Устройство жёсткого диска: как работает HDD и чем он отличается от SSD

Жёсткий диск — один из самых точных механических приборов в обычной жизни, скрытый в корпусе компьютера. Внутри него металлические пластины вращаются тысячи раз в минуту, а над ними на расстоянии в тысячи раз меньше толщины волоса плывёт головка размером с песчинку. И при этом он вмещает терабайты данных и хранит их годами. Хотя твердотельные накопители вытесняют HDD из ноутбуков, жёсткие диски остаются в домашних хранилищах, серверах и архивах. Ниже — из чего состоит HDD, как он записывает и читает данные, чем отличается от SSD, почему щёлкает и что делать, если диск заболел.

Из чего состоит жёсткий диск

Внутри закрытого корпуса находятся движущиеся части, снаружи — плата с электроникой.

Часть	Что делает
Пластины	Диски из алюминиевого сплава или стекла, покрытые тонким магнитным слоем; на них хранятся данные
Шпиндель и мотор	Ось, на которой сидят пластины, и мотор, вращающий их с постоянной скоростью
Головки чтения и записи	Крошечные элементы на конце рычага: записывают магнитные метки и считывают их
Блок головок и рычаг	Стойка с несколькими рычагами, по головке на каждую сторону пластины
Привод головок	Катушка в поле магнита: быстро и точно поворачивает рычаг, перемещая головки по пластине
Плата контроллера	Управляет мотором и приводом, кодирует данные, общается с компьютером по интерфейсу
Кэш-память	Небольшая быстрая память на плате: копит данные при чтении и записи
Корпус с фильтром	Защищает пластины от пыли, фильтр внутри собирает частицы
Интерфейс	Разъём (SATA) для подключения к компьютеру и питанию

Как диск встроен в компьютер и что с ним связано, показано в обзоре устройства компьютера.

Как жёсткий диск записывает и читает

Данные лежат на пластине на концентрических кольцах — дорожках, а те разделены на секторы. Каждый участок — область магнитного слоя, намагниченная в одном из двух направлений. Такое различие означает ноль или единицу.

1. Компьютер просит данные. Система запрашивает нужный файл и передаёт диску адрес блока.
2. Контроллер переводит адрес в положение. Он вычисляет, на какую дорожку и в какой сектор нужно попасть.
3. Привод перемещает головку. Катушка поворачивает рычаг, и головка оказывается над нужной дорожкой. Это время называют временем поиска.
4. Пластина поворачивается. Головке приходится ждать, пока нужный сектор придёт под неё. Такая задержка называется латентностью.
5. Головка читает. Она чувствует, как меняется намагниченность участков, проходящих под ней, и превращает изменения в электрические сигналы.
6. Контроллер декодирует и отправляет. Сигналы превращаются в биты, проверяются на ошибки и уходят в компьютер, а копия остаётся в кэше.
7. При записи всё наоборот. Ток в катушке головки создаёт магнитное поле, которое переворачивает намагниченность нужных участков.

Головка не касается пластины: вращение увлекает воздух, и головка держится на воздушной подушке толщиной всего несколько нанометров. Поэтому удар по работающему диску так опасен: головка может коснуться поверхности и повредить магнитный слой. Когда диск выключается, головки уходят на безопасную площадку вне пластин, это называется парковкой. Про физику магнитов — в статье как работает магнит.

Объём, скорость вращения и черепичная запись

Объём диска зависит от плотности записи: чем мельче намагниченные участки и уже дорожки, тем больше данных помещается на пластине. Скорость вращения влияет на латентность: при 7200 оборотах в минуту нужный сектор приходит под головку быстрее, чем при 5400, но диск шумнее и горячее. Диски на 5400 берут для тихих домашних хранилищ, на 7200 и выше — для рабочих компьютеров и серверов.

Чтобы увеличить объём, в некоторых дисках применяют черепичную запись: соседние дорожки частично перекрывают друг друга, как черепица на крыше. Данных помещается больше, но перезаписать середину такой «черепицы» нельзя, не переписав и соседние, поэтому при частой перезаписи такой диск работает медленнее. Для архива и записи больших файлов подходит, для системного диска нет.

