Hard disk
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L'hard disk o disco rigido (anche chiamato disco fisso) è un dispositivo utilizzato per la memorizzazione a lungo termine dei dati in un computer. È costituito fondamentalmente da uno o più dischi in alluminio o vetro, rivestiti di materiale ferromagnetico in rapida rotazione e da due testine per ogni disco (una per lato), poste a piccolissima distanza dalla superficie del disco stesso in grado di leggere e scrivere i dati. La testina è tenuta sollevata dall'aria mossa dalla rotazione stessa dei dischi che può superare i 15.000 giri al minuto.
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[modifica] Storia
L'hard disk è stato inventato nel 1956 dall'IBM. Il primo prototipo era costituito da 50 dischi del diametro di 24 pollici (circa 60 cm) e poteva immagazzinare circa 5 megabyte di dati. La denominazione originaria era fixed disk (disco fisso), il termine hard disk nacque intorno al 1970 per contrapposizione coi neonati floppy disk.
Nel 1963 sempre IBM ideò il meccanismo di sollevamento della testina mediante l'aria. Nel 1973 IBM introdusse il modello 3340 Winchester, così denominato per analogia con il popolare modello di fucile ".30-30 Winchester" poiché era dotato di due dischi da 30 MB l'uno; questo nome entrò nell'uso comune come sinonimo di hard disk perché questo modello fu il predecessore di tutti gli hard disk moderni.
Il primo modello per microcomputer fu l'ST506 prodotto da Seagate Technology nel 1980, aveva una capacità di 5 MB, diametro di 5,25 pollici ed era dotato di motore passo-passo per il movimento delle testine (il controllo voice coil arriverà solo qualche anno dopo). Questo modello equipaggiava i personal computer AT&T con processore 286 prodotti negli stabilimenti Olivetti di Scarmagno, in seguito alla joint-venture della società di Ivrea con la multinazionale americana. Contemporaneamente, la società OPE (Olivetti Peripheral Equipment, che era e rimase l'unico produttore europeo di hard disk), una consociata Olivetti, forniva gli hard disk per i computer M24.
[modifica] Caratteristiche prestazionali
Gli hard disk moderni hanno capacità e prestazioni enormemente superiori a quelle dei primi modelli, ma restano comunque molto al di sotto delle prestazioni dei componenti elettronici che compongono il resto del computer. Per questo motivo, l'hard disk è spesso la causa principale del rallentamento di un computer.
Le caratteristiche principali di un hard disk moderno sono:
- la capacità
- il tempo di accesso
- la velocità di trasferimento
La capacità è in genere espressa in gigabyte (GB). I produttori usano i gigabyte metrici, invece delle approssimazioni per potenze di due usate per la memoria. Questo significa che un hard disk di una data capacità è in realtà un poco più piccolo di un modulo di memoria con la stessa capacità, e lo scarto aumenta all'aumentare delle dimensioni. Gli hard disk si trovano in vendita con capacità generalmente comprese tra 40 e 750 gigabyte. La capacità può essere aumentata incrementando la densità con cui le informazioni vengono memorizzate sui dischi, usando dischi più grandi, o usando un numero maggiore di dischi. In maggio 2006, Seagate ha prodotto e messo in vendita un hard disk da ben 750 Gb, il Barracuda 7200.10.
Il tempo di accesso è la variabile più importante nel determinare le prestazioni di un hard disk, ma spesso non viene menzionata dal produttore. Si tratta del tempo medio necessario perché un dato posto in una parte a caso dell'hard disk possa essere reperito. Il tempo impiegato dipende dal fatto che la testina deve spostarsi, e contemporaneamente il disco deve girare finché il dato interessante non si trova sotto la testina (latenza rotazionale). I produttori cercano perciò di realizzare testine sempre più leggere (che possono spostarsi più in fretta perché dotate di minore inerzia) e dischi che girano più velocemente. Il tempo di accesso tipico per un hard disk consumer è attorno ai 10 millisecondi. Per un hard disk ad alte prestazioni (15.000 giri) è di 3 o 4 millisecondi.
