همه آنچه باید از تکنولوژی هارددیسک ها بدانید!

هارددیسک درایوها (Hard Disk Drives) که به اختصار HDD خوانده می‌شوند، اصلی‌ترین وسیله ذخیره‌سازی کامپیوتر تلقی می‌شوند و اغلب سیستم عامل، برنامه‌های نرم‌افزاری و سایر پرونده‌ها را ذخیره می‌کنند و می توان آنها را در کامپیوترهای رومیزی، دستگاه‌های تلفن همراه، لوازم الکترونیکی مصرفی و آرایه‌های ذخیره‌سازی سازمانی در دیتاسنترها مشاهده کرد.

کامپیوترها برای ذخیره دائمی داده‌های خود و بازیابی آنها،‌ به هارددیسک‌ها متکی هستند. وقتی گفته می‌شود هارددیسک‌ها غیرفرار (non-volatile) هستند به این معنی است که در صورت قطع جریان برق، داده‌ها را در سیستم حفظ می کنند. بنابراین اطلاعات در آنان، ایمن و دست‌نخورده باقی می‌مانند، مگر اینکه بر اثر ضربه شدید یا سایر مشکلات سخت‌افزاری دچار مشکل شوند.

توجه داشته باشید که «هارددیسک درایو» و «هارددیسک» یکی نیستند، اما چون به عنوان یک واحد پک شده‌اند، هر دو می توانند در کلام به یک چیز واحد اشاره داشته باشد.

اجزای HDD و نحوه کار آن

• اجزای اصلی تشکیل‌دهنده یک هارددیسک درایو عبارتند از:
• ۱. کنترل‌کننده مرکزی یا Actuator
• ۲. بازوی مکانیکی یا Head Arm
• ۳. هد یا هدِ خواندن/ نوشتن یا Read/Write Head
• ۴. دیسک یا Platter
• ۵. موتور چرخان دیسک‌ها یا Spindle

مقاله مرتبط:

• اجزای تشکیل دهنده هارد چیست؟
• بهترین هارد دیسک؛چه هاردی برای خرید مناسب است؟

در جایی که سیستم‌عامل نیاز به ذخیره یا بازیابی داده‌ها را داشته باشد، دیسک کنترلر وارد عمل می‌شود و دستور موردنظر را برای کنترل‌کننده مرکزی (Actuator) ارسال می‌کند. Actuator به عنوان مغز هارددیسک موظف است بازوی مکانیکی هد (Head Arm) را به قسمت‌های مختلف پلاتر (Platter) هدایت کند. آن‌گاه قسمت هد (Head) با توجه به دستور داده شده (خواندن یا نوشتن) کار خود را انجام دهد .از موتور برای چرخاندن پلاترهایی که داده ها را در خود دارند با حداکثر ۱۵۰۰۰ دور در دقیقه (RPM) چرخش استفاده می شود (هرچه تعداد دور در دقیقه بیشتر باشد، عملکرد سریعتر می شود). همزمان با چرخش صفحه، موتور دوم موقعیت هدهای خواندن/نوشتن را کنترل می کند که به صورت مغناطیسی داده‌ها را در مسیرهای هر صفحه نوشته یا اطلاعات را از آنها می‌خوانند.

نوشتن به این صورت است که داده‌ها توسط هد به صورت صفر و یک در فضای ذخیره‌سازی پلاتر ذخیره شود و خواندن هم به این صورت که هد  داده های مغناطیسی صفر ویک را از روی پلاتر بخواند و به کنترل‌کننده مرکزی بفرستد.

HDDهای اکسترنال (خارجی)

بیشترHDDها از نوع اینترنال یا داخلی هستند و همانطور که در بالا توضیح داده شد ‌کار می‌کنند. با این حال، برای افزایش ظرفیت ذخیره سازی یا تهیه یک نسخه پشتیبان (بک‌آپ) از اطلاعات، امکان خرید و استفاده از  HDDهای اکسترنال هم وجود دارد. یک هارد اکسترنال می‌تواند از طریق رابط USB 2.0 یا با eSATA به کامپیوتر متصل شود. البته معمولاً سرعت انتقال داده در هاردهای اکسترنال کمتر از اینترنال است.

