דיסק קשיח

דיסק קשיח ברוחב 2.5 אינץ' - מבט מבחוץ

דיסק קשיח 8 אינץ' "IBM 62PC "Piccolo, סוף שנות השבעים

דיסק קשיח (מכונה לפעמים בטעות גם: "כונן קשיח") הוא רכיב במחשב המשמש לשמירת נתונים. דיסק קשיח יכול להכיל בדרך כלל כמות גדולה של נתונים לעומת זיכרונות אחרים, אך פעולתו איטית לעומת הזיכרון הפנימי של המחשב (RAM). הכונן הקשיח הוא התקן זיכרון לא נדיף המאפשר אחסנה אמינה של נתונים דיגיטלים בנפח גדול ובזמן גישה קצר יחסית להתקני זיכרון מכניים אחרים. בהשוואה להתקני זיכרון אחרים באותה הקיבולת, הכונן הקשיח זול משמעותית, אולם זמן הגישה לנתונים בכונן ארוך בהשוואה לזיכרון הפנימי (RAM) - דיסק קשיח מכני איטי פי 100,000 מהזיכרון הפנימי.

הכונן הקשיח מופיע בשתי תצורות: פנימית - כרכיב המוטמע בתוך המחשב, וחיצונית - כמכשיר עצמאי המתחבר למחשב באמצעות כבל מסוגים שונים. מערכת ההפעלה משתמשת במערכת קבצים על מנת לנהל את הקבצים שמאוחסנים על גבי הדיסק.

היסטוריה

המחשב הראשון בו הותקן דיסק קשיח היה ה־IBM 305 RAMAC, בשנת 1956. הדיסק ששקל קרוב לטון היה בעל 50 דיסקיות אלומיניום בקוטר 24 אינץ' המצופות בחלודה (תחמוצת ברזל מגנטית), היו לו שני ראשי קריאה/כתיבה וזמן גישה ממוצע של כ־600 מילישניות. הדיסק היה בעל קיבולת של חמישה מיליון סימני 7bit. פיתוח הדיסק התבצע במעבדות יבמ בסן חוזה שבקליפורניה על ידי צוות בראשותו של ריינולד ג'ונסון‏‏.

במשך שנים רבות היו הכוננים הקשיחים מכשירים גדולים ומגושמים, אך בה בעת רגישים מאוד, ולכן התאימו לשימוש רק בחדרי מחשבים או משרדים גדולים. לפני שנות השמונים המוקדמות, היו רוב הכוננים בקוטר של 20 ס"מ (8 אינץ') או 35 ס"מ (14 אינץ'). השימוש בהם דרש ארונות ייעודיים או שטח רצפה גדול מאוד, בעיקר בדגמים בעלי מדיה נתיקה, שכונו "מכונות כביסה" עקב גודלם. מסיבות אלה השימוש בהם בשילוב עם מיקרו מחשבים לא היה נפוץ עד שנת 1980, אז הוציאה חברת סיגייט את ה-ST-506, דיסק קשיח בגודל 5.25 אינץ' ובנפח 5 מגה בייט. המחשב האישי (PC) המקורי של חברת IBM, ה-IBM 5150, לא כלל בתצורתו המקורית דיסק קשיח.

בראשית שנות ה-80 לא שווקו הכוננים הקשיחים תחת שם החברה המייצרת אלא כחלק מ"מערכת אחסון קבצים" על ידי חברות כמו אפל. ה-IBM PC/XT כלל אפשרות להתקנת דיסק קשיח פנימי; החלטה זו של IBM הובילה להכללת דיסק קשיח פנימי בכל מחשב אישי כחלק מהמחשב. החל מאמצע שנות ה-90 של המאה העשרים, אפשר היה כבר לרכוש כוננים קשיחים בחנויות קמעוניות, ישירות על ידי הצרכן.

