HDD или SSD? Как работают и что выбрать

Содержание

1. Жесткий диск (HDD)

  HDD или SSD? Как работают и что выбрать

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)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 дискаРис. 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 – кластерРис. 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 дискаРис. 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: <a href="https://animagraffs.com/hard-disk-drive/" target="_blank" rel="noopener noreferrer nofollow">Animagraffs</a> (англ.)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 SMRРис. 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″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 IIIРис. 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?

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;
  • 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.

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).

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: <a href="https://qna.habr.com/q/698595" target="_blank" rel="noopener noreferrer nofollow">Хабр Q&amp;A</a>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.

4.2. Диски Seagate

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

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.

Как работает жесткий диск

HDD или SSD? Как работают и что выбратьКак хорошо известно большинству пользователей персонального компьютера, все данные в ПК хранятся на жестком диске – устройстве хранения информации произвольного доступа, которое работает на основе принципа магнитной записи. Современные жесткие диски способны вместить в себе информацию, общим объемом до 6 терабайт (емкость самого вместительного на данный момент диска, выпущенного фирмой HGST), что еще десять лет назад казалось невозможным. Помимо того, что жесткий диск компьютера обладает колоссальной емкостью, благодаря применяющимся в его работе сложным современным технологиям он еще и позволяет получать практически мгновенный доступ к хранящейся на нем информации, без чего продуктивная работа ПК была бы невозможной. Как же устроено это чудо современной техники, и каким образом оно работает?

Устройство жесткого диска

Если снять верхнюю крышку жесткого диска, вы увидите лишь плату электроники и еще одну крышку, под которой находится герметическая зона. Именно в этой гермозоне и расположены основные элементы HDD. Несмотря на распространенное мнение, что гермозона жесткого диска содержит вакуум, это вовсе не так – внутри гермозона заполнена очищенным от пыли сухим воздухом, а в крышке обычно имеется небольшое отверстие с очищающим фильтром, предназначенное для выравнивания давления воздуха внутри гермозоны.

HDD или SSD? Как работают и что выбрать

В целом жесткий диск состоит из следующих основных компонентов:

    Плата электроники — представляет собой интегральную схему, которая осуществляет управление работой жесткого диска и обрабатывает сигналы, полученные со считывающих головок, преобразовывая их в понятные компьютеру сигналы ATA-стандарта. Плата контроллера имеет свой собственный процессор, устройства ПЗУ и ОЗУ, а также микросхему управления двигателем диска.

HDD или SSD? Как работают и что выбрать

HDD или SSD? Как работают и что выбрать

HDD или SSD? Как работают и что выбрать

Принцип работы жесткого диска

Что же происходит, когда на жесткий диск компьютера подается питание и он начинает работать? Следуя команде электронного контроллера, двигатель жесткого диска начинает вращаться, приводя тем самым в движение и магнитные диски, которые жестко прикреплены к его оси. Как только скорость вращения шпинделя достигает значения, достаточного для того, чтобы над поверхностью диска образовался постоянный поток воздуха, который не даст считывающейся головке упасть на поверхность накопителя, механизм коромысла начинает двигать считывающие головки, и они зависают над поверхностью диска. При этом расстояние от считывающей головки до магнитного слоя накопителя составляет всего лишь около 10 нанометров, что равно одной миллиардной части метра.

Первым делом при включении жесткого диска происходит считывание с накопителя служебной информации (ее также называют «нулевой дорожкой»), которая содержит сведения о диске и его состоянии. Если сектора со служебной информацией повреждены, то винчестер не будет работать.

Затем начинается непосредственно работа с данными, расположенными на диске. Частицы ферромагнитного материала, которым покрыта поверхность диска, под воздействием магнитной головки условно формируют биты – единицы хранения цифровой информации. Данные на жестком диске распределены по дорожкам, представляющим собой кольцевую область на поверхности одного магнитного диска. Дорожка в свою очередь поделена на одинаковые отрезки, называемые секторами. Таким образом, паря над рабочей поверхностью диска, магнитная головка может посредством изменения магнитного поля осуществлять запись данных строго в определенное место накопителя, а с помощью улавливания магнитного потока происходит считывание информации по секторам.

Форматирование жесткого диска

Для того, чтобы на жесткий диск можно было наносить данные, его предварительно подвергают процессу форматирования. Также форматирование иногда требуется при переустановке операционной системы, правда во втором случае форматируется не весь диск, а лишь один его логический раздел.

Во время форматирования на диск наносится служебная информация, а также данные о нахождении секторов и треков на поверхности диска. Это необходимо для точного позиционирования магнитных головок при работе с жестким диском.

