Disco ríxido

En informática, o disco ríxido ou disco duro (en inglés: Hard Disk Drive, HDD) é o dispositivo de almacenamento de datos que emprega un sistema de gravación magnética para almacenar ficheiros dixitais. Componse dun ou máis pratos ou discos ríxidos, unidos por un mesmo eixo que vira a gran velocidade dentro dunha caixa metálica selada. Sobre cada prato, e en cada unha das súas caras, sitúase un cabezallo de lectura/escritura que flota sobre unha delgada lámina de aire xerada pola rotación dos discos. É memoria non volátil.
O primeiro disco duro foi inventado por IBM, en 1956. Ao longo dos anos, diminuíron os prezos dos discos duros, ao mesmo tempo que multiplicaron a súa capacidade, sendo a principal opción de almacenamento secundario para ordenadores persoais, desde a súa aparición nos anos 1960. Os discos duros mantiveron a súa posición dominante grazas aos constantes incrementos na densidade de gravación, que se mantivo ó par das necesidades de almacenamento secundario.
Os tamaños tamén variaron moito, desde os primeiros discos IBM ata os formatos estandarizados actualmente: 3, 5 polgadas os modelos para PC e servidores, e 2, 5 polgadas os modelos para dispositivos portátiles. Todos se comunican co ordenador a través do controlador de disco, empregando unha interface estandarizada. Os máis comúns ata os anos 2000 foron IDE (tamén chamado ATA ou PATA), SCSI (xeralmente usado en servidores e estacións de traballo). Desde o 2000 en diante aumentou o uso dos SATA. Existe tamén a tecnoloxía FC, empregada exclusivamente en servidores.
Para poder utilizar un disco duro, un sistema operativo debe aplicar un formato de baixo nivel que defina unha ou máis particións. A operación de formatado require o uso dunha fracción do espazo dispoñible no disco, que dependerá do sistema de ficheiros ou formato empregado. Ademais, os fabricantes de discos duros, unidades de estado sólido e tarxeta flash miden a capacidade dos mesmos usando prefixos do Sistema Internacional, que empregan múltiplos de potencias de 1000 segundo a normativa IEC e IEEE, en lugar dos prefixos binarios, que empregan múltiplos de potencias de 1024, e son os usados por sistemas operativos de Microsoft. Isto provoca que nalgúns sistemas operativos sexan representados como múltiplos de 1024 e noutros como múltiplos de 1000 e, xa que logo, existan confusións, por exemplo, un disco duro de 500 GB, nalgúns sistemas operativos será representado como 465 GiB (é dicir gibibytes; 1 GiB 1024 MiB) e noutros como 500 GB. Historia
Ao principio os discos duros eran extraíbles, con todo, hoxe en día tipicamente veñen todos selados (agás dun oco de ventilación para filtrar e igualar a presión do aire).
O primeiro disco duro, aparecido en 1956, foi o Ramac I, presentado coa computadora IBM 350: pesaba unha tonelada e a súa capacidade era de 5 MB. Este disco duro traballaba aínda con válvulas de baleiro e requiría unha consola separada para o seu manexo.
O seu gran mérito consistía en que o tempo requirido para o acceso era relativamente constante entre algunhas posicións de memoria, a diferenza das cintas magnéticas, onde para atopar unha información dada, era necesario enrolar e desenrolar os carretes ata atopar o dato buscado, tendo moi diferentes tempos de acceso para cada posición.
A tecnoloxía inicial aplicada aos discos duros era relativamente simple. Consistía en recubrir con material magnético un disco de metal que era formatado en pistas concéntricas, que logo eran divididas en sectores. O cabezallo magnético codificaba información ao magnetizar diminutas seccións do disco duro, empregando un código binario de «ceros» e «uns». Os bits ou díxitos binarios así gravados poden permanecer intactos durante anos. Orixinalmente, cada bit tiña unha disposición horizontal na superficie magnética do disco, pero logo descubriuse como rexistrar a información dunha maneira máis compacta.