כוננים קשיחים פנימיים הפכו לנורמה במחשבים תואמי IBM-PC, אולם הכוננים החיצוניים המשיכו להיות פופולריים במחשבי מקינטוש עוד זמן רב אחר כך. כל מחשב מקינטוש שיוצר בין 1986 ל-1998 כלל מחבר SCSI שאיפשר חיבור קל ונוח של אביזרים חיצוניים דוגמת דיסק קשיח. במחשבי מקינטוש מדגמים מוקדמים כלל לא היה קיים מקום לדיסק קשיח פנימי. כיום, עם התפשטותם של תקני חיבור חיצוניים מהירים כ-USB ו-FireWire שוב קיימת עלייה בפופולריות של כוננים קשיחים חיצוניים, בעיקר בקרב משתמשים שזקוקים להעברת כמויות גדולות של נתונים ממקום למקום.

מבנה ועקרון פעולה

דיסק קשיח שהמכסה שלו הוסר בזמן פעולה. בחלק השמאלי ניתן לראות את הזרוע עם ראש הקריאה/כתיבה שבקצֵהַ נעה הלוך וחזור

הכונן הקשיח מורכב ממשטחי אלומיניום או זכוכית בצורת דיסקה, המצופים חומר מגנטי ומחוברים יחד לציר אחד. בין המשטחים מצויה טבעת-רווח צרה החובקת את הציר, ומטרתה לשמור על מרחק קבוע בין המשטחים. לכל צד של המשטח צמוד ראש קריאה וכתיבה המותקן על זרוע. במהלך פעולת הכונן, המשטחים מסתובבים יחד במהירות גבוהה (עד 15,000 סל"ד בכוננים מודרניים). ראש הקריאה והכתיבה מכיל למעשה שני רכיבים נפרדים, אחד לקריאה ואחד לכתיבה. רכיבים אלו קרובים מאד אחד לשני. הרכיב המשמש לכתיבה עשוי סליל מתכת זעיר בגודל של פחות ממילימטר, שתפקידו לחולל שדה מגנטי ובכך למגנט את שכבת הציפוי שעל המשטח במהלך הסיבוב. רכיב הקריאה בכוננים מודרניים פועל לפי עיקרון קוואנטי שנקרא "התנגדות מגנטית עצומה" (GMR - Giant-Megnetoresistance). הראש מרחף מעל המשטחים במרחק של כמיליונית הסנטימטר ובכך נמנע חיכוך עם המשטח, חיכוך שעלול לשרוט את הציפוי המגנטי שעל המשטח ולפגום בו. תנועת הזרוע על פני המשטחים נשלטת על ידי אלקטרומגנט. זמן הנעת הראש אל הצילינדר המבוקש הוא חלק קריטי מזמן החיפוש, שהוא מרכיב קריטי לביצועי הכונן. כדי לקצר את זמן החיפוש ככל האפשר, מונעים הראשים בתאוצות גבוהות - בכונן מודרני התאוצה של ראש הקריאה-כתיבה יכולה לעלות על 550g (כלומר 550 פעם יותר גדולה מתאוצת הכבידה של כדור הארץ).

עקרון ההפעלה של הכונן מבוסס על שינוי השדה המגנטי של אזורים קטנים על פניהם המגנטיים של משטחי הנתונים. השינוי בשדה המגנטי נגרם כאשר ראש הקריאה/כתיבה יוצר שדה מגנטי המשתנה בהתאם לנתונים הנכתבים. כדי לשלוט בתנועת הזרועות ובהעברת הנתונים מהכונן הקשיח למחשב בו הוא מותקן קיימים בדיסק מספר רכיבי בקרה אלקטרוניים השולטים על מנועי הדיסק ועל פעולות הקריאה/כתיבה. הנתונים נשמרים בשפה בינארית, כך שיחידת הנתונים הקטנה ביותר היא "0" או "1" המסומנים על ידי מצב המיגנוט של ה"תא" המטופל בדיסקית.

