Ổ cứng hoạt động như thế nào?

Máy tính xách tay giá 500 đô la trung bình cung cấp 256GB dung lượng lưu trữ. Bạn có thể nhìn thấy con số đó và nghĩ, “Chà – hãy tưởng tượng tất cả các bộ phim, bài hát và hình ảnh mà tôi có thể lưu về đứa bé đó,” phải không?

Nhưng bạn đã bao giờ nghĩ về cách dữ liệu của bạn được lưu trữ chưa?

Chà, câu trả lời có thể khiến bạn bị sốc vì ổ cứng trên hệ thống của bạn sử dụng từ tính để lưu trữ dữ liệu. Khi so sánh với đĩa CD, cách tiếp cận này hiệu quả hơn. Trên thực tế, nếu bạn xếp các đĩa CD có dung lượng tương đương trước mặt mình, nó chắc chắn sẽ cao ngang tầm mắt.

Câu hỏi nào đặt ra: Ổ cứng hoạt động như thế nào?

Ổ cứng hoạt động như thế nào?

Để hiểu đầy đủ về một ổ cứng, bạn phải biết cách hoạt động vật lý của một ổ cứng. Về cơ bản, có những chiếc đĩa, cái này chồng lên cái kia, cách nhau vài mm. Những đĩa này được gọi là đĩa cứng. Được đánh bóng với độ sáng bóng gương cao và cực kỳ mịn, chúng có thể chứa một lượng lớn dữ liệu.

Tiếp theo, chúng ta có cánh tay. Điều này ghi và đọc dữ liệu trên đĩa. Nó kéo dài trên đĩa và di chuyển qua nó từ trung tâm này sang cạnh, đọc và ghi dữ liệu vào đĩa thông qua các đầu nhỏ của nó, di chuột qua đĩa. Cánh tay, trên các ổ đĩa trong nước trung bình, có thể dao động khoảng 50 lần mỗi giây. Con số này có thể tăng lên hàng nghìn trên nhiều máy có thông số kỹ thuật cao và những máy được sử dụng để tính toán phức tạp.

Để mọi thứ dễ hiểu, đối với ổ cứng chạy ở tốc độ 5.400 RPM, cánh tay di chuyển 62 dặm một giờ. Ngoài ra, cánh tay chỉ cách đĩa 10 nanomet, và chính ở khoảng cách này, cánh tay phải đọc và ghi dữ liệu trên đĩa.

Để thực hiện tác vụ này, ổ cứng sử dụng các khái niệm về từ tính, và để hiểu cách thức hoạt động của ổ cứng, chúng ta cần xem xét lại một số điều cơ bản.

Giải thích từ tính trong ổ cứng

Trước khi tìm hiểu về ổ cứng, chúng ta hãy tìm hiểu các khái niệm mà ổ cứng sử dụng để lưu trữ dữ liệu.

Nói một cách đơn giản, ổ cứng sử dụng sắt từ để lưu tất cả các tệp của bạn trong vài giây. Nhưng sắt từ là gì?

Bạn có nhớ để một bộ kẹp giấy gần nam châm qua đêm chỉ để phát hiện ra rằng các kẹp giấy bây giờ hoạt động giống như nam châm không? Hành vi này của một số kim loại có được các đặc tính từ tính khi đặt gần nam châm được gọi là hiện tượng sắt từ. Sự thay đổi về đặc tính của kim loại này được sử dụng để lưu trữ dữ liệu trên ổ cứng của bạn.

Mặc dù đĩa trên ổ đĩa của bạn trông giống như một tấm gương bên dưới bề mặt, nó bao gồm hàng nghìn tỷ hạt. Những hạt này có các đặc tính tương tự như kẹp giấy mà chúng ta đã thảo luận trước đó và có thể lưu trữ thông tin từ tính khi chúng đến gần từ trường. Để lưu trữ thông tin, những hạt này có thể có hai trạng thái khác nhau, và những trạng thái này được gọi là mômen từ.

