Андрей Борзенко

Информация, размещаемая на жестких дисках, как правило, относится к жизненно важным записям компаний - это могут быть данные о важных проектах, специальная графика, базы данных или финансовая информация. В любом случае риск потери подобных данных недопустим, учитывая, что не аппаратные средства, а именно информация - это зачастую основная ценность или ноу-хау. Следовательно, постоянно существует насущная потребность в таких жестких дисках, которые обеспечивали бы не только высокое быстродействие, но и максимальную надежность.

Из-за снижения спроса на ПК рынок жестких дисков стал испытывать некоторые сложности. В частности, IDC прогнозирует, что в этом году будет продано около 209 млн жестких дисков, причем 71% этого рынка придется на долю жестких дисков для ПК, а рост продаж по сравнению с 2000 г. будет практически нулевым. Некоторое время назад бизнес жестких дисков был весьма конкурентным, что приводило к ежегодному существенному повышению емкости и снижению цены устройств. В результате маржа снизилась до минимума, и это заставило ряд игроков уйти с рынка. В частности, произошло несколько слияний компаний. Сокращение числа ведущих производителей жестких дисков позволило некоторым аналитикам предположить, что в этом году оставшиеся на рынке игроки могут рассчитывать на некоторое улучшение ситуации. Ожидается, что выпуск ОС Microsoft Windows ХР также поможет стимулировать рост продаж ПК, а соответственно и жестких дисков. Восстановлению роста продаж помогут и новые игровые консоли с жесткими дисками, в частности Microsoft Xbox. В будущем году, согласно прогнозу IDC, объем продаж жестких дисков вырастет до 259 млн штук. Емкость рынка, как считают аналитики, существенно превышает 100 млрд долл., при этом стоимость одного мегабайта хранимой информации составляет доли цента.

Одной из пяти ведущих фирм-производителей жестких дисков по праву считается корпорация Western Digital (http://www.wdc.com). Некоторое время назад она снизила свою активность на рынке, правда, сейчас ситуация меняется в лучшую сторону. Вот уже несколько лет как компания избавилась от известных в прошлом проблем с надежностью своей продукции, фактически купив в 1998 г. у компании IBM право выпускать диски серий Deskstar 22GXP под своей маркой WD Expert. Соглашения с "Голубым гигантом", одним из самых крупных производителей жестких дисков, позволили Western Digital получить доступ к передовым технологиям, включая "гигантские" магниторезистивные головки (Giant Magneto-Resistive, GMR). Благодаря этому самые современные изделия стали проникать в сектор массовых продуктов (традиционно обладавших малой и средней емкостью), где у Western Digital всегда были сильные позиции, основанные на эффективной организации производства и мощных каналах распространения. Полученные технологии и мобилизация внутренних ресурсов позволили Western Digital создать несколько продуктов, которые вернули компанию на первые роли в отрасли. В частности, была возрождена слава знаменитой серии WD Caviar, в рамках которой появились диски со скоростью вращения шпинделя 7200 об./мин (рис. 1). Опыт их разработки явно пошел впрок Western Digital, и ее "семитысячники" уже несколько поколений подряд занимают лидирующие места по производительности среди накопителей этого класса.

За свою более чем 30-летнюю историю (Western Digital была основана в 1970 г.) корпорация приобрела славу одной из самых консервативных компаний - в том смысле, что внедрение технологических новшеств всегда жестко регулируется коммерческими соображениями. Именно поэтому качественные переходы (например, отказ от тонкопленочных головок в пользу магниторезистивных или повышение скорости вращения шпинделя с 5400 до 7200 об/мин.) происходят обычно не ранее, чем это становится экономически оправданным на массовом рынке. Видимо, не случайно поэтому летом текущего года Western Digital уже восьмой раз подряд получила от редакции Computer Reseller News престижную награду "Channel Champion".

Рост скорости передачи данных

Все накопители Western Digital сегодня характеризуются высокой скоростью передачи данных (до 100 Мбайт/с) и хорошей надежностью, во многом благодаря современным технологиям передачи и защиты данных. Стоит напомнить, что корпорация стояла у самых истоков производства жестких дисков для персональных компьютеров и внесла немалый вклад в его развитие. Один из старейших интерфейсов, применяемых в современных ПК, ATA (Advanced Technology Attachment), известный также под названием IDE (Integrated Drive Electronics), - плод совместной разработки трех компаний - Imprimus (подразделение Control Data Corporation, CDC), Western Digital и Compaq. Если последней требовалось недорогое решение для подключения жестких дисков к ПК, то Imprimus была просто крупным производителем винчестеров, ну а Western Digital еще с начала 1980-х занималась выпуском микросхем-контроллеров для накопителей.