La velocità di trasferimento è la quantità di dati che l'hard disk è teoricamente in grado di leggere o scrivere sul disco in un determinato tempo (in genere si prende 1 secondo come riferimento). Usare dischi che ruotano più velocemente o incrementare la densità di memorizzazione porta ad un miglioramento diretto della velocità di trasferimento. C'è da dire che, a parte casi particolari, la velocità di trasferimento teorica viene raramente raggiunta e il tempo di accesso è quello che maggiormente influenza le prestazioni di un hard disk.
Oltre alle tre viste sopra, altre caratteristiche influenzano in misura minore le prestazioni di un hard disk. Tra queste:
- il buffer di memoria
- la velocità dell'interfaccia
Il buffer è una piccola memoria cache (in genere di alcuni megabyte) posta a bordo dell'hard disk, che ha il compito di memorizzare gli ultimi dati letti o scritti dal disco. Nel caso che un programma legga ripetutamente le stesse informazioni, queste possono essere reperite nel buffer invece che sul disco. Essendo il buffer un componente elettronico e non meccanico, la velocità di trasferimento è molto maggiore, nel tempo, la capacità di questa memoria è andata sempre aumentando, attualmente 16 MB sono una dimensione abbastanza usuale.
L' interfaccia di collegamento tra l'hard disk e la scheda madre (o, più specificatamente, il controllore) può influenzare le prestazioni perché specifica la velocità massima alla quale le informazioni possono essere trasferite da o per l'hard disk. Le moderne interfacce tipo ATA133, Serial ATA o SCSI possono trasferire centinaia di megabyte per secondo, molto più di quanto qualunque singolo hard disk possa fare, e quindi l'interfaccia non è in genere un fattore limitante. Il discorso può cambiare nell'utilizzo di più dischi in configurazione RAID, nel qual caso è importante utilizzare l'interfaccia più veloce possibile, come per esempio la Fibre Channel da 2 Gb/s.
[modifica] Principi fisici di registrazione magnetica
La memorizzazione dell'informazione sulla superifice del supporto ferromagnetico consiste sostanzialmente nel trasferimento di un determinato verso alla magnetizzazione di un certo numero di domini di Weiss. Il numero di domini di Weiss che costituiscono un singolo bit moltiplicato per la loro estensione superficiale media, rapportato alla superficie di archiviazione disponibile, fornisce la densità d'informazione (bit al pollice quadro). Quindi stipare una maggiore quantità di dati sullo stesso disco richiede la riduzione del numero di domini che concorrono alla definizione di un singolo bit e/o la riduzione dell'area di un singolo dominio magnetico. L'evoluzione continua della tecnologia degli hard disk ci ha portati ormai vicino al limite inferiore tollerabile: quando infatti il numero di domini che definiscono un singolo bit si è avvicinato all'unità e la loro area è dell'ordine di pochi nanometri quadri, l'energia termica del sistema è diventata ormai paragonabile all'energia magnetica ed è sufficiente un tempo brevissimo a far invertire il verso della magnetizzazione del dominio (trattasi di una fluttuazione) e perdere in questo modo l'informazione contenuta.
La lettura dell'informazione magnetica in passato veniva affidata a testine induttive, avvolgimenti di rame miniaturizzati in grado di rilevare la variazione del flusso del campo magnetico statico al transitare della testina tra un bit ed il successivo, secondo il principio di induzione magnetica. L'evoluzione che la spintronica ha portato nelle case di tutti sono state le testine magnetoresistive, basate su un dispositivo, la spin-valve, in grado di variare resistenza al mutare dell'intensità del campo magnetico. Il vantaggio dato da queste testine risiede nella loro sensibilità, migliore rispetto alle vecchie testine induttive, e nella loro dimensione ridottissima, cosa che consente di seguire il passo delle evoluzioni verso il nanometro per quanto riguarda l'area di un singolo bit. Infine, il prossimo futuro vedrà protagoniste della scena le testine di lettura basate sulle magnetic tunneling junction, MTJ.
