I.T.I.S. Santhià – Dipartimento di Informatica
Hard Disk per P.C.
Modulo didattico
“L’Hardware del P.C.”
Ultima revisione 13 gennaio 2005
Autore M. Lanino
Considerazioni generali
Nella scelta del disco fisso vanno considerati
tre elementi tecnici fondamentali:
1. La densità di registrazione
2. La velocità di rotazione dei piattelli
3. L’interfaccia
4. Il quantitativo di memoria cache
Densità di registrazione
Si tratta della densità di impaccamento dei dati sulla superficie del disco.
Attualmente si è giunti a valori poco superiori ai 100 Gbit per pollice
quadro (Gb/inch2). Più questo dato è elevato e maggiori saranno la capacità
e la velocità dell’HD.
Infatti una maggiore densità implica che, a parità di velocità di rotazione,
passino più dati sotto alla testina di lettura/scrittura per unità di tempo e che
quindi aumenti la velocità di lettura/scrittura.
La velocità di rotazione
Il disco si basa poi sul movimento meccanico di rotazione dei piattelli ed
è facile intuire quindi che più è rapido il movimento, maggiori saranno le
prestazioni.
Per quanto alcuni modelli raggiungano velocità di 15000 giri/minuto, il
grosso del mercato per desktop si basa su unità a 7200 rpm o su unità
più economiche a 5400 rpm.
In ambiente Server e Work station si utilizzano spesso HD da 10000 rpm.
L’interfaccia
Sul fronte dell’interfaccia, praticamente l’EIDE (ATA100) è da ritenersi obsoleta, a favore
dell’interfaccia Serial ATA (SATA) che, ormai diffusa a livello desktop, sta poco alla volta erodendo
fette di mercato dell’interfaccia SCSI, in ambiente Server e Workstation.
Lo standard EIDE ATA100, oggi in declino, dispone di un picco di trasferimento dati massimo
teorico di 100 Mbyte al secondo e l’ultima delle sue evoluzioni, l’ATA-133, raggiunge i 133 MBps.
Anche se i benefici reali per ora sono talvolta alquanto modesti, tuttavia, è il SERIAL-ATA (SATA)
la nuova interfaccia disco dei prossimi anni.
L’interfaccia SATA si basa sulla serializzazione del canale di
comunicazione, alzando considerevolmente la frequenza di clock
per raggiungere, nella prima versione, ampiezze di banda di 150
MBps. Il Serial-ATA farà anche finalmente sparire le scomode
piattine a 80 fili in favore di cavetti compatti a 7 fili (4 di segnale e
3 di massa).
L’interfaccia Serial-ATA
Una differenza sostanziale rispetto allo standard parallelo è legata alla natura
punto-punto dello standard SATA, che elimina la distinzione tra unità master e
slave, secondo la quale, nel vecchio sistema, ciascuno dei due canali EIDE era
condiviso da una coppia di dispositivi che, di conseguenza, condividevano anche la
banda disponibile del canale. In un sistema SATA al contrario ogni unità è connessa
al proprio host tramite un canale riservato, del quale può sfruttare l’intera banda
passante.
SATA = reale miglioramento?
Occorre considerare il fatto che ad oggi non sono
ancora diffusissimi sul mercato chipset che integrino
a livello del NB il controller SATA. Pertanto molte
schede madri che supportano lo standard oggi, lo
fanno utilizzando integrati specifici che utilizzano il
bus PCI per veicolare i dati. Ne consegue che il
massimo trasferimento di dati non potrà superare le
prestazioni del Bus PCI che, com’è noto, dispone di
una banda di 133 MB/s.
E’ chiaro quindi che solo il supporto da parte del chipset
(SouthBridge) della scheda madre dello standard SATA
garantisce reali miglioramenti nella banda passante del
trasferimento dati.
La memoria cache dell’HD
La memoria cache è un’area di memoria interna all’apparecchiatura.
Essa permette di memorizzare i dati in modo temporaneo così da
creare un buffer di attesa per i dati che devono essere scritti nel disco
oppure che sono stati letti dal disco e devono essere inviati sul Bus.