В 1989 г. на свет появился первый документ CAM ATA (Common Access Method AT Attachment), регламентирующий новый интерфейс. Стандарт ATA-1 определял AT Attachment Interface - интегрированный 16-разрядный шинный интерфейс для обмена информацией между жесткими дисками и контроллерами на системной шине AT. Этот стандарт определял временные соотношения сигналов интерфейса, спецификацию кабеля, сигналы на разъеме и т.д. В 1996 г. стандарт ATA-1 был доработан, и на свет появился AT Attachment Interface with Extensions, или ATA-2. Новая спецификация предусматривала более скоростные режимы передачи данных (PIO Mode 3 и 4 и multiword DMA Mode 1 и 2), блочную передачу данных (при которой серия запросов на чтение или запись генерирует только одно прерывание), логическую адресацию блоков (LBA, Logical Block Address), расширенную поддержку идентификации параметров устройства системой.

Улучшенная версия интерфейса Enhanced IDE, предложенная компанией Western Digital, имела четыре основные особенности:

  • возможность использования IDE-накопителей емкостью свыше 504 Мбайт;
  • поддержка более производительных режимов обмена данными;
  • возможность подключения к одному адаптеру до четырех устройств;
  • поддержка периферийных устройств, отличных от жестких дисков.

В 1997 г. была принята новая версия стандарта - ATA-3, которая создавалась с учетом максимальной совместимости с ATA-2. Фактически она содержала всего одно основное новшество - технологию S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology). Ее использование позволяло предупреждать пользователя о грядущих ошибках в работе накопителя. В следующей версии, ATA-4 (другое название - Ultra ATA/33), появился уже новый протокол передачи данных multiword DMA Mode 3 (Ultra DMA), позволяющий добиться пропускной способности ATA на уровне 33 Мбайт/с (рис. 1). Более высокая скорость передачи данных была достигнута благодаря использованию обоих фронтов стробирующего сигнала. Кроме того, целостность передаваемых на такой скорости через стандартный 40-жильный кабель данных была повышена за счет использования контроля циклическим избыточным кодом CRC (Cyclic Redundancy Check).

Fig.1
Рис. 1. Наращивание скорости передачи данных.

Интерфейс Ultra ATA/66 задействует два дополнительных режима передачи данных, основным из которых является Ultra ATA DMA Mode 4 с пропускной способностью 66 Мбайт/с. С целью увеличения помехозащищенности разработчики были вынуждены армировать 40-жильный шлейф еще 40 заземленными проводами, выполняющими роль экрана. В спецификации Ultra ATA/100 учтены многие предложения, не включенные в предыдущий стандарт. В частности, введен более быстрый режим Ultra ATA DMA с пропускной способностью до 100 Мбайт/с. Это гарантирует более высокую производительность интерфейса по сравнению с Ultra ATA/66 при той же цене, а также обеспечивает обратную совместимость и позволяет использовать тот же 80-жильный кабель с 40-контактными разъемами. Вспомним, что скорость передачи первых ATA-устройств не превышала 3 Мбайт/с, таким образом, примерно за 11 лет она увеличилась более чем в 30 раз.

Увеличение емкости

Главные и самые дорогие компоненты жесткого диска - это пластины, т.е. собственно диски, на которых хранится информация, а также головки, которые считывают и записывают данные. Обеспечив больше емкости на одной пластине, фирма-производитель сокращает число деталей, что автоматически означает меньшую себестоимость изделия. Эта экономия может проявляться не сразу, так как около 75% жестких дисков продается компаниям-сборщикам ПК. Но со временем она все-таки сказывается на стоимости компьютеров. Постоянное повышение плотности записи - вот, пожалуй, основная тенденция совершенствования жестких дисков за последние несколько лет. Последние два года емкость накопителей ежегодно увеличивалась на 100%, и предыдущим шагом был прошлогодний переход индустрии на 20-гигабайтные диски. Модели с пластинами емкостью 10 Гбайт постепенно сходят со сцены. Некоторые компании снимают с производства даже накопители с плотностью записи 15 Гбайт на пластину.

Емкости жестких дисков растут в основном за счет увеличения поверхностной плотности записи данных (areal density), которая указывает, сколько бит данных можно записать на единице площади поверхности пластины, и измеряется в гигабитах на квадратный дюйм. Плотность записи информации на поверхности - это на самом деле производная величина, которая вычисляется как произведение двух других показателей - линейной плотности (linear density), указывающей на количество бит данных, которые могут быть размещены на участке дорожки (трека) в один дюйм, и плотности самих треков, характеризующей количество концентрических дорожек, которые могут быть размещены на радиальном участке длиной в один дюйм.

