هارد ديسک(HDD، که پيش از اين به عنوان ديسک گردان ثابت شناخته مي شد) يک حافظه دائمي است که بطور ديجيتالي رمزنگاري شده و اطلاعات را روي سطح مغناطيسي ديسک هاي خود ذخيره مي کند.

هارد ديسک ها در ابتدا براي استفاده در کنار کامپيوتر توليد شدند و بعد ها از آن ها در داخل کامپيوتر استفاده شد. با گذشت زمان کاربرد هاي هاردديسک از حيطه کامپيوتر فراتر رفت .بطوريکه در تجهيزات ضبط تصوير ،پخش صدا ، همچنين در سيستم ها و دوربين هاي ديجيتال مورد استفاده قرار گرفت . در سال ۲۰۰۵ اولين تلفن هاي همراه ِ داراي هارد ديسک توسط شرکت هاي نوکيا و سامسونگ ارائه شد. ايجاد نياز به حافظه هاي بزرگ ، قبال اعتماد و مستقل ، منجر به توليد ساختارهايي همچون RAID ،سخت افزار هايي همچون NASحافظه هاي متصل به شبکه) و سيستم هايي همچون SAN شبکه هاي ذخيره اطلاعات) شد تا بتوان بطور موثر به حجم بالايي از اطلاعات دسترسي پيدا کرد.

با گذشت زمان، ظرفيت هارد ديسک ها رشد نمايي داشته است. در کامپوتر هاي شخصي ابتدايي يک درايو با ظرفيت ۲۰ مگابايت بزرگ به نظر مي رسيد. در نيمه دوم دهه ۹۰ ،هارد درايو هايي با ظرفيت يک گيگابايت و حتي بزرگتر به بازار آمد. از سال ۲۰۰۶ کوچکترين هارد ديسکي که براي کامپيوتر هاي خانگي توليد مي شود ظرفيتي برابر ۴۰ گيگابايت دارد. اکنون بيشترين ظرفيت در درايو هاي داخلي ۰/۷۵ ترابايت(۷۵۰ گيگابايت) و در درايو هاي خارجي با استفاده ازچند درايو داخلي از يک ترابايت نيز فراتر ميرود.

اين درايو هاي داخلي ظرفيت ذخيره سازي خود را با استفاده از شيوه ضبط ستوني افزايش داده اند.

تکنولوژي

هارد درايو ها با تحت ميدان قرار دادنِ يکسري مواد مغناطيسي اطلاعات را درخود ضبط مي کنند. و با تشخيص مغناطيس شدگي آن ماده اطلاعات را از روي آن مي خوانند. طرح کلي يک هارد ديسک تشکيل شده از يک مخروط که يک يا چند صفحه مسطح و گرد را نگه مي دارد ،اطلاعات بر روي اين صفحات ذخيره مي شوند. اين صفحه ها از يک ماده غير مغناطيسي( اغلب شيشه يا آلومينيوم) ساخته مي شوند و با يک لايه نازک از مواد مغناطيسي روکش مي شوند. در درايو هاي قديمي از تري اکسيد آهن به عنوان ماده مغناطيسي استفاده مي شد اما امروزه از آلياژهاي کبالت پايه استفاده مي کنند.

صفحات با سرعت هاي بالا به گردش در مي آيند.اطلاعات در حين چرخش صفحات بر ري آنها نوشته مي شوند.اين کار توسط مکانيزمي با نامِ: هد خواندن/ نوشتن انجام مي شود. اين هد با فاصله بسيار کم بالاي سطح مغناطيسي حرکت مي کند. از اين وسيله براي تشخيص و تغيير در وضعيت مغناطيس شدگي ماده زير آن استفاده مي شود. به ازاي هر صفحه مغناطيسي بر روي مخروط ، يک هد وجود دارد که همه آنها بر روي يک بازوي مشترک سوار شده اند. همينطور که صفحات دوران مي کنند يک بازوي محرک، هد ها را (به آرامي و با حرکت شعاعي ) روي يک مسير قوس دار، بر روي صفحات به حرکت در مي آورد.با اينکار به هر هد اجازه داده مي شود که تقريبا به تمام سطح صفحهء در حال دوران دسترسي پيدا کندد.