HDD и SSD

SSD — твердотельный накопитель. Он не имеет пластин и головок: данные хранятся в ячейках флеш-памяти, транзисторах с особым слоем, который удерживает электрический заряд. Контроллер распределяет запись по ячейкам и следит за износом.

Что сравниваем	HDD	SSD
Как хранит	Магнитные участки на вращающихся пластинах	Заряд в ячейках флеш-памяти
Скорость	Ограничена механикой: поиск и вращение	Много выше, мгновенный доступ
Шум	Слышны вращение и щелчки	Тихий
Ударостойкость	Боится ударов при работе	Нет движущихся частей
Цена за гигабайт	Ниже, поэтому подходит для больших архивов	Выше, но снижается
Износ	Механика и подшипники	Ограниченное число циклов записи ячеек

Как выбрать твердотельный накопитель, описано в статье как выбрать SSD, а как файлы раскладываются на любом диске — в статье что такое файловая система.

Интересные факты

• Почему диск нельзя трясти при работе. Головка парит на нанометровом зазоре. Толчок может её опустить на пластину: это называют посадкой головки, после неё на поверхности остаются повреждённые участки.
• Почему корпус диска не совсем герметичен. Корпус защищён от пыли, но у обычных дисков есть маленькое отверстие с фильтром, которое выравнивает давление воздуха внутри и снаружи. Вскрывать диск в обычной комнате нельзя: даже пылинка между головкой и пластиной может поцарапать магнитный слой.
• Почему копировать много мелких файлов долго. Головке приходится перескакивать по дорожкам. Один большой файл читается последовательно и намного быстрее.
• Почему удалённый файл ещё можно восстановить. При удалении система обычно лишь помечает место свободным, а сами магнитные метки остаются, пока поверх не запишут другие данные.

Как проверить состояние диска

Диск ведёт собственный журнал самодиагностики SMART, который можно посмотреть в бесплатных утилитах. Особенно важны три показателя: число переназначенных секторов (диск нашёл плохие участки и заменил их запасными), число нестабильных секторов, которые ждут проверки, и температура. Если первые два растут, диск деградирует, и данные нужно скопировать, не дожидаясь отказа. Чем прохладнее диск, тем дольше он проживёт: постоянный нагрев ускоряет износ подшипников и деталей привода. Но нулевые значения в SMART не гарантируют, что диск не откажет завтра: часть поломок, например удар или отказ платы, диагностика предсказать не может.

Почему жёсткий диск ломается и на что смотреть

• Тормозит, зависает, файлы читаются с трудом. Появляются нечитаемые секторы: поверхность или головка изнашиваются.
• Ритмичные громкие щелчки или скрежет, диск пропал. Головки не могут найти служебную информацию или повреждены. Это серьёзный признак, при котором лучше выключить компьютер.
• Гул и вибрация. Износ подшипников шпинделя, диск плохо закреплён.
• Перегрев. Плохой обдув, пыль; горячий диск быстрее изнашивается.
• Диск не определяется. Отошёл шлейф, отказал контроллер на плате, не работает мотор.
• Предупреждения SMART. Система сама сообщает о деградации: пора копировать данные.

Если диск начал щёлкать, стучать или пропал, главное правило — перестать включать его и не пытаться «оживить». Каждое включение может добавить повреждений. Чем меньше диск работает после сбоя, тем больше шансов, что специалисты вернут данные. Не стоит вскрывать корпус, охлаждать диск в холодильнике или запускать программы «лечения», которые пишут на диск. Если данные важны, обратитесь к специалистам по восстановлению данных с жёсткого диска. Лучшая защита — копия. Для важных данных есть правило «3-2-1»: три копии на двух разных типах носителей, одна из них хранится отдельно от остальных, например в другом месте. Диск может отказать в любой момент, и копия важнее всякой диагностики.