Попытки увеличения чувствительности первоначально использовавшихся тонкопленочных индуктивных головок (TFI, Thin Film Inductive) не дали желаемых результатов. Дальнейший поиск возможностей увеличения поверхностной плотности записи привел к появлению магниторезистивных головок (MR, Magneto Resistive). MR-головки, изготовленные из железоникелевых сплавов, оказались более чувствительными к магнитным полям, чем TFI-головки. MR-технология до сих пор не исчерпала своих возможностей, однако все ее достижения выглядят достаточно скромно на фоне фантастических перспектив развития новой GMR-технологии. GMR-эффект был открыт сотрудниками одной из исследовательских лабораторий IBM в 1988 г., а уже в декабре 1997 г. началось серийное производство первых дисков с GMR-головками. В 1998 г. было подписано генеральное соглашение между Western Digital и IBM об использовании GMR-головок в новых накопителях WD. Стоит отметить, что если MR-головки обеспечивают плотность записи около 3 Гбит/кв. дюйм, то GMR-датчики уже легко перешагнули барьер в 10 Гбит/кв. дюйм. Сегодня рекорд по плотности записи на поверхности серийно выпускаемых жестких дисков превосходит 32 Гбит/кв. дюйм.

Использование передовых технологических достижений позволило Western Digital первой выпустить на рынок жесткие диски емкостью 20 и 30 Гбайт на пластину, имеющие интерфейс Ultra ATA 100 и скорость вращения шпинделя 7200 об./мин. Так, в январе этого года компания Western Digital анонсировала новое поколение жестких дисков для массовых ПК семейства Caviar. В этих накопителях со скоростью вращения шпинделя 5400 об./мин использованы пластины емкостью 30 Гбайт. По утверждениям представителей Western Digital, новые устройства обладали приблизительно на 15% большей производительностью, чем предыдущие модели. На прошедшей весной в Ганновере выставке CeBIT'2001 корпорация объявила о выпуске накопителя на жестких дисках для настольных систем семейства WD Caviar, имеющего емкость 80 Гбайт, со скоростью вращения шпинделя 7200 об./мин. Данный накопитель содержал три пластины и использовал те же самые технологии, что и предыдущие модели семейства Caviar. В июле было объявлено о начале производства жестких дисков со скоростью вращения шпинделя 7200 об./мин и емкостью 100 Гбайт, выполненных всего на трех пластинах. Подобный накопитель может хранить 1800 цифровых фотографий, 4 ч цифрового видео или 40 ч цифровой музыки.

На момент написания статьи корпорация выпускала накопители начального, среднего и высокого уровня. К первым (entry level) относятся диски серии Protege (рис. 2) моделей WD300EB, WD200EB, WD100EB, со скоростью вращения шпинделя 5400 об./мин и емкостью 30, 20 и 10 Гбайт соответственно. Средняя линейка (mainstream) представлена серией накопителей Caviar (рис. 3): WD800AB, WD600AB, WD400AB, WD300AB, емкостью соответственно 80, 60, 40 и 30 Гбайт. Предыдущие модели с иной плотностью записи на пластину можно отличить по постфиксу в названии модели - AA (15 Гбайт) и AB (30 Гбайт). Так же, как и накопители Protege, эти винчестеры имеют частоту вращения шпинделя 5400 об./мин.

Fig.2 Рис. 2. Накопитель Protege 5400 RPM.

Рис. 3. Накопитель WD Caviar 5400 RPM.
Fig.3

Самые производительные винчестеры WD Caviar (high performance) имеют частоты вращения шпинделя 7200 об./мин (рис. 4). До появления 100-гигабайтного накопителя WD1000BB в этой линейке было всего пять моделей, емкостью 20, 30, 40, 60 и 80 Гбайт (WD200BB, WD300BB, WD400BB, WD600BB, WD800BB). Первые две модели используют 20-гигабайтные пластины, а накопители с объемом от 40 Гбайт имеют плотность записи 27 Гбайт на пластину. Что касается модели WD1000BB, то емкость ее пластин превышает 33 Гбайт. Накопители Western Digital имеют 2-мегабайтный кэш-буфер.

Fig.4 Рис. 4. Накопитель WD Caviar 7200 RPM.

Стоит отметить, что дисковые накопители Western Digital обладают низким акустическим шумом благодаря использованию технологии Sound Logic, которая снижает уровень шума на 15%.

Средства повышения надежности

Технология Data Lifeguard представляет собой набор функций, которые расширяют набор средств S.M.A.R.T. по уменьшению риска потери данных в результате старения и износа компонентов или нарушения режимов эксплуатации дисков. Как известно, S.M.A.R.T. - это не более чем средство ранней диагностики, информирующее пользователя о надвигающейся или уже возникшей проблеме. Корпорация Western Digital пошла дальше, предложив и воплотив встроенную систему раннего поиска и изоляции поврежденных участков рабочей поверхности с переносом находящихся на них данных в нормальные резервные области.

