Unidade de disco rígido
Uma unidade de disco rígido (HDD), disco rígido, hard drive, disco fixo ou disco duro popularmente chamado também de HD é um dispositivo de armazenamento de dados eletromecânico que armazena e recupera dados digitais usando armazenamento magnético e um ou mais pratos rígidos de rotação rápida revestidos com material magnético. Os pratos são emparelhados com cabeças magnéticas, geralmente dispostas em um braço atuador móvel, que lê e grava dados nas superfícies dos pratos. Os dados são acessados de maneira aleatória, o que significa que blocos individuais de dados podem ser armazenados e recuperados em qualquer ordem. Os HDDs são um tipo de armazenamento não volátil, retendo os dados armazenados mesmo quando desligados. Os HDDs modernos geralmente têm a forma de uma pequena caixa retangular.
Reynold B. Johnson foi a pessoa de destaque. Um inventor americano e pioneiro da computação, que por muito tempo foi funcionário da IBM. Ele é considerado hoje o "pai" da unidade de disco rígido (popularmente conhecida como HD), e, além dessa invenção, ele também fez outras invenções que incluem equipamentos de teste automático de pontuação e a fita de videocassete. A primeira unidade de disco rígido de produção da IBM, o IBM 350, foi lançado em 1957 como um componente do sistema IBM 305 RAMAC. Era aproximadamente do tamanho de duas geladeiras de tamanho médio e armazenava cinco milhões de caracteres de seis bits (3,75 megabytes) em uma pilha de 52 discos (100 superfícies usadas). O 350 tinha um único braço com duas cabeças de leitura/gravação, uma voltada para cima e outra para baixo, que se moviam horizontalmente entre um par de pratos adjacentes e verticalmente de um par de pratos para um segundo conjunto. Variantes do IBM 350 foram o IBM 355, IBM 7300 e IBM 1405.
Gravação magnética
Um HDD moderno grava dados magnetizando um filme fino de material ferromagnético.[e] em ambos os lados de um disco. Mudanças sequenciais na diretação da magnetização representavam bits de dados binátios. Os dados são lidos do disco detectando as transições na magnetização. Os dados do usuário são codificados usando um esquema de codificação, como codificação limitada por comprimento de execução,[f] que determina como os dados são representados pelas transições magnéticas. Um projeto de HDD típico consiste em um fuso que contém discos circulares planos, chamados de pratos, que armazenam os dados gravados. Os pratos são feitos de um material não magnético, geralmente liga de alumínio, vidro ou cerâmica. Eles são revestidos com uma camada rasa de material magnético tipicamente de 10 a 20 nm de profundidade, com uma camada externa de carbono para proteção. Para referência, um pedaço de papel de cópia padrão tem 0,07-0,18 mm (70.000-180.000 nm) de espessura.
Componentes
Um HDD típico tem dois motores elétricos: um motor de eixo que gira os discos e um atuador (motor) que posiciona o conjunto do cabeçote de leitura/gravação nos discos giratórios. O motor de disco possui um rotor externo acoplado aos discos; os enrolamentos do estator são fixados no lugar. Em frente ao atuador, na extremidade do braço de suporte da cabeça, está a cabeça de leitura e gravação; cabos finos de circuido impresso conectam as cabeças de leitura e gravação aos componentes eletrônicos do amplificador montados no pivô do atuador. O braço de apoio da cabeça é muito leve, mas também rídigo; em unidades modernas, a aceleração na cabeça atinge 550 g.
Taxas de erro e tratamento
As unidades modernas fazem uso extensivo de códigos de correção de erros (ECCs), particularmente a correção de erros Reed-Solomon. Essas técnicas armazenam bits extras, determinados por fórmulas matemáticas, para cada bloco de dados; os bits extras permitem que muitos erros sejam corrigidos de forma invisível. Os próprios bits extras ocupam espaço no disco rígido, mas permitem que densidades de gravação mais altas sejam empregadas sem causar erros incorrigíveis, resultando em uma capacidade de armazenamento muito maior. Por exemplo, um disco rígido típico de 1 TB com setores de 512 bytes fornece capacidade adicional de cerca de 93 GB para os dados ECC.