Характеристики жесткого диска

Современный рынок жестких дисков предлагает на выбор самые разнообразные модели винчестеров, отличающиеся между собой по различным техническим параметрам. Вот основные характеристики, по которым различаются жесткие диски:

  • Интерфейс подключения.Большинство современных жестких дисков подключаются к материнской плате посредством интерфейса SATA, однако встречаются модели и с другими типами подключений: eSATA, FireWire, Thunderbolt и IDE.
  • Емкость. Величина, характеризующая количество информации, способное поместиться на жестком диске. На данный момент наибольшей популярностью пользуются накопители емкостью 500 Гб и 1 Тб.
  • Форм-фактор. Современные жесткие диски выпускают в двух физических размерах: 2,5 дюйма и 3,5 дюйма. Первые предназначены для использования в ноутбуках и компактных версиях ПК, вторые используются в обычных настольных компьютерах.
  • Скорость вращения шпинделя. Чем выше скорость вращения шпинделя жесткого диска, тем быстрее он работает. Основная масса винчестеров на рынке имеют скорость вращения 5400 или 7200 оборотов за минуту, однако встречаются также диски со скоростью вращения шпинделя 10000 об/мин.
  • Объем буфера. Для сглаживания разницы в скорости чтения/записи и передачи через интерфейс в жестких дисках используется промежуточная память, именуемая буфером. Объем буфера составляет от 8 до 128 мегабайт.
  • Время произвольного доступа. Это время, которое требуется для выполнение операции по позиционированию магнитной головки на произвольный участок поверхности жесткого диска. Может составлять от 2,5 до 16 миллисекунд.

Почему жесткий диск называют винчестером?

Согласно одной из версий, свое неофициальное прозвище «винчестер» жесткий диск получил в 1973 году, когда был выпущен первый в мире HDD, в котором считывающие аэродинамические головки размещались в одной герметичной коробке с магнитными пластинами. Данный накопитель имел емкость 30 Мбайт плюс 30 Мбайт в сменном отсеке, из-за чего инженеры, которые трудились над его разработкой дали ему кодовое название 30-30, что было созвучно с обозначением популярного ружья, использующего патрон .30-30 Winchester. В начале девяностых годов название «винчестер» вышло из употребления в странах Европы и США, но до сих пор пользуется популярностью в русскоязычных странах. Также нередко можно услышать более сокращенную сленговую версию названия винчестер – «винт», употребляемую в основном компьютерными специалистами.

Да, это жёстко: история и перспективы HDD

В этом материале вы узнаете краткую историю жёстких дисков, их устройство, преимущества и недостатки, а также ближайшие перспективы развития подобных устройств. Материал подготовлен совместно со специалистом отдела корпоративных продуктов REG.RU Павлом Кишеней.

С чего всё начиналось

Необходимость хранить цифровые данные появилась сразу с изобретением первых компьютеров. Изначально объёмы информации были невелики и всё помещалось на бумажном носителе. Тексты программ операторы вводили в первые компьютеры в ручном режиме.

Следующим этапом в развитии носителей стала перфокарта — небольшой лист картона с отверстиями. При этом отсутствие отверстия обозначало цифру «1», а его присутствие — «0». Только двоичный код, только хардкор!

HDD или SSD? Как работают и что выбратьИсточник: Computerhope.com

Дальнейшим развитием технологий стали накопители на магнитной ленте. От них, в отличие от перфокарт, не отказались даже и сегодня: в некоторых финансовых организациях их используют до сих пор. Во многом это связано с высокой стоимостью и сложностью их замены на другие типы накопителей.

Первый жёсткий диск появился в 1956 году. Он был величиной с крупный шкаф и весил почти тонну.

HDD или SSD? Как работают и что выбратьИсточник: Thenextweb.com

Технологии постоянно совершенствовались, и уже в 1983 году появился всем привычный формат 3,5-дюймовых жёстких дисков, который широко распространён сегодня. При этом конструкция HDD также принципиально не менялась с того времени. Выросла только плотность упаковки информации.

Как работает HDD

Все накопители можно условно разделить на жёсткие диски (HDD) и твердотельные диски (SSD).

По строению HDD очень похожи на проигрыватели виниловых пластинок, в которых «пластинка» делает от 5 000 оборотов в минуту.

HDD или SSD? Как работают и что выбратьИсточник: Ixbt.com

Чем больше дисков, тем больший объём информации можно записать на устройство. HDD производят из композитных материалов, особого пластика и стекла. Сами магнитные диски покрываются специальным ферромагнитным материалом. Именно этот тонкий слой и будет хранить информацию.

Вся площадь делится на окружности — дорожки.

HDD или SSD? Как работают и что выбрать

Они, в свою очередь, делятся на отрезки, тем самым разделяя площадь всего диска на сектора. Если выделить все дорожки одного радиуса на всех пластинах, то получится цилиндр.

Так, чтобы получить доступ к отдельной ячейке памяти, нужно знать:

1. Номер цилиндра.

2. Номер головки чтения.

3. Номер сектора.

Основной недостаток жёстких дисков — большое количество движущихся частей. Со временем это приводит к отказу устройства, поэтому даже у самого надёжного HDD есть свой ограниченный ресурс. К физическим ограничениям производительности жёстких дисков относятся:

— ограничение скорости вращения самого диска;

— ограничение скорости перемещения считывающей головки;

— физическая инертность головки чтения-записи;

— плотность записи информации на единице площади пластины.