تاریخچه هارد دیسک درایوها

هارددیسک‌ها در سال ۱۹۵۳ توسط مهندسان IBM ابداع شدند. آنها می خواستند راهی برای دستیابی به ظرفیت های بالای داده با هزینه کم پیدا کنند. نخستین هارد درایوهای ساخته شده ابعادی به اندازه یک یخچال فریزر داشتند، و می‌توانستند ۳.۷۵ مگابایت داده را ذخیره کنند. Memorex، Seagate  و Western Digital دیگر فروشندگان اولیه فناوری هارددیسک درایو بودند. همچون سایر دستگاه‌های الکترونیکی، هارددیسک‌ها نیز طی سالیان، شاهد پیشرفتهای بیشماری در فن‌آوری بوده‌اند. این پیشرفت‌ها از نظر ظرفیت، اندازه، شکل، ساختار داخلی، عملکرد، رابط کاربری (اینترفیس)، و حالت های ذخیره سازی داده ها است. این تغییرات متعدد در طول سالها باعث شده است که استفاده از HDDها  برخلاف بسیاری از دستگاهها که در مدت کوتاهی پس از معرفی منسوخ شدند، هنوز هم رواج داشته باشد. به عنوان مثال اندازه فرم فاکتور هارددیسک‌ها همچنان با پیشرفت تکنولوژی کاهش می یابد. در اواسط دهه ۱۹۸۰، فاکتورهای ۳.۵ و ۲.۵ اینچی معرفی شدند و در این زمان بود که آنها برای اولین بار در کامپیوترهای شخصی استاندارد شدند. از زمان توسعه این فناوری، تراکم درایو دیسک سخت افزایش یافته است. اولین درایوهای دیسک سخت قادر به ذخیره مگابایت داده بودند، در حالی که امروز در محدوده ترابایت (TB) قرار دارند. هیتاچی اولین هارد دیسک های ۱ ترابایتی را در سال ۲۰۰۷ منتشر کرد. در سال ۲۰۱۵ ، HGST  اولین هارد دیسک ۱۰ ترابایتی را معرفی کرد.

پیشرفت های فناوری HDD

در چشم‌انداز سازمان بی‌المللی ASTC، عنوان شد که ظرفیت هارددیسک‌ها تا سال ۲۰۲۵ به ۱۰۰ ترابایت افزایش خواهد یافت. در سال های آینده HDD ها برای تقویت ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات خود، بسیاری از فن آوری های جدید نوشتن را به کار می گیرند. در این قسمت به مرور فناور‌ی‌هایی می پردازیم که تا به امروز در ساخت هارددیسک‌ها به کار رفته‌اند:

۱. PMR، SMR و هلیومی

هارد دیسک های مدرن مبتنی بر تکنولوژی‌های  PMR (perpendicular magnetic recording) و SMR (shingled magnetic recording) هستند. درایوهای مبتنی برتکنولژی ضبط مغناطیسی عمودی که به اختصار PMR خوانده می‌شوندحدود یک دهه است که وجود داشته و به لطف عملکرد متوالی نسبتاً بالا، هزینه کم برای هر گیگابایت و قابلیت اطمینان تقریباً مناسب، برای سالهای سال نیز محبوب خواهند ماند.

درHDDهایی  که از تکنولوژی ضبط مغناطیسی پوششی یا همان SMR بهره می‌گیرند، ‌ْtrackها یا شیارهای مغناطیسی که هربار نوشته می‌شوند، با شیار قبلی همپوشانی دارند، بنابراین با افزایش فضای نوشتن امکان ذخیره‌سازی داده‌های بیشتری را فراهم می‌کنند ولی در مقابل سرعت نوشتن آنها کمتر است. زیرا باتوجه به پوششی بودن طراحی‌شان، به بازنویسی مجدد شیارهای مجاور قبل از هر دستورالعملی نیاز دارند که این خود فرایندی زمانبر است. در حالی که SMR امکان افزایش تراکم منطقه‌ای (areal density) هارددیسک‌ها به ۱.۱ ترابایت در اینچ مربع یا حتی بیشتر را فراهم می‌کند، عملکرد این نوع HDDها ممکن است در مقایسه با عملکرد دستگاه های مبتنی بر PMR پایین‌تر باشد. به همین دلیل شرکت‌های سازنده برای جبران یا حتی “پنهان کردن” این ویژگی‌های SMR، که سبب کندی عملکردشان می‌شود ، سیستم عامل ویژه یا حتی برنامه های نرم افزاری را طراحی کرده‌اند که از چنین هارد درایوهایی در دیتاسنترشان استفاده می‌کنند.

امروزه برای افزایش ظرفیت هارددیسک‌های PMR و SMR بدون افزایش تراکم عرضی، سازندگان HDD باید پلاترهای بیشتری را در دستگاه‌های خود نصب کنند. در حالی که به لطف فناوری‌های جدید امکان قرار دادن شش دیسک در یک HDD استاندارد ۳.۵ اینچی وجود دارد ، اما پلاترهای بیشتری نیاز به طراحی مجدد عمده و استفاده از هلیوم در داخل درایوها دارند. تراکم هلیوم یک هفتم هوا است ، که باعث کاهش نیروی کشش روی دیسک در حال چرخش می شود و نیروهای جریان سیال را که روی صفحه ها و سرها تأثیر می گذارد کاهش می دهد. تراکم کمتری از هلیوم اجازه می دهد تا امروز هفت دیسک را در یک درایو قرار دهید، مصرف برق موتورهای HDD را کاهش دهید و دقت موقعیت بازو را بهبود ببخشید، چیزی که برای تراکم بیت بالا نیز مهم است. متأسفانه ، ساخت HDD های پر شده از هلیوم با مهر و موم کاملاً گران قیمت تولید نمی شوند ، به همین دلیل در حال حاضر آنها برای مراکز داده قرار گرفته اند.