Questo buffer è utile in quanto le velocità di trasporto del Bus e di
lettura/scrittura del disco sono diverse, quindi in generale maggiore è
l’estensione della cache, meno probabile sarà il suo svuotamento o la
sua saturazione.
In commercio si trovano ormai sempre più frequentemente
HD con memoria cache da 2 a 8 MByte o maggiore.
HD esterni e portatili
Accanto alla tradizionale soluzione ATA o SATA, si stanno pian piano
affacciando sul mercato anche i dischi rigidi esterni con interfaccia FIREWIRE e
USB2. Esse garantiscono sulla carta ampiezze di banda di oltre 400 Mbps, ma da
prove svolte si sono verificati trasferimenti continuativi a valori più contenuti, intorno
a 10 Mbyte al secondo.
Ciò li rende un’alternativa interessante come mezzi di archiviazione di
massa rimovibili.
L’architettura
di un HD
NOTA sulla capacità:
Contrariamente alle convenzioni
normalmente
utilizzate
in
informatica, la capacità di un HD
viene definita dai produttori in
modo che 1 Mbyte risulti uguale a
1.000.000 di Byte (106) e non a
1.048.576 Byte (220). Quindi un HD
venduto da 20 Giga in realtà
conterrà soltanto 18,6 GB di dati.
La tecnologia utilizzata
Come si memorizza l’informazione
Un disco rigido conserva le proprie informazioni su piattelli sopra i quali è
depositato uno speciale materiale magnetico. Questo, sottoposto all’azione di un campo
indotto dalla testina di scrittura, varia localmente il proprio orientamento in una
particolare direzione, che viene mantenuta fino ad una nuova operazione di scrittura.
Poiché di direzioni se ne possono avere due, a esse è possibile associare il bit di
informazione 0 o 1.
Ogni bit quindi occupa una superficie precisa del disco. Alla testina spetta anche il
compito di leggere l’informazione registrata, e per fare ciò individua proprio la direzione
del campo.
Incrementare la quantità di dati memorizzabili significa perciò ridurre quest’area al
minimo senza compromettere la capacità della testina di operare correttamente.
Particolare importanza riveste il valore comunemente espresso in Gbit/pollice2 e spesso
indicato in inglese come ‘areal density’, poichè rappresenta un primo indice della
densità di registrazione raggiunta. Un altro fattore critico è la densità di registrazione
delle tracce, quanto cioè è possibile accostare tra loro i percorsi circolari di
memorizzazione dei dati.
I limiti dell’attuale tecnologia
Per avere un’idea dei progressi raggiunti, si pensi che si è passati da 0,9 a 100
Gbit/inch2 nel periodo dal 1990 ad oggi. Il limite fisico dell’attuale tecnologia si
suppone sia rappresentato da un valore di circa 150 Gbit/inch2.
Bit così piccoli infatti subiscono un effetto noto come ‘superparamagnetismo’. La
direzione di campo può subire mutamenti casuali legati alla temperatura o alla
presenza di elementi perturbativi circostanti.
Per quanto riguarda i piattelli, il materiale più comune è l’alluminio, anche se il
vetro ha fatto la sua comparsa già da qualche tempo. Materiale magnetico viene
depositato sulle superfici del disco con processi di diffusione analoghi a quanto
avviene nella fabbricazione dei circuiti integrati a semiconduttore.
Attualmente vengono memorizzati mediamente 80-100 Mbyte di dati per
ciascun piattello di un HD. Comunemente un HD dispone di un disk pack
formato da 1 a 4 piattelli per una capacità totale di circa 400 GB.
Le testine
Le testine di Lettura/Scrittura sono in grado di individuare il microscopico campo
magnetico generato localmente sulla superficie del disco dalle areole che rappresentano
i bit.