O mérito do francés Albert Fert e o alemán Peter Grünberg (ambos premio Nobel de Física polas súas contribucións no campo do almacenamento magnético) foi o descubrimento do fenómeno coñecido como magnetorresistencia xigante, que permitiu construír cabezallos de lectura e gravación máis sensibles, e compactar máis os bits na superficie do disco duro. Destes descubrimentos, realizados en forma independente por estes investigadores, desprendeuse un crecemento espectacular na capacidade de almacenamento nos discos duros, que se elevou un 60 % anual na década de 1990.
En 1992, os discos duros de 3, 5 polgadas aloxaban 250 MB, mentres que 10 anos despois superaran 40 GB (40000 MB).
En 2001 foi lanzado o iPod, que empregaba un disco duro que ofrecía unha capacidade alta para a época. Xunto á simplicidade, calidade e elegancia do dispositivo, este foi un factor chave para o seu éxito.
En 2005 os primeiros teléfonos móbiles que incluían discos duros foron presentados por Samsung e Nokia, aínda que non tiveron moito éxito xa que as memorias flash acabáronos desprazando, debido ao aumento de capacidade, maior resistencia e menor consumo de enerxía. Tecnoloxía
O disco duro grava os datos por magnetización direccional de materiais ferromagnéticos. Para representar os díxitos binarios (0 e 1) utilízanse cambios secuenciais na dirección da magnetización. Os datos lense do disco duro detectando as transicións da dirección da magnetización e descodificando os datos escritos orixinalmente. Utilízanse diferentes sistemas de codificación, por exemplo o Modified Frequency Modulation, o Group Code Recording ou o Run Length Limited.
O deseño típico dun disco duro consiste nun eixo que sostén un ou máis discos circulares chamados pratos (platter), onde os datos son gravados. Os pratos están feitos dun material non magnético, normalmente de vidro ou dunha aliaxe de aluminio, e están recubertos cunha fina capa superficial de material magnético, habitualmente dun groso de 10 a 20 nm (o groso dunha folla de papel corrente oscila de 0, 07 a 0, 18 milímetros, de 70. 000 a 180. 000 nm) recuberta á súa vez cunha capa de carbono como protección. Os discos máis antigos utilizaban o óxido de ferro como material magnético.
Estes pratos están deseñados para xirar a grandes velocidades, entre as 3. 000 voltas ou revolucións por minuto (rpm) dos dispositivos portátiles de baixo consumo ata as 15. 000 rpm no caso dos discos destinados a servidores de alto rendemento. A información é lida e escrita mentres os pratos están en rotación, mediante un mecanismo chamado cabezallo de lectura/escritura que opera moi preto da superficie magnética, a unhas decenas de nanómetros nos dispositivos máis novos. O feito de non ter contacto coa superficie permite evitar a calor que se produciría polo rozamento e aumentar a velocidade de xiro. O cabezallo de lectura e escritura (head en inglés) utilízase para detectar e modificar a magnetización do material que se atopa inmediatamente debaixo da súa posición. Nun disco moderno hai un cabezallo por cada disco magnético montado sobre un brazo común para todos os pratos. O mecanismo de posición do brazo move o cabezallo nun arco radial a través dos discos, cousa que permite que os cabezallos teñan acceso a case toda a superficie do disco a medida que vira. O brazo móvese utilizando unha bobina móbil ou, nos deseños máis antigos, un motor paso a paso.
Debido á natureza policristalina do material magnético, cada unha destas rexións magnéticas componse duns poucos centenares de grans cristalinos. Estes grans magnéticos son dun tamaño típico de 10 nm e cada un forma un dominio magnético individual. Cada rexión magnética forma en conxunto un dipolo magnético que xera un campo magnético. A capa magnética destes pratos está dividida conceptualmente en moitas rexións magnéticas moi pequenas, de medida inferior ao micrómetro, denominadas dominios magnéticos que se utilizan para codificar a información. Nos dispositivos antigos estas rexións orientábanse en sentido horizontal e paralelo á superficie do disco, pero a partir do 2005 a orientación cambiouse ao utilizar a gravación perpendicular para permitir unha menor separación dos dominios magnéticos.