HGST (شرکت تابعه وسترن دیجیتال)، اولین هارد دیسک هلیومی را در سال ۲۰۱۲ معرفی کرد. هلیوم نسبت به هوا تراکم کمتری دارد، خنک‌تر و سبک‌تر است و بنابراین می تواند در مقایسه با هارددیسک‌های سنتی، انرژی کمتری مصرف کند، تراکم درایو را افزایش دهد و عملکرد را بهبود بخشد. در سال ۲۰۱۶ ، Seagate نیز هارد دیسک هلیومی ۱۰ ترابایتی خود را معرفی کرد.

۲.TDMR

در اوایل سال ۲۰۱۵ سی‌گیت اعلام کرد که قصد دارد فروش هارددیسک‌‌هایی با فناوری ضبط مغناطیسی دو بعدی (TDMR)  را در چند سال آینده آغاز کند.

فناوری TDMR با باریک‌تر و بلندتر کردن مسیرها یا همان شیارهای HDD امکان افزایش تراکم منطقه‌ای هارددیسک‌ها را فراهم می‌کند. از آنجا که شیارها باریک‌تر از هدهای خواندن مغناطیسی واقعی می‌شوند، انجام عملیات خواندن سخت‌تر خواهد شد زیرا شیارهای مجاور باعث ایجاد تداخل بیش از حد بین ‌مسیرها می شوند. به این پدیده تداخل بین مسیرها یا ITI (inter-track interference) گفته می‌شود. HDD‌های دارای فناوری TDMR با خواندن داده‌ها از چند مسیر اطراف و سپس تعیین نیاز به داده‌ها، با ITI مقابله می‌کنند. این صنعت در حال کار بر روی چندین پیاده سازی TDMR است. با استفاده از یک هد خواندن می توان داده ها را از مسیرهای مجاور خواند، اما این امر عملکرد HDD ها را تا حد زیادی کاهش می دهد. متناوباً، می توان از آرایه ای از هدها برای خواندن داده ها از مسیرهای مختلف استفاده کرد. با اینکه این  روش تضمین کننده عملکرد نسبتاً خوب است، اما ساخت مجموعه‌ی پیچیده‌ای از چندین ریدر (Reader) بسیار دشوار است. طبق گفته Seagate ، TDMR به سازندگان HDD اجازه می‌دهد تا تراکم منطقه را ۵ تا ۱۰ درصد افزایش دهند. علاوه بر این، همچنین مشکلات ITI را که احتمالاً در آینده رخ خواهد داد ، حل می‌کند. در نتیجه، منطقی است که انتظار داشته باشیم همه سازندگان HDD از فناوری ضبط مغناطیسی دو بعدی در آینده استفاده کنند.

۳. HAMR

ضبط مغناطیسی به کمک گرما یا HAMR، یک فناوری ذخیره مغناطیسی داده‌هاست که با حرارت دادن موقت متریال دیسک توسط لیزر در حین نوشتن، ظرفیت ذخیره‌سازی را بالا می‌برد. هارددیسک های دارای فناوری HAMR دارای تراکم منطقه ای به مراتب بالاتر – در حدود ۱.۵ ترابایت در هر اینچ مربع در ابتدا و  ۲ ترابایت در هر اینچ مربع اندکی پس از معرفی – و قادر به ذخیره سازی داده های قابل توجهی بیشتر از HDD های امروزی با تکنولوژی ضبط عمود هستند. این روش مقرون به صرفه است زیرا لیزر مورد استفاده انرژی کمی مصرف می‌کند. با اینحال این روش نیز خالی از اشکال نبوده و مشکلات خاص خود را دارد.

فناوری هایی مانندTDMR ، HAMR  یا BPMR توسط تولیدکنندگانی مانندSeagate ،Western Digital  و Toshiba به مرحله تولید رسیده‌اند. با این حال ، بسیاری از شرکت‌ها و دانشگاه‌ها هستند که فنآوری های مربوط به هارد دیسک‌های آینده را بررسی می‌کنند. به عنوان مثال، قابلیت اطمینان HDDهای مبتنی بر HAMR چیزی است که توسط کل صنعت مورد بررسی قرار می گیرد، نه فقط توسط سی گیت یا وسترن دیجیتال. چنین رویکرد مشارکتی و با ادامه سرمایه گذاری در تحقیقات بنیادی ضبط مغناطیسی ، احتمال پیشرفت های بسیاری در زمینه فناوری را افزایش می دهد

اگر HDD در سال ۲۰۳۵ در بازار باقی بماند ، به این معنی است که این فناوری در آن زمان حدود ۸۰ سال در خدمت بشر بوده است، که برای هر صنعت هایتک (High-Tech) یک دوره بسیار طولانی است.