Disco duro

Internos de un disco duro portátil de 2,5 pulgadas

Un disco duro desmontado y etiquetado 1997 acostado sobre un espejo

Un disco duro (HDD), disco duro, disco duro o fijo disco, es un dispositivo de almacenamiento de datos electromecánico que almacena y recupera datos digitales utilizando almacenamiento magnético con uno o más platos rígidos que giran rápidamente recubiertos con material magnético. Los platos están emparejados con cabezas magnéticas, generalmente dispuestas en un brazo actuador móvil, que lee y escribe datos en las superficies del plato. Se accede a los datos de forma aleatoria, lo que significa que los bloques individuales de datos se pueden almacenar y recuperar en cualquier orden. Los discos duros son un tipo de almacenamiento no volátil que retiene los datos almacenados cuando se apagan. Los discos duros modernos suelen tener la forma de una pequeña caja rectangular.

Introducidos por IBM en 1956, los discos duros fueron el dispositivo de almacenamiento secundario dominante para las computadoras de uso general a principios de la década de 1960. Los discos duros mantuvieron esta posición en la era moderna de servidores y computadoras personales, aunque los dispositivos informáticos personales producidos en grandes volúmenes, como teléfonos celulares y tabletas, dependen de dispositivos de almacenamiento de memoria flash. Históricamente, más de 224 empresas han producido HDD, aunque después de una amplia consolidación de la industria, la mayoría de las unidades son fabricadas por Seagate, Toshiba y Western Digital. Los HDD dominan el volumen de almacenamiento producido (exabytes por año) para servidores. Aunque la producción está creciendo lentamente (por exabytes enviados), los ingresos por ventas y los envíos de unidades están disminuyendo porque las unidades de estado sólido (SSD) tienen tasas de transferencia de datos más altas, mayor densidad de almacenamiento de área, confiabilidad algo mejor y latencia y tiempos de acceso mucho más bajos.

Los ingresos de los SSD, la mayoría de los cuales usan memoria flash NAND, superaron ligeramente los de los HDD en 2018. Los productos de almacenamiento flash tuvieron más del doble de ingresos que las unidades de disco duro en 2017. Aunque los SSD tienen un costo de cuatro a nueve veces mayor por bit, están reemplazando a los HDD en aplicaciones donde la velocidad, el consumo de energía, el tamaño pequeño, la alta capacidad y la durabilidad son importantes. A partir de 2019, el costo por bit de los SSD está cayendo y la prima de precio sobre los HDD se ha reducido.

Las características principales de un disco duro son su capacidad y rendimiento. La capacidad se especifica en prefijos de unidad correspondientes a potencias de 1000: una unidad de 1 terabyte (TB) tiene una capacidad de 1000 gigabytes (GB; donde 1 gigabyte = mil millones (10⁹) bytes). Por lo general, parte de la capacidad de un HDD no está disponible para el usuario porque la utiliza el sistema de archivos y el sistema operativo de la computadora, y posiblemente la redundancia incorporada para la corrección y recuperación de errores. Puede haber confusión con respecto a la capacidad de almacenamiento, ya que los fabricantes de discos duros expresan las capacidades en gigabytes decimales (potencias de 1000), mientras que los sistemas operativos más utilizados informan las capacidades en potencias de 1024, lo que da como resultado un número menor que el anunciado. El rendimiento se especifica como el tiempo necesario para mover los cabezales a una pista o cilindro (tiempo de acceso medio), el tiempo que tarda el sector deseado en moverse bajo el cabezal (latencia media, que es una función de la velocidad de rotación física en revoluciones por minuto), y finalmente la velocidad a la que se transmiten los datos (tasa de datos).

Los dos factores de forma más comunes para las unidades de disco duro modernas son 3,5 pulgadas, para computadoras de escritorio, y 2,5 pulgadas, principalmente para computadoras portátiles. Los discos duros se conectan a los sistemas mediante cables de interfaz estándar, como cables PATA (Parallel ATA), SATA (Serial ATA), USB o SAS (Serial Attached SCSI).

Historia

La primera unidad de disco duro IBM de producción, el almacenamiento en disco 350, se envió en 1957 como un componente del sistema IBM 305 RAMAC. Tenía aproximadamente el tamaño de dos refrigeradores medianos y almacenaba cinco millones de caracteres de seis bits (3,75 megabytes) en una pila de 52 discos (100 superficies utilizadas). El 350 tenía un solo brazo con dos cabezales de lectura/escritura, uno hacia arriba y el otro hacia abajo, que se movían tanto horizontalmente entre un par de platos adyacentes como verticalmente de un par de platos a un segundo juego. Las variantes del IBM 350 fueron el IBM 355, IBM 7300 e IBM 1405.

En 1961, IBM anunció, y en 1962 envió, la unidad de almacenamiento en disco IBM 1301, que reemplazó el IBM 350 y unidades similares. El 1301 constaba de uno (para el modelo 1) o dos (para el modelo 2) módulos, cada uno con 25 platos, cada plato sobre 1⁄8-pulgadas (3,2 mm) de espesor y 24 pulgadas (610 mm) de diámetro. Mientras que las primeras unidades de disco de IBM usaban solo dos cabezales de lectura/escritura por brazo, el 1301 usaba una matriz de 48 cabezas (peine), cada matriz se movía horizontalmente como una sola unidad, una cabeza por superficie utilizada. Se admitieron operaciones de lectura/escritura en modo cilindro, y las cabezas volaron aproximadamente 250 micropulgadas (alrededor de 6 µm) por encima de la superficie del plato. El movimiento de la matriz de cabezales dependía de un sistema sumador binario de actuadores hidráulicos que aseguraba un posicionamiento repetible. El gabinete 1301 tenía aproximadamente el tamaño de tres refrigeradores domésticos colocados uno al lado del otro, almacenando el equivalente a unos 21 millones de bytes de ocho bits por módulo. El tiempo de acceso fue de aproximadamente un cuarto de segundo.

También en 1962, IBM presentó la unidad de disco modelo 1311, que tenía aproximadamente el tamaño de una lavadora y almacenaba dos millones de caracteres en un paquete de disco extraíble. Los usuarios podían comprar paquetes adicionales e intercambiarlos según fuera necesario, al igual que los carretes de cinta magnética. Los modelos posteriores de unidades de paquete extraíbles, de IBM y otros, se convirtieron en la norma en la mayoría de las instalaciones informáticas y alcanzaron capacidades de 300 megabytes a principios de la década de 1980. Los discos duros no extraíbles se denominaron "disco fijo" unidades

En 1963, IBM presentó el 1302, con el doble de capacidad de pista y el doble de pistas por cilindro que el 1301. El 1302 tenía uno (para el Modelo 1) o dos (para el Modelo 2) módulos, cada uno con un peine separado para las primeras 250 pistas y las últimas 250 pistas.

Algunos HDD de alto rendimiento se fabricaron con un cabezal por pista, por ejemplo, Burroughs B-475 en 1964, IBM 2305 en 1970, por lo que no se perdió tiempo moviendo físicamente los cabezales a una pista y la única latencia fue el tiempo para que el bloque de datos deseado girara a su posición debajo del cabezal. Conocidas como unidades de disco de cabezal fijo o de cabezal por pista, eran muy caras y ya no se fabrican.

En 1973, IBM introdujo un nuevo tipo de unidad de disco duro con el nombre en código "Winchester". Su principal característica distintiva era que los cabezales de disco no se retiraban completamente de la pila de platos de disco cuando se apagaba la unidad. En cambio, se permitió que las cabezas "aterrizaran" en un área especial de la superficie del disco al girar hacia abajo, "despegando" nuevamente cuando el disco se encendió más tarde. Esto redujo en gran medida el costo del mecanismo del actuador del cabezal, pero impidió retirar solo los discos de la unidad como se hacía con los paquetes de discos del día. En cambio, los primeros modelos de "tecnología Winchester" Las unidades presentaban un módulo de disco extraíble, que incluía tanto el paquete de discos como el conjunto del cabezal, dejando el motor del actuador en la unidad al retirarlo. Más tarde "Winchester" las unidades abandonaron el concepto de medios extraíbles y volvieron a los platos no extraíbles.