Para almacenar datos de maneira fiable é necesario que o material da superficie de gravación sexa resistente á desmagnetización que se produce cando os dominios magnéticos se repelen entre si. Antigamente utilizouse óxido de ferro III como material magnético pero nos discos actuais utilízase unha aliaxe en base de cobalto. A resistencia dun material á desmagnetización coñécese como a súa coercitividade magnética (HC) e mídese en amperios por metro no Sistema Internacional, a máis coercitividade do material máis estabilidade dos datos gravados, pero necesitará máis enerxía para facelo.
Un cabezallo de escritura magnetiza unha rexión magnética mediante a xeración dun forte campo magnético local. Os primeiros discos duros utilizaban un electroimán, tanto para magnetizar unha rexión como para ler o seu campo magnético usando a indución electromagnética. As versións posteriores dos cabezalllos de indución utilizaron a tecnoloxía chamada Metal-in-Gap (MEDIO) e a de película delgada. Cando a densidade de datos aumentou empezáronse a utilizar cabezalllos de lectura que utilizaban o principio da magnetoresistencia (MR), a resistencia eléctrica do cabezallo cambiaba de acordo coa forza magnética do prato.
Nos desenvolvementos posteriores aplicouse a espintrónica (electrónica do spin) no deseño dos cabezallos, a magnetoresistencia era moito máis grande que nos dispositivos anteriores e recibiu o nome de magnetoresistencia xigante (GMR do inglés Giant MagnetoResistance). Nos cabezallos actuais os elementos de lectura e escritura atópanse separados, a pesar de que están moi próximos. O elemento de lectura é magneto-resistente mentres que o de lectura adoita basearse na película delgada indutiva.
Os cabezallos mantéñense sen tocar a superficie do prato grazas ao aire que hai preto da superficie do prato, este aire móvese a unha velocidade moi próxima á do prato facendo un efecto de almofada que evita o contacto do cabezallo coa superficie. A distancia entre o cabezallo e a superficie foise reducindo co tempo e na actualidade pode chegar a ser menor de 0, 1 µm. Aínda así, durante as operacións de arranque e parada do disco os cabezallos tocan a superficie porque a separación depende da velocidade de xiro.
Ás unidades de disco modernas, o pequeno tamaño das rexións magnéticas fai que sexa posible que perdan o seu estado magnético debido ós efectos térmicos. Para contrarrestar este perigo, os pratos están recubertos por dúas capas magnéticas paralelas, separadas por unha capa de rutenio, un elemento non magnético, dun groso de 3 átomos, mentres que as dúas capas de material magnético son magnetizadas en sentido oposto, para reforzarse mutuamente. Outra tecnoloxía utilizada para superar os efectos térmicos permitindo unha maior densidade é a gravación perpendicular, empregada comercialmente por primeira vez no 2005, e de uso moi xeral a partir do 2007. Capacidade
Os fabricantes de discos duros refírense á capacidade dun disco utilizando múltiplos do SI (en potencias de 1000), así un terabyte son 1000 xigabytes e un xigabyte son 1000 megabytes. Pero hai que facer notar que o software, e os sistemas de ficheiros, indican a capacidade en potencias de 1024, por iso o espazo dispoñible é un pouco menor que a capacidade da publicidade. A discrepancia entre os dous métodos de medida tivo graves consecuencias financeiras para polo menos un fabricante de discos duros (Western Dixital) por mor dun xuízo promovido polos consumidores argumentado que a utilización de diferentes métodos de medida era para enganalos.