המיקום מדויק לכתיבה/קריאה על גבי הכונן מוגדר באמצעות ארבעה מאפיינים של כתובת פיזית:

1. ראש (head)
2. צילינדר (cylinder)
3. מסלול (Track)
4. מקטע (Sector)

בכוננים מודרניים נעשית הגישה ישירות למקטע המתאים באמצעות המרת המאפיינים הפיזיים למאפיין "כתובת לוגית" (LBA - Logical block addressing). מערכת ההפעלה פונה לנתונים באמצעות מערכת כתובות לוגיות הנקראות אשכולות (Clusters) או בלוקים (Blocks).

בדיסקים חיצוניים הממשקים הם: USB2 FireWire SATA2 וSATA3 וeSATA. בנוסף לנאמר לעיל.

מדידת נפח

חישוב הנפח (הקיבולת) של דיסק קשיח נעשית על ידי הכפלת מספר הצילינדרים במספר הראשים (heads) במספר המקטעים (sectors) ובמספר הבתים למקטע (bytes/sector, לרוב 512). בכונני ATA בנפח של מעל 8 גיגהבייט, הערכים נקבעים ל-16383 צילינדרים, 16 ראשים ו-63 מקטעים לתאימות עם מערכות הפעלה ישנות.

יצרניות המדיות המגנטיות והאופטיות עושות שימוש בתחיליות מגה, גיגה וטרה וקיצוריהן G, M ו-T בהתאמה - על פי מערכת היחידות הבינלאומית. בייט מסומן באות B.

מערכות ההפעלה לרוב מדווחות על נפחים באמצעות אותן תחיליות, אך בשיטה הבינארית. כתוצאה מכך יש חוסר התאמה בין הנפח המוצהר על ידי היצרניות לבין זה המדווח על ידי מערכת ההפעלה. לדוגמה, דיסק בנפח מוצהר של 250GB יזוהה ב-Windows XP כבעל "250,000,000,000 בתים" ו-"232GB", מכיוון שהראשון מחושב לפי 1,000,000,000 בתים (10⁹ בתים) לגיגה והשני מחושב לפי 1,073,741,824 בתים (2³⁰ בתים) לגיגה. כיום קיימים בעולם דיסקים קשיחים בנפח שיא של 8 - 10 טרה בייט.

סוגים שונים של כוננים קשיחים

הכוננים הקשיחים נחלקים לשלוש קטגוריות עיקריות על פי רוחבם הפיזי באינצ'ים והממשק שלהם.

• כוננים סטנדרטיים - כוננים ברוחב 3.5 אינץ'. אלה הם הכוננים הקשיחים הנפוצים כיום, והם נמצאים בתוך מחשבים השולחניים ובשרתים.
• כוננים למחשבים ניידים:
  • כוננים ברוחב 2.5 אינץ' - כוננים קשיחים דקים יותר וקטנים יותר אשר נוצרו במיוחד לשימוש במחשבים ניידים. עקב גודלם הקטן הם פולטים פחות חום והשטח הזמין בהם קטן יותר. נכון לשנת 2012 הנפח המרבי שלהם הוא 1000 גיגהבייט. ברובם מהירות הסיבוב של הכונן נמוכה יחסית, ועומדת על 5,400 סל"ד.
  • כוננים ברוחב 1.8/1.6 אינץ' - כוננים קטנים ודקים יותר, שנועדו למחשבים ניידים "קלי משקל" או "אולטרה-ניידים". כמו כן הם משמשים בנגני מוזיקה בעלי נפח קיבולת גבוה (כדוגמת iPod Classic). עקב גודלם הקטן, נפחם מוגבל יחסית לנפח הכוננים שברוחב 3.5 אינץ'. נכון לשנת 2012 הנפח המקסימלי של כוננים מסוג זה הוא 250 גיגהבייט.
• כוננים לשרתים ולתחנות עבודה‏‏ - דיסקים שמותאמים במיוחד לעבודה בסביבה של שרת ולרוב שונים מדיסקים סטנדרטים בתכונות הבאות:
  • מהירות סיבוב גבוהה של 10,000 או 15,000 סל"ד.
  • עמידים יותר לתקלות (MTBF ארוך יותר) ובדרך כלל בעלי תקופת אחריות ארוכה יותר.
  • בעלי ממשק SCSI או SAS‏‏ במקום IDE או SATA בכוננים במחשבים שולחניים וניידים.
  • מותאמים להתקנה בשרתים שמאוכסנים במסד שרתים ותומכים בניתוק בלי צורך בכיבוי המחשב (Hot Swap).