En 1974, IBM introdujo el actuador de brazo oscilante, factible porque los cabezales de grabación de Winchester funcionan bien cuando se inclinan hacia las pistas grabadas. El diseño simple de la unidad GV (Gulliver) de IBM, inventado en los Hursley Labs de IBM en el Reino Unido, se convirtió en el invento electromecánico con mayor licencia de IBM de todos los tiempos, y el actuador y el sistema de filtración se adoptaron finalmente en la década de 1980. para todos los discos duros y sigue siendo universal casi 40 años y 10 mil millones de brazos más tarde.

Al igual que la primera unidad extraíble, la primera "Winchester" impulsa platos usados de 14 pulgadas (360 mm) de diámetro. En 1978, IBM introdujo un impulsor de brazo oscilante, el IBM 0680 (Piccolo), con platos de ocho pulgadas, explorando la posibilidad de que platos más pequeños pudieran ofrecer ventajas. Le siguieron otras unidades de ocho pulgadas, luego 5+1⁄ Unidades de 4 pulgadas (130 mm), dimensionadas para reemplazar las actuales unidades de disquete. Estos últimos estaban destinados principalmente al entonces incipiente mercado de computadoras personales (PC).

Con el tiempo, a medida que aumentaban considerablemente las densidades de grabación, se redujeron aún más el diámetro del disco a 3,5" y 2.5" resultaron ser óptimos. Los potentes materiales magnéticos de tierras raras se volvieron asequibles durante este período y fueron complementarios al diseño del actuador del brazo oscilante para hacer posible los factores de forma compactos de los discos duros modernos.

A principios de la década de 1980, los discos duros eran una característica adicional rara y muy costosa en las PC, pero a fines de la década de 1980 su costo se había reducido hasta el punto en que eran estándar en todas las computadoras, excepto en las más baratas.

La mayoría de los discos duros a principios de la década de 1980 se vendían a los usuarios finales de PC como un subsistema complementario externo. El subsistema no se vendió con el nombre del fabricante de la unidad, sino con el nombre del fabricante del subsistema, como Corvus Systems y Tallgrass Technologies, o con el nombre del fabricante del sistema de PC, como Apple ProFile. El IBM PC/XT de 1983 incluía un disco duro interno de 10 MB y, poco después, los discos duros internos proliferaron en los ordenadores personales.

Los discos duros externos siguieron siendo populares durante mucho más tiempo en Apple Macintosh. Muchas computadoras Macintosh fabricadas entre 1986 y 1998 presentaban un puerto SCSI en la parte posterior, lo que simplificaba la expansión externa. Las computadoras Macintosh compactas más antiguas no tenían bahías de disco duro accesibles para el usuario (de hecho, Macintosh 128K, Macintosh 512K y Macintosh Plus no tenían ninguna bahía de disco duro), por lo que en esos modelos los discos SCSI externos eran la única opción razonable para expandiéndose sobre cualquier almacenamiento interno.

Las mejoras de HDD han sido impulsadas por el aumento de la densidad de área, que se enumeran en la tabla anterior. Las aplicaciones se expandieron a lo largo de la década de 2000, desde las computadoras centrales de fines de la década de 1950 hasta la mayoría de las aplicaciones de almacenamiento masivo, incluidas las computadoras y las aplicaciones de consumo, como el almacenamiento de contenido de entretenimiento.

En las décadas de 2000 y 2010, NAND comenzó a reemplazar a los discos duros en aplicaciones que requerían portabilidad o alto rendimiento. El rendimiento de NAND está mejorando más rápido que los HDD y las aplicaciones para HDD se están erosionando. En 2018, el disco duro más grande tenía una capacidad de 15 TB, mientras que el SSD de mayor capacidad tenía una capacidad de 100 TB. A partir de 2018, se pronosticó que los discos duros alcanzarían una capacidad de 100 TB alrededor de 2025, pero a partir de 2019, el ritmo de mejora esperado se redujo a 50 TB para 2026. Los factores de forma más pequeños, de 1,8 pulgadas e inferiores, se suspendieron alrededor de 2010. El costo de almacenamiento de estado sólido (NAND), representado por la ley de Moore, está mejorando más rápido que los discos duros. NAND tiene una mayor elasticidad de precio de la demanda que los HDD, y esto impulsa el crecimiento del mercado. Durante finales de la década de 2000 y 2010, el ciclo de vida del producto de las unidades de disco duro entró en una fase de madurez y la desaceleración de las ventas puede indicar el inicio de la fase de declive.

Las inundaciones de Tailandia de 2011 dañaron las plantas de fabricación y afectaron negativamente el costo de las unidades de disco duro entre 2011 y 2013.

En 2019, Western Digital cerró su última fábrica de HDD en Malasia debido a la disminución de la demanda, para centrarse en la producción de SSD. Los tres fabricantes de HDD restantes han tenido una demanda decreciente de sus HDD desde 2014.

Tecnología

Sección de cruce magnético " frecuencia modulación de datos binarios codificados

Grabación magnética

Un HDD moderno registra datos al magnetizar una película delgada de material ferromagnético en ambos lados de un disco. Los cambios secuenciales en la dirección de la magnetización representan bits de datos binarios. Los datos se leen del disco detectando las transiciones en la magnetización. Los datos del usuario se codifican mediante un esquema de codificación, como la codificación limitada de longitud de ejecución, que determina cómo se representan los datos mediante las transiciones magnéticas.

Un diseño de HDD típico consiste en un husillo que sostiene discos circulares planos, llamados platos, que contienen los datos grabados. Los platos están hechos de un material no magnético, generalmente aleación de aluminio, vidrio o cerámica. Están recubiertos con una capa poco profunda de material magnético, típicamente de 10 a 20 nm de profundidad, con una capa exterior de carbono para protección. Como referencia, una hoja de papel de copia estándar tiene un grosor de 0,07–0,18 mm (70 000–180 000 nm).

Disco duro destrozado, bandeja de vidrio visible

Diagrama etiquetando los componentes principales de un ordenador HDD

Grabación de magnetizaciones individuales de bits en un bloque HDD de 200 MB (grabación hecha visible utilizando CMOS-MagView).

Grabación longitudinal (estándar) & diagrama de grabación perpendicular

Los platos de los discos duros contemporáneos giran a velocidades que van desde las 4200 RPM de los dispositivos portátiles de bajo consumo hasta las 15 000 rpm de los servidores de alto rendimiento. Los primeros HDD giraban a 1200 rpm y, durante muchos años, 3600 rpm fue la norma. A partir de noviembre de 2019, los platos de la mayoría de los discos duros de consumo giran a 5400 o 7200 RPM.

La información se escribe y se lee en un plato a medida que gira frente a dispositivos llamados cabezales de lectura y escritura que están posicionados para operar muy cerca de la superficie magnética, con su altura de vuelo a menudo en el rango de decenas de nanómetros. El cabezal de lectura y escritura se utiliza para detectar y modificar la magnetización del material que pasa inmediatamente por debajo.

En las unidades modernas, hay un cabezal para cada superficie de plato magnético en el eje, montado en un brazo común. Un brazo actuador (o brazo de acceso) mueve las cabezas en un arco (más o menos radialmente) a través de los platos mientras giran, lo que permite que cada cabeza acceda a casi toda la superficie del plato mientras gira. El brazo se mueve utilizando un actuador de bobina de voz o, en algunos diseños más antiguos, un motor paso a paso. Las primeras unidades de disco duro escribieron datos a algunos bits constantes por segundo, lo que dio como resultado que todas las pistas tuvieran la misma cantidad de datos por pista, pero las unidades modernas (desde la década de 1990) utilizan la grabación de bits de zona, lo que aumenta la velocidad de escritura de la zona interna a la externa y, por lo tanto, almacena más datos por pista en las zonas exteriores.