Ngoài ra, không giống như kẹp giấy, kích thước của những hạt này rất nhỏ, và một inch vuông của đĩa có thể lưu trữ hàng trăm Gigabit dữ liệu. Do đó, một nam châm điện có một đầu rất nhỏ được sử dụng để ghi dữ liệu vào các hạt nhỏ này. Đây là cách dữ liệu được ghi trên những hạt này bằng nam châm điện.

Ghi dữ liệu vào ổ cứng

Giả sử máy tính của bạn muốn lưu trữ một tệp trên ổ cứng của bạn. Dữ liệu này không là gì ngoài tập hợp các số 1 và số 0, thay đổi hướng dòng điện chạy trong đầu ghi. Do sự thay đổi dòng điện, cực của nam châm điện thay đổi — tạo ra một từ trường khác trong đĩa bên dưới. Chính những khác biệt này trong từ trường trên đĩa tạo ra các mômen từ khác nhau trong hạt.

Do đó, nếu hệ thống của bạn muốn lưu trữ 1, hạt sẽ có một mômen từ khác khi so với 0. Những khác biệt này về tính chất từ ​​của hạt cho phép ổ cứng lưu trữ dữ liệu.

Hiểu các phương pháp lưu trữ dữ liệu khác nhau trên đĩa

Con người đang tạo ra nhiều dữ liệu hơn bao giờ hết; trên thực tế, hơn 75 zettabyte dữ liệu đã được tạo, thu thập, sao chép và tiêu thụ trên toàn thế giới vào năm 2021. Con số đáng kinh ngạc này cho thấy ổ cứng cần lưu trữ nhiều dữ liệu hơn bao giờ hết. Để làm được điều này, các hạt trên đĩa cần được làm nhỏ hơn và xếp gần nhau hơn.

Việc làm này sẽ gây ra vấn đề vì các hạt nhỏ hơn có thể mất thông tin từ tính mà chúng sở hữu do các yếu tố môi trường. Do đó, các mômen từ phải được căn chỉnh theo các hướng khác nhau để giải quyết vấn đề này.

Dưới đây là các cách khác nhau để dữ liệu có thể được lưu trữ trên đĩa cứng:

• Ghi từ tính theo chiều dọc: Như tên cho thấy, Ghi âm từ tính theo chiều dọc (LMR) lưu trữ dữ liệu theo chiều dọc. Điều này có nghĩa là các lưỡng cực từ có cùng hướng với chuyển động của đầu ghi — song song với mặt phẳng của đĩa. Mặc dù hiệu quả nhưng kích thước của các lưỡng cực trên ổ cứng sử dụng công nghệ LMR lại chiếm rất nhiều dung lượng. Do đó, mật độ 100 GB trên inch vuông được cung cấp bởi LMR.
• Ghi từ tính vuông góc: Còn được gọi là ghi từ tính thông thường, Ghi từ tính vuông góc (PMR) cung cấp nhiều dung lượng hơn khi so sánh với LMR. Lý do cho sự gia tăng này là sự khác biệt trong định hướng của các lưỡng cực từ. Bạn thấy đấy, trong LMR, dữ liệu được lưu trữ theo chiều dọc, nhưng với công nghệ PMR, các lưỡng cực được căn chỉnh vuông góc. Do đó, các lưỡng cực trên ổ PMR vuông góc với chuyển động của đầu ghi. Sự thay đổi hướng này làm tăng mật độ thông tin vì mỗi lưỡng cực chiếm ít không gian hơn khi so sánh với lưỡng cực được sử dụng trong công nghệ LMR. Do đó, mật độ 300-400GB trên inch vuông được cung cấp bởi PMR.

