Kõvakettad (0)

Kõvakettad
Sissejuhatus
Füüsiline kõvaketas (tihti kutsutakse seda ainult kõvakettaks või HDD-ks( Hard disk drive )) on püsimäluga seade, mis hoiab digitaalselt kodeeritud andmeid väga kiiresti pöörleval kettal, millel on magneetiline pind. Täpselt rääkides sõna „drive“ (hard disk drive-s) viitab motoriseeritud mehaanilisele sisemusele, mis on eristav ta enda sisust nagu kassetimängija
ja kassett või floppi mängija flopiga. Varasemad HDD-del oli eemaldatav ketas, kuigi tänapäevaks on need tavaliselt suletud ümbrises (väljaarvatud ventilatsiooni õhuaugud, et ühtlustada õhurõhku) ja mitte eemaldava kettaga.
Ajalugu
HDD (nägi ilmavalgust esimest korda 1956. aastal IBM firmaarvutites ) oli
välja arendatud kasutamiseks üldotstarbelistes arvutites. 1990-tes vajadus
suuremahulistele, usaldusväärsetele ja seadmed , mis ei sõltu konkreetselt
teatud seadmetest, viis manussüteemideni nagu RAID-id, NAS ( Network
Attached Storage ) süsteemid ja SAN (Storage area network) süsteemideni,
mis võimaldasid usaldusväärset ja tülivabat ligipääsu suurtele andme-
kogudele. 21. sajandil on HDD kasutamine avardanud rohkematele seadetele
nagu telefonid (Näiteks Nokia N91), PDA (Personal Digital Assistants),
mängukonsoolid ja paljud muud sarnased seadmed.
Tehnoloogia
HDD salvestab andmed otse magnetiseerides raua magneetilist materjali, mis
tähendavad siis kas 0 või 1 binary arvu. Andmed loetakse uuesti kokku,
tundes ära magneetilisust materjalil. Tavaline HDD koosneb võllist, mis hoiab
1 või mitut lamedat ketast , mida nimetatakse platternsiteks, mille peale
andmed salvestatud on. Platternid on tehtud mittemagneetilisest materjalist,
tavaliselt alumiiniumi sulamist või klaasist ja on kaetud õhukese kihi
magneetilise materjaliga, tavaliselt 10-20 nm paksusega – võrdlusega, et
tavaline koopiapaber on kusagil 0,07 mm (70 000nm) ja 0,18 mm(180 000
nm) paksune – ja väliskiht süsinikust kaitseks. Teised kettad võivad kasutada
raud(III)oksiidi magneetilise materjalina aga tänapäevased kasutavad coobalti
põhilist sulamit.
Kettad pööratakse väga
suurtel kiirustel. Informatsioon kirjutatakse plaadile, kui see möödub sellisest seadmest, mida kutsutakse read-and-write head-iks(ehk seadmest mis loeb ja kirjutab), mis on kettast väga lähedal magneetilisele kihile plaadil (uuematel seadmetel võib see vahemaa olla vaid kümneid nanomeetreid). See read-and-write-i pea kasutatakse, et ära tunda ja muuta
magneetilist ala otsekohe tema all olevat materjali. Iga plaadi jaoks on eraldi
selline pea, mis on pandud tavalise n.ö. käe otsa. Selline käsi liigutab neid peasid üle keerlevate plaatide pildasid, lubades ühel peal katta terve plaadi
pindala. Kätt liigutatakse kasutatakse vedrusid, vanematel seadmetel stepper
mootorit
Magneetiline plaadi kiht on põhimõtteliselt jaotatud paljudeks üli väikesteks
magneetilisteks osadeks, millest igat kasutatakse informatsiooni kodee-
rimiseks üheks ainsaks binariks. Algselt olid need osad paigutatud
horisontaalselt , kui 2005. aasta alguses, muudeti nende paigutus nii, et nad
olid risti. Magneetilise materjali omadus võimaldab igal magneetilisel osal
koosneda mitmetest tuhandetest magneetilisest terakestest. Magneetiline
terake on tavaliselt 10 nm suurus ja iga moodustab ühe magneetilise ala. Iga
magneetiline piirkord moodustab magneetilise dipooli , mis tekitab lokali-
seeritud magneetilise välja selle juures. Kirjutaja tekitab tugeva magneetilise
välja, magnitiseerides väikese piirkonna. Esimesed HDD-d kasutasid
elektromagnetit, et nii lugeda kui magnetiseerida kasutates elektromagneti sisselaskmist. Hiljutisemad sisselaskmis peade versioonid olid MIG-i ( Metal in
Gap) pead ja õhukesed filmi omad. Andmete vahede vähenedes, kasutasid
lugemise pead MR-i (Magnetoreistancei); magneetilise jõu suurenedes
plaadil, kohandus ka lugejapea. Hiljem arendatud kasutasid spintronics-eid.