En las unidades modernas, el pequeño tamaño de las regiones magnéticas crea el peligro de que su estado magnético se pierda debido a los efectos térmicos⁠ ⁠— inestabilidad magnética inducida térmicamente que se conoce comúnmente como el "límite superparamagnético". Para contrarrestar esto, los platos están recubiertos con dos capas magnéticas paralelas, separadas por una capa de tres átomos del elemento no magnético rutenio, y las dos capas están magnetizadas en orientación opuesta, reforzándose así entre sí. Otra tecnología utilizada para superar los efectos térmicos y permitir mayores densidades de grabación es la grabación perpendicular, enviada por primera vez en 2005 y, a partir de 2007, utilizada en ciertos HDD.

En 2004, se introdujo un medio de grabación de mayor densidad, que consiste en capas magnéticas blandas y duras acopladas. La tecnología de almacenamiento magnético denominada medios de resorte de intercambio, también conocida como medios compuestos acoplados de intercambio, permite una buena capacidad de escritura debido a la naturaleza de asistencia de escritura de la capa blanda. Sin embargo, la estabilidad térmica está determinada solo por la capa más dura y no está influenciada por la capa blanda.

Componentes

Un HDD con discos y centro de motor eliminado, exponiendo las bobinas de estator de color cobre que rodean un rodamiento en el centro del motor de husillo. La raya naranja a lo largo del lado del brazo es un cable fino de circuito impreso, el cojinete de husillo está en el centro y el actuador está en la parte superior izquierda.

Un disco duro típico tiene dos motores eléctricos: un motor de husillo que hace girar los discos y un actuador (motor) que posiciona el ensamblaje del cabezal de lectura/escritura a lo largo de los discos giratorios. El motor de disco tiene un rotor externo unido a los discos; los devanados del estator están fijos en su lugar. Frente al actuador en el extremo del brazo de soporte del cabezal se encuentra el cabezal de lectura y escritura; cables delgados de circuito impreso conectan los cabezales de lectura y escritura a la electrónica del amplificador montada en el pivote del actuador. El brazo de soporte de la cabeza es muy ligero, pero también rígido; en las unidades modernas, la aceleración en la cabeza alcanza los 550 g.

Montaje de cabeza con bobina de actuador a la izquierda y cabezas de lectura/escritura a la derecha

Cierre de una sola cabeza de escritura de lectura, mostrando el lado frente al plato

El actuador es un imán permanente y un motor de bobina móvil que gira las cabezas a la posición deseada. Una placa de metal soporta un imán de alto flujo de neodimio-hierro-boro (NIB) en cuclillas. Debajo de esta placa se encuentra la bobina móvil, a menudo denominada bobina de voz por analogía con la bobina de los altavoces, que está unida al cubo del actuador, y debajo hay un segundo imán NIB, montado en el placa inferior del motor (algunas unidades tienen solo un imán).

La bobina de voz en sí tiene una forma similar a la de una punta de flecha y está hecha de alambre magnético de cobre con doble revestimiento. La capa interior es aislante y la exterior es termoplástica, que une la bobina después de enrollarla en una forma, haciéndola autoportante. Las porciones de la bobina a lo largo de los dos lados de la punta de flecha (que apuntan al centro del cojinete del actuador) luego interactúan con el campo magnético del imán fijo. La corriente que fluye radialmente hacia afuera a lo largo de un lado de la punta de flecha y radialmente hacia adentro en el otro, produce la fuerza tangencial. Si el campo magnético fuera uniforme, cada lado generaría fuerzas opuestas que se anularían entre sí. Por lo tanto, la superficie del imán es la mitad del polo norte y la mitad del polo sur, con la línea divisoria radial en el medio, lo que hace que los dos lados de la bobina vean campos magnéticos opuestos y produzcan fuerzas que se suman en lugar de cancelarse. Las corrientes a lo largo de la parte superior e inferior de la bobina producen fuerzas radiales que no hacen girar la cabeza.

La electrónica del disco duro controla el movimiento del actuador y la rotación del disco y realiza lecturas y escrituras a pedido desde el controlador del disco. La retroalimentación de la electrónica de la unidad se logra por medio de segmentos especiales del disco dedicados a la retroalimentación del servo. Estos son círculos concéntricos completos (en el caso de la tecnología de servo dedicado) o segmentos intercalados con datos reales (en el caso de servo integrado, también conocido como tecnología de servo de sector). La retroalimentación servo optimiza la relación señal-ruido de los sensores GMR al ajustar el motor de la bobina de voz para girar el brazo. Un servosistema más moderno también emplea actuadores mili y/o micro para posicionar con mayor precisión los cabezales de lectura/escritura. El giro de los discos utiliza motores de husillo con cojinetes de fluidos. El firmware de disco moderno es capaz de programar lecturas y escrituras de manera eficiente en las superficies del plato y reasignar sectores de los medios que han fallado.

Tasas de error y manejo

Las unidades modernas hacen un uso extensivo de los códigos de corrección de errores (ECC), en particular, la corrección de errores Reed-Solomon. Estas técnicas almacenan bits adicionales, determinados por fórmulas matemáticas, para cada bloque de datos; los bits adicionales permiten corregir muchos errores de forma invisible. Los bits adicionales ocupan espacio en el HDD, pero permiten emplear densidades de grabación más altas sin causar errores incorregibles, lo que da como resultado una capacidad de almacenamiento mucho mayor. Por ejemplo, un disco duro típico de 1 TB con sectores de 512 bytes proporciona una capacidad adicional de unos 93 GB para los datos ECC.

En las unidades más nuevas, a partir de 2009, los códigos de verificación de paridad de baja densidad (LDPC) estaban reemplazando a Reed-Solomon; Los códigos LDPC permiten un rendimiento cercano al límite de Shannon y, por lo tanto, proporcionan la mayor densidad de almacenamiento disponible.

Las unidades de disco duro típicas intentan "reasignar" los datos en un sector físico que está fallando en un sector físico de repuesto proporcionado por el 'grupo de sectores de repuesto' de la unidad; (también llamado "grupo de reserva"), mientras confía en el ECC para recuperar los datos almacenados mientras la cantidad de errores en un sector defectuoso aún es lo suficientemente baja. La función S.M.A.R.T (Tecnología de autosupervisión, análisis e informes) cuenta el número total de errores en todo el HDD corregido por ECC (aunque no en todos los discos duros, ya que los atributos S.M.A.R.T relacionados "Hardware ECC Recovered" y & #34;Corrección suave de ECC" no se admiten constantemente) y el número total de reasignaciones de sectores realizadas, ya que la aparición de muchos de estos errores puede predecir una falla del HDD.

El "formato sin identificación", desarrollado por IBM a mediados de la década de 1990, contiene información sobre qué sectores son malos y dónde se han ubicado los sectores reasignados.

Solo una pequeña fracción de los errores detectados terminan como no corregibles. Los ejemplos de tasas de error de lectura de bits sin corregir especificadas incluyen:

• Las especificaciones de 2013 para las unidades de disco SAS empresa indican la tasa de error a ser un error de lectura incorrecta en cada 10¹⁶ bits read,
• Las especificaciones de 2018 para los discos duros SATA de consumo indican la tasa de error a ser un error de leer incorrecto en cada 10¹⁴ bits.

Dentro de un modelo de fabricante determinado, la tasa de error de bit no corregido suele ser la misma independientemente de la capacidad de la unidad.

El peor tipo de error son las corrupciones de datos silenciosas, que son errores no detectados por el firmware del disco o el sistema operativo host; algunos de estos errores pueden deberse a fallas en el funcionamiento de la unidad de disco duro, mientras que otros se originan en otras partes de la conexión entre la unidad y el host.

Desarrollo

Las densidades de la unidad de disco duro de vanguardia de 1956 a 2009 en comparación con la ley de Moore. Para 2016, el progreso había disminuido significativamente por debajo de la tendencia de densidad extrapolada.

La tasa de avance de la densidad de área fue similar a la ley de Moore (se duplicó cada dos años) hasta 2010: 60 % por año durante 1988–1996, 100 % durante 1996–2003 y 30 % durante 2003–2010. Hablando en 1997, Gordon Moore calificó el aumento como 'asombroso', aunque más tarde observó que el crecimiento no puede continuar para siempre. La mejora de precios se desaceleró a -12% por año durante 2010-2017, a medida que se desaceleró el crecimiento de la densidad del área. La tasa de avance de la densidad de área se redujo a un 10 % por año entre 2010 y 2016, y hubo dificultades para migrar de la grabación perpendicular a tecnologías más nuevas.