• Ghi âm từ tính Shingled: Như đã giải thích trước đó, dữ liệu trên ổ cứng được lưu trữ dưới dạng ngũ cốc. Các hạt lưu trữ dữ liệu này được đặt trong các rãnh tròn trên ổ cứng. Chính trên các rãnh này mà đầu ghi di chuyển để lưu trữ thông tin. Mặc dù các rãnh này được đặt gần nhau trong công nghệ PMR và LMR, chúng không được chồng chéo lên nhau vì nó gây ra các vấn đề khi đọc dữ liệu. Điều đó nói rằng, SMR chồng chéo các rãnh trên ổ cứng để tăng lượng dữ liệu có thể được lưu trữ trên ổ đĩa. Vì những bản nhạc chồng chéo này trông giống như những tấm ván lợp trên sân thượng, công nghệ này được đặt tên là Ghi âm từ tính Shingled. Do sự chồng chéo, SMR tăng mật độ lưu trữ lên 25 phần trăm.
• Ghi từ tính hỗ trợ nhiệt: Mặc dù sự thay đổi từ LMR sang PMR đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể về lượng dữ liệu có thể được lưu trữ trên ổ cứng, nhưng nó vẫn là không đủ đối với các công ty như Google, Facebook, Microsoft và Amazon, nơi lưu trữ ít nhất 1.200 petabyte thông tin. Do đó, để tăng thêm mật độ thông tin ổ cứng, tính năng ghi từ tính hỗ trợ nhiệt (HAMR) đã được đưa vào hình ảnh. Công nghệ này làm nóng đĩa bằng cách sử dụng tia laser để các hạt có thể được đặt gần nhau hơn và thông tin chúng lưu trữ không bị mất do các yếu tố môi trường. Do cải tiến này, ổ cứng sử dụng HAMR có thể lưu trữ hơn hai terabyte dữ liệu trong một inch vuông.

Ngoài sự liên kết của các lưỡng cực, cách phân vùng ổ đĩa của bạn cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của nó (và vâng, có một phương pháp phân vùng tối ưu để tối đa hóa hiệu suất).

Đọc dữ liệu từ ổ cứng

Bây giờ chúng ta đã hiểu cách dữ liệu được ghi vào ổ cứng, chúng ta có thể xem cách ổ cứng có thể đọc dữ liệu đã ghi.

Bạn thấy đấy, các hạt trên ổ cứng được xếp thành một tập hợp các rãnh. Chính trên các bản nhạc này mà thông tin được lưu trữ. Khi bạn lưu trữ một tệp trên máy tính của mình, đầu ghi sẽ ghi vào một phần của bản nhạc này và ổ cứng sẽ ghi nhớ vị trí của tệp.

Khi bạn mở tệp, CPU sẽ yêu cầu ổ cứng làm điều tương tự. Ổ cứng di chuyển cánh tay đến cùng một rãnh ghi dữ liệu.

Đó là ở đây mà đầu đọc đi vào hình ảnh. Giống như đầu ghi sử dụng nam châm điện để ghi dữ liệu, đầu đọc sử dụng đầu từ điện trở khổng lồ (GMR). Tuy nhiên, không giống như đầu ghi, tạo ra từ trường, GMR phát hiện những thay đổi trong từ trường trên đĩa. Do các đặc tính này của đầu đọc, nó có thể đọc dữ liệu từ đĩa.

Chính việc đọc và ghi dữ liệu này khiến ổ cứng của bạn bị nhiễu.

Ổ cứng vẫn đáng mua?

Ổ cứng thể rắn đã làm điên đảo thế giới, cung cấp tốc độ đọc / ghi nhanh hơn. Điều đó nói lên rằng, tốc độ này đi kèm với một mức giá, và việc tìm kiếm các ổ SSD giá rẻ với dung lượng lưu trữ cao không phải là nhiệm vụ dễ dàng.

Do đó, nếu bạn có một thư viện trò chơi khổng lồ mở rộng trên vài terabyte, tốt nhất bạn nên mua một ổ cứng cơ học có thể lưu trữ tất cả dữ liệu đó mà không bị thủng lỗ trong túi của bạn.