לצפיה בסרטון הדגמה לחץ כאן

כונן דיסק קשיח (Hard Disk Drive)

כונן קשיח, או בשמו הנוסף, דיסק קשיח מורכב מאחד או יותר דיסקים מגנטיים במארז דיסק אחד. דיסקים אלו הם אכן קשיחים (להבדיל מדיסקטים - שהם גמישים) ולא ניתנים לכיפוף ללא גרימת נזק.

הכוננים הקשיחים המגנטיים מבוססים על טכנולוגיה בת למעלה מ-40 שנה אשר התפתחה ועודנה מתפתחת בקצב מהיר מאוד. דיסקים קשיחים ממשיכים "להתכווץ" בממדים הפיסיים וגדלים כל הזמן בנפח קיבולת האחסון שלהם ובקצב העברת הנתונים. בעשר השנים האחרונות ההתקדמות הייתה עצומה במיוחד וכנראה שמגמה זו תימשך גם בעתיד.

דיסקים קשיחים עשויים בד"כ מאלומיניום (אם כי נעשו גם ניסיונות עם דיסקים מזכוכית. הדיסקים מצופים בשכבה אולטרה-דקה (דקה מאוד) של אבקה מגנטית. עם שיפור הטכנולוגיות של הציפוי ניתן לצפות בכמות הולכת וגדלה של חלקיקים מגנטיים ליחידת שטח וכתוצאה לכתוב יותר מידע ליחידת שטח ולכן נפח האחסון של הדיסק הקשיח גדל בהתמדה. כיום קיימים למעלה מ-2000 מסילות (Tracks) לאינטש רדיוס, בעוד שבדיסקט ישנם רק 135.

היסטוריה

IBM הציגו את הדיסק הקשיח הראשון בשנת 1957, כאשר המידע היה מאוכסן על סרטים.

היה זה RAMAC305 (Random Access Method of Accounting and Control ( והוא הכיל 50 "פלטות" מגנטיות בקוטר 24 אינץ' (כ- 60 ס"מ) והיה בעל קיבולת של 5MB - זיכרון עצום יחסית לאותה התקופה. גודלו הפיסי היה בערך כפול מגודל מקרר. IBM לא מכרו אלא השכירו אותם תמורת 35,000 דולר לשנה. זהו ה"ארון" מצד ימין בתמונה:

ה-RAMAC שימש לחישוב תוצאות המשחקים האולימפיים בשנת 1960. ב-1962 הפכו את הדיסקים לנשלפים ובכך הוצג ה-Diskpack. ב-1964 התחילו להשתמש באלגוריתם CRC לאיתור ותיקון שגיאות ובכך שופרה האמינות. הדגם הראשון מסוג "float on air" (שיוט מעל הדיסק במרחק זעיר ללא מגע בין הראש קורא/כותב לפלטה המגנטית) נקרא ווינצ'סטר 3030 והוצג ב-1973. דיסק זה פותח בווינצ'סטר, אנגליה, והיה בעל שני צדדים אשר לכל אחד הייתה קיבולת של 30MB. מאוחר יותר התכווץ קוטר הפלטות ל-"14 ואח"כ ל-"8. הם הותקנו בתצורת מחסניות המכילים עשרות פלטות מגנטיות כאלו.

בשנים המוקדמות של התפתחות ה-PC, כונני הדיסקטים היו אמצעי האחסון המועדף וזאת משום מחירם הזול. עם הצגת ה-XT של IBM בשנים 1983-84 הדיסק הקשיח הפך להיות אמצעי האחסון המועדף. הדיסקים הקשיחים הראשונים היו בקוטר "5.25 ובעלי איכות ירודה. הם היו בנפחים של 10MB, 5MB ו-20MB ואורך חייהם היה קצר מאוד. מאז המצב השתפר מאוד. הדיסקים הקשיחים המודרניים הם בעלי קוטר של "3.5. דוגמה אופיינית לכך ניתן לראות בתמונה הבאה שבה הוסר המכסה וניתן לראות את הזרוע העליונה ואת הפלטה המגנטית העליונה:

קיימים דיסקים קשיחים בגדלים שונים וניתן גם למצוא דיסקים קשיחים בגודל קופסת גפרורים בעלי קוטר פלטות דומה לקוטרו של מטבע 1/2 שקל ואולם לשימוש ביתי או משרדי רגיל במחשב PC הכי טוב להשתמש בכונני "3.5. הם זולים, יציבים ומהירים. כאשר רוכשים PC כדאי לכלול דיסק קשיח מהיר בנפח גדול במחשב. אין דבר כזה "דיסק קשיח גדול מדי" ומהירות הדיסק וקצב העברת הנתונים שלו הם בעלי השפעה מכרעת על ביצועי המחשב.

מבנה הכונן הקשיח

ראשים קוראים/כותבים

כל הדיסקים הקשיחים בנויים מפלטות דקות בעלות ציפוי מגנטי. פלטות אלו מורכבות קבוע על ציר מרכזי ומסתובבות בקצב די גבוה בתוך מיכל מתכתי – מארז כונן קשיח. המידע נכתב ונקרא באמצעות ראשים קוראים/כותבים. ראשים אלו מותקנים בקצות זרועות מכניות המאפשרות תנועה פנימה והחוצה על גבי המשטח המגנטי. הראשים הקוראים/כותבים "מרחפים" מעל המשטח, מאוד קרוב אליו, אך ללא מגע פיסי – כדי למנוע את שחיקתם. זוהי הסיבה שהמשטחים של הדיסק הקשיח הם אכן קשיחים: אם יהיו גמישים יווצרו "גבעות" מיניאטוריות על פני השטח של הדיסק וכן יבואו במגע עם הראש הקורא/כותב וישחקו אותו. אומדן לגבי הגדלים המדוברים ניתן למצוא בתמונה הבאה:

(קוטר השערה הוא בערך 100 מיקרון ואילו הרווח בין הראש לדיסק הוא כשלושה מיקרון בלבד).