A medida que disminuye el tamaño de la celda de bits, se pueden colocar más datos en un solo plato de unidad. En 2013, una unidad de disco duro de producción de escritorio de 3 TB (con cuatro platos) habría tenido una densidad de área de aproximadamente 500 Gbit/in², lo que habría significado una celda de bits compuesta por aproximadamente 18 granos magnéticos (11 por 1,6 granos). Desde mediados de la década de 2000, el progreso de la densidad de área se ha visto desafiado por un trilema superparamagnético que involucra el tamaño del grano, la fuerza magnética del grano y la capacidad de escritura de la cabeza. Para mantener una relación señal/ruido aceptable, se requieren granos más pequeños; los granos más pequeños pueden autorrevertirse (inestabilidad electrotérmica) a menos que se aumente su fuerza magnética, pero los materiales de cabeza de escritura conocidos no pueden generar un campo magnético lo suficientemente fuerte como para escribir el medio en el espacio cada vez más pequeño que ocupan los granos.

Se están desarrollando tecnologías de almacenamiento magnético para abordar este trilema y competir con las unidades de estado sólido (SSD) basadas en memoria flash. En 2013, Seagate introdujo la grabación magnética de tablillas (SMR), con la intención de ser una especie de "provisional" tecnología entre PMR y el sucesor previsto de grabación magnética asistida por calor (HAMR) de Seagate, SMR utiliza pistas superpuestas para aumentar la densidad de datos, a costa de la complejidad del diseño y velocidades de acceso a datos más bajas (particularmente velocidades de escritura y velocidades de acceso aleatorio 4k).

Por el contrario, HGST (ahora parte de Western Digital) se centró en desarrollar formas de sellar unidades llenas de helio en lugar del aire filtrado habitual. Dado que se reducen la turbulencia y la fricción, se pueden lograr densidades de área más altas debido al uso de un ancho de vía más pequeño, y la energía disipada debido a la fricción también es menor, lo que resulta en un menor consumo de energía. Además, se pueden colocar más platos en el mismo espacio del recinto, aunque es notoriamente difícil evitar que escape el gas helio. Por lo tanto, las unidades de helio están completamente selladas y no tienen un puerto de ventilación, a diferencia de sus contrapartes llenas de aire.

Se están investigando otras tecnologías de grabación o se han implementado comercialmente para aumentar la densidad de área, incluida la grabación magnética asistida por calor (HAMR) de Seagate. HAMR requiere una arquitectura diferente con medios rediseñados y cabezales de lectura/escritura, nuevos láseres y nuevos transductores ópticos de campo cercano. Se espera que HAMR se envíe comercialmente a fines de 2020 o 2021. Los problemas técnicos retrasaron la introducción de HAMR por una década, en comparación con las proyecciones anteriores de 2009, 2015, 2016 y la primera mitad de 2019. Algunas unidades han adoptado brazos actuadores duales independientes para aumentar velocidades de lectura/escritura y competir con SSD. El sucesor planificado de HAMR, la grabación con patrón de bits (BPR), se eliminó de las hojas de ruta de Western Digital y Seagate. La grabación magnética asistida por microondas (MAMR) de Western Digital, también conocida como grabación magnética asistida por energía (EAMR), se muestreó en 2020, con la primera unidad EAMR, la Ultrastar HC550, que se envió a fines de 2020. grabación magnética dimensional (TDMR) y "corriente perpendicular al plano" cabezas de magnetorresistencia gigante (CPP/GMR) han aparecido en trabajos de investigación. Se ha propuesto un concepto de accionamiento de vacío accionado por 3D (3DHD).

Según las suposiciones sobre la viabilidad y el momento de estas tecnologías, Seagate pronostica que la densidad de área crecerá un 20 % por año durante 2020-2034.

Capacidad

Dos unidades Seagate Barracuda de 2003 y 2009, respectivamente 160 GB y 1 TB. Al 2022, Seagate ofrece capacidades de hasta 20TB.

Los HDD de mayor capacidad que se enviarán comercialmente en 2022 son de 20 TB. La capacidad de una unidad de disco duro, según lo informado por un sistema operativo al usuario final, es menor que la cantidad indicada por el fabricante por varias razones, por ejemplo, el sistema operativo usa algo de espacio, usa algo de espacio para redundancia de datos, espacio Uso para estructuras de sistemas de archivos. La confusión de prefijos decimales y prefijos binarios también puede generar errores.

Cálculo

Las unidades de disco duro modernas aparecen ante su controlador de host como un conjunto contiguo de bloques lógicos, y la capacidad bruta de la unidad se calcula multiplicando la cantidad de bloques por el tamaño del bloque. Esta información está disponible en las especificaciones del producto del fabricante y en la propia unidad mediante el uso de funciones del sistema operativo que invocan comandos de unidad de bajo nivel. Las unidades IBM más antiguas y compatibles, por ejemplo, IBM 3390, que utilizan el formato de registro CKD tienen registros de longitud variable; dichos cálculos de capacidad de disco deben tener en cuenta las características de los registros. Algunos DASD más nuevos simulan CKD y se aplican las mismas fórmulas de capacidad.

La capacidad bruta de los discos duros orientados a sectores más antiguos se calcula como el producto de la cantidad de cilindros por zona de grabación, la cantidad de bytes por sector (generalmente 512) y la cantidad de zonas de la unidad. Algunas unidades SATA modernas también informan capacidades del sector de cabeza de cilindro (CHS), pero estos no son parámetros físicos porque los valores informados están limitados por las interfaces históricas del sistema operativo. El esquema C/H/S ha sido reemplazado por el direccionamiento de bloques lógicos (LBA), un esquema de direccionamiento lineal simple que ubica los bloques mediante un índice entero, que comienza en LBA 0 para el primer bloque y se incrementa a partir de entonces. Cuando se utiliza el método C/H/S para describir las unidades grandes modernas, el número de cabezales suele establecerse en 64, aunque una unidad de disco duro moderna típica tiene entre uno y cuatro platos. En los HDD modernos, la capacidad de reserva para la gestión de defectos no se incluye en la capacidad publicada; sin embargo, en muchos de los primeros discos duros se reservaba una cierta cantidad de sectores como repuestos, lo que reducía la capacidad disponible para el sistema operativo. Además, muchas unidades de disco duro almacenan su firmware en una zona de servicio reservada, a la que normalmente no puede acceder el usuario y que no se incluye en el cálculo de la capacidad.

Para los subsistemas RAID, los requisitos de integridad de datos y tolerancia a fallas también reducen la capacidad realizada. Por ejemplo, una matriz RAID 1 tiene aproximadamente la mitad de la capacidad total como resultado de la duplicación de datos, mientras que una matriz RAID 5 con n las unidades pierden 1/n de capacidad (que equivale a la capacidad de una sola unidad) debido al almacenamiento de información de paridad. Los subsistemas RAID son varias unidades que parecen ser una o más unidades para el usuario, pero brindan tolerancia a fallas. La mayoría de los proveedores de RAID usan sumas de verificación para mejorar la integridad de los datos a nivel de bloque. Algunos proveedores diseñan sistemas usando HDD con sectores de 520 bytes para contener 512 bytes de datos de usuario y ocho bytes de suma de control, o usando sectores separados de 512 bytes para los datos de suma de control.

Algunos sistemas pueden usar particiones ocultas para la recuperación del sistema, lo que reduce la capacidad disponible para el usuario final sin conocimiento de utilidades especiales de partición de disco como diskpart en Windows.

Formateo

Los datos se almacenan en un disco duro en una serie de bloques lógicos. Cada bloque está delimitado por marcadores que identifican su inicio y final, información de detección y corrección de errores, y espacio entre bloques para permitir variaciones de tiempo menores. Estos bloques a menudo contenían 512 bytes de datos utilizables, pero se han utilizado otros tamaños. A medida que aumentó la densidad de la unidad, una iniciativa conocida como formato avanzado amplió el tamaño del bloque a 4096 bytes de datos utilizables, lo que resultó en una reducción significativa en la cantidad de espacio en disco utilizado para encabezados de bloque, datos de verificación de errores y espaciado.