سطح مغناطيسي هر صفحه به تعداد زيادي محدوده هاي کوچک مغناطيسي تقسيم مي شود. (اندازه اين محدوده ها در حد ميکرون مي باشد). هر کدام از اين محدوده ها براي رمزنگاري يک واحد باينري اطلاعات مورد استفاده قرار مي گيرند.در هارد درايو هاي امروزي ، هر يک از اين محدوده هاي مغناطيسي از چند صد دانه مغناطيسي تشکيل شده اند. هر محدده مغناطيسي ، يک دوقطبي مغناطيسي را تشکيل مي دهد که اين دو قطبي ها يک حوزه مغناطيسي متمرکز را در نزديکي خود ايجاد مي کنند.

يک هد نوشتن، با ايجاد ميدان مغناطيسي قوي در نزديکي محدوده هاي مغناطيسي ، آن را تحت اثر خود قرار داده مغناطيس مي کند. در هارد ديسک هاي اوليه براي خواندن اطلاعات از همان القاء کننده اي استفاده مي شد که موقع نوشتن مورد استفاده قرار گرفته بود. اما با تکنولوژي جديد هد مخصوص نوشتن و هد مخصوص خواندن از هم جدا شده اند ، با اين وجود هر دوي آنها روي يک بازوي محرک قرار دارند.

اغلب هارد درايو ها داراي يک پوشش محکم و کيپ هستند که از محتويات درايو در برابر جمع شدگي ،گرد و غبار و ديگر عوامل آلودگي محافظت مي کند. هد خواندن / نوشتنِ هارد درايو بالاي صفحات مغناطيسي و بر روي يک بالشتک هوا که ضخامتي در حد چند نانومتر دارد حرکت مي کند. بنابراين سطوح صفحات و محتويات داخلي درايو بايد پاک نگه داشته شوند تا با توجه به فاصله نانومتري بين صفحات و هد ،از صدمات ناشي از اثر انگشت ، غبار، مو، ذرات دود و غيره جلوگيري شود.

استفاده از صفحات صلب همچنين کيپ و عايق کردن هارد ديسک ، تولرانس بهتري را نسبت به فلاپي ديسک فراهم ميکند.بنابراين هارد ديسک ها در مقايسه با فلاپي ديسک ها مقدار بيشتري اطلاعات را مي توانند در خود ذخيره کنند. همچنين قابليت دسترسي و انتقال اطلاعات در هارد ديسک ها سريع تر مي باشد. در سال ۲۰۰۶ يک هارد ديسک بايد بتواند بين ۸۰ تا ۷۵۰ مگابايت اطلاعات را در خود جاي دهد، با سرعتي بين ۷۲۰۰ تا ۱۰۰۰۰ درو در دقيقه بچرخد و سرعت انتقال ترتيبي اطلاعات در آن بايد بيشتر از ۵۰ مگابايت در هر ثانيه

باشد. سريع ترين هارد درايوهاي مربوط به سرور ها و ايستگاه هاي کاري با سرعتي معادل ۱۵۰۰۰ دور در دقيقه مي چرخند و سرعت انتقال ترتيبي اطلاعات در آنها بالغ بر ۸۰مگابايت در هر ثانيه مي باشد. هارد ديسک ها ي مربوط به نوت بوک ها که از نظر فيزيکي کوچکتر از نمونه هاي خانگي هستند، معمولا داراي سرعت و ظرفيت پايين تري ميباشند. اغلب اين هارد ديسک ها با سرعتي در حدود ۴۲۰۰ دور در دقيقه مي چرخند. البته لازم به ذکر است که جديد ترين انواع اين دسته هاردديسک ها داراي سرعتي معادل ۷۲۰۰ دور در دقيقه مي باشند.

تاريخچه:

براي سالها ، هارد ديسک ها تجهيزات بزرگ و سنگين بودند و به دليل بزرگي ، سنگيني ، حساسيت بالا و مصرف زياد انرژي ، بيشتر براي محيط هاي حفاظت شدهء يک مرکز اطلاعات يا دفاتر بزرگ مناسب بودند تا محيط هاي خشن و ناملايم صنعتي ،خانه ها يا دفاتر کوچک .

