Cakram keras

Cakram keras atau piringan keras (bahasa Inggris: "harddisk" atau "hard drive" (disingkat HD) atau "harddisk drive" (disingkat HDD)) adalah sebuah komponen perangkat keras yang menyimpan data sekunder dan berisi piringan magnetis. Diska keras diciptakan pertama kali oleh insinyur IBM, Reynold Johnson pada tahun 1956. Diska keras pertama tersebut terdiri dari 50 piringan berukuran 2 kaki (0,6 meter) dengan kecepatan rotasinya mencapai 1.200 rpm (rotation per minute) dengan kapasitas penyimpanan 4,4 MB. Diska keras zaman sekarang sudah ada yang hanya selebar 0,6 cm dengan kapasitas 750 GB. Kapasitas terbesar diska keras saat ini mencapai 14 TB dengan ukuran standar 3,5 inci.
Data yang disimpan dalam diska keras tidak akan hilang ketika tidak diberi tegangan listrik, yakni: "penyimpan tak gabar" atau "mantap" (bahasa Inggris: nonvolatile). Dalam sebuah diska keras, biasanya terdapat lebih dari satu piringan untuk memperbesar kapasitas data yang dapat ditampung.
Dalam perkembangannya kini diska keras secara fisik menjadi semakin tipis dan kecil namun memiliki daya tampung data yang sangat besar. Diska keras kini juga tidak hanya dapat terpasang di dalam perangkat (internal) tetapi juga dapat dipasang di luar perangkat (eksternal) dengan menggunakan kabel USB ataupun FireWire.
Karena sifatnya yang rapuh dan tidak tahan guncangan, diska keras bisa dikategorikan sebagai barang pecah-belah.

Teknologi

Sebuah cakram keras menyimpan data dengan cara memagnetkan selaput tipis material ''ferromagnetik'' pada piringan. Urutan perubahan arah pemagnetan akan mewakili data biner bit. Pembacaan data dari piringan dengan cara mendeteksi perubahan pemagnetan. Data pengguna disandikan menggunakan skema pengkodean yang menentukan bagaimana data ditampilkan ulang berdasarkan perubahan medan magnet.
Umumnya cakram keras terdiri dari sebuah poros (spindle) yang menjaga putaran piringan (platter) tempat data disimpan. Piringan terbuat dari bahan non-magnetis, biasanya alumunium alloy, kaca atau keramik yang dilapisi satu lapisan tipis bahan magnetis setebal 10-20 nanometer yang kemudian dilapisi karbon sebagai pelindung terluar. Sebagai perbandingan, tebal selembar kertas standar adalah 0,07 - 0,18 millimeter.
Piringan pada cakram keras modern berputar secara bervariasi mulai dari 4.200 ppm pada perangkat ringan hemat energi sampai 15.000 ppm untuk server berkinerja tinggi. Cakram keras generasi pertama berputar pada kecepatan 1.200 ppm. Generasi berikutnya menggunakan kecepatan 3.600 ppm dan pada umumnya saat ini bekerja pada 5.400 - 7.200 ppm.
Informasi dibaca dan ditulis pada piringan berputar melalui alat pembaca-tulis (disk read and write head) yang bekerja sangat dekat (sekitar 10 nanometer) di atas permukaan piringan magnetis. Pembaca-tulis ini dipergunakan untuk mendeteksi dan mengubah kemagnetan media yang ada di bawahnya.
Pada cakram modern ada satu pembaca-tulis yang terpasang pada lengan bertuas untuk masing-masing permukaan piringan. Sebuah lengan bertuas menggerakan pembaca-tulis seperti busur melintasi piringan yang berputar, memungkinkan masing-masing pembaca-tulis mengakses hampir seluruh permukaan piringan. Lengan ini digerakan menggunakan motoran penggerak lengan sistem gulungan. Cakram keras model lama menuliskan data secara tetap dalam bit per detik, sehingga setiap alur memiliki ukuran data yang sama. Model terbaru (sejak tahun 1990an) menggunakan sistem perekaman area bit (zone bit recording) yang bisa menambah kecepatan penulisan dari piringan area terdalam ke area terluar. Dengan demikian data yang tersimpan di area terluar akan lebih banyak.
Pada cakram modern, kecilnya ukuran bidang magnetis membahayakan area kemagnetannya dari kemungkinan kehilangan karena efek panas (superparamagnetism). Untuk mengatasi hal ini, piringan dilapisi dengan dua lapisan magnetis sejajar, dipisahkan sejauh 3 atom menggunakan bahan non-magnetis ruthenium dan dua lapisan bermagnet yang arahnya bersebrangan saling memperkuat satu sama lain. Teknologi lain digunakan untuk mengatasi efek panas yang memungkinkan perekaman dengan kepadatan tinggi dibuat pertama kali tahun 2005 dan pada tahun 2007 teknologinya sudah banyak dipakai pada cakram keras.