El proceso de inicialización de estos bloques lógicos en los platos del disco físico se denomina formateo de bajo nivel, que generalmente se realiza en la fábrica y normalmente no se cambia en el campo. El formato de alto nivel escribe estructuras de datos utilizadas por el sistema operativo para organizar archivos de datos en el disco. Esto incluye escribir estructuras de sistemas de archivos y particiones en bloques lógicos seleccionados. Por ejemplo, parte del espacio en disco se usará para contener un directorio de nombres de archivos de disco y una lista de bloques lógicos asociados con un archivo en particular.

Los ejemplos del esquema de mapeo de particiones incluyen el registro de arranque maestro (MBR) y la tabla de particiones GUID (GPT). Los ejemplos de estructuras de datos almacenadas en el disco para recuperar archivos incluyen la tabla de asignación de archivos (FAT) en el sistema de archivos DOS y los inodos en muchos sistemas de archivos UNIX, así como otras estructuras de datos del sistema operativo (también conocidas como metadatos). Como consecuencia, no todo el espacio en un HDD está disponible para archivos de usuario, pero esta sobrecarga del sistema suele ser pequeña en comparación con los datos del usuario.

Unidades

En los primeros días de la computación, la capacidad total de los discos duros se especificaba en 7 a 9 dígitos decimales, frecuentemente truncados con la expresión millones. En la década de 1970, los fabricantes indicaban la capacidad total de los discos duros utilizando prefijos decimales SI como megabytes (1 MB = 1 000 000 bytes), gigabytes (1 GB = 1 000 000 000 bytes) y terabytes (1 TB = 1 000 000 000 000 bytes). Sin embargo, las capacidades de memoria generalmente se citan utilizando una interpretación binaria de los prefijos, es decir, utilizando potencias de 1024 en lugar de 1000.

El software informa sobre la capacidad de la unidad de disco duro o de la memoria en diferentes formas utilizando prefijos decimales o binarios. La familia de sistemas operativos Microsoft Windows utiliza la convención binaria al informar sobre la capacidad de almacenamiento, por lo que estos sistemas operativos informan que un HDD ofrecido por su fabricante como una unidad de 1 TB es un HDD de 931 GB. Mac OS X 10.6 ("Snow Leopard") usa una convención decimal cuando informa sobre la capacidad del disco duro. El comportamiento predeterminado de la utilidad de línea de comandos df en Linux es informar la capacidad del HDD como un número de unidades de 1024 bytes.

La diferencia entre la interpretación del prefijo decimal y binario causó cierta confusión entre los consumidores y dio lugar a demandas colectivas contra los fabricantes de discos duros. Los demandantes argumentaron que el uso de prefijos decimales engañó efectivamente a los consumidores, mientras que los demandados negaron cualquier acto indebido o responsabilidad, afirmando que su mercadeo y publicidad cumplían en todos los aspectos con la ley y que ningún miembro de la clase sufrió daños o lesiones. En 2020, un tribunal de California dictaminó que el uso de prefijos decimales con un significado decimal no era engañoso.

Factores de forma

8-, 5.25-, 3.5-, 2.5-, 1.8- y 1 pulgada HDDs, junto con un gobernante para mostrar el tamaño de las bandejas y cabezas de escritura

Un nuevo 2.5 pulgadas (63.5 mm) 6.495 MB HDD en comparación con un mayor 5,25 pulgadas de altura completa 110 MB HDD

La primera unidad de disco duro de IBM, la IBM 350, utilizaba una pila de cincuenta platos de 24 pulgadas, almacenaba 3,75 MB de datos (aproximadamente el tamaño de una imagen digital moderna) y tenía un tamaño comparable a dos neveras grandes. En 1962, IBM presentó su disco modelo 1311, que usaba seis platos de 14 pulgadas (tamaño nominal) en un paquete extraíble y era aproximadamente del tamaño de una lavadora. Este se convirtió en un tamaño de plato estándar durante muchos años, utilizado también por otros fabricantes. El IBM 2314 usaba platos del mismo tamaño en un paquete de once alturas e introdujo el "disco en un cajón" diseño. a veces llamado el "horno de pizza", aunque el "cajón" no era la unidad completa. En la década de 1970, los discos duros se ofrecían en gabinetes independientes de diferentes dimensiones que contenían de uno a cuatro discos duros.

A partir de finales de la década de 1960, se ofrecieron unidades que encajaban completamente en un chasis que se montaba en un bastidor de 19 pulgadas. Los modelos RK05 y RL01 de Digital fueron los primeros ejemplos que usaban platos individuales de 14 pulgadas en paquetes extraíbles, y la unidad completa encajaba en un espacio de rack de 10,5 pulgadas de alto (seis unidades de rack). A mediados y finales de la década de 1980, el Fujitsu Eagle de tamaño similar, que usaba (casualmente) platos de 10,5 pulgadas, era un producto popular.

Con el aumento de las ventas de microcomputadoras con unidades de disquete (FDD) integradas, las unidades de disco duro que se ajustaban a los montajes de FDD se volvieron deseables. Comenzando con Shugart Associates SA1000, los factores de forma de HDD siguieron inicialmente a los de las unidades de disquete de 8 pulgadas, 5¼ pulgadas y 3½ pulgadas. Aunque se hace referencia a estos tamaños nominales, los tamaños reales de esas tres unidades respectivamente son 9,5", 5,75" y 4" ancho. Debido a que no había unidades de disquete más pequeñas, se desarrollaron factores de forma de HDD más pequeños, como unidades de 2½ pulgadas (en realidad, 2,75 " de ancho) a partir de ofertas de productos o estándares de la industria.

A partir de 2019, los discos duros de 2½ y 3½ pulgadas son los tamaños más populares. Para 2009, todos los fabricantes habían interrumpido el desarrollo de nuevos productos para los factores de forma de 1,3 pulgadas, 1 pulgada y 0,85 pulgadas debido a la caída de los precios de la memoria flash, que no tiene partes móviles. Mientras que los tamaños nominales están en pulgadas, las dimensiones reales se especifican en milímetros.

Características de rendimiento

Los factores que limitan el tiempo de acceso a los datos en un HDD están relacionados principalmente con la naturaleza mecánica de los discos giratorios y los cabezales móviles, incluidos:

• El tiempo de búsqueda es una medida de cuánto tiempo lleva el montaje de la cabeza para viajar a la pista del disco que contiene datos.
• La latencia rotacional se incurre porque el sector del disco deseado puede no estar directamente bajo la cabeza cuando se solicita la transferencia de datos. La latencia media de rotación se muestra en el cuadro, sobre la base de la relación estadística de que la latencia media es la mitad del período de rotación.
• La tasa de bits o la tasa de transferencia de datos (una vez que la cabeza está en la posición correcta) crea retraso que es una función del número de bloques transferidos; típicamente relativamente pequeño, pero puede ser bastante largo con la transferencia de grandes archivos contiguos.

También se puede producir un retraso si los discos de la unidad se detienen para ahorrar energía.

La desfragmentación es un procedimiento que se utiliza para minimizar el retraso en la recuperación de datos al mover elementos relacionados a áreas físicamente próximas en el disco. Algunos sistemas operativos de computadora realizan la desfragmentación automáticamente. Aunque la desfragmentación automática pretende reducir los retrasos en el acceso, el rendimiento se reducirá temporalmente mientras el procedimiento está en curso.

El tiempo de acceso a los datos se puede mejorar aumentando la velocidad de rotación (reduciendo así la latencia) o reduciendo el tiempo dedicado a la búsqueda. El aumento de la densidad de área aumenta el rendimiento al aumentar la tasa de datos y la cantidad de datos bajo un conjunto de cabezales, lo que reduce potencialmente la actividad de búsqueda para una cantidad determinada de datos. El tiempo para acceder a los datos no ha seguido el ritmo de los aumentos de rendimiento, que a su vez no han seguido el ritmo del crecimiento de la densidad de bits y la capacidad de almacenamiento.