Os chips de semicondutores que se utilizan na fabricación das memorias organízanse de forma que a medida da súa capacidade exprésase en múltiplos de potencias de dous. Pola contra, os discos duros non teñen unha medida binaria inherente. A capacidade é o produto do número de cabezallos (que adoita coincidir co número de caras), o número de cilindros, o número de pistas, o número de sectores por pista, e a medida de cada sector. A medida do sector foi estandarizada por conveniencia en valores de 256 ou 512 bytes, e máis recentemente tamén de 4096 bytes, que son potencias de dous.
Dada unha unidade de disco dun terabyte (1 TB), esperaríase que tivese unha capacidade de ao redor de 1 billón de bytes (1. 000. 000. 000. 000) ou 1000 GB, e de feito, a maioría de unidades de disco de 1 TB teñen unha capacidade algo máis grande que este número. Con todo, algunhas utilidades do sistema operativo informarán dunha capacidade de ao redor de 931 GB ou 953. 674 MB. (O valor real da capacidade así que está formatado será algo máis pequeno aínda, e dependerá do sistema de ficheiros. ) A continuación móstranse varias formas de presentación dun terabyte.
Terminoloxía
Algúns dos principais termos para calcular a capacidade dun disco son: Prato: Cada un dos discos que hai dentro do disco duro.
Cara: Cada un dos dous lados dun prato
Cabezallo: O número de cabezallos; equivale a dar o número de caras, posto que hai un cabezallo por cara.
Pista: Unha circunferencia dentro dunha cara; a pista 0 está situada preto do exterior.
Cilindro: Conxunto de varias pistas; son todas as circunferencias que están aliñadas verticalmente (unha de cada cara).
Sector: Cada unha das divisións dunha pista. O tamaño do sector non é fixo, sendo o estándar máis habitual de 512 bytes. Antigamente o número de sectores por pista era fixo, o cal desaproveitaba o espazo significativamente, posto que nas pistas exteriores pódense almacenar máis sectores que nas interiores.
Discos de gran capacidade
A capacidade dun disco duro pódese calcular multiplicando o número de cilindros polo número de cabezallos, polo número de sectores e polo número de bytes por sector (habitualmente 512). Este método recibe o nome de CHS, do inglés Cilinder-Head-Sector válido para discos ata 8 GB. As unidades de disco con interface ATA e unha capacidade de oito xigabytes ou máis compórtanse coma se fosen estruturados en 16. 383 cilindros, 16 cabezallos e 63 sectores, para manter a compatibilidade cos sistemas operativos máis antigos. A diferenza do que pasaba na década de 1980, o valor que o sistema CHS informa á CPU no caso dunha moderna unidade de disco ATA xa non se corresponde cos parámetros físicos reais, posto que os números informados son limitados polas interfaces dos sistemas operativos e, ademais, a utilización do sistema zone bit recording fai que o número real de sectores varíe segundo a zona. Doutra banda nos discos con interface SCSI a dirección de cada sector é un número enteiro único, o sistema operativo ignora a contabilidade do número de cabezallos ou de cilindros.
O antigo sistema CHS foi substituído polo LBA, Logical Block Addressing. Nalgúns casos de unidades de gran capacidade, utilizouse o sistema CHS forzándoo cun número de cabezallos igual a 64, cando non hai ningunha unidade moderna que chegase a un número de pratos próximo a 32.
Non todo o espazo dun disco duro está dispoñible para os ficheiros do usuario. O sistema de ficheiros do sistema operativo utiliza unha parte do espazo do disco para organizar os ficheiros, gravando os seus nomes e a secuencia das áreas do disco que representa o ficheiro. Algúns exemplos de estruturas de datos almacenados no disco para recuperar ficheiros son a FAT (File Allocation Table) do MS-DOS ou os inodes dos sistemas Unix. Esta sobrecarga xerada polo sistema de ficheiros representa en xeral menos do 1% do espazo en unidades de máis de 100 MB.