Sellistes peades oli magnetoresistance-i jõud palju suurem kui varasemates
mudelites ja oli dubleeritud GMR („Giant“ magnetoresistance). Tänapäeva
peades on lugemise ja kirjutamise elemendid eraldi, aga üksteistele siiski
väga lähedal.
HD pead hoitakse nii, et need ei puutu plaadi pinda. Seda teevad nad õhu
abil, mis on väga lähedal plaadile. See õhk liigub umbes või sama kiirelt kui
plaat ise. Salvestamise ja lugemise pead on sellise asja küljes, mida
nimetatakse slider-iks ja selle pind on täpselt selline, mis ei lase sellel küll
plaati puudutada, kuid on väga lähedal. Seda nimetatakse õhukandmiseks.
Kui aga miskipärast peaks head puutuma plaati võrreldakse selle kokkupõrke
jõudu, kui see suurema skaalale teha, reisilennuki boeing 747 täiskiirusel
maa pinnale allakukkumisega.
Moodsamates kõvaketastes, kuna nii väikeseid on magneetilised piirkonnad,
on ohtu, et nende sisu võib kaotsi minna temperatuuri tõttu. Et seda ei juhtuks
on plaadid kaetud kahe paralleelse magneetilsie kihiga, mis on eraldatud 3
aatomi paksuse mitte magneetilise elemendi rutheniumi kihiga ja kaks kihti on
magnetiseeritud vastassuunaliselt nii et nad toetaksid üksteist. Kuid on ka
muid mooduseid, kuidas saada üle temperatuuri halbadest mõjudest.
Vigade käsitlemine
Moodsad kõvakettad sammuti kasutavad ECC-d ( Error Correcting Codes),
kui täpsem olla siis Reed-Solomoni vigade parandamist. Selliste võttetega
hoitakse extra bitid igas andmekogus, mis on kindlaks tehtud matemaatiliste
valemite poolt. Lisa bitidega saab parandada palju vigu. Kuigi need lisa bitid
võtavad ruumi kõvakettal, lubavad nad suuremat salvestamis tihedust
plaadile ja tänu sellele, palju suuremat andmete salvestus ruumi kasutajale.
2009 aastal, kõige uuemates kõvaketastes kasutatakse LDPC (Low- density
parity - check codes) asenduseks Reed-Solomonile. LDPC koodid võimal-
davad Shannoni limiidi lähedust võimsust ja seetõttu veelgi suuremat
salvestamis tihedust.
Tavaline kõvaketas proovib „remap“-ida andmed füüsilisse sektorise, need,
mis lähevad n.ö. Halvaks, ümber varu sektorisse – lootes, et vigade hulk on
halvas sektoris ikka piisavalt väike, et ECC saaks infot kätte, ilma seda
kaotamata. S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology )
süsteem loendab kogu vigade arvu, mis on ECC poolt parandatud ja kogu-
arvu ümbertõstmisi, ennetamaks kõvakettal info kaotamist
Arhitektuur
Tüüpilises kõvaketas on kaks elektrimootorit, üks plaatide jaoks ja teine
lugemis/kirjutamise käe liigutamiseks. Plaa-
tide mootoril on väline rootor plaatidega
ühendatud.
Pea toetus käsi on väga kerge, kuid sam-
muti jäik, moodsates hd-des, pea kiirendus
tekitab 550 G-d.
Hõbedast värvi struktuur, esimese pildi
üleval vasakus nurgas, on magneti kaas ja
pöördpool mootor, mis liigutab kätt soovitud
positsioonile. Kaas toetab õhukest neodüüm-raud-boroon (NIB) kõrge jõuväl-
jaga magnetit. Kaane all on pöördpool(mõned kustsuvad ka seda voice -coil-
iks), mis on kinnitatud aktuaatorisse, ja selle all on veel teine NIB magnet,
mis on kinnitatud mootori alumise plaadi külge (mõned hdd-d kasutavad vaid
ühte magnetit).
Voice-coil iseenesest on nooleotsa kujuline ja
on tehtud kahekihilisest vasemagneti traa-
dist. Sisemine kiht on isolatsioon, väline on
thermoplastik, mis ühendab coili kokku
pärast seda, kui see on vormis tehtud, et see
iseennast toetaks. Osa coili, mis on kui noo-
lepea külgedes, mõjutatakse magnetväljaga,
tekitates jõu, mis pöörab aktuaatorit.
Võimalused ja kiirus
Kasutates jäike kettaid ja suletud kasti lubab see palju suuremat
talumisvõimet kui FDD ( Floppy disk drive).
Sellest järeldades, suudavad HDD-d hoida palju rohkem andmeid kui FDD-d
ja lubavad ning kannavad andmeid kiiremini üle.
•2009 aasta aprillist on kõige kõrgem tavakasutaja kõvakettad 2 TB suurused
(2000 GB).
•Tavaline “ lauaarvuti HDD“ võib hoida alates 120 gb kuni 2 tb-ni kuid harva
nad tegelikult hoiavad üle 500 gb andmeid (US turunduse andmete baasil),
kiirused on kusagil 5,400 kuni 15,000 rpm ja andmete ülekandmis kiirus on
0,5 Gbit/sekundis või kiirem.
Kõige kiiremad “firma“ HDD pöörlevad kusagil 10,000 või 15,000 rpm-il ja
suudavad saavutada andmete edastamist kuni1 Gbit/s ja pistelise andmete
edastamise üle 1,6 Gbit/s. Kõvakettad mis töötavad 10,000 või 15,000 rpm-il
kasutavad väiksemaid kettaid et leevendada suurenenud jõu vajadusi (mida
suurendab õhutakistus) ja sealjuures tavaliselt suudavad vähem andmeid
hoida kui paremad lauaaruvti HDD-d.
•“ Mobiilsed HDD-d“ ehk läptopi HDD-d, mis on füüsiliselt väiksemad kui
nende lauaarvutite ja firmade sarnased vennad, kipuvad olema aeglasemad
ja väiksema mahuga. Tavaline selline HDD-l on kusagil kas 5200 , 5400 või
7200 rpm-i, milles 5400 rpm-iga on kõige esinduslikum. 7200 rpm-iga HDD-d
kipuvad olema kallimad ja väiksema mahuga, samas 5200 rpm-iga mudelis
tavalised omavad väga suuri mahu võimalusi. Kuna nende kettad on
füüsiliselt väiksemad, on ka neid vähem mahutavust kui suuremad lauaarvuti
kõvakettad.
Ekspodentsiaalne suurenevus kõvaketaste mahutavuse ja andmete edas -
tamise kiiruse suurenemine on võimaldanud luua sellised asjad, mis vajavad
suurt andme mahtu nagu digitaalsed video -ja heli salvestajad ja mängijad
(videokaamerad, mp3-mängijad jne). Lisaks veel sellele on ligipääs odavale
ja väga suurele mahule ligipääs muutnud kõvasti veebipõhilisi teenuseid,
millel on erakordsed mahutavuse võimalused nagu tasuta veebi otsingud,
arhiveerimised ja videote jagamised (google, internet archive , youtube, jne).
Põhiline moodus, kuidas andme vahetust kiirendada on teha kiiremaks ketta
pöörlemis kiirust, sellega vähendates pöörd viivitust, samas põhiline viis
suurendada andmemahtu on suurendada andmete tihedust. Ajalooliste
faktide põhjal võib ennustada, et HDD-de andmete tihedus (sellega
andmemaht) suureneb 40\\% võrra aastas. Ülekande kiirus aga ei ole sammu
pidanud läbilaskega, mis omakorda pole pidanud sammu mahutavuse
suurenemisega.
Esimene 3.5“ HDD turustatud mis oli võimeline mahutama 1 TB oli Hitachi
Deskstar 7K1000. See sisaldab viite ketast mille igal ühel on kusagil 200 GB,
mis toovad välja 1 TB (täpsemalt 935,5GB) kokku kasutatavat ruumi, pane
tähele selle suuruse vahet kümnend süsteemid (1TB = 10
12
biti) ja binaarses
süsteemis (1TB = 2
40
biti). Sellest ajast peale, Hitachi ühines Samsungiga
( Samsung SpinPoint F1, mis omas 3x334 gb kettaid), Seagatega ja Western
Digitaliga 1TB kõvaketaste turul.
2009. aasta septembris, Showa Denko kuulutas mahutavuse uuendused
ketastes , mida nad toodavad HDD tootjatele. Üks 2.5“ ketas suudab hoida
334 GB andmeid ja algne tulemus 3,5“ näitas 750 GB plaadi kohta.
________________________________________
Kuju tegurid
Enne PC ja väikeste arvutite ajastut , võis kõvakettaid leida paljudes suu-
rustes, tavaliselt eraldi kappides, mis on tavalise pesumasina suurune. (näi-
teks DEC RP06 Disk Drive) või on see disainitud nii, et see mahuks 19“-ses-
se raami (Nagu Diablo Model 31).
Väikeste arvutite müükide suurenemisega, sisse ehitatud FDD-ga, HDD, mis
suudaks FDD kohale mahtuda, olid nõudmisel ja see viis turundus eevolutsiooni kõvaketastes, millel on kindlad kuju tegurid, algselt tuletatud 8“,
5,25“ ja 3,5“ FDD suurustest. Väiksemad kui 3,5“ on populaarust kogunud
turunduses ja/või on välja valitud erinevate tööstusgruppide poolt.
•8 tollised: 9.5 tolli × 4.624 tolli × 14.25 tolli (241.3 mm × 117.5 mm × 362
mm)
1979 aastal, Shugart Associates' SA1000 oli esimene selliste mõõtmetega
HDD, mis suutis asendada 8“ FDD-d.
•5,25 tollised: 5.75 tolli × 1.63 tolli × 8 tolli (146.1 mm × 41.4 mm × 203 mm)
Selline väiksema mõõtmega koht, esimest korda kasutatud HDD-ga Seagate
poolt aastal 1980, oli samas suuruses kui täies pikkuses 5¼-tolli diameetriga
FDD ehk 3,25 tolli kõrge. See on neli korda paksem kui tänapäeva kõva-
kettad mida kasutatakse. Suurem osa lauaarvuti kõvaketta mudeleid optiline
120mm kettastega (dvd või cd) on sama kõrge, kuid seda ei hakatud eriti
________________________________________
kasutama hdd´de valmistamisel. Quantium Bigfoot HDD oli viimane, kes seda
kasutas 1990. aastate lõpus koos „madala profiili“ (kusagil 25mm) ja „väga
madala profiili“ (umbes 20mm) kõrgete versioonidega.
•3,5 tollides: 4 tolli × 1 tolli × 5.75 tolli (101.6 mm × 25.4 mm × 146 mm) =
376.77344 cm³
See väiksem suuruse standart , mida kasutas esimest korda Rodime HDD
1984. aastal, oli sama suur kui „poole pikkune“ 3½″ FDD, ehk 1,63 tolli
kõrge. Tänapäeval see on suurem jaolt väljatõrjutud 1 tolli kõrguse „madala
profiili“ versiooniga sellest vormist , mida kasutavad suurem osa lauaarvuti
HDD-d.
•2,5 tollised: 2.75 in × 0.374–0.59 in × 3.945 in (69.85 mm × 7–15 mm × 100
mm) = 48.895–104.775 cm3
See veelgi väiksem vorm oli esmakordselt välja antud PraireTek-i poolt 1988
aasta. Sellel aga pole vastavad FDD-d. Sellist kasutatakse laialdaselt
tänapäeval HDD-del, mis on mobiilsetes asjades (läpakad. muusika  mängijad
jne) ja 2008. aastat asendab see 3,5 tolliseid äriklassi kettaid. Seda sammuti
kasutatakse Xbox 360 ja Playstation 3 videomängu konsoolides. Tänapäeval
domineeriv kõrgus on 9,5 mm läpakate kõvaketastena kuid suure
mahuga(750 GB ja 1 TB) kettastel on 12,5 mm kõrged. Äriklassi kettad
võivad olla kuni 15mm. Seagate on välja lasknud vahvli paksusega 7mm
kettad, mis on mõeldud kõrgtehnoloogilsitele läpakatele ja netbookidele 2009
aasta detsembrist.
•1,8 tollised: 54 mm × 8 mm × 71 mm = 30.672 cm³a
Esimest korda tutvustatud Intergral Peripheralsi poolt 1993. aastal, on
arenenud ATA-7 LIF-iks, mille dimendsioonid on eelpool välja juba toodud.
Seda järjest rohkem kasutatakse digitaalsetes muusika mängijates ja
subnotebookides. Originaalses variandis on 2-5 GB mahuga HDD, mis
mahuvad otse PC kaardi laiendamise avasse. Need on populaarseks saanud
iPodides ja teistes HDD põhilistel mp3-e mängijatel.
•1 tollised: 42.8 mm × 5 mm × 36.4 mm
IMB Microdrive (1999 avaldatud) mahub CF Type II avasse. Samsung kutsub
seda samade mõõtemtega “1,3 tolliseks“ kettaks oma toodetes.
•0,85 tollised: 24 mm × 5 mm × 32 mm
Toshiba andis välja selle 2004. aasta jaanuaris kasutamiseks mobiil
telefonides ja sarnastes asjades, kaasaarvatud SD/MMC avaga HDD
võimalusega video salvestamisega optimiseeritud 4gb käes hoitavale
seadmele. Toshiba praegu müüb 4 GB (MK4001MTD) ja 8 GB (MK8003MTD) versiooni ja hetkel hoiab Guinessi Maailma Rekordit kui kõige väiksem HDD.
3,5“ ja 2,5“ kõvakettad domineerivad hetkel HDD turgu.
2009. aastaks on suurem osa kõik tootjad peatanud uute toodete arenduse
1,3 ,1 ja 0,85 tolliste mõõtmetega seoses Flash mälu hinna langemisega.
Tolli põhilised hüüdnimed kõikidel nendel standarditel ei pruugi väidata nende
toodete tegelikust mõõtu (mis on täpsustatud eelnevalt iga nime taga), vaid
ütlevad umbes ketta suuruse.
Tootjad
Kuna nõuded tehnoloogilistele ressurssidele ja teadmised kuidas teha mood-
said kõvakettaid ning tootmised aastas 2010, on küllaltki kõrged, on virtuaal -
selt kogu maailma HDD jagatud 5 firma vahele: Seagate, Western Digital,
Hitachi, Samsung ja Toshibas.
Paljud endised HDD tootjad on kas pankrotti läinud, liitunud või sulgenud oma
HDD tootmis osakonna, kuna mahud ja nõudmised toodetele on suurenenud,
raske on teha kasumit ning turg on läbi läinud suure konsulideerumise 1980.
aastate ja 1990. aastate lõpu poole. Esimene tuntud langeja PC ajastul oli
Computer Memories Inc. Või CMI, pärast intsidenti vigase 20 MB AT kettaga
1985-endal aastal. CMI reputatsioon ei olnud kunagi taastatud ja nad lah-
kusid HDD ärist 1987. aastal. Teine tuntud läbikukkumine oli MiniScribe, kes
läks pankrotti 1990. aastal pärast seda, kui nad läksid üle panga pettuste
juurde ja suurendasid oma müüginumbreid mitmeid aastaid. Paljud väik-
semad firmad, nagu Kalok, Microscience, LaPine, Areal, Priam ja PrairieTek,
ei elanud üle söelumist ja kadusid aastaks 1993. Micropolis suutis kinni hoida
1997. aastani, ja JTS, suhteliselt hiline sisse asjutaja sellisesse ärisse, kestis
ainult paar aastat ja lahkus 1999 aastal pärast seda, kui nad proovisid India
HDD varustaja olla. Nad said kuulsaks sellega ,kui nad tegin 3“ ketta läp-
toppidele. Quantum ja Intergal sammuti investeerisid 3“ ketastele kuid lõpuks
lõpetasid selle toetuse kuna see kukkus läbi. Rodime oli sammuti tähtis tootja
1980- datel aga lõpetas tegevuse 1990-tel ja nüüd keskendub tehnoloogia
litsentsimisega, nende käes on mitmed patendid seotud 3,5 tolliste HDD-des
Järgnev loend on põlvnemine praegusteni HDD firmadeni :
•1967 - Hitachi siseneb HDD ärisse.
•1967 - Toshiba siseneb HDD ärisse.
•1979 - Seagate Tehnology on loodud vanadest IBM ja Memorex töötajatest.
•1988 - Western digital (WDC), siis tuntud kontrollerite disainija, siseneb HDD
ärisse, kui saab enda valdusesse Tandon Corporation 'i ketaste osakonna.
•1989 - Seagate Tehnology ostab Control Data Hdd osakonna.
•1990 - Maxtor ostab MiniScribe pankrotist välja.
•1994 - Quantum ostab DEC-i ühe osakonna sisenedes HDD maailma.
•1996 - Seagate saab Conner Peripheralsi oma kõrvale ühinedes.
•2000 - Maxtor võtab Quantumi HDD äri, Quantum jääb kasettide tootjaks.
•2003 - Hitachi saab endale suurem osa IBM-i ketta osakonnast, kes pani
sellele nimeks Hitachi Global Storage Tehnologies (HGST).
•2006 - Seagate võtab Maxtori oma külje alla.
•2009 - Toshiba saab Fujitsu HDD osakonna.