Latencia

Velocidad de transferencia de datos

A partir de 2010, un HDD de escritorio típico de 7200 rpm tiene un "disco a búfer" velocidad de transferencia de datos de hasta 1030 Mbit/s. Esta tarifa depende de la ubicación de la pista; la tasa es más alta para los datos en las pistas exteriores (donde hay más sectores de datos por rotación) y más baja hacia las pistas interiores (donde hay menos sectores de datos por rotación); y generalmente es algo más alto para unidades de 10,000 rpm. Un estándar actual ampliamente utilizado para el "buffer-to-computer" La interfaz es SATA de 3,0 Gbit/s, que puede enviar alrededor de 300 megabytes/s (codificación de 10 bits) desde el búfer a la computadora y, por lo tanto, todavía está cómodamente por delante de las tasas de transferencia de disco a búfer actuales. La tasa de transferencia de datos (lectura/escritura) se puede medir escribiendo un archivo grande en el disco usando herramientas especiales de generación de archivos y luego leyendo el archivo. La tasa de transferencia puede verse afectada por la fragmentación del sistema de archivos y el diseño de los archivos.

La velocidad de transferencia de datos del disco duro depende de la velocidad de rotación de los platos y de la densidad de grabación de datos. Debido a que el calor y la vibración limitan la velocidad de rotación, el avance de la densidad se convierte en el método principal para mejorar las tasas de transferencia secuencial. Las velocidades más altas requieren un motor de husillo más potente, que genera más calor. Si bien la densidad de área aumenta al aumentar tanto el número de pistas en el disco como el número de sectores por pista, solo este último aumenta la tasa de transferencia de datos para una determinada rpm. Dado que el rendimiento de la tasa de transferencia de datos rastrea solo uno de los dos componentes de la densidad de área, su rendimiento mejora a una tasa más baja.

Otras consideraciones

Otras consideraciones de rendimiento incluyen el precio ajustado por calidad, el consumo de energía, el ruido audible y la resistencia a los golpes tanto en funcionamiento como fuera de funcionamiento.

Acceso e interfaces

Vista interior de un HDD Seagate 1998 que utilizó la interfaz Parallel ATA

Unidad SATA de 2,5 pulgadas en la parte superior de unidad SATA de 3,5 pulgadas, mostrando el cierre de datos (7-pin) y conectores de potencia (15-pin)

Los discos duros actuales se conectan a una computadora a través de uno de varios tipos de bus, incluidos ATA paralelo, ATA en serie, SCSI, SCSI conectado en serie (SAS) y canal de fibra. Algunas unidades, especialmente las unidades portátiles externas, usan IEEE 1394 o USB. Todas estas interfaces son digitales; la electrónica del variador procesa las señales analógicas de los cabezales de lectura/escritura. Las unidades actuales presentan una interfaz consistente con el resto de la computadora, independientemente del esquema de codificación de datos utilizado internamente y de la cantidad física de discos y cabezales dentro de la unidad.

Normalmente, un DSP en la electrónica dentro de la unidad toma los voltajes analógicos sin procesar del cabezal de lectura y usa la corrección de errores PRML y Reed-Solomon para decodificar los datos, luego los envía a la interfaz estándar. Ese DSP también observa la tasa de error detectada por la detección y corrección de errores, y realiza la reasignación de sectores defectuosos, la recopilación de datos para la tecnología de autosupervisión, análisis e informes, y otras tareas internas.

Las interfaces modernas conectan la unidad a la interfaz del host con un único cable de control/datos. Cada unidad también tiene un cable de alimentación adicional, generalmente directo a la fuente de alimentación. Las interfaces más antiguas tenían cables separados para las señales de datos y para las señales de control de la unidad.

• Interfaz del Sistema de Computación Pequeña (SCSI), originalmente llamada SASI para Shugart Associates System Interface, era estándar en servidores, estaciones de trabajo, Commodore Amiga, Atari ST y Apple Macintosh ordenadores a mediados de los años 90, por el cual la mayoría de los modelos habían sido transferidos a nuevas interfaces. El límite de longitud del cable de datos permite dispositivos SCSI externos. El conjunto de comandos SCSI todavía se utiliza en la interfaz SAS más moderna.
• Unidades integradas (IDE), más tarde estandarizadas bajo el nombre AT Attachment (ATA, con el alias PATA (Parallel ATA) agregado retroactivamente al introducir SATA) movió el controlador HDD de la tarjeta de interfaz a la unidad de disco. Esto ayudó a estandarizar la interfaz host/controller, reducir la complejidad de programación en el controlador del dispositivo host, y reducir el costo y la complejidad del sistema. La conexión IDE/ATA de 40 pines transfiere 16 bits de datos a la vez en el cable de datos. El cable de datos fue originalmente 40-conductor, pero los requisitos de velocidad más altos posteriores llevaron a un modo "ultra DMA" (UDMA) utilizando un cable 80-conductor con cables adicionales para reducir el crosstalk a alta velocidad.
• EIDE fue una actualización no oficial (por Western Digital) al estándar IDE original, con la mejora clave siendo el uso del acceso directo a la memoria (DMA) para transferir datos entre el disco y el ordenador sin la participación de la CPU, una mejora posterior adoptada por los estándares oficiales de ATA. Al transferir directamente datos entre memoria y disco, DMA elimina la necesidad de que la CPU copie byte per byte, lo que le permite procesar otras tareas mientras se produce la transferencia de datos.
• Fibre Channel (FC) es un sucesor de la interfaz SCSI paralela en el mercado empresarial. Es un protocolo de serie. En las unidades de disco generalmente se utiliza la topología de conexión Arbitrada del Canal Fibre (FC-AL). FC tiene un uso mucho más amplio que simples interfaces de disco, y es la piedra angular de las redes de área de almacenamiento (SAN). Recientemente se han desarrollado otros protocolos para este campo, como iSCSI y ATA sobre Ethernet. Confusingly, las unidades generalmente utilizan cobre Cables retorcidos para Fibre Channel, no fibra óptica. Estos últimos se reservan tradicionalmente para dispositivos más grandes, como servidores o controladores de matriz de disco.
• SCSI (SAS). El SAS es un protocolo de comunicación serial de nueva generación para dispositivos diseñados para permitir transferencias de datos de velocidad mucho mayor y es compatible con SATA. SAS utiliza un conector de datos y potencia mecánicamente compatible con SATA1/SATA2 HDDs estándar de 3,5 pulgadas, y muchos controladores SAS RAID orientados al servidor también son capaces de abordar SATA HDDs. SAS utiliza comunicación en serie en lugar del método paralelo que se encuentra en dispositivos SCSI tradicionales pero todavía utiliza comandos SCSI.
• ATA serie (SATA). El cable de datos SATA tiene un par de datos para la transmisión diferencial de datos al dispositivo, y un par para la recepción diferencial del dispositivo, como EIA-422. Eso requiere que los datos se transmitan en serie. Un sistema de señalización diferencial similar se utiliza en RS485, LocalTalk, USB, FireWire y SCSI diferencial. SATA I a III están diseñados para ser compatibles con un subconjunto de comandos SAS y interfaces compatibles. Por lo tanto, un disco duro SATA puede ser conectado y controlado por un controlador de disco duro SAS (con algunas excepciones menores, como unidades/controladores con compatibilidad limitada). Sin embargo no pueden conectarse de otra manera: un controlador SATA no puede conectarse a una unidad SAS.

Integridad y falla

Cierre de una cabeza HDD descansando en una bandeja de disco; su reflejo del espejo es visible en la superficie de la bandeja. A menos que la cabeza esté en una zona de aterrizaje, las cabezas que tocan las bandejas mientras están en funcionamiento pueden ser catastróficas.

Debido al espacio extremadamente estrecho entre los cabezales y la superficie del disco, los discos duros son vulnerables a sufrir daños por un choque del cabezal: una falla del disco en la que el cabezal roza la superficie del plato, a menudo eliminando la fina película magnética. y causando la pérdida de datos. Los bloqueos de los cabezales pueden deberse a un fallo electrónico, un fallo repentino del suministro eléctrico, una descarga física, la contaminación de la carcasa interna de la unidad, el desgaste, la corrosión o los discos y cabezales fabricados de forma deficiente.