Si sfruttano i fenomeni fisici associati alle correnti elettriche e alla loro interazione con i
campi magnetici per variare opportunamente la disposizione dei dipoli che
rappresentano i bit di informazione. La tecnologia attualmente per la maggiore prende il
nome di Gmr (Giant Magnetoresistive). In pratica, in un metallo percorso da una
corrente costante, l’applicazione del campo magnetico causa una variazione della sua
resistenza, ed è quindi possibile registrare una variazione della tensione attraverso la
Legge di Ohm V=R*I.
L’effetto magnetoresistivo è utile solo nelle fasi di lettura, per questo motivo,
accanto alla testina Gmr ne è presente un’altra testina di tipo induttivo
che svolge le funzioni di scrittura.
La scrittura longitudinale
La tecnologia attuale è detta a scrittura longitudinale in quanto prevede la deposizione
dei micro campi magnetici su piani paralleli al supporto. Nella figura questi micro
campi sono le frecce BLU. Si noti, come detto prima, la presenza di due testine, una di
scrittura ( di tipo magnetico classico) ed una di lettura (sensore GMR).
Ora
che
la
scrittura
longitudinale inizia a far sentire
i
propri
limiti
(super
paramagnetismo)
quella
perpendicolare potrebbe fornire
un margine di vantaggio
sufficiente ad innescare la
transazione da una tecnologia
all’altra.
Ma come funziona questa
nuova tecnologia verticale?
La scrittura perpendicolare
Già si è parlato dei problemi fisici legati all’aumento delle densità di registrazione
dell’attuale tecnologia. Attualmente la scrittura prevede che il campo magnetico di
ciascun bit sia orientato parallelamente alla superficie del piattello , mentre con la
scrittura perpendicolare la direzione del campo sarebbe appunto perpendicolare al
supporto magnetico. Per questo tipo di scrittura sono necessarie testine con diversa
geometria e nuovi supporti magnetici composti da uno strato principale e da un sub
strato in grado di fissare l’informazione.
I vantaggi starebbero nella
minore sensibilità agli effetti
super paramagnetici, con la
conseguente
possibilità
di
aumentare
le
densità
di
registrazione bel oltre i 50
Gb/inch2.
Il
problema
è
legato
essenzialmente ai costi, in
quanto il cambio di tecnologia
impone
un
adeguamento
radicale
delle
linee
di
produzione.
Il motore
I piattelli sono mantenuti in rotazione costante da un sofisticato motore
elettrico. Oscillazioni anche minime dell’asse di rotazione, determinano un
disallineamento tra la traccia sul piattello e la testina, compromettendo le operazioni di
lettura e scrittura.
Il metodo che oggi garantisce prestazioni migliori (minime vibrazioni, bassa
usura e poca rumorosità) è detto FDB (Fluid Dynamic Bearing) ed è caratterizzato da
bronzine in bagno d’olio.
Attualmente per i sistemi desktop la norma è costituita da una velocità di
rotazione di 7200 giri/min, anche se sono ancora presenti in commercio unità a 5400
rpm.
E’ interessante notare come le testine che viaggiano sul disco rigido sono mantenute
vicinissime alla superficie del piattello, senza tuttavia che avvenga alcun contatto, grazie
al cuscino d’aria generato proprio dalla rotazione del disco. Quando questo si ferma,
un meccanismo automatico porta le testine in una posizione protetta di ‘parcheggio’.
Caratteristiche tecniche
Caratteristiche
MAXTOR DiamondMax 10
Interfaccia
SEAGATE 7200.8
ATA 133/SATA 150
ATA 100/ SATA 150
80/120/160/200/250/300
250/300/400
1/2/2/3/3/4
2/2/3
80
n.d. (108 Gbit/inch2)
8/16
8/16
2/3/4/5/6/8
4/5/6
7200
7200
9
8
Latenza nominale media [ms]
4.17
n.d.
Transfer rate medio a/da buffer [MB/s]
N.D.
80
MTBF [103 ore]
N.D.
n.d.
50
n.d.
0-60
0 – 60
31-36
n.d.
60 G
63 G
300 G
350 G
580
n.d.
