Жорстки́й диск,термін «жорсткий диск» деякими словниками комп'ютерних термінів розглядається як росіянізм (калька з ), що суперечить нормам української науково-технічної мови; замість нього пропонують варіант «твердий диск» (калька з ): http://tc.terminology.lp.edu.ua/TK_Wisnyk709/TK_wisnyk709_bulakhovs'kyj.htm або жорстки́й магні́тний дискДСТУ 2813-94 Носії магнітного запису. Терміни та визначення., або накопичувач на магнітних дисках (, ), у комп'ютерному сленгу — «вінчестер» (від маркування набоїв гвинтівки «Вінчестер», ) — магнітний диск, основа якого виконана з жорсткого твердого матеріалу (скла, алюмінію тощо).ДСТУ 2737-94 Записування і відтворення інформації. Терміни та визначення. У більшості ЕОМ виконує функцію енергонезалежного носія інформації (комп'ютерної пам'яті чи накопичувача інформації) з довільним доступом ().

Основні ознаки та будова На відміну від дискети, що виготовляється на основі гнучкого (лавсанового) магнітного ​​диска, інформація у твердому магнітному диску записується шляхом намагнічування шару феромагнітного матеріалу (діоксиду заліза у минулому чи сплаву кобальту тепер), що нанесений на поверхні твердих (алюмінієвих, скляних або композитних) пластин у формі диска. У твердих магнітних дисках використовується одна або декілька пластин, встановлених на одному шпинделі. Голівки зчитування-запису у робочому режимі не мають торкатися поверхні пластин завдяки прошарку повітря, що постійно набігає (утворюється біля поверхні дискових пластин при швидкому обертанні). Слід зазначити, що на ранніх екземплярах торкання головок могло бути звичайним явищем. Відстань між голівкою і робочою поверхнею дискової пластини становить декілька нанометрів (у сучасних дисках близько 10 нмСкотт Мюллер Модернизация и ремонт ПК, 19-е издание.— М.: Вильямс 2011.— 1070 c. ISBN 978-5-8459-1497-2, 978-0-7897-3697-0), а відсутність механічного контакту забезпечує тривалий термін експлуатації пристрою. За відсутності обертання дисків та за належного вимкнення диску їх головки знаходяться поблизу шпинделя або за межами диска у безпечній (паркувальній) зоні, де унеможливлюється їх нештатний контакт з поверхнею дисків.

Також, на відміну від гнучких дисків, у твердих магнітних дисках носій інформації (магнітний диск) сполучений в єдиний пристрій з іншими вузлами накопичувача (засобами запису і зчитування, приводом та блоком електроніки). Такий твердий диск переважно використовуються як стаціонарний (незнімний) носій інформації.

Історична довідка

Тверді диски були введені у використання фірмою IBM у 1956 році як сховище даних для обчислювальних машин реального часу обробки транзакційIBM 350 disk storage unit і надалі адаптовані до багатоцільового використання з мейнфреймами та міні-ЕОМ. Перший диск IBM, 350 RAMAC, був приблизно розміром у два холодильники і міг зберігати 5 мільйонів 6-бітових символів (що еквівалентне 3,75 млн байтів) на стосі з 50 дисків.

У 1961 році IBM представила модель диску 1311, яка була розміром із пральну машину і могла зберігати до двох мільйонів символів на знімній касеті з твердими магнітними дисками. Користувачі могли придбати додаткові касети і змінювати їх в міру потреби так само, як бобіни з магнітною стрічкою. Пізніші моделі накопичувачів зі змінними касетами твердих дисків від IBM та інших виробників стали нормою у більшості конфігурацій обчислювальних машин і місткість їх сягнула до 300 мегабайт на початку 1980-х років. На відміну від них, незмінні тверді диски отримали назву «фіксовані диски» ().

На початку 1970-х IBM почала розробку нового типу твердого диска під кодовою назвою «Вінчестер». Його основною відмінною рисою було те, що голівки запису-зчитування диска не виводились повністю зі стосу пластин диска при його вимиканні. Замість цього, голівки «приземлялись» на спеціальній поверхні диска при вимкненні живлення й приводились знову у робоче положення при ввімкненні. Це рішення значно знизило вартість механізму привода голівок, але ускладнило умови видалення всієї касети з дисками з привода. У перших моделях дисків, побудованих за «вінчестер технологіями», диски виконувались у вигляді знімних модулів, що містили диски та голівки зчитування. Пізніше IBM відмовилась від концепції знімних накопичувачів інформації та повернулась до стаціонарних конструкцій.

У 1973 році фірма IBM випустила твердий диск моделі 3340 для використання з ЕОМ IBM System/370, що вперше об'єднав в одному нерознімному корпусі пластини диска й головки запису-зчитування. Під час його розробки інженери використали коротку внутрішню назву «30-30», що означало два модулі (у максимальному компонуванні) по 30 Мб кожний. Кеннет Хотон (), керівник проєкту, через співзвучність назви з позначенням набою .30-30 Winchester популярної мисливської рушниці , запропонував назвати цей тип диска «вінчестером», звідки ймовірно і походить кодова назва проєктуIBM Archives: IBM 3340 direct access storage facility .

Як і в першому знімному диску, у першому накопичувачі типу «вінчестер» використовувалися пластини розміром 14 дюймів (360 мм) у діаметрі. Через декілька років з'явились приводи з 8-дюймовими пластинами, а потім диски з 5,25 дюймовим (130 мм) форм-фактором (монтажна ширина еквівалентна тій, яку на той час використовували дисководи гнучких дисків). Останні були у першу чергу призначені для тоді молодого ринку персональних комп'ютерів.