يک هارد ديسک قديمي IBM در سال ۱۹۷۹

تا قبل از دهه ۸۰ ميلادي اغلب هارد ديسک ها صفحات ۸ اينچي (۲۰ سانتي) يا ۱۴ اينچي( ۳۵) سانتي داشتند. و براي نگه داري آنها نياز به فضاي زيادي بود.( مخصوصا درايو هاي بزرگ قابل حمل و نقل (قابل نصب و برداشت) که به خاطر بزرگي به ماشين هاي لباسشويي معروف بودند). اين گونه هارد درايو ها به علت داشتن موتور هاي بزرگ، به منبع تغذيه سه فاز و آمپراژ بالا نياز داشتند. به همين دليل تا سال ۱۹۸۰ براي ميکروکامپيوتر ها از هارد ديسک استفاده نمي شد. تا اينکه در اين سال شرکت seagate tecnology اولين هارد درايو ۵/۲۵ خود را با ظرفيت ۵ مگابايت تحت عنوان ST-۵۰۶ به بازار ارائه کرد. در واقع تا آن زمان کامپيوتر هاي شخصي اوليه IBM يعني IBM۵۱۵۰ مجهز به هارد ديسک نبودند.

در اوايل دهه ۸۰ اغلب هارد ديسک هاي مربوط به ميکرو کامپيوتر ها با نام توليد کننده خود به فروش نمي رسيدند بلکه به وسيله OEM ها به عنوان بخشي از يک مجموعه بزرگتر (مانند Corvus Disk System يا Apple proFile) فروخته مي شدند. کامپيوتر هاي نوع IBM PC/XT داراي هارد ديسک داخلي بودند و اين باعث ايجاد تمايل عمومي به خريد درايو هاي خام (از طريق پست) و نصب مستقيم آنها در داخل سيستم شد. سازندگان هارد ديسک شروع به بازاريابي کردندو بالاخره طولي نکشيد که در اواسط دهه ۹۰ هارد ديسکها در قفسه مغازه هاي خرده فروش نيز قرار گرفتند.

 

هارد درايو هاي داخلي کم کم به يک گزينه رايج در کامپيوتر هاي PC تبديل شدند و هارد درايو هاي خارجي محبوبيت خود را براي مدتها مخصوصا در بين انواع Apple Macintosh و انواع مشابه آن حفظ کردند. تمامي کامپيوتر هاي ساخت Mac بين سال هاي ۱۹۸۶ تا ۱۹۹۸ يک پورت SCSI در پشت خود داشتند که جداسازي خارجي را آسان مي ساخت . به دليل شرايط موجود، هارد درايو هاي خارجيSCSI تنها گزينه منطقي به نظر مي رسيدند.

هارد درايو هاي خارجيSCSI همچنين در ميکرو کامپيوتر هاي قديمي تر مانند سري Apple II به کار مي رفتند، همچنين از آنها حتي امروزه بطور گسترده اي در سرور ها استفاده مي شود. ظهور رابط هاي پرسرعت خارجي مانند USB و Fire Wire در اواخر دهه ۹۰ ، به کاربرد درايو هاي خارجي در بين کاربران جاني دوباره داد.به طور اخص کاربراني که حجم بالايي از اطلاعات را بين دو يا چند محل جا به جا مي کردند از اين سيستم استقبال کردند. امروزه اغلب توليد کننده گان هارد ديسک ، ديسک هاي خود را به صورت خارجي نيز مي سازند.

خصوصيات هارد ديسک:
* ظرفيت معمولا با گيگابايت بيان مي شود.
* اندازه فيزيکي معمولا با اينچ بيان مي شود:

امروزه تقريبا تمام هارد ديسک هايي که در کامپيوتر هاي روميزي (خانگي – اداري) و نوت بوک ها استفاده مي شوند ، ۳/۵ يا ۲/۵ اينچي هستند. هارد ديسک هاي ۲/۵ اينچي معمولا کند تر هستند و حجم کمتري نيز دارند اما در عوض برق کمتري مصرف مي کنند و مقاومت به ضربه و تکان در آنها بيشتر است. اندازه ديگري که استفاده از آن بطور فزاينده اي در حال رشد است نوع ۱/۸ اينچي مي باشد که درmp۳ player ها و نوت بوک هاي کوچک مورد استفاده قرار مي گيرد.اين نوع از هارد درايو ها مصرف انرژي بسيار پاييني دارند ودر مقابل ضربه بسيار مقاوم مي باشند.