2
2
Capacità [Gbyte]
Numero piatti
Capacità per piatto [Gbyte]
Buffer[Mbyte]
Numero testine
Velocità piatti [rpm]
Tempo nominale medio di ricerca [ms]
Cicli start/stop [103]
Temperatura operativa [°C]
Rumorosità [dB]
Shock in funzione [impulso half-sin 2ms]
Shock non in funzione [idem]
Peso [g]
Garanzia [anni]
Struttura fisica del disk Pack
In figura è rappresentato un disk pack formato da 5 piatti a singola faccia. Le
informazioni sono cioè distribuite su 5 facce, lette da 5 testine di lettura e scritte da
5 testine di scrittura. Vengono anche indicate le rappresentazioni di Traccia e di
Cilindro.
Questa rappresentazione è piuttosto didattica, infatti normalmente i dati sono
memorizzati su entrambe le facce del disco.
Accesso ai dati
E’ il S.O. che decide l’organizzazione dei dati sul disco. Prima di poter utilizzare l’HD è
necessario formattarlo, in modo da permettere all’unità di memorizzare e trovare i dati in
modo ordinato. Vi è la necessità di creare in una apposita zona del disco uno schedario che
permetta di recuperare i file per mezzo di indicazioni riguardanti la loro ubicazione sulla
superficie del disco stesso.
Formattare il disco significa suddividere la superficie disponibile in settori e tracce
concentriche; ciascuno di essi sarà contrassegnato da codici magnetici inseriti nel disco
stesso. Questa suddivisione permetterà una registrazione dei dati fatta con criteri logici,
cosicché le testine di lettura/scrittura, in rotazione sopra ai dischi, possano rapidamente
raggiungere i dati.
Il numero di settori e tracce determinano la capacità del disco. Il cluster è
l’unità minima utilizzata dal S.O. per la memorizzazione di un dato: anche se il dato
è costituito da 1 solo byte, verrà utilizzato un intero cluster. Nel settore zero del
disco il il S.O. memorizza un file speciale detto FAT (File allocation table) per il
vecchio DOS e VFAT (virtual Fat) per i sistemi Windows. Questo file è una grande
tabella che mette in corrispondenza un nome di file o directory con una sequenza
di cluster, non necessariamente contigui. Se la contiguità è molto bassa si dice che
il disco è frammentato; ciò rende la ricerca lenta, quindi occorrerà deframmentarlo
attraverso software opportuni. Questa operazione deve essere svolta periodicamente e può protrarsi anche per diverse ore.
Tempi di accesso
Per quanto riguarda l’accesso ai dati, esso avviene mediamente in una
quindicina di ms. Questo tempo medio viene di solito suddiviso in due
tempi:
•tempo necessario alla testina per posizionarsi sulla traccia (tempo di
seek)
•tempo impiegato dalla testina per trovare il settore richiesto (tempo
di latenza).
Il primo tempo può variare parecchio e dipende dalla posizione iniziale
della testina, mentre il secondo molto meno e corrisponde al più a
mezzo giro di disco:
7200 rpm = 120 rps  quindi mezzo giro è percorso in 1/240 secondi
= 4,17 ms (confrontare il dato trovato sui data sheet riportati)
La funzionalità S.M.A.R.T.
Le funzionalità SMART per la comunicazione al sistema di situazioni anomale
rappresenta un significativo strumento per evitare il crash improvviso, anche se
nei desktop spesso non è sfruttata.
Se l’HD supporta la funzionalità, occorre abilitarla direttamente da BIOS e
disporre di un apposito software di analisi e interpretazione dei dati; eventuali
informazioni circa i malfunzionamenti dell’unità disco sono segnalati nella fase
di avvio del PC (POST: Power-On Self Test)
La funzionalità SMART permette di tenere sotto controllo, in modo statistico
(cioè su intervalli di tempo lunghi), molti parametri operativi dell’HD, in modo da
prevedere con sufficiente anticipo eventuali crash. I principali parametri monitorati
sono:

Il numero di ricalibrazioni termiche effettuate dall’HD in un determinato
intervallo di tempo

la temperatura del motore e dei cuscinetti

la temperatura dei piattelli.