Desenvolvimento
A taxa de avanço da densidade de área foi semelhante à lei de Moore (duplicando a cada dois anos) até 2010: 60% ao ano durante 1988-1996, 100% durante 1996-2003 e 30% durante 2003-2010. Falando em 1997, Gordon Moore chamou o aumento de "surpreendente", enquanto observava mais tarde que o crescimento não pode continuar para sempre. A melhoria de preços desacelerou para -12% ao ano durante 2010-2017, à medida que o crescimento da densidade de área diminuiu. A taxa de avanço da densidade de área diminuiu para 10% ao ano durante 2010-2016, e houve dificuldade em migrar da gravação perpendicular para tecnologias mais recentes. À medida que o tamanho da célula de bits diminui, mais dados podem ser colocados em um único prato de unidade. Em 2013, um HDD de 3 TB de desktop de protução (com quatro pratos) teria densidade de área de cerca de 500 Gbit/in2, o que equivaleria a uma célula de bits compreendendo cerca de 18 grãos magnéticos (11 por 1,6 grãos). Desde meados dos anos 2000, o progresso da densidade areal tem sido desafiado por um trilema superparamagnético envolvendo o tamanho do grão, a força magnética do grão e a capacidade da cabeça de escrever. A fim de manter a relação sinal-ruído aceitável, são necessários grãos menores; grãos menores podem se autorreverter (instabilidade eletrotérmica), a menos que sua força magnética seja aumentada, mas os materiais de cabeça de gravação conhecidos são incapazes de gerar um campo magnético forte o suficiente para gravar o meio no espaço cada vez menor ocupado pelos grãos.
Os HDDs de maior capacidade enviados comercialmente em 2020 são 20 TB. A capacidade de uma unidade de disco rígido, conforme relatado por um sistema operacional ao usuário final, é menor do que a quantidade declarada pelo fabricante por vários motivos: o sistema operacional está usando algum espaço, uso de algum espaço para redundância de dados e uso de espaço para estruturas de sistema de arquivos. Além disso, a diferença na capacidade relatada em unidades prefixadas decimansi SI VS. prefixos binários pode levar a uma falsa impressão de capacidade ausente.
Cálculo
Unidades de disco rígido modernas aparecem para seu controlador host como um conjunto contíguo de blocos lógicos, e a capacidade bruta da unidade é calculada multiplicando o número de blocos pelo tamanho do bloco. Essas informações estão disponíveis na especificação do produto do fabricante e na própria unidade por meio de uso de funções do sistema operacional que invocam comandos de unidade de baixo nível. Algumas unidades mais antigas, por exemplo, IBM 1301, CKD, possuem registros de comprimento variável e o cálculo da capacidade deve levar em consideração as características dos registros. Alguns DASD mais recentes simulam CKD e as mesmas fórumulas de capacidade se aplicam.
Formatação
Os dados são armazenados em um disco rígido em uma série blocos lógicos. Cada bloco é delimitado por marcadores que identificam seu início e fim, informações de detecção e correção de erros e espaço entre os blocos para permitir pequenas variações de tempo. Esses blocos geralmente continham 512 bytes de dados utilizáveis, mas outros tamanhos foram usados. À medida que a densidade da unidade aumentou, uma iniciativa conhecida como Formato Avançado estendeu o tamanho do bloco para 4.096 byes de dados utilizáveis, resultando em uma redução significativa na quantidade de espaço em disco usado para cabeçalhos de bloco, dados de verificação de erros e espaçamento.
Unidades
Nos primórdios da computação, a capacidade total dos HDDs era especificada em 7 a 9 dígitos decimais frequentemente truncados com o idioma milhões. Na década de 1970, a capacidade total de HDDs foi dada pelos fabricantes usando prefixos decimais SI, como megabytes (1 MB = 1.000.000 bytes), gigabytes (1 GB = 1.000.000.000 bytes) e terabytes (1 TB = 1.000.000.000.000 bytes). No entanto, as capacidades de memória são geralmente citadas usando uma interpretação binária dos prefixos, ou seja, usando potências de 1024 em vez de 1000. O software informa a capacidade do disco rígido ou da memória em diferentes formas usando prefixos decimais ou binários. A família de sistemas operacionais Microsoft Windows usa a convenção binária ao relatar a capacidade de armazenamento, portanto, um HDD oferecido por seu fabricante como uma unidade de 1 TB é relatado por esses sistemas operacionais como um HDD de 931 GB. O Mac OS X 10.6 ("Snow Leopard") usa a convenção decimal ao relatar a capacidade do HDD. O comportamento padrão do utilitário de linha de comando .mw-parser-output .monospaced{font-family:monospace,monospace}df é relatar a capacidade do HDD como um número de unidades de 1024 bytes.
