miniatura|Interior d'un disc dur on s'aprecien els discs magnètics apilats, el capçal de lectura/escriptura superior Un disc dur (en anglