Elektromagnetická indukce
Základním fyzikálním principem, na kterém funguje čtení i zápis dat na pevném disku, je elektromagnetická indukce. Při zápisu prochází elektrický proud cívkou v čtecí/zápisové hlavě a vytváří magnetické pole, které mění orientaci magnetických domén na povrchu plotny. Při čtení naopak pohyb magnetizovaného povrchu plotny pod hlavou indukuje elektrický signál, který je následně dekódován na binární data.
Moderní disky používají magnetorezistivní (MR) nebo obří magnetorezistivní (GMR) hlavy, které detekují změny magnetického pole prostřednictvím změny elektrického odporu tenké vrstvy materiálu. Tento princip umožňuje čtení extrémně malých magnetických oblastí a tím dosahování vysokých hustot záznamu.
Komponenty disku
Pevný disk se skládá z několika klíčových komponent, které společně zajišťují ukládání a čtení dat.
Magnetická vrstva
Plotny disku jsou vyrobeny z hliníku nebo skla a pokryty tenkou vrstvou magnetického materiálu (typicky slitina kobaltu). Na této vrstvě jsou uložena data v podobě magnetických domén s různou orientací. Tloušťka magnetické vrstvy se pohybuje v řádu desítek nanometrů.
Synchronní motor
Plotny jsou roztáčeny bezkartáčovým synchronním motorem na konstantní otáčky — typicky 5 400, 7 200, 10 000 nebo 15 000 otáček za minutu. Motor musí udržovat přesné otáčky, protože jakékoliv kolísání by narušilo správné časování čtení a zápisu.
Aktuátor
Aktuátor (voice-coil motor) je elektromagnetické zařízení, které pohybuje rameny s čtecími hlavami nad povrchem ploten. Funguje na principu reproduktoru — průchod proudu cívkou v magnetickém poli způsobí pohyb ramene. Aktuátor umožňuje extrémně rychlé a přesné polohování hlav s přesností na zlomky mikrometru.
Čtecí hlavy
Na konci každého ramene aktuátoru je miniaturní čtecí/zápisová hlava. Hlavy se vznášejí nad povrchem plotny na vzduchové vrstvě o tloušťce pouhých 5–10 nanometrů. Každá plotna má dvě hlavy — jednu pro horní a jednu pro spodní povrch.
Mechanismy vystavení hlav
Pro přesun čtecích hlav na požadovanou stopu existují dva základní mechanismy:
Krokový motor
Starší disky používaly krokový motor, který posouvá hlavy po jednotlivých krocích. Tento mechanismus je jednoduchý, ale méně přesný a pomalejší. S rostoucí hustotou stop se stal nedostatečně přesným a byl nahrazen lineárním motorem.
Lineární motor (voice-coil)
Moderní disky používají lineární motor založený na principu hlasové cívky. Umožňuje plynulý a extrémně rychlý pohyb hlav s přesným polohováním pomocí zpětné vazby ze servo značek zapsaných na plotnách. Přístupová doba se pohybuje v řádu milisekund.
Proces zápisu a čtení
Zápis a čtení dat probíhá ve třech základních krocích:
- 1. Vystavení hlav (seek) — aktuátor přesune čtecí hlavy nad požadovanou stopu. Pozice je ověřena pomocí servo značek zapsaných na plotně.
- 2. Čekání na sektor (rotational latency) — po vystavení hlav disk čeká, až se požadovaný sektor na rotující plotně dostane pod čtecí hlavu. Průměrná rotační latence odpovídá polovině doby jedné otáčky.
- 3. Přenos dat — data jsou čtena nebo zapisována, zatímco se sektor pohybuje pod hlavou. Přenosová rychlost závisí na hustotě záznamu a otáčkách disku.
Ukládání dat a paralelní čtení
Data na disku jsou organizována do sektorů (typicky 512 bajtů nebo 4 096 bajtů u moderních disků), které jsou seskupeny do stop a cylindrů.
Interleaving faktor
U starších disků se používal tzv. interleaving faktor — sektory nebyly na stopě řazeny za sebou, ale s pravidelnými mezerami. Důvodem bylo, že řadič nestíhal zpracovat data z jednoho sektoru dříve, než se pod hlavou objevil další. S mezerami měl řadič čas data zpracovat, aniž by musel čekat celou další otáčku. Moderní disky s rychlými řadiči interleaving nepoužívají (faktor 1:1).
Moderní technologie CMR a SMR
S rostoucími nároky na kapacitu se vyvinuly dvě hlavní technologie magnetického záznamu:
CMR (Conventional Magnetic Recording)
Konvenční záznam, kde jsou stopy uloženy vedle sebe s mezerou (guard band). Každou stopu lze nezávisle přepsat bez ovlivnění sousedních stop. CMR disky nabízejí konzistentní výkon čtení i zápisu a jsou vhodné pro běžné použití i servery.
SMR (Shingled Magnetic Recording)
Šindelový záznam, kde se stopy částečně překrývají — podobně jako tašky na střeše. Zápisová hlava je širší než čtecí, takže při zápisu částečně přepisuje sousední stopu. To umožňuje vyšší hustotu záznamu a větší kapacitu, ale za cenu pomalejšího náhodného zápisu, protože přepsání jedné stopy vyžaduje přepsání celé skupiny překrývajících se stop.