Собственно технология включает в себя три основных компонента: Data Lifeguard Hardware, Data Lifeguard Tools и Data Lifeguard LifeLine. Первый позволяет выполнять поиск и устранение ошибок без использования внешних программных средств. Data Lifeguard Tools - это набор утилит, которые работают совместно со встроенными функциями. Третий компонент позволяет диагностировать накопитель в онлайновом режиме через Интернет, либо с помощью внешних утилит, либо активируя внутренние функции накопителя. Вообще говоря, Data Lifeguard - это самонастраивающаяся процедура, выполняемая в процессе регулярного сканирования рабочей поверхности и считывания записанных данных с проверкой их целостности. Все пользовательские сектора на жестком диске просматриваются в те промежутки времени, когда диск не опрашивается системой. Как правило, накопитель работает в режиме холостого хода без обращения к нему не менее 90% времени. Сектора, требующие повторного обращения и восстановления, перезаписываются. Если повторное считывание снова определяет ослабление сигнала, данные переносятся в новый сектор, на неповрежденный участок поверхности. Data Lifeguard - постоянно активизированная функция, даже в случае, если режим мониторинга S.M.A.R.T. отключен. Отметим, что Data Lifeguard обеспечивает предсказание ошибок, производя мониторинг нескольких физических параметров диска во время его активности, производит автоматическое сканирование поверхности. При этом анализ состояния диска сопровождается действиями по определению и восстановлению проблемных секторов. Общая производительность диска при выполнении процедур не падает, а даже несколько повышается, поскольку операционное время не тратится на проверку, а результаты работы Data Lifeguard уменьшают количество повторных обращений к сбойным и ослабленным секторам. Процедура инициируется автоматически после нескольких часов работы. Если сканирование поверхности прерывается командой или отключением питания, процедура возобновляется с точки останова. Управление питанием и его отключение не сбрасывают счетчик оборотов, так что накопление информации продолжается при следующем включении. Время, необходимое для сканирования всей поверхности, пропорционально размеру жесткого диска и обычно составляет несколько минут.

Если во время сканирования диагностирована ECC-ошибка, запускается процедура теста сектора для выявления дефекта поверхности. Если дефект обнаружен, Data Lifeguard перезаписывает исправленные данные на старое место и производит повторную проверку чтением. При повторении ошибки данные переносятся на зарезервированные участки поверхности. То же самое происходит с данными, если сканирование выделяет области, для чтения данных которых требуются множественные повторные попытки. Одновременно с переносом данных с поврежденных участков поверхности Data Lifeguard заносит данные об этих секторах во внутренний дефект-лист диска. Все последующие команды записи системой информации в сектора из этого списка сопровождаются процедурой теста сектора на доступность данных. При выявлении ошибки чтения сектора делаются недоступными для записи.

В комплекс утилит Data Lifeguard входят программы, которые, в частности, позволяют быстро разбить новый накопитель на разделы, отформатировать их, а также скопировать на новый диск целые разделы с другого накопителя. Имеется также возможность использовать полный рабочий объем накопителя в системах, BIOS которых накладывает ограничения по этому параметру. Для обнаружения и исправления ошибок, приводящих к потере данных, комплекс предусматривает специальные средства, а именно две процедуры: Quick Test и Enhanced Test. Первая служит для экспресс-проверки целостности данных на диске на основе предыдущих сканирований в фоновом режиме. Сама процедура длится полторы минуты, после чего выдается отчет о результатах и рекомендации по проведению более тщательной проверки в случае обнаружения ошибок. Продолжительность расширенного теста обычно составляет несколько десятков минут. В режиме Enhanced Test непосредственно проверяется вся рабочая область винчестера, после чего утилита информирует пользователя об отсутствии ошибок, необходимости обратиться в сервисный центр или возможности восстановления сбойных участков средствами самой Data Lifeguard. Утилита для получения информации о системной BIOS, а также применяемых накопителях может понадобиться при обращении в службу технической поддержки, кроме того, специальная функция позволяет принудительно установить требуемый режим диска Ultra ATA.

Помимо всего прочего, составной частью системы Data Lifeguard, повышающей надежность дисков Western Digital, является технология Shock Guard, которая допускает во время работы накопителя кратковременные удары длительностью 2 мс с ускорением 65g.

В заключение хотелось бы отметить, что активность конкурентов заставляет Western Digital постоянно обновлять линейки продукции, используя самые современные технологии. Учитывая положение других участников рынка накопителей, следует ожидать весьма динамичного развития событий, включая возможную смену приоритетов и соотношение сил.