המשטח מסתובב במהירות גבוהה מתחת לראשים וכשמגיע האזור הרצוי לקריאה או לכתיבה הראש מבצע את הפעולה המבוקשת כלפי המשטח החולף מתחתיו. בציור למטה מיוצג דיסק קשיח בעל 3 פלטות דו-צדדיות ולכן גם בעל 6 זרועות עם 6 ראשים קוראים/כותבים (אחד לכל זרוע).

הזרועות, המאפשרות את התנועה של הראשים קוראים/כותבים, נעות בצורה דומה לזרוע של פטיפון (נגן תקליטים – לאלו ששכחו/לא הכירו ...) כלומר הזרוע מחוברת לציר בצידה האחד ותנועתה היא ימינה או שמאלה כך שימינה זה כלפי החלק החיצוני של הפלטות ושמאלה מקרבת את הראש למרכז הפלטות. כל הזרועות נעות יחדיו (כי הן על אותו ציר) אך המידע לדיסק הקשיח נכתב/נקרא רק מראש קורא/כותב אחד בכל רגע נתון (אין פעולה של שני ראשים קוראים/כותבים בו-זמנית). הראש קורא/כותב בנוי מאלקטרומגנט זעיר וצורת הראש גורמת לכך שתיווצר "כרית אויר" קטנה בין הראש הצף למשטח הדיסק המסתובב במהירות מתחתיו. הראש קורא/כותב יכול להימצא במצב קריאה או במצב כתיבה.

·         ב"מצב כתיבה", מזרימים זרם (חשמלי) דרך הסליל (האלקטרומגנט) וע"י כך נוצרת קוטביות בין שני הדקיו. הקוטביות נקבעת ע"י כיוון הזרם. קוטביות זו מושרית על המשטח שמתחתיה (המצופה, כאמור, באבקה מגנטית) וע"י כך קובע את הקוטביות של המשטח שמתחתיו באותו רגע. כך נכתבת סיבית בודדת.

·         ב"מצב קריאה", לא מזרימים זרם דרם הסליל והוא מקבל עליו את הקוטביות של המשטח הנמצא מתחתיו באותו רגע. קוטביות זו יוצרת זרם על הסליל ואת הזרם הזה ניתן "לקרוא". כיוון הזרם מסמן את המידע (1 או 0). כך נקראת סיבית בודדת.

ב איור למטה הנקודה הלבנה מסמנת את הקוטביות ולכן גם את המידע המאוכסן שם:

ראשים קוראים/כותבים הינם החלקים היקרים ביותר בדיסק קשיח. הם מזעריים בגודלם. בדיסקים קשיחים הם "צפים" כ 5 עד 12 מיקרו-אינצ'ים (מיליוניות האינץ') מעל המשטח. כאשר מכבים את המחשב, הזרועות מזיזות את הראשים למקום חניה מסוים בכונן הקשיח (פעולה זו נקראת auto park"") וזאת בכדי למנוע נזק שיכול להיגרם להם במשך שינוע המחשב (או הכונן הקשיח באם יפורק מהמחשב).

כיוון שבדיסק קשיח אופייני  קיימות 3 פלטות (עם סה"כ 6 ראשים קוראים/כותבים) משתמשים  במושג "גליל" (cylinder). כאמור, הראשים קוראים/כותבים נעים יחד. תנועתם היא מכנית ולכן איטית בסדרי גודל מ"תנועה" חשמלית מראש קורא/כותב אחד למשנהו. מסיבה זאת כאשר מתייצבות הזרועות מעל מסילה מסוימת ורוצים לכתוב, אז הכתיבה תתבצע ע"י ראש קורא/כותב אחד עד לסיום המסילה (או המקום הפנוי בה) והמשך הקובץ ימשיך באותו מספר מסילה על פלטה אחרת (ע"י ראש קורא/כותב אחר) עד לסיום המקום על כל אותו מספר מסילה ע"י כל הראשים ורק אז תתבצע תזוזה מכנית למסילה אחרת (רצוי מסילה סמוכה). במקרה אופייני זה גליל אחד מורכב מ-6 מסילות. ככל שהמסילה צרה יותר כך גדלה קיבולת הדיסק. באותו זמן גם האותות המגנטיים נעשים יותר ויותר חלשים וכך גם לגבי הזרמים. זה, מצדו, גורם לדרישה שהראשים קוראים/כותבים יתקרבו עוד יותר אל המשטח ולכן עולה הדרישה למשטחים חלקים עוד יותר וכו'.

שיפור הנמצא בשימוש בדיסקים קשיחים מודרניים נקרא טכנולוגיית הקלטה רב-אזורית (Multiple Zone Recording). בשיטה זו מחולק הדיסק הקשיח למספר אזורים (כתלות במרחק ממרכז הדיסק). שיטה זו מנצלת את העובדה שאורך מסילה הקרובה לחלק החיצוני של הדיסק ארוכה משמעותית מאורך מסילה הקרובה למרכז הדיסק ולכן ככל שמתרחקים ממרכז הדיסק ניתן לאכסן יותר מידע. בשיטה זו לכל אזור הקלטה כזה יש מספר מגזרים (Sectors) גדול מזה הקרוב ממנו למרכז הדיסק כך שבאזור הרחוק ביותר מהמרכז יש פי 2 יותר מגזרים מאשר באזור הפנימי ביותר. זאת לעומת המצב שהיה נהוג עד כה שבו לכל המסילות היה אותו מספר מגזרים – מה שלא היה כ"כ יעיל.

לצפיה בסרטון הדגמה לחץ כאן