — показатель наработки двигателя на отказ составляет две тысячи часов.
| Основные характеристики накопителей на магнитных носителях | |
| Объем | Измеряется в мегабайтах — Мб, гигабайтах — Гб, терабайтах — Тб. Показатель отображает максимальную вместимость пространства накопителя. |
| Современные HDD способны вмещать несколько терабайт данных. Оптимальный объем зависит от задач. Для системного диска хватает моделей до 1 Тб, для ресурсоемких графических программ, игр и мультимедиа нужно больше. | |
| Примечание: обычно места на диске немного меньше, чем заявлено производителем, поскольку часть пространства занимает предустановленное ПО. Например, вместе с WD20EZRZ пользователь получает бесплатный доступ к софту для быстрого резервного копирования. | |
| Форм-фактор | 3,5-дюйма — стандартный вариант для стационарных сборок. |
| 2,5-дюйма — чаще устанавливается в сборки компактные или же в лэптопы. В настольный ПК такой девайс тоже станет, но здесь уже может понадобиться переходник. | |
| В большинстве современных корпусов есть специально отведенные места под жесткие носители информации разных форм-факторов. | |
| Время доступа к файлам и скорость записи данных | Влияют на производительность HDD диска. В характеристиках указывается среднее значение, которое необходимо аппарату для получения информационной единицы. Оно показывает, насколько быстро механизм накопителя будет считывать информацию. |
| Чем выше показатель, тем быстрее жесткий носитель способен обработать запрос пользователя. За счет этого сокращается время, необходимое диску, чтобы записать информацию. Например, серверный 00WG700 способен передать 1,2 гигабита данных в секунду. | |
| Скорость вращения шпинделя | Измеряется в оборотах в минуту. Этот параметр, как и предыдущий, влияет на быстродействие винчестера: от скорости вращения зависит оперативность поиска трека с нужной информацией. |
| Для большинства пользовательских задач хватает диска, чей шпиндель совершает 5,4-7,2 тысячи оборотов в минуту. Но это не предел: встречаются устройства, шпиндели которых вращаются со скоростью до 15000 об./мин. Например, A03-D300GA2. Но для домашних ПК такая быстрота не нужна. Подобные «монстры» устанавливаются в серверы непрерывного действия. | |
| Объем буфера / кэш-памяти | Внутренняя память устройства, которая отвечает за обработку, управление и хранение файлов. Чем больше объем буфера, тем быстрее осуществляется процесс получения доступа к файлам. Диапазон данного параметра составляет около 16-256 МБ. |
| Если магнитный носитель будет использоваться исключительно как хранилище информации, то переплачивать за самые высокие объемы, как у WD101PURZ, нет смысла. А вот если накопитель нужен как серверный — такой кэш пригодится. | |
| Износостойкость | Обозначается как интенсивность отказов. Внутри HDD находятся механические части, которые изнашиваются через определенный период эксплуатации. |
| В критических ситуациях механический износ становится причиной безвозвратной потери информации, которая хранится на устройстве. Нет возможности точно определить, какая из деталей подвижного механизма окажется выносливее, а какая придет в негодность первой. | |
| Однако в этой ситуации полагаться можно не только на отзывы пользователей об интересующей модели винчестера. Есть гарантия от производителя, а в характеристиках прописывается показатель наработки мотора на отказ, который измеряется в количестве часов. Например, у WD1003FZEX этот показатель составляет аж 300 тысяч часов. | |
| Способ установки / подключения | Внутренний накопитель подключается по SATA интерфейсу и устанавливается непосредственно в ПК или лэптоп. |
| Внешний магнитный носитель подключается к девайсу по USB, имеет прочный корпус, обеспечивающий защиту внутреннего механизма при встряске, ударах, падении, а также способствует снижению вибраций и шума, издаваемого механикой при активном режиме работы. | |
| Этот вариант отлично подходит в качестве резервного хранилища данных, или когда нужно перенести солидный объем информации, который флешка вместить не в состоянии. | |
| Интересно: внешний винчестер AC630 оснащен быстрым USB 3.1, а также заключен в крепкий противоударный корпус. | |
Полезно: Как отформатировать жесткий диск — стандартные инструменты и 6 специальных утилит
⇡#Балансировка магнитных пластин
3DNews: Одна из технологий, которые отличают недавно вышедшие диски серии WD Red, как и корпоративные винчестеры WD, — 3D Active Balance Plus. Что это значит?
Алекс Блеквелл: Как на колесо машины, на блок магнитных пластин на шпинделе действуют дисбалансирующие силы в двух направлениях: одна трясет (вектор в плоскости пластин), другая качает (вектор перпендикулярный). Чтобы компенсировать силу типа «трясет», мы помещаем кусочек проволоки в виде круга с разрывом в узел мотора. Чтобы справиться с той, которая «качает», мы помещаем «пробку» в одно из отверстий на шпинделе. Такой мелкий цветной кусочек пластика.
О судьбе бывшей Hitachi GST
3DNews: Несколько месяцев назад Western Digital приобрела HGST (ранее — Hitachi GST). Что WD собирается делать с этими активами? Продолжатся ли продажи устройств HGST под отдельной маркой? И наконец, что для WD более ценно в это сделке: производственные мощности HGST или ее интеллектуальная собственность?
Алекс Блеквелл: Ответ на вопрос, что мы будем делать с Hitachi: мы не будем делать с ней ничего. Таково правило, которое для нас установило китайское министерство торговли. Мы должны сохранить две полностью независимые конкурирующие компании в течение, по меньшей мере, двух лет. Есть главная компания WD Corporation и есть две полностью независимые дочерние компании — WD и HGST. Нам в WD не позволено говорить с HGST ни о технологиях, ни о ценах, ни о чем вообще! Если бы вы работали в Hitachi, мне сейчас пришлось бы встать и уйти.