 

علاوه بر موارد مذکور انواع ديگري نيز موجود مي باشندکه در ادامه به توضيح آنها پرداخته مي شود:

نوع يک اينچي که طوري طراحي شده اند تا با ابعاد کانال هاي فيبري نوع دوم(FC Type II) جور باشند. از اين نوع هارديسک در تجهيزات قابل حمل و نقل از جمله دوربين هاي ديجيتال نيز استفاده مي شود. همچنين نوع ۰/۸۵ اينچي نيزتوسط شرکت توشيبا جهت استفاده در گوشي هاي تلفن همراه و کاربرد هاي مشابه آن ساخته شده است. طراحي سايز هارديسک ها کمي گيج کننده است ، به عنوان مثال يک ديسک درايو ۳/۵ اينچي داراي کيسي با پهناي ۴ اينچ مي باشد. علاوه بر اين هارديسک هاي مخصوص سرور در دو اندازه ۳/۵ و ۲/۵ اينچي توليد مي شوند.

 

* قبليت اعتماد، با واحد (MTBF) يا فاصله زماني بين خطاها سنجيده مي شود.

درايو هاي ۱ ايچي ساتا (SATA) سرعت هايي تا حدود ۱۰۰۰۰ دور در دقيقه را ساپورت مي کنند . و داراي MTBF برابر با يک مليون ساعت با چرخه فعاليت سبک ۸ ساعته مي باشند. درايو هاي FC قابليت چرخيدن با سرعت ۱۵۰۰۰ دور در دقيقه را دارا هستند و MTBF آنها برابر با ۱/۴ مليون ساعت با ۲۴چرخه فعاليت ساعت ۲۴ ساعته مي باشد.

* تعداد فعاليت هاي ورودي خروجي در هر ثانيه:

ديسک هاي جديد در هر ثانيه قادرند ۵۰ دسترسي اتفاقي و يا ۱۰۰ دسترسي ترتيبي را برآورده سازند.

* مصرف انرژي( اين موضوع به خصوص در رابطه با لب تاپ هايي که از باطري استفاده مي کنند حائز اهميت مي باشد).

* شدت صدا و نويز توليد شده بر حسب دسي بل (db).( البته بسياري افراد آن را برحسب بل مي سنجند نه دسي بل.)

 

* ميزان G Shock ( که در درايو هاي جديد بسيار بالا مي باشد)

* سرعت انتقال اطلاعات:

درايو هاي داخلي : از ۴۴/۲ تا ۷۴/۵ مگابايت در هر ثانيه.

درايو هاي خارجي: از ۷۴ تا ۱۱۱/۴ مگابايت در هر ثانيه.

* سرعت دسترسي تصادفي : از ۵ تا ۱۵ ميلي ثانيه.

سنجش ظرفيت:

توليد کنندگان هارد درايو معمولا ظرفيت درايو را با استفاده از پيشوندهاي SI مشخص مي کنند. پيشوند هاي گيگا و مگا از اين دسته اند. تاريخچه اين نام گذاري به زماني بر ميگردد که ظرفيت ذخيره سازي از مرز مليون بايت فراتر رفت . يعني بسيار قبل تر از پيشوند هاي استاندارد باينري ( حتي قبل از اينکه پيشوند هاي SI درسال ۱۹۶۰ ايجاد شوند.)