La tecnologia RAID
Molte schede madri anche nella fascia desktop, oggi, sono equipaggiate con
controller per dischi fissi di tipo RAID.
RAID è l’acronimo di Redundant Array of Inexpensive Disks e indica configurazioni
realizzate mediante combinazioni di dischi per ottenere maggiori prestazioni o la
sicurezza dei dati a differenti livelli.
Questa tecnologia è in grado di gestire più dischi in funzionamento contemporaneo
secondo diverse modalità fra cui le principali sono dette
RAID 0 (Striping)
RAID 1 (Mirroring)
RAID 5
RAID 0
Con RAID 0 il compito del controller è quello di suddividere i dati in pacchetti
(striping = ‘ fare a strisce ’) e di scriverli con una sequenza ciclica sui vari dischi.
Grazie ad una tecnica di mappatura il controller è poi in grado di accedere in parallelo
a questi dati nelle successive fasi di lettura. Il RAID 0 è quindi rivolto esclusivamente
all’aumento del transfer rate, senza alcuna funzione di protezione dei dati.
RAID 1
Il RAID 1 (Mirroring) è, al contrario, rivolto alla sicurezza delle informazioni
memorizzate. I dati non vengono più distribuiti sui vari dischi, bensì replicati sulle
diverse unità, fattore che da un lato priva l’utente della metà dello spazio di
archiviazione, ma dall’altra consente un back-up continuo e automatico dei dati,
senza alcun uso di software specifici e con grandi risparmi di tempo.
RAID 5
Il RAID 5 fornisce prestazioni tipiche dello striping affiancate da stringhe per il
controllo e la ricostruzione delle informazioni. E’ utilizzato spesso in ambiente
server.
La configurazione RAID 5 permette di avere una capacità globale pari a n-1 unità
che compongono l’array (ad es. per 3 dischi da 80 GB si ha una capacità di 160 GB)
e permette di unire le elevate prestazioni tipiche del Raid 0 ad un buon livello di
sicurezza come avviene per Raid 1.
Gli sviluppi futuri
Gli sviluppi futuri sembrano indirizzati verso l’affermazione
definitiva dello standard SATA, specie per il mercato desktop e workstation.
E’ prevista a breve l’uscita del SATA di seconda generazione che aumenterà
il transfer-rate a 300 MB/s.
Non è tuttavia ipotizzabile la rapida scomparsa dell’interfaccia SCSI nel
segmento server, dove non sono solo le velocità di trasmissione a contare, ma
soprattutto la robustezza del trattamento dei dati e la flessibilità nella
manipolazione. Inoltre SCSI è recentemente passato alla versione ScsiUltra320 che presenta un throughput più che doppio rispetto a SATA.
Dunque, per quanto confinato in settori specifici (server), l’interfaccia
SCSI non è destinata, almeno per ora, a diventare obsoleta in quanto garantisce
ancora, pur se ad un prezzo più elevato, prestazioni di livello migliore rispetto a
SATA.
Sata II, Sas e Fibre Channel
Lo standard SCSI è destinato anch’esso ad una futura serializzazione,
sono infatti all’orizzonte le specifiche Sas (Serial Attached Scsi), che porteranno
alla trasmissione seriale dei dati. Queste novità dovrebbero essere disponibili nel
corso del 2005 e prevedono un transfer rate di 3 Gbps, fino a 128 dispositivi su un
solo canale e cavi di lunghezza superiore a 15 m, con la possibilità di collegare allo
stesso canale anche dispositivi SATA.
Ciò apre alla possibilità futura di libera coabitazione dei due standard sulla
medesima macchina.
Infine sullo scenario tecnologico sta facendo la propria comparsa Fibre
Channel, il sistema di trasporto su fibra ottica che dovrebbe rivoluzionare la
topologia delle SAN (Storage Area Network), consentendo di veicolare dati Scsi a
distanze dell’ordine dei 10 Km con throughput di 2 Gbps e permettendo di
collegare fra loro fino a 128 dispositivi in un singolo loop e di inserire nella rete
switch dedicati in modo da ampliare la rete a piacimento.