[modifica] Altre caratteristiche
Gli hard disk sono prodotti in due dimensioni standardizzate, i 3,5 pollici e 2,5 pollici. I primi sono utilizzati nei personal computer, i secondi nei computer portatili e dovunque ci sia poco spazio e/o potenza di alimentazione. Entrambi i formati sono utilizzati anche per realizzare memorie di massa esterne ai computer, collegabili tramite un cavo USB o FireWire, adottate quando sia necessario ampliare la capacita di memorizzazione del computer o quando occorra trasportare agevolmente grandi quantità di dati. Nel formato più piccolo l'alimentazione avviene tramite il cavo dell'interfaccia, quello maggiore fa uso di un alimentatore dedicato; attualmente (autunno 2006), il primato di capacità per questo tipo di periferica lo detiene il costruttore LaCie, con unità da 2 Terabyte. Il miglior rapporto tra capacita e prezzo è il taglio da 320 Gibabyte, due costruttori, Seagate Technology e Western Digital forniscono queste periferiche con le stesse unità destinate ai RAID, ovverosia con un MTBF di 1.200.000 ore (100 anni). Gli hard disk da 2,5" sono infatti più piccoli e meno esigenti, ma al prezzo di capacità e prestazioni sensibilmente minori e costi maggiori (ad esempio, una velocità di rotazione di 4600 o 5400 rpm, invece dei 7200 rpm o più degli hard disk da 3,5). Recentemente sono stati prodotti hard disk in formato compact flash di tipo II, grandi solo due o tre centimetri e spessi quanto una carta di credito, ma contenenti comunque alcuni gigabyte di memoria (vedi IBM Microdrive). L'ideazione da parte di Hitachi nel 2005 del cosiddetto metodo di "registrazione perpendicolare" sembra aprire la strada ad una nuova generazione di hard disk, con capacità dieci volte maggiori a parità di dimensioni (o, parallelamente, dimensioni 10 volte minori a parità di capacità), grazie ad una maggiore densità con cui le informazioni vengono memorizzate nel materiale magnetizzato che costituisce i piatti dell'hard disk.
Gli hard disk più veloci sviluppano molto calore. Alcuni devono addirittura essere raffreddati con ventole apposite.
Il suono emesso da un hard disk è composto da un sibilo continuo, dato dalla rotazione dei dischi ad alta velocità, e da un crepitio intermittente, di cui ogni clic corrisponde ad un movimento della testina. Dato che il rumore può essere molto fastidioso, i produttori di hard disk possono scegliere tra realizzare un hard disk silenzioso ma lento, o rumoroso ma veloce. Per maggiore flessibilità in alcuni hard disk la velocità della testina è impostabile via software; alcuni produttori, per ridurre di qualche decibel il rumore, adottano la bronzina come supporto dell'albero rotante al posto del cuscinetto.
[modifica] Hard disk IDE
L'interfaccia più comune è quella IDE, poi evolutasi in EIDE e ATA. Un cavo piatto, solitamente grigio, è usato per connettere l'hard disk alla scheda madre. Spesso il cavo ha un terzo connettore per poter usare un altro hard disk (o altre periferiche ATA come i lettori cd) con lo stesso cavo. In tal caso, per poter distinguere tra le due periferiche, esse devono essere configurate una come master e una come slave. Questa configurazione può avvenire sia manualmente, spostando dei jumper presenti sulle periferiche, sia automaticamente se esse sono impostate come cable select. In quest'ultimo caso è la scheda madre a decidere chi è il master e chi lo slave. Questo è particolarmente utile quando si utilizzano dischi fissi vecchi, o nel caso di bassa compatibilità tra unità diverse (ad esempio due dischi fissi, ma anche un disco fisso e un lettore CD).
Una scheda madre ha solitamente due connettori IDE (primario e secondario, detti spesso canali e impropriamente controller), ad ognuno dei quali è possibile connettere due unità per un totale di quattro periferiche. Non mancano schede madri con quattro connettori. Il cavo IDE non porta l'alimentazione elettrica necessaria per il funzionamento delle periferiche, che quindi devono essere connesse all'alimentatore per mezzo di un cavo separato.