Komponen

Umumnya cakram keras memiliki dua motor listrik. Satu motoran poros pemutar cakram dan satu motoran penggerak lengan untuk pembaca-tulis yang terpasang melintasi piringan berputar. Motoran cakram memiliki rotor yang terpasang pada piringan dengan gulungan terpasang pada tempat yang tetap. Bersebrangan dengan motor penggerak lengan pada ujung lengan terdapat alat pembaca-tulis. Sirkuit kabel tercetak menghubungkan pembaca-tulis dengan penguat elektronik yang terpasang pada poros motor penggerak lengan. Penyangga pembaca-tulis ini sangat ringan namun kuat. Pada cakram modern, percepatan pada pembaca-tulis mencapai 550 Gaya Gravitasi (G-Force).
Motor penggerak lengan adalah sebuah magnet permanen dan gulungan bergerak untuk mengayunkan pembaca-tulis ke posisi yang diinginkan. Sebuah plat logam menyangga magnet NIB(neodymium iron boron) bermedan kuat. Di bawah plat ini ada gulungan bergerak yang sering disebut sebagai gulungan suara (voice coil yang disamakan dengan gulungan pada pengeras suara) yang terpasang pada as motor penggerak lengan dan di bawahnya terdapat magnet NIB kedua dipasang di bawah plat motoran. Namun ada juga beberapa cakram keras yang hanya memiliki satu magnet.
Gulungan suara itu sendiri bentuknya hampir mirip kepala panah dan terbuat dari kawat magnet berlapis tembaga ganda. Lapisan dalam adalah penyekat sedangkan lapisan luar adalah plastik tahan panas (thermoplastic) yang melekat pada gulungan menempel dasar secara mandiri. Bagian dari gulungan sepanjang dua sisi kepala panah (yang mengarah ke pusat bantalan motor penggerak lengan) mempengaruhi medan magnet membentuk gaya tangensial yang menggerakan motor penggerak lengan. Aliran arus keluar menjari sepanjang sisi kepala panah dan jari-jari masuknya pada hasil lain dari medan magnet. Jika medan magnetnya seragam, masing-masing sisi akan menghasilkan gaya bersebrangan yang akan membatalkan keluaran satu sama lain. Oleh karena itu permukaan magnet sebagian berkutub utara (N Pole) dan sebagian lain berkutup selatan (S Pole), dengan jari-jari yang membagi jalur pada bagian tengah, menyebabkan kedua sisi dari gulungan kelihatan terpisah medan magnetnya dan menghasilkan gaya yang menambah bukannya membatalkan. Arus sepanjang atas dan bawah gulungan jari-jari menghasilkan gaya yang tidak memutar pembaca-tulis.
Kontrol elektronik cakram keras mengatur gerakan motor penggerak lengan dan putaran piringan, juga melakukan pembacaan dan penulisan sesuai permintaan kontrol cakram (disk controller). Umpan balik dari bagian elektronik cakram didapat dengan mengartikan bagian khusus dari cakram untuk diserahkan ke pelayan umpan balik. Ini merupakan satu lingkaran sempurna (dalam kasus teknologi pelayan khusus /dedicated servo technology) atau bagian yang diselingi dengan data sebenarnya (dalam kasus teknologi pelayan tertanam / embedded servo technology). Pelayan umpan balik mengoptimalkan sinyal ke rasio penganggu dari sensor GMR dengan menyesuaikan gulungan suara pada lengan penggerak. Putaran piringan juga menggunakan sebuah motor pelayan. Perangkat usaha (firmware) cakram modern mampu menjadwalkan pembacaan dan penulisan secara efisien pada permukaan piringan dan memetakan ulang sektor yang mengalami kegagalan.

Penanganan Kesalahan

Cakram keras modern dibuat secara luas menggunakan koreksi kesalahan lanjutan (forward error correction), khususnya koreksi kesalahan Reed-Solomon. Teknik ini menyimpan bit tambahan yang ditentukan menggunakan rumus matematika untuk masing-masing blok data. Bit tambahan memungkinkan banyak kesalahan dibetulkan tanpa terlihat. Bit tambahan itu sendiri memakan tempat di cakram keras namun memungkinkan kepadatan perekaman lebih tinggi bisa dilakukan tanpa menyebabkan kesalahan yang tak bisa dibetulkan dalam banyak media penyimpanan berkapasitas besar. Pada cakram keras terbaru keluaran setelah tahun 2009, kode pemeriksaan keseimbangan kepadatan rendah atau LDPC (low-density parity-check code) menggantikan Reed-Solomon. LDPC memungkinkan kinerja cakram keras mendekati Batas Shannon dan menyediakan media penyimpan dengan kepadatan tertinggi
Umumnya cakram keras mencoba untuk memetakan ulang data dalam sebuah sektor fisik dari kegagalan menyediakan sektor fisik yang diharapkan, sementara kesalahan dalam sektor rusak belum terlalu banyak dan ECC bisa memulihkan tanpa ada yang hilang. Teknologi pengawasan mandiri, analisis dan pelaporan ''S.M.A.R.T'' akan menghitung jumlah kesalahan dalam cakram keras oleh ECC dan jumlah keseluruhan dari pemetaan ulang. Dengan demikian banyaknya kasus kesalahan dapat digunakan untuk memperkirakan kegagalan cakram keras (HDD failure).

Waktu akses (access time)

Hal yang membatasi waktu akses biasanya berkaitan dengan perputaran piringan dan gerakan pembaca piringan.

Waktu pencarian data (seek time)

Waktu pencarian data adalah ukuran lamanya pembaca piringan untuk bergerak ke bagian piringan yang berisi data. Waktu pencarian yang lebih cepat memerlukan lebih banyak energi untuk menggerakkan pembaca piringan.

Kecepatan pemindahan data (data transfer rate)

Kecepatan pemindahan data pada cakram keras bergantung pada kecepatan rotasi dari piringan dan kerapatan dari penyimpanan data. Selain itu, letak data dalam piringan juga menentukan kecepatan; semakin luar letaknya, maka semakin cepat karena terdapat lebih banyak sektor data.