IEC در سال ۱۹۹۹ ، پيشوند هاي باينري را استاندارد کرد. بعد از آن بسياري از دست اندر کاران توليد کامپيوتر و نيمه رساناها عبارت کبلو بايت را براي ۱۰۲۴ بايت پذيرفتند. دليل پذيرش عبارت مذکور اين بود که عدد ۱۰۲۴ به اندازه کافي به پيشوند کيلو(۱۰۰۰) نزديک بود. بعضي مواقع اين استاندارد غير SI يک توصيف کننده نيز به همراه خود داشت،مثلا: ۱ KB = ۱۰۲۴ Bytes . اما اين توصيف کننده، به خصوص در بين بازاريان کم کم حذف شد. اين روند به تدريج تبديل به عادت شد و به دنبال آن پيشوندهاي مگا ، گيگا،ترا و حتي پتا نيز مورد استفاده قرار گرفتند.

 

سيستم هاي عامل و نرم افزار هاي کاربردي آنها ( به ويژه سيستم عامل هاي گرافيکي مثل مايکروسافت ويندوز اغلب ظرفيت را با پيشوند هاي باينري بيان مي کردند. و همين امر باعث شد تا بين ظرفيت اعلام شده از طرف توليد کنندگان و ظرفيت گزارش شده توسط سيتم هاي عامل اختلاف ايجاد شود. اين اختلاف مخصوصا در مورد هارد درايو هاي با ظرفيت چندين گيگابايت بيشتر به چشم مي آمد. کاربران اغلب متوجه مي شدند که ظرفيت گزارش شده توسط سيستم عامل بسيار کمتر از ظرفيت اعلام شده توسط توليد کننده است .

به عنوان مثال مايکروسافت ويندوز ۲۰۰۰ ، ظرفيت درايو را درسيستم دسيمال (ده دهي) با ۱۲ رقم و در سيتم باينري با ۳ رقم بيان ميکرد. بنابر اين هارد درايوي که ظرفيت آن توسط توليد کننده ۳۰ گيگابايت اعلام شده بود، توسط ويندوز، ۳۰۰۶۵۰۹۸۵۶۸ بايت يا ۲۸ گيگابايت گزارش مي شد. توليد کنندگان هارد درايو از اصطلاح گيگا (۱۰ به توان ۹) در سيتم SI استفاده مي کردنند که تقريب خوبي براي گيگا بايت به حساب مي آمد.ولي سيتم عامل ها گيگابايت را۳۰^۲ ، يعني ۱۰۷۳۷۴۱۸۲۴ بايت تعريف مي کردند.بنابراين ظرفيت گزارش شده توسط سيستم عامل بيشتر نزديک به ۲۸ گيگابايت بود.به همين علت بسياري از نرم افزار ها که ظرفيت را گزارش مي دادند شروع به استفاده از پيشوند هاي استاندارد IEC کردند.(مثلا KiB ، MiB و GiB ).

 

بسياري افراد اشتباها اختلاف در گزارش ظرفيت را به فضاي اختصاص داده شده به اطلاعات مربوط به پارتيشن بندي و فايل هاي سيستم، نسبت مي دهند.اما حتي براي فايل سيستم هاي بسيار بزرگ (چند GiB) ، فضاي مرد نياز از چند MiB تجاوز نمي کند.بنابراين فرضيه نمي تواند توجيه قانع کننده اي براي گم شدن ده ها گيگابايت باشد.

ظرفيت يک هارد ديسک را مي توان با استفاده از رابطه زيرمحاسبه کرد:

ظرفيت هارد درايو= تعداد سيلندر ها× تعداد هد ها × تعداد سکتور ها ×۵۱۲

جامعيت:

در حين حرکت ديسک ،سيستم مخروط هارد ديسک به کمک فشار هواي داخل محفظه درايو، هد ها را در ارتفاع مناسبي از صفحه هاي مغناطيسي قرار مي دهد. براي اينکه يک هارد درايو به خوبي کارکند به مقدار معيني فشار هوا نياز دارد. ارتباط با محيط خارج و فشار اتمسفر از طريق يک سوراخ کوچک(تقريبا به قطر ۱/۲ ميليمتر) که روي درپوش قرار دارد ميسر مي شود.که معمولا يک فيلتر کربني از داخل روي آن را پوشانده(فيلتر تنفسي). اگر فشار هوا خيلي پايين باشدهد ها به اندازه کافي از جاي خود بلند نمي شوند و در ارتفاع مناسبي قرار نمي گيرند و خطر برخورد هد ها با صفحه و از دست رفتن اطلاعات وجود دارد. براي کارکرد در ارتفاع زياد(۳۰۰۰ متر) به درايو هاي عايق و تنظيم فشار شده نياز داريم. بدين منظور درايو هاي جديد داراي سنسور هاي دما هستند تا بتوانند فعاليت خود را با محيط اطرافشان تطبيق دهند.