O preço do HDD por byte diminuiu a uma taxa de 40% ao ano durante 1988-1996, 51% ao ano durante 1996-2003 e 34% ao ano durante 2003-2010. A queda de preços desacelerou para 13% ao no durante 2011-2014, à medida que o aumento da densidade de área desacelerou e as inundações na Tailândia em 2011 danificaram as instalações de fabricação e se mantiveram em 11% ao ano durante 2010-2017. A Federal Reserve Board publicou um índice de preços ajustado à qualidade para sistemas de armazenamento corporativo de grande escala, incluindo três ou mais HDDs corporativos e controladores, racks e cabos associados. Os preços desses sistemas de armazenamento em grande escala diminuíram a uma taxa de 40% ao ano durante 2004-2009 e 22% ao ano durante 2009-2014.
O primeiro disco rígido da IBM, o IBM 350, usava uma pilha de cinquenta pratos de 24 polegadas, armazenava 3,75 MB de dados (aproximadamente o tamanho de uma imagem digital moderna0 e tinha um tamanho comparável a dois grandes refrigeradores. Em 1962, a IBM lançou seu disco modelo 1311, que usava seis pratos de 14 polegadas (tamanho nominal) em um pacote removível e era aproximadamente do tamanho de uma máquina de lavar. Isso se tornou um tamanho de prato padrão por muitos anos, usado também por outros fabricantes. O IBM 2314 usou travessas do mesmo tamanho em um pacote de onze alturas e introduziu o layout "unidade em gaveta", às vezes chamado de "forno de pizza", embora a "gaveta" não fosse a unidade completa. Na década de 1970, os HDDs eram oferecidos em gabinetes independentes de dimensões variadas contendo de um a quatro HDDs. A partir do final da década de 1960, foram oferecidos unidades que se encaixavam inteiramente em um chassi que seria montado em um rack de 19 polegadas. O RK05 e o RL01 da Digital foram os primeiros exemplos usando pratos únicos de 14 polegadas em pacotes removíveis, a unidade inteira cabendo em um espaço de rack de 10,5 polegadas de altura (seis unidades de rack). Em meados da década de 1980, o Fujitsu Eagle de tamanho semelhante, que usava (coincidentemente) pratos de 10,5 polegadas, era um produto popular.
Os fatores que limitam o tempo para acessar os dados em um HDD estão relacionados principalmente à natureza mecânica dos discos rotativos e das cabeças móveis, incluindo: O atraso também pode ocorrer se os discos da unidade forem interrompidos para economizar energia. A desfragmentação é um procedimento usado para minimizar o atraso na recuperação de dados movendo itens relacionados para áreas fisicamente próximas no disco. Alguns sistemas operacionais de computador realizam a desfragmentação automaticamente. Embora a desfragmentação automática tenha como objetivo reduzir os atrasos de acesso, o desempenho será reduzido temporariamente enquanto o procedimento estiver em andamento. O tempo para acessar os dados pode ser melhorado aumentando a velocidade de rotação (reduzindo assim a latência) ou reduzindo o tempo gasto na busca. Aumentar a densidade de área aumenta a taxa de transferência aumentando a taxa de dados e aumentando a quantidade de dados sob um conjunto de cabeças, reduzindo potencialmente a atividade de busca para a determinada quantidade de dados. O tempo para acessar os dados não acompanhou o aumento da taxa de transferência, que por si só não acompanhou o crescimento da densidade de bits e da capacidade de armazenamento.
Taxa de transferência de dados
A partir de 2010, um HDD de desktop típico de 7.200 rpm tem uma taxa de transferência de dados "disco para buffer" sustentada de até 1.030 Mbit/s. Esta taxa depende da localização da pista; a taxa é maior para dados nas trilhas externas (onde há mais setores de dados por rotação) e menor para as trilhas internas (onde há menos setores de dados por rotação); e geralmente é um pouco maior para unidades de 10.000 rpm. Um padrão atual amplamente usado para a interface "buffer-to-computer" é 3.0 Gbit/s SATA, que pode enviar cerca de 300 megabytes/s (codificação de 10 bits) do buffer para o computador e, portanto, ainda está confortavelmente à frente das taxas de transferência de disco para buffer atuais. A taxa de transferência de dados (leitura/gravação) pode ser medida gravando um arquivo grande no disco usando ferramentas especiais de geração de arquivos e, em seguida, lendo o arquivo. A taxa de transferência pode ser influenciada pela fragmentação do sistema de arquivos e pelo layout dos arquivos.
Outras considerações
Outras considerações de desempenho incluem preço ajustado à qualidade, consumo de energia, ruído audível e resistência a choques operacionais e não operacionais.