פרמטרים חשובים בכונן הקשיח

• מספר סיבובים לדקה (Rotations Per Minute) - מהירות הסיבוב של משטחי הכונן. נכון לשנת 2007, רוב הכוננים מסתובבים בין 5,400 ל־15,000 סיבובים לדקה (סל"ד). רוב הכוננים הקשיחים הסטנדרטיים מסתובבים במהירות של 7,200 סל"ד. ישנה התאמה בין מהירות הסיבוב למהירות קריאת הנתונים והגישה אליהם - מהירות סיבוב גבוהה יותר משמעה תפקוד מהיר יותר של הכונן.
• זמן חיפוש ממוצע (Average Seek Time). זהו פרק הזמן שבו ראש הקריאה של הכונן מגיע לאזור המבוקש. ככל שזמן הגישה קצר יותר, כך הקריאה תתבצע במהירות רבה יותר. נכון לשנת 2007, זמני הגישה האופייניים נעים בין 4 ל-15 מילישניות.
• קצב העברת נתונים (Transfer Rate) - קצב העברת הנתונים הוא הקצב שבו הכונן מעביר נתונים אל זיכרון המחשב, והוא נמדד במגהבייט לשנייה. ככלל, הקצב הוא סכום של מספר הסיבובים בשנייה בצירוף זמן הגישה הממוצע. אף שישנם כמה קצבים שונים של פעולה לכל כונן, בדרך כלל מודדים את קצב העברת הנתונים בהתפרצות אחת, אף שהוא עשוי להיות מהיר מקצב העברת הנתונים ממושך, שהוא הקצב שבו הנתונים זורמים לאורך זמן.
• נפח - נמדד בג'יגה-בית (GB) או בטרה-בית (TB). נכון לשנת 2012, קיים בשוק עד 6 TB.
• זמן המתנה סיבובי‏‏ ‏(rotational latency) הוא מונח המתאר את הזמן הממוצע עד שהאזור בדיסק המיועד לכתיבה או המכיל את המידע המיועד לקריאה יגיע בסיבוב המשטח אל מתחת לראש הקריאה-כתובה. בממוצע זמן זה הוא מחצית זמן הסיבוב של המשטח. כוננים ישנים הכילו לפעמים מערכת כפולה של ראשי קריאה-כתיבה כדי להקטין זמן זה. הכוננים המודרניים מקטינים את זמן ההמתנה הסיבובי על ידי שימוש במהירות סיבוב גדולה יותר - כאמור על 15,000 סל"ד, כלומר 250 סל"ש, כדי להגיע לזמן המתנה סיבובי ממוצע של 2 מילישניות.

דיסק קשיח תקין בזמן פעולה

דיסק קשיח פגום בזמן פעולה

דיסק קשיח חיצוני

כאשר מדברים על התקן חיצוני יש להפריד בין שני המושגים "דיסק קשיח" ו"דיסק קשיח".

כונן חיצוני מורכב ממארז בתוכו מתקינים דיסק. הדיסק המותקן במארז כזה הוא זהה לדיסקים הפנימיים שבמחשב.