 

مجاورت با رطوبت بالا براي مدت زمان طولاني باعث ايجاد خوردگي در هد ها و ديسک ها مي شود. اگر درايو براي قرار دادن هد هاي خود بر روي صفحات از تکنولوژي کليد هاي قطع و وصل تماسي(CSS ) استفاده کند ، رطوبت افزايش يافته و باعث افزايش تمايل چسبندگي هدها به صفحات مغناطيسي مي گردد.اين پديده ممکن است منجر به وارد آمدن صدمات فيزيکي به ديسک و موتور شود همچنين ممکن است باعث برخورد هد با صفحات مغناطيسي گردد.

 

سوراخ هاي تنفس بر روي تمام هارد درايو ها ديده مي شوند و معمولا در کنار خود يک برچسب هشدار دهنده دارند که به کاربر هشدار مي دهد که اين سوراخ ها را نپوشاند. هواي داخل درايو در حال کار ،پيوسته در حال حرکت است . هوا بر اثر اصطکاک با صفحات در حال چرخش ديسک به حرکت در مي آيد. اين هوا از يک فيلتر داخلي عبور داده مي شود تا از هرگونه آلودگي ناشي از فرآيند توليد ،ذرات يا مواد شيميايي که به نحوي داخل محفظه شده اند و ذراتي که در حين کارِ درايو ايجاد شده اند پاک شود.

 

با توجه به فاصله بسيار کم بين هدها و صفحات ، هرگونه آلودگي روي آنها منجر به برخود هد با صفحه مغناطيسي خواهد شد.هد پس از برخورد با صفحه آن را مي خراشد و لايه نازک مغناطيسي آن را از بين مي برد. در مورد هد هاي بزرگ مقاومتي مغناطيسي(GMR) وجود آلودگي هاي بسيار کم (که حتي باعث خراشيده شدن صفحات نمي شوند) به علت ايجاد اصطکاک با سطح صفحات منجر به داغ شدن بيش از حد هد مي گردند . گرم شدن بش از حد هد موجب مي گردد که اطلاعات بطور موقت يعني تا زماني که هد دماي نرمال خود را بدست بياورد غير قابل خواندن شوند. اين عارضه را که ناميزاني حرارتي ناميده مي شود مي توان به وسيله فيلتر کردن الکترونيکي سيگنال خوانده شده بر طرف کرد. علاوه بر مورد ذکر شده موراد ديگري نيز مي توانند به برخورد هد با صفحات مناطيسي منجر شوند از جمله: خطاهاي الکترونيک، ضربه هاي فيزيکي ، فرسودگي ،خوردگي و توليد نامناسب هد ها يا

صفحات. در اغلب درايو هاي سرور وقتي سيستم خاموش مي شود هد ها در منطقه اي که منطقه ي فرود ناميده مي شود قرار مي گيرند . منطقه فرود محدوده اي از ديسک است که اطلاعات در آنجا ذخيره نمي شود و معمولا نزديک مرکز صفحه قرار دارد. به اين منطقه CSS نيز گفته مي شود( منطقه شروع و توقف تماسي). اما در مدل هاي قديمي هارد درايو توقف هاي ناگهاني و خطاهاي منبع تغذيه در برخي موارد باعث مي شد که هد ها بر روي محدوده هاي ذخيره اطلاعات فرود بيايند که خطر از دست رفتن اطلاعات را افزايش مي داد. در واقع قبلا بايد طي فرآيندي هد ها از روي ديسک کنار رفته و به اصطلاح پارک مي شدند و بعد سيستم خاموش مي شد. در درايو هاي جديد ، هنگام قطع ناگهاني برق از فنر هاي خاصي(در ابتدا) و يا از نيروي گريز از مرکز و اينرسي چرخشي صفحات براي پارک کردن هد ها استفاده مي شود