Когда два года пройдут, можно задуматься о нескольких сценариях дальнейших событий. Может оказаться, что две компании, работающие в конкуренции, — это хороший вариант. Можно объединить их, использовать лучшее от одной и лучшее от другой. Но я инженер и не участвую в принятии решений, которыми занимается топ-менеджмент. Я могу только спекулировать на эту тему.
⇡#Об R&D и конкурентном преимуществе
3DNews: Насколько важно иметь преимущество в R&D, чтобы успешно конкурировать на рынке жестких дисков? Или, может быть, жесткие диски от разных компаний в целом одинаковы и невозможно сделать нечто инновационное, чтобы этого одновременно не сделал конкурент?
Алекс Блеквелл: Это интересный вопрос. Вот, скажем, Microsoft и ее конкуренты. Вы не можете взять одну ОС и напрямую заменить ее другой. Или Intel, AMD и ARM: и их продукция тоже не является прямой заменой друг другу. С HDD все по-другому, потому что у нас есть база стандартов, которую устанавливает ATA Committee, чтобы диски были взаимозаменяемы. И это порождает острую конкуренцию. Вы правы, диски на 95% одинаковы и только на 5% различаются. И, может, даже 5% — это слишком большая оценка. Может, это всего 2%.
Но я должен сказать, что это прекрасно — быть в конкурентном бизнесе, потому что конкуренция держит тебя в форме, заставляет развивать продукты для потребителя. Мы продолжаем гонку для достижения новой удельной плотности записи, нового уровня емкости, новых технологий. Случается, что одна компания первой внедряет определенную комбинацию качеств, например продукт с интерфейсом SAS объемом 4 Тбайт, в чем WD сейчас имеет небольшое преимущество. Но это лидерство не продержится долго, лишь 3—6 месяцев. Такое конкурентное преимущество работает, когда людям нужен именно конкретный продукт. Важно выпустить продукт в нужное время при нужных рыночных условиях. В общем, преимущество может быть небольшим, но здесь малое значит много.
⇡#Как открыть производство HDD под Москвой
3DNews: А вообще, трудно было бы сейчас взять и создать нового производителя жестких дисков?
Алекс Блеквелл: Если мы вернемся назад на 30 лет, то обнаружим около 70 компаний, выпускающих HDD. Теперь их три или пять, в зависимости от того, как считать. Эти компании вобрали ресурсы всех семидесяти предшественников. В конце 1990-х Seagate купила Conner Periferals, в начале 2000-х Maxtor купила Quantum. Дисковое подразделение IBM, оригинальный изобретатель HDD, было куплено HGST, которая недавно была куплена WD. Ну а Seagate купила Maxtor. То есть, например, Seagate сегодня — это конгломерат Maxtor, Quantum, Conner, Samsung и других.
Консолидация производителей жестких дисков (фото с Wikimedia Commons)
Главное здесь — интеллектуальная собственность, потому что те компании, которые остались на рынке HDD, собрали всю IP, необходимую для производства жестких дисков. Есть соглашения о том, чтобы разделить между компаниями некоторые технологии, без которых невозможно сделать жесткий диск. Но это не такая же ситуация, в которой находятся Intel и AMD. Последнюю я бы охарактеризовал как более искусственную.
Если вы и я выиграем в лотерею миллион евро и решим «эй, я хочу основать производство HDD», несмотря на все наши деньги, мы не сможем этого сделать, поскольку у нас не будет прав на технологию. Seagate, WD и Toshiba преследовали бы нас в суде, и наша фирма пошла бы вниз. Как свинцовый дирижабль!
С точки зрения производства наверняка несложно начать делать диски плохо. Мы с вами смогли бы создать рудиментарный жесткий диск из компонентов с радиорынка. Но делать это хорошо, с последними технологиями, с минимальным размером компонентов, максимальной плотностью записи — вот это сложно. Мы обладаем годами, десятилетиями опыта. Каждый день на фабрике внедряется какая-нибудь инициатива, чтобы что-то улучшить. В этом бизнесе очень крутая кривая обучения, высокий барьер для входа.
Производители жестких дисков
Список производителей жестких дисков более чем скромен. Сейчас на рынке представлена продукция лишь 3 компаний: Toshiba, , Seagate. Остальные (а их было свыше 200) отказались от невыгодного производства, влились в состав других фирм или разорились.
Toshiba
— старая и уважаемая фирма. Почти все выпускаемые ею жесткие диски предназначены для домашних ПК и отличаются хорошим качеством. Сделав ставку на массовое производство, компания сумела снизить цены и оторваться от конкурентов. Ее продукция — хороший выбор для недорогих компьютеров.
Seagate
— американская фирма, рабочие мощности которой перенесены в Таиланд и Китай. На качестве сборки это не отразилось. Плюсом жестких дисков компании является более высокая скорость записи и считывания информации. Цены в среднем выше, чем у конкурентов.
WD
— компания из Калифорнии, конструкторские бюро которой находится в солнечном штате, а заводы — по всему миру. После поглощения Hitachi стала лидером отрасли. Получив в результате слияния дополнительные мощности, компания начала производить сразу несколько дополнительных линеек (в настоящее время их 6). Наибольшей популярностью пользуются недорогие диски серии Blue, предназначенные для офисных и домашних компьютеров.