דיסק קשיח חיצוני הוא כונן שנמצא מחוץ למארז המחשב. זהו למעשה דיסק קשיח רגיל, אשר מורכב בתוך מארז עצמאי. הכונן הקשיח החיצוני מתחבר למחשב בשתי דרכים שונות:

1. חיבור USB או FireWire - על מנת להמיר דיסק קשיח מחיבורו הסטנדרטי (PATA או SATA) לחיבורים חיצוניים (כמו USB או FireWire) יש צורך בבקר הממיר את הנתונים מחיבור הכונן לחיבור החיצוני. לפיכך, כוננים אלו הם בדרך כלל איטיים מעט ממקביליהם הפנימיים.

2. חיבור SCSI (נהגה "סקאזי") או eSATA - בשיטה זו הכונן החיצוני מתחבר ישירות לחיבורי הכוננים הקשיחים במחשב, ולכן כוננים אלה לא סובלים מאיטיות או מביצועים שונים מכוננים קשיחים פנימיים.

בדרך כלל, הדיסק והאריזה (הכונן) הם נפרדים, וניתן להתקין את הדיסק החיצוני כפנימי או להחליף את הדיסק שבתוך האריזה בדיסק אחר.

רגישות הכונן לזעזוע ולאבק

הזרוע ועליה ראשי קריאה-כתיבה

אחד המאפיינים החשובים של הכונן הקשיח הוא רגישותו לאבק ולזעזועים. אף על פי שכל כונן מצויד בבולמי זעזועים, יש להיזהר מלהזיזו בזמן שהוא פועל.

אם חודר להתקן אבק, הוא עלול להימצא בין הראש למשטח ולהוציא מאיזון את תנועת הראש ואף להביא לשריטת המשטח. לפיכך, מיוצרים הכוננים בחדר נקי. כדי להימנע מהפרשי לחצים, מצוי בכונן חריר להשוואת לחץ האוויר. לחריר מוצמד מסנן המונע חדירת אבק.

זעזוע בזמן פעולת הכונן עלול להביא לפגם בכתיבה או באחזור הנתונים. כאשר הכונן במנוחה, הראשים הקוראים/כותבים נוגעים במשטחים, כתוצאה מפעילותו של קפיץ בבסיס הזרוע הדוחף אותם כלפי המשטח. כאשר הכונן מסתובב במהירות נוצר כוח עילוי על הראשים כתוצאה מדחיסת אוויר. בכוננים ישנים נשארים הראשים באמצע המשטחים (באזור הנתונים) לאחר כיבוי המחשב, והזזת הכונן עלולה להביא לשריטת הכונן. לכן מומלץ להשתמש בתוכנה שמחנה את הראשים בצד בעת כיבוי המחשב. כיום פעולה זו נעשית באופן אוטומטי.

קריסת ראשים

קריסת ראשים היא תקלת דיסק קשיח המתרחשת כאשר ראש קריאה/כתיבה נוגע באחד המשטחים ופוגם אותו, לרוב נוצר חיכוך הגורם לחימום המקום ובכך לנזק נוסף ואף שוחק את הדיסק והחלקים שנשחקו גורמים בתורם לנזקים נוספים.

בתנאי עבודה רגילים ראש הקריאה/כתיבה מרחף מעל המשטח. גורמים עיקריים לתקלת קריסה הם:

• מכה שקיבל הדיסק גרמה להזזת ראש הקריאה/כתיבה ולמגע בין הראש למשטח
• לחות שהצטברה בדיסק גרמה לחיכוך
• אבק שנכנס אל הדיסק או נוצר מחלקי הדיסק עצמו נדבק אל הראש וגרם למגע שיצר את הבעיה.

ראו גם

• Solid state drive

קישורים חיצוניים

• עידו גנדל, איך זה עובד: דיסק קשיח, באתר ynet‏, 16 בינואר, 2013
• אוהד ברזילי, על שיטות לתזמון הקריאות והכתיבות בדיסקים קשיחים, יולי 2011 - סרטון הסבר קצר בוידאו בלוג העברי - אינטרטנט