No caso das unidades de tipo RAID, a integridade de datos e os requisitos de tolerancia a fallos tamén reducen a capacidade. Un sistema RAID está formado por varias unidades de disco que aparecen como unha única unidade para o usuario, pero proporciona unha certa tolerancia a fallos. Por exemplo, unha unidade de disco RAID 1 será de aproximadamente a metade da capacidade total como resultado da duplicación de datos. Para os discos RAID 5 con x unidades perderíase 1/x do seu espazo por paridade de almacenamento.
Formatar un disco
A presentación dun disco duro ao sistema operativo virá determinada polo seu controlador de disco. Os discos duros modernos, como os SAS (Serial attached SCSI) e os SATA, aparecen nas súas interfaces como un conxunto contiguo de bloques lóxicos, normalmente de 512 bytes de lonxitude, pero a industria está no proceso de cambio a bloques lóxicos de 4. 096 bytes.
O proceso de inicialización destes bloques lóxicos nos pratos do disco físico é o que denominamos formatado de baixo nivel, e que xeralmente se fai na fábrica e non adoita ser cambiado.
A continuación o formatado de alto nivel escribe as estruturas do sistema de ficheiros en determinados bloques lóxicos para facer que o resto dos bloques lóxicos estean dispoñibles para o sistema operativo e as súas aplicacións.
Memoria caché do disco
A maioría de discos dispoñen de sistemas de memoria caché para mellorar os tempos de acceso aos sectores. Así, nestas memorias caché, pódese almacenar o que se prevé que se solicitará nun futuro inmediato, e tamén a cola de escrituras pendentes en disco.
Estas memorias caché poden estar incorporadas no disco duro mesmo, en tarxetas á parte, ou poden facer uso da memoria principal para esta finalidade. Factor de forma
Os discos duros utilizados nos mainframes e os miniordenadores eran de medidas moi variadas, desde o tamaño dunha lavadora como o modelo RP06 de DEC ou modelos pensados para ser montados en bastidores (rack) de 19 polgadas como o modelo 31 de Diablo Data Systems. En 1962, IBM presentou o seu modelo de disco 1311, que utilizaba pratos de 14 polgadas. Esta dimensión converteuse nunha medida estándar para os computadores centrais (mainframes) e miniordenadores durante moitos anos, pero estas grandes bandexas nunca chegaron a ser utilizadas cos sistemas baseados en microprocesadores.
Co aumento das vendas de microordenadores con disqueteiras para discos flexibles, dispor de unidades de disco duro da mesma medida converteuse nun obxectivo desexable, e isto conduciu á evolución do mercado cara á adopción de certos factores de forma para as unidades de disco, nun principio derivados das medidas das unidades de disco flexible de 8, 5, 25 e 3, 5 polgadas. As medidas inferiores a 3, 5 polgadas convertéronse nas máis populares no mercado e/ou foron adoptadas por varios grupos industriais.
O nome baseado nun número de polgadas, que se utiliza para denominar de maneira xeral os diferentes factores de forma, non indica nada das dimensións do produto real (que ademais se especifican en milímetros en todos os factores de forma máis recentes), só indica de maneira aproximada a medida do diámetro dos pratos, e só se mantén por tradición histórica. 8 polgadas: 241. 3 mm × 117. 5 mm × 362 mm. O primeiro disco duro cun factor de forma compatible coas disqueteiras de 8 polgadas de disco flexible foi o modelo SAN1000 presentado en 1979 por Shugart Associates.
5, 25 polgadas ou cinco e cuarto: 146, 1 mm × 82, 55 mm × 203 mmEste factor de forma foi utilizado por primeira vez por Seagate en 1980, tiña a mesma medida que as unidades de disco flexible de 5, 25 polgadas e 3, 25 polgadas de altura. A maioría dos modelos das unidades de discos ópticos de 120 mm (DVD, CD) utilizan a forma de 5 ¼ polgadas half height, pero no caso dos discos duros este factor de forma caeu en desuso. O modelo Quantum Bigfoot foi o último en usalo a finais de 1990, con dúas versións unha de "perfil baixo" (≈ 25 mm) e unha de "perfil ultra-baixo" (≈ 20 mm).