El sistema de eje de la HDD se basa en la densidad del aire dentro de la carcasa del disco para sostener las cabezas a su altura de vuelo adecuada mientras el disco gira. Los discos duros requieren un cierto rango de densidades de aire para funcionar correctamente. La conexión con el entorno externo y la densidad se produce a través de un pequeño orificio en la carcasa (de unos 0,5 mm de ancho), normalmente con un filtro en el interior (el filtro de ventilación). Si la densidad del aire es demasiado baja, entonces no hay suficiente sustentación para el cabezal volador, por lo que el cabezal se acerca demasiado al disco y existe el riesgo de que el cabezal se bloquee y se pierdan los datos. Se necesitan discos presurizados y sellados especialmente fabricados para un funcionamiento confiable a gran altitud, por encima de los 3000 m (9800 pies). Los discos modernos incluyen sensores de temperatura y ajustan su funcionamiento al entorno operativo. Los orificios de ventilación se pueden ver en todas las unidades de disco; por lo general, tienen una etiqueta adhesiva al lado que advierte al usuario que no cubra los orificios. El aire dentro de la unidad operativa también se mueve constantemente, siendo arrastrado por la fricción con los platos giratorios. Este aire pasa a través de un filtro de recirculación interna (o "recirc") para eliminar cualquier contaminante sobrante de la fabricación, cualquier partícula o producto químico que pueda haber ingresado de alguna manera al recinto y cualquier partícula o desgasificación generada internamente durante el funcionamiento normal. Una humedad muy alta presente durante largos períodos de tiempo puede corroer los cabezales y los platos. Una excepción a esto son los discos duros llenos de helio y sellados herméticamente que eliminan en gran medida los problemas ambientales que pueden surgir debido a la humedad o los cambios de presión atmosférica. Estos discos duros fueron introducidos por HGST en su primera implementación exitosa de gran volumen en 2013.

En el caso de los cabezales magnetorresistivos gigantes (GMR), en particular, un choque menor del cabezal debido a la contaminación (que no elimina la superficie magnética del disco) provoca que el cabezal se sobrecaliente temporalmente debido a la fricción con la superficie del disco y puede los datos son ilegibles durante un breve período hasta que la temperatura del cabezal se estabiliza (lo que se denomina "aspereza térmica", un problema que puede solucionarse parcialmente mediante un filtrado electrónico adecuado de la señal de lectura).

Cuando la placa lógica de un disco duro falla, la unidad a menudo se puede restaurar para que funcione y los datos se recuperen reemplazando la placa de circuito con una de un disco duro idéntico. En el caso de fallas en los cabezales de lectura y escritura, se pueden reemplazar con herramientas especializadas en un ambiente libre de polvo. Si los platos del disco no están dañados, se pueden transferir a un gabinete idéntico y los datos se pueden copiar o clonar en una nueva unidad. En el caso de fallas en el plato del disco, es posible que se requiera el desmontaje y la creación de imágenes de los platos del disco. Para daños lógicos en los sistemas de archivos, se puede usar una variedad de herramientas, que incluyen fsck en sistemas similares a UNIX y CHKDSK en Windows, para la recuperación de datos. La recuperación de daños lógicos puede requerir el tallado de archivos.

Una expectativa común es que las unidades de disco duro diseñadas y comercializadas para uso en servidores fallarán con menos frecuencia que las unidades de nivel de consumidor que generalmente se usan en computadoras de escritorio. Sin embargo, dos estudios independientes de la Universidad Carnegie Mellon y Google encontraron que la "calificación" de una unidad no se relaciona con la tasa de fallas de la unidad.

Un resumen de la investigación de 2011 sobre los patrones de falla de discos magnéticos y SSD realizado por Tom's Hardware resumió los hallazgos de la investigación de la siguiente manera:

• El tiempo medio entre fallos (MTBF) no indica fiabilidad; la tasa de fracaso anualizada es mayor y generalmente más relevante.
• Los HDD no tienden a fallar durante el uso temprano, y la temperatura sólo tiene un efecto menor; en cambio, las tasas de fracaso aumentan constantemente con la edad.
• S.M.A.R.T. advierte de problemas mecánicos pero no de otros problemas que afectan la fiabilidad, y por lo tanto no es un indicador fiable de condición.
• Las tasas de falla de las unidades vendidas como "enterprise" y "consumer" son "muy similares", aunque estos tipos de unidades son personalizados para sus diferentes entornos operativos.
• En los arrays de la unidad, la falla de una unidad aumenta significativamente el riesgo a corto plazo de una segunda falla de la unidad.

A partir de 2019, Backblaze, un proveedor de almacenamiento, informó una tasa de fallas anualizada del dos por ciento por año para una granja de almacenamiento con 110 000 discos duros listos para usar con una confiabilidad que varía ampliamente entre modelos y fabricantes. Backblaze informó posteriormente que la tasa de fallas para HDD y SSD de edad equivalente era similar.

Para minimizar los costos y superar las fallas de los discos duros individuales, los proveedores de sistemas de almacenamiento confían en arreglos de discos duros redundantes. Los discos duros que fallan se reemplazan de forma continua.

Segmentos de mercado

Segmento de consumidores

Dos alta gama SATA de consumo de 2,5 pulgadas 10.000 rpm HDDs, montados en fábrica en marcos de adaptador de 3,5 pulgadas

HDDs de escritorio

HDDs de escritorio normalmente tienen dos a cinco placas internas, giran a 5.400 a 10.000 rpm, y tienen una tasa de transferencia de medios de 0,5 Gbit/s o superior (1 GB = 10⁹ bytes; 1 Gbit/s = 10⁹ bit/s). Las unidades anteriores (1980-1990) tienden a ser más lentas en la velocidad de rotación. En mayo de 2019, los HDDs de escritorio de mayor capacidad almacenaron 16 TB, con planes para lanzar 18 unidades TB más adelante en 2019. 18 TB HDDs fueron liberados en 2020. A partir de 2016, la velocidad típica de un disco duro en un equipo de escritorio promedio es de 7,200 RPM, mientras que los equipos de escritorio de bajo costo pueden utilizar 5.900 RPM o 5.400 unidades RPM. Durante algún tiempo en los años 2000 y principios de 2010 algunos usuarios de escritorio y centros de datos también utilizaron 10.000 unidades RPM como Western Digital Raptor, pero tales unidades se han vuelto mucho más raras a partir de 2016 y no se utilizan comúnmente ahora, habiendo sido reemplazados por SSD basados en flash NAND.

HDD móvil (laptop)

Más pequeño que sus contrapartes de escritorio y empresa, tienden a ser más lentos y tienen menor capacidad, ya que normalmente tiene un plato interno y eran de 2,5" o 1.8" tamaño físico en lugar de más común para los escritorios 3.5 "factor de forma. HDDs móviles giran a 4.200 rpm, 5,200 rpm, 5,400 rpm, o 7.200 rpm, siendo 5,400 rpm la más común. Las unidades de 7,200 rpm tienden a ser más costosas y tienen capacidades más pequeñas, mientras que los modelos de 4.200 rpm generalmente tienen capacidades de almacenamiento muy altas. Debido a placas más pequeñas, HDD móviles generalmente tienen menor capacidad que sus contrapartes de escritorio.

Consumer electronics HDDs

Incluyen unidades incorporadas en grabadoras digitales de vídeo y vehículos automotrices. El primero está configurado para proporcionar una capacidad de transmisión garantizada, incluso frente a errores de lectura y escritura, mientras que éste se construye para resistir mayores cantidades de shock. Normalmente giran a una velocidad de 5400 RPM.