На початку 1980-х років тверді диски були рідкісними й дуже дорогими і розглядались як додаткові опції на ПК, проте наприкінці 1980-х років їх вартість була зменшена до рівня, де вони стали стандартом для всіх, окрім найдешевших ПК. З часом, ємність твердого диска зросла в тисячі разів, хоча його конструкція принципово не дуже змінилась.

Конструкція

Існує багато типів твердих дисків, але всі вони складаються з одних і тих же вузлів із спільним принципом роботи. Основні елементи конструкції наступні: пластини магнітних дисків на спільному шпинделі; голівки читання/запису; механізм привода голівок (коромисло із сервоприводом); двигун привода дисків; друкована плата з електричними схемами керування; кабелі і гнізда роз'ємів кабелів живлення і передачі даних; елементи конфігурування (перемички і перемикачі). Диски, двигун приводу дисків, голівки і механізм приводу голівок зазвичай поміщаються в герметичному корпусі, що має назву «гермоблок» або «блок голівок і дисків» (). Інші вузли, що не входять у гермоблок (друкована плата керування, лицева панель, елементи конфігурування тощо), є знімними і поміщаються ззовні гермоблока.

Гермоблок

Більшу частину конструкції твердого диска займає цільний металевий корпус, що захищає магнітні пластини і точну механіку від впливів навколишнього середовища. Гермоблок — це герметична область пристрою, захищена від пилу та інших дрібних частинок. Гермоблок необхідний, оскільки, навіть дуже дрібна частинка, якщо вона потрапить у вузький зазор між голівкою й поверхнею диска, може пошкодити чутливий магнітний шар і вивести з ладу твердий диск. Також корпус захищає накопичувач від електромагнітних перешкод, тобто відіграє роль екрана. Внутрішній простір гермоблоку заповнений звичайним, але повністю очищеним від пилу повітрям. Ним не заповнюють гермоблок спеціально. Просто складання здійснюється в приміщенні, де на один кубічний метр повітря припадає менше ста частинок пилу.

Герметичність Однак, незважаючи на таку назву, гермоблок не повністю герметичний. Для вирівнювання його внутрішнього тиску з атмосферним, у корпусі робиться отвір, який закритий щільним фільтром пилу. У процесі роботи пластини обертаються, створюючи потік циркуляції повітря. Цей потік проходить крізь ще один фільтр, який забезпечує додаткове очищення.

Магнітна пластина твердого диска Магнітна пластина переважно виготовляється з легких сплавів на основі алюмінію. Є моделі, в яких пластини виготовлені з кераміки чи спеціального скла. На поверхню пластин, незалежно від їх складу, для надання магнітних властивостей наноситься методом вакуумного напилення шар кобальту. Структура магнітного покриття містить велику кількість мікроскопічних областей, що називають доменами. У процесі запису, магнітна голівка створює зовнішнє магнітне поле, яке, впливаючи на домен, змінює вектор його намагніченості. Після того, як зовнішнє поле зникає, на поверхні диска утворюються зони залишкової намагніченості. Саме за таким принципом і здійснюється запис і зберігання інформації на магнітних дисках. Процес зчитування відбувається наступним чином: в магнітній головці, коли вона опиняється навпроти ділянки залишкової намагніченості, індукується електрорушійна сила (у перших конструкціях) або змінюється електричний опір (у нових конструкціях), що і дозволяє зчитувати інформацію. Кількість пластин в накопичувачі може бути різною. У кожної пластини є дві робочі поверхні, але в певних моделях використовуватись може тільки одна. (непарна кількість головок)

Магнітні голівки твердого диска Магнітна головка має досить складну будову і містить мікроскопічні елементи, виготовлення яких здійснюється методами фотолітографії. Для різних моделей твердих дисків кількість магнітних голівок може бути від 1 до 8. Встановлення, а також утримання голівки на магнітній доріжці забезпечує електромагнітна система позиціювання. Існує багато конструкцій механізмів привода голівок, але їх можна розділити на два основних типи: з кроковим двигуном; з рухомою котушкою.

Характеристики цього привода багато у чому визначають швидкодію і надійність накопичувача, достовірність зчитування даних, його температурну стабільність, чутливість до вибору робочого положення і вібрацій. Слід зазначити, що диски із приводами на основі крокових двигунів є менш надійними, ніж пристрої із приводами від рухомих котушок.

Для здійснення запису даних використовується індуктивна голівка. Записувана інформація перетворюється голівкою у змінне магнітне поле. Цим полем намагнічується ділянка магнітного диска. Недоліком індуктивної голівки є те, що вона не підходить для читання інформації через залежність амплітуди сигналу зчитування від швидкості переміщення магнітного покриття та суттєвого впливу магнітних шумів. З цієї причини, для читання інформації застосовуються магніторезистивні голівки типів MRH (Magneto-Resistive) або GMR (GiantMagneto-Resistive). Подібні головки являють собою резистор, що змінює свій опір залежно від напруженості магнітного поля. Головна перевага полягає в тому, що амплітуда практично не залежить від швидкості зміни магнітного поля. Використання магніторезистивних голівок дозволяє збільшити надійність зчитування інформації, а також збільшити граничну щільність запису.

До моменту «зльоту» на повітряній подушці, голівки труться об поверхню пластин в спеціально відведеній ділянці диска, званому «паркувальна зона». У процесі роботи магнітні головки знаходяться на відстані в частки мікрона від поверхні магнітних пластин. Після вимкнення живлення, контролер твердого диска проводить автоматичне паркування голівок.

Двигун привода дисків

Стабільне обертання пластин, змонтованих на осі (шпинделі), забезпечує шпиндельний трифазний двигун. Усередині двигуна містяться три обмотки, які включені зіркою з відведенням посередині. Ротор являє собою постійний секційний магніт. Щоб забезпечити малі биття на високих обертах, в сучасних твердих дисках використовуються гідродинамічні підшипники.