Tipicamente, un personal computer ha un disco fisso come master sul canale IDE primario, ma a seconda del sistema operativo utilizzato esso può risiedere su una qualunque interfaccia IDE.
Ecco un esempio delle possibili connessioni all'IDE di un pc:
- canale primario:
- master: hard disk;
- slave: lettore cd (con il jumper su cable select)
- canale secondario:
- master: hard disk;
- slave: masterizzatore DVD
[modifica] Impostazione di master, slave, cable select
Ogni unità che può essere connessa ad un cavo IDE (hard disk, lettore/masterizzatore CD/DVD) possiede un gruppo di pin nella parte posteriore, tra il connettore per il cavo IDE e quello per l'alimentazione, che possono essere collegati a due a due da un apposito jumper. La posizione dei jumper per ottenere le diverse funzioni è normalmente descritta sull'etichetta che riporta le caratteristiche dell'hard disk.
[modifica] Precauzioni
Se si dovesse tentare una riparazione fai-da-te di un hard disk senza l'adeguata strumentazione (camera bianca), si potrà talvolta arrivare allo smontaggio della parte elettronica, ma qualsiasi tentativo di aprire la parte sigillata che contiene le parti mobili dell'hard disk quasi sicuramente tramuterà il problema in un danno irreversibile in quanto anche un piccolissimo granello di polvere renderà inutilizzabile il supporto. Spesso i centri assistenza specializzati e professionali faranno poi pagare molto caro anche il tentativo.
[modifica] Serial ATA
Negli ultimi anni con l'evoluzione delle periferiche di memorizzazione l'interfaccia ATA ha mostrato i suoi limiti tecnologici e quindi è stata sostituita da una nuova versione chiamata serial ATA. Questa nuova interfaccia ha come principale caratteristica quella di trasmettere i dati in modo seriale e quindi invece di utilizzare quaranta fili per trasmettere i dati ne utilizza solo due, uno per trasmettere i dati e uno per ricevere, oltre a due fili per le masse. In realtà il cavo è a sette fili dato che lo standard utilizza anche alcuni fili come segnali di controllo.
[modifica] Tecnologie SATA
NCQ: Native Command Queuing
Recentemente nei dischi SATA è stata implementata una tecnologia ereditata dai dischi SCSI: l'NCQ:
Ogni disco invia una richiesta tramite la CPU e, se il dato non è presente in una delle cache, le testine dell'hard disk si posizionano in modo da potere iniziare la lettura dei dati. Se occorre accedere a una serie di dati non sequenziali distribuiti in varie zone del disco, le testine dovranno saltare da un cilindro all'altro, avanti e indietro.
Per esempio, se la sequenza di accesso è 1, 4, 3, 5, 2, 6, 7 (immaginando che la sequenza numerica corrisponda all'angolo di rotazione), si perderanno parecchi cicli di rotazione prima che le testine abbiano visitato tutti i blocchi di dati. Con l'NCQ, l'hard disk crea una coda delle richieste di accesso, quindi le riordina (ne cambia la sequenza) per ridurre al minimo il numero di rotazioni e il tragitto delle testine in modo da eseguire tutti gli accessi nel più breve tempo possibile.
La rotazione dei piatti e il posizionamento sulla traccia (seek) sono i due criteri per ottimizzare l'esecuzione dei comandi in coda, così da compiere il tragitto più breve per visitare tutti i blocchi di dati che la coda di comandi prevede di leggere e scrivere. Questo meccanismo di accodamento e riordino è paragonabile all'ottimizzazione delle consegne da parte di un postino che debba consegnare centinaia di lettere in diverse zone di una città; anziché esaminare una consegna per volta in sequenza e saltare continuamente da un capo all'altro della città, il postino stabilisce un percorso che richiede il tempo minore per eseguire tutte le consegne. Per utilizzare al meglio l'NCQ occorre che le applicazioni stabiliscano code di comandi, cosa che non succede se è in esecuzione una singola applicazione che attende la risposta a una richiesta di dati prima di inviare la richiesta successiva.