3, 5 polgadas: 101, 6 mm × 25, 4 mm × 146 mm 376, 77344 cm³Este pequeno factor de forma, utilizado por primeira vez nun disco duro de 1983 pola compañía escocesa Rodime, era da mesma medida que a unidade "half height" de disco flexible de 3 ½ polgadas, de 1, 63 polgadas de alto. Hoxe totalmente superado polas unidades deste formato de tipo "slimline" ou "low-profile" dunha polgada de alto que se utiliza na maioría de discos duros dos computadores de sobremesa.
2, 5 polgadas: 69, 85 mm × 7–15 mm × 100 mm) 48, 895–104, 775 cm3Este pequeno factor de forma foi introducido por PrairieTek en 1988, non hai un formato de disco flexible equivalente. Hoxe en día utilízase amplamente para as unidades de disco duro dos dispositivos móbiles (computadores portátiles, reprodutores de música etc. ) e desde o 2008 substituíu as unidades de 3, 5 polgadas de tipo profesional. Tamén se utiliza nalgunhas consola de videoxogos como a PlayStation 3. Hoxe en día, a altura dominante deste factor de forma é de 9, 5 mm para as unidades dos computadores portátiles (en xeral con dous pratos no interior), pero as unidades que teñen unha altura de 12, 5 mm (en xeral con tres pratos) teñen unha maior capacidade de almacenamento. As unidades de tipo profesional poden ter unha altura de ata 15 mm. En decembro do 2009 Seagate lanzou unha unidade moi delgada de 7 mm pensada para os portátiles de nivel básico e ultraportátiles de gama alta.
1, 8 polgadas: 54 mm × 8 mm × 71 mm 30, 672 cm³Este factor de forma, orixinalmente presentado por Integral Peripherals en 1991, converteuse no ATA-7 LIF coas dimensións indicadas. Cada vez é máis utilizado nos reprodutores de son dixital e nos sub-ultraportatiles. Hai unha variante para discos duros de medida 2–5 GB que se pode poñer directamente nunha rañura de expansión PC-card. Este factor de forma chegou a ser popular grazas ao seu uso en iPods e outros reprodutores de Mp3 baseados en disco duro.
1 polgada: 42, 8 mm × 5 mm × 36, 4 mmEste formato foi introducido en 1999 por IBM para o seu Microdrive que se conectaba dentro dunha rañura de expansión Compact Flash de tipo II. Aínda así, Samsung denomina o mesmo factor de forma como unidade de disco de "1, 3 polgadas" na ficha técnica do seu produto.
0, 85 polgadas: 24 mm × 5 mm × 32 mmToshiba anunciou este factor de forma en xaneiro de 2004 para o seu uso en teléfonos móbiles e aplicacións similares, incluíndo compatibilidade coas rañuras de expansión de tipo SD e MMC para o almacenamento de vídeo nos teléfonos 4G. Toshiba vende actualmente unha unidade de 4 GB (MK4001MTD) e a versión de 8 GB (MK8003MTD) ten o récord Guinness de ser a unidade de disco duro máis pequena. Fabricantes principais
Os recursos tecnolóxicos necesarios e os procesos de fabricación e produción dos discos modernos implican que desde o 2007, máis do 98% dos discos duros do mundo sexan fabricados por un pequeno grupo de grandes empresas: Seagate (que actualmente é propietaria de Maxtor), Western Digital, Samsung e Hitachi (que é propietaria da antiga división de fabricación de discos duros de IBM). Fujitsu segue fabricando discos portátiles e discos especiais para servidores, pero deixou de fabricar discos duros para computadores de sobremesa en 2001, e o resto vendeuno a Western Digital. Toshiba é un dos principais fabricantes de discos duros para ordenadores portátiles (2, 5 e 1, 8 polgadas). Finalmente, ExcelStor é un pequeno fabricante de discos duros que aínda perdura.