HDDs externos y portátiles

Dos discos duros USB externos de 2,5"

Las unidades de disco duro externas actuales normalmente se conectan a través de USB-C; modelos anteriores usan un USB regular (a veces con el uso de un par de puertos para un mejor ancho de banda) o (rarely), por ejemplo, conexión eSATA. Las variables que utilizan interfaz USB 2.0 generalmente tienen tasas de transferencia de datos más lentas en comparación con los discos duros montados internamente conectados a través de SATA. La funcionalidad de plug and play drive ofrece compatibilidad con el sistema y cuenta con grandes opciones de almacenamiento y diseño portátil. Hasta marzo de 2015, las capacidades disponibles para unidades de disco duro externas oscilaron entre 500 GB y 10 TB. Los discos duros externos suelen estar disponibles como productos integrados montados, pero también pueden montarse combinando un recinto externo (con interfaz USB u otra) con una unidad comprada por separado. Están disponibles en tamaños de 2,5 pulgadas y 3,5 pulgadas; las variantes de 2,5 pulgadas se llaman típicamente unidades externas portátiles, mientras que las variantes de 3,5 pulgadas se denominan unidades externas de escritorio. Las unidades "portables" se envasan en recintos más pequeños y ligeros que las unidades "desktop"; además, las unidades "portables" usan energía proporcionada por la conexión USB, mientras que las unidades "desktop" requieren ladrillos de energía externa. Características como encriptación, conectividad Wi-Fi, seguridad biométrica o múltiples interfaces (por ejemplo, FireWire) están disponibles a un costo más alto. Hay unidades de disco duro externas premontadas que, cuando se sacan de sus recintos, no pueden utilizarse internamente en un ordenador portátil o de escritorio debido a la interfaz USB integrada en sus tableros de circuito impresos, y la falta de interfaces SATA (o Parallel ATA).

Segmento empresarial y empresarial

Servidor y estación de trabajo HDDs

Cierre HDD ajustable

Típicamente utilizado con ordenadores de uso múltiple ejecutando software de empresa. Ejemplos son: bases de datos de procesamiento de transacciones, infraestructura de Internet (email, servidor web, comercio electrónico), software informático científico y software de gestión de almacenamiento en línea cercana. Las unidades de negocio suelen funcionar continuamente ("24/7") en entornos exigentes, al tiempo que ofrecen el máximo rendimiento posible sin sacrificar la fiabilidad. La capacidad máxima no es el objetivo principal, y como resultado los impulsos se ofrecen a menudo en capacidades relativamente bajas en relación con su costo.

Los HDDs de la empresa más rápido giran a 10.000 o 15.000 rpm, y pueden alcanzar velocidades de transferencia de medios secuenciales superiores a 1.6 Gbit/s y una tasa de transferencia sostenida hasta 1 Gbit/s. Las unidades que funcionan a 10.000 o 15.000 rpm utilizan placas más pequeñas para mitigar los mayores requisitos de potencia (como tienen menos arrastre de aire) y por lo tanto generalmente tienen menor capacidad que las unidades de escritorio de mayor capacidad. Los HDD de las empresas se conectan comúnmente a través de SCSI (SAS) o Fibre Channel (FC). Algunos soportan varios puertos, por lo que pueden conectarse a un adaptador de autobús host redundante.

Los HDD de las empresas pueden tener tamaños de sector mayores a 512 bytes (a menudo 520, 524, 528 o 536 bytes). El espacio adicional por sector puede ser utilizado por controladores RAID hardware o aplicaciones para almacenar datos de campo de integridad (DIF) o datos de extensiones de integridad (DIX), lo que da lugar a una mayor fiabilidad y prevención de la corrupción silenciosa de datos.

Grabación de vídeo HDDs

Esta línea era similar a la grabación de vídeo de consumo HDDs con requisitos de estabilidad de flujo y similares a HDDs servidor con requisitos para el soporte de expandibilidad, pero también fuertemente orientados para el crecimiento de la capacidad interna. El principal sacrificio para este segmento es una velocidad de escritura y lectura.

Economía

Evolución de precios

El precio por byte de HDD disminuyó a una tasa del 40 % anual entre 1988 y 1996, del 51 % anual entre 1996 y 2003 y del 34 % anual entre 2003 y 2010. La disminución de precios se desaceleró al 13% anual durante 2011-2014, a medida que el aumento de la densidad del área se desaceleró y las inundaciones de Tailandia de 2011 dañaron las instalaciones de fabricación y se mantuvieron en un 11% anual durante 2010-2017.

La Junta de la Reserva Federal ha publicado un índice de precios ajustados por calidad para los sistemas de almacenamiento empresarial a gran escala que incluyen tres o más unidades de disco duro empresariales y los controladores, bastidores y cables asociados. Los precios de estos sistemas de almacenamiento a gran escala disminuyeron a una tasa del 30 % anual durante 2004–2009 y del 22 % anual durante 2009–2014.

Fabricantes y ventas

Diagrama de consolidación del fabricante de HDD

Más de 200 empresas han fabricado HDD a lo largo del tiempo, pero las consolidaciones han concentrado la producción en solo tres fabricantes en la actualidad: Western Digital, Seagate y Toshiba. La producción se encuentra principalmente en la cuenca del Pacífico.

Los ingresos mundiales por almacenamiento en disco disminuyeron un 8 % al año, desde un máximo de 38 000 millones de dólares en 2012 a 22 000 millones de dólares (estimado) en 2019. La producción de almacenamiento en HDD creció un 15 % al año durante 2011 a 2017, de 335 a 780 exabytes por año. Los envíos de HDD disminuyeron un siete por ciento por año durante este período, de 620 a 406 millones de unidades. Se proyectó que los envíos de HDD cayeron un 18 % durante 2018-2019, de 375 millones a 309 millones de unidades. En 2018, Seagate tiene el 40 % de los envíos de unidades, Western Digital tiene el 37 % de los envíos de unidades, mientras que Toshiba tiene el 23 % de los envíos de unidades. El precio de venta promedio de los dos fabricantes más grandes fue de $60 por unidad en 2015.

Competencia de SSD

Los HDD están siendo reemplazados por unidades de estado sólido (SSD) en mercados donde su mayor velocidad (hasta 4950 megabytes) (4,95 gigabytes) por segundo para SSD NVMe M.2 (NGFF), o 2500 megabytes (2,5 gigabytes) por segundo para las unidades de tarjetas de expansión PCIe), la robustez y la menor potencia son más importantes que el precio, ya que el costo por bit de las SSD es de cuatro a nueve veces mayor que el de las HDD. A partir de 2016, se informa que los HDD tienen una tasa de fallas del 2% al 9% por año, mientras que las SSD tienen menos fallas: 1% al 3% por año. Sin embargo, los SSD tienen más errores de datos no corregibles que los HDD.

Los SSD ofrecen mayores capacidades (hasta 100 TB) que los HDD más grandes y/o densidades de almacenamiento más altas (los SSD de 100 TB y 30 TB se alojan en cajas de HDD de 2,5 pulgadas pero con la misma altura que un HDD de 3,5 pulgadas). aunque su coste sigue siendo prohibitivo.

Una demostración de laboratorio de un chip 3D NAND de 1,33 Tb con 96 capas (NAND comúnmente utilizado en unidades de estado sólido (SSD)) tenía 5,5 Tbit/in² a partir de 2019, mientras que el área máxima la densidad de los discos duros es de 1,5 Tbit/in². La densidad de área de la memoria flash se duplica cada dos años, de forma similar a la ley de Moore (40 % anual) y más rápido que el 10-20 % anual de las unidades de disco duro. A partir de 2018, la capacidad máxima era de 16 terabytes para un HDD y de 100 terabytes para un SSD. Se usaron HDD en el 70 % de las computadoras de escritorio y portátiles producidas en 2016, y se usaron SSD en el 30 %. La proporción de uso de HDD está disminuyendo y podría caer por debajo del 50 % en 2018-2019 según un pronóstico, porque las SSD están reemplazando a las HDD de menor capacidad (menos de un terabyte) en computadoras de escritorio y portátiles y reproductores de MP3.

El mercado de chips de memoria flash basados en silicio (NAND), utilizados en SSD y otras aplicaciones, está creciendo más rápido que el de HDD. Los ingresos mundiales de NAND crecieron un 16 % por año, de $22 mil millones a $57 mil millones durante 2011–2017, mientras que la producción creció un 45 % por año, de 19 exabytes a 175 exabytes.