С твердотельными накопителями, которые появились значительно позже HDD (во второй половине 90-х), всё гораздо проще. Отсутствует понятие пластин, вместо них используются банки данных: на монтажной плате размещается некоторое количество MLC/SLC чипов, каждый из которых представляет собой условный банк данных. Данные на чипе хранятся постранично, что несколько напоминает структуру оперативной памяти.

HDD или SSD? Как работают и что выбратьИсточник: Go-radio.ru

Чтобы получить доступ к единичному объёму данных, нам потребуется:

1. Номер банка памяти.

2. Номер страницы памяти.

К физическим ограничениям твердотельных накопителей можно отнести скорость передачи информации внутри платы, а также скорость работы флеш-накопителей.

SSD в целом значительно быстрее HDD, но цена 1 гигабайта в них выше.

Как измеряется производительность жёстких дисков

Для оценки скорости жёстких дисков используются три метрики:

1. Скорость последовательной записи или чтения. При таких бенчмарках информация записывается или считывается в ячейки памяти, идущие по порядку. Средний показатель для большинства HDD — 200–300 Мбит/с .

2. Скорость случайной записи или чтения. В подобных тестах данные записываются или считываются в ячейках памяти из разных областей, не следующих по порядку. Средний показатель для большинства HDD — 50–100 Мбит/с.

3. Количество операций ввода/вывода в секунду (IOPS). Здесь оценивается количество блоков, которое успевает считаться или записаться на носитель за секунду. В среднем HDD показывают от 130 до 230 IOPS. В то же время SSD могут демонстрировать результаты в десятки тысяч IOPS.

Также дополнительно существует параметр времени доступа. Он показывает время задержки от момента получения запроса доступа к данным до момента начала передачи информации.

Перспективы развития HDD

Спрос на хранение больших массивов данных постоянно увеличивается, и потребность в HDD в ближайшие 10–15 лет будет сохраняться на достаточно высоком уровне.

Кроме того, есть методы, которые отчасти нивелируют некоторые недостатки HDD. Например, RAID-массивы для ускорения работы и повышения надёжности. Также существует специальное ПО, позволяющее сочетать накопители разных типов, в том числе HDD и SSD.

Технология HDD применяется как в обычных домашних компьютерах, так и в дата-центрах. Например, в серверном оборудовании REG.RU мы используем только производительные HDD и SSD. Кроме того, мы постоянно обновляем парк наших устройств (сейчас в нём более 7 500 жёстких дисков и 4 500 твердотельных накопителей), чтобы у пользователей всегда было самое свежее железо. Также мы:

— Используем подходящий тип дисков для каждой задачи. Для хранения — HDD, для файлов, к которым нужно обращаться часто, — SSD.

— Применяем технологии дисковых массивов для увеличения производительности, надежности и объёма. Например, RAID 1 для повышения надёжности накопителей или RAID 0 для увеличения скорости.

— Мониторим состояние накопителей на серверах REG.RU. Наш основной инструмент — встроенная утилита самодиагностики дисков S.M.A.R.T. Именно по её показаниям можно спрогнозировать оставшийся ресурс накопителя. Отслеживаемые параметры для жёстких дисков и твердотельных накопителей несколько отличаются. Общими показателями для них являются температура (Airflow_Temperature_Cel) и количество ошибок чтения (Raw Read Error Rate).

— Следим за новинками индустрии и предлагаем самые современные решения.

Закат эпохи HDD возможен, если совпадут два ключевых фактора:

1. Цена гигабайта SSD сравняется или станет ниже цены гигабайта HDD.

2. Весь развлекательный контент (фильмы, сериалы, игры и другое) окончательно переедет в облака, и пользователям не понадобится хранить локально большие массивы данных. Однако все эти облачные массивы всё ещё будет необходимо где-то хранить глобально. Поэтому при таком сценарии возможно исчезновение жёстких дисков с рынка потребительской электроники, но сохранение сильных позиций в дата-центрах.

Так что, несмотря на то, что SSD за последние 10 лет существенно сбросили в цене, а облачные сервисы привлекают своей простотой и удобством всё больше пользователей, как технология жёсткие диски будут актуальны ещё долгое время!

Поделитесь в комментариях, какой накопитель используется в вашем компьютере или ноутбуке. А если у вас есть какой-нибудь раритет вроде 5,25-дюймовой дискеты, перфокарты или старого IDE-HDD, также обязательно напишите в комментариях и приложите фотографию! Иначе мы не поверим!

Источник https://proglib.io/p/hdd-ili-ssd-kak-rabotayut-i-chto-vybrat-2020-09-12

Источник https://it.ros-kit.ru/help/computers/kak-rabotaet-zhestkiy-disk/

Источник https://www.reg.ru/blog/da-eto-zhyostko-istoriya-i-perspektivy-hdd/

Источник

Leave a Comment

Ваш адрес email не будет опубликован.