Os discos rígidos atuais se conectam a um computador por meio de um dos vários tipos de barramento, incluindo ATA paralelo, Serial ATA, SCSI, Serial Attached SCSI (SAS) e Fibre channel. Algumas unidades, especialmente unidades portáteis externas, usam IEEE 1394 ou USB. Todas essas interfaces são digitais; a eletrônica no drive processa os sinais analógicos das cabeças de leitura/gravação. As unidades atuais apresentam uma interface consistente com o resto do computador, independente do tamanho do esquema de codificação de dados usado internamente e indepente do número físico de discos e cabeças dentro da unidade. Normalmente, um DSP na eletrônica dentro do drive pega as tensões analógicas brutas do cabeçote de leitura e usa a correção de erros PRML e Reed–Solomon para decodificar os dados e, em seguida, envia esses dados pela interface padrão. Esse DSP também observa a taxa de erros detectada pela detecção e correção de erros e realiza remapeamento de setores defeituosos, coleta de dados para Automonitoramento, Análise e Tecnologia de Relatórios e outras tarefas internas.
Devido ao espaçamento extremamente próximo entre os cabeçotes e a superfície do disco, os HDDs são vulneráveis a serem danificados por uma colisão do cabeçote - uma falha do disco em que o cabeçote raspa na superfície do prato, muitas vezes triturando o filme magnético fino e causando perda de dados. As colisões de cabeçote podem ser causadas por falha eletrônica, uma falha repentina de energia, choque físico, contaminação do gabinete interno da unidade, desgaste, corrosão ou pratos e cabeçotes mal fabricados. O sistema de eixo do HDD depende da densidade do ar dentro do compartimento do disco para apoiar as cabeças em sua altura de vôo adequada enquanto o disco gira. Os HDDs requerem uma certa gama de densidades de ar para funcionar corretamente. A conexão com o ambiente externo e densidade ocorre através de um pequeno orifício no invólucro (cerca de 0,5 mm de largura), geralmente com um filtro na parte interna (o filtro de respiro). Se a densidade do ar for muito baixa, não há sustentação suficiente para o cabeçote voador, então o cabeçote fica muito perto do disco e existe o risco de quedas do cabeçote e perda de dados. Discos selados e pressurizados especialmente fabricados são necessários para operação confiável em alta altitude, acima de cerca de 3.000 m (9.800 pés). Os discos modernos incluem sensores de temperatura e ajustam sua operação ao ambiente operacional. Orifícios de respiro podem ser vistos em todas as unidades de disco - eles geralmente têm um adesivo próximo a eles, alertando ao usuário para não cobrir os orifícios. O ar dentro do acionamento de operação também está em constante movimento, sendo varrido pelo atrito com os pratos giratórios. Este ar passa por um filtro de recirculação interna (ou "recirc") para remover quaisquer contaminantes remanescentes da fabricação, quaisquer partículas ou produtos químicos que possam ter entrado de alguma forma no gabinete e quaisquer partículas ou gases gerados internamente em operação normal. A umidade muito alta presente por longos períodos de tempo pode corroer as cabeças e os pratos. Uma exceção a isso são HDDs preenchidos com hélio e hermeticamente selados, que eliminam amplamente os problemas ambientais que podem surgir devido à umidade ou mudanças na pressão atmosférica. Esses HDDs foram introduzidos pela HGST em sua primeira implementação bem-sucedida de alto volume em 2013.
Mais de 200 empresas fabricaram HDDs ao longo do tempo, mas as consolidações concentraram a produção em apenas três fabricantes hoje: Western Digital, Seagate e Toshiba. A produção é prinicpalmente na orla do Pacífico. A receita mundial de armazenamento em disco caiu 8% ao ano, de um pico de US$ 38 bilhões em 2012 para US$ 22 bilhões (estimado) em 2019. A produção de armazenamento HDD cresceu 15% ao ano durante 2011-2017, de 335 para 780 exabytes por ano. As remessas de HDD caíram sete por cento ao ano durante esse período, de 620 para 406 milhões de unidades. As remessas de HDD foram projetadas para cair 18% durante 2018-2019, de 375 milhões para 309 milhões de unidades. Em 2018, a Seagate tem 40% das remessas de unidades, a Western Digital tem 37% das remessas de unidades, enquanto a Toshiba tem 23% das remessas de unidades. O preço médio de venda para os dois maiores fabricantes foi de US$ 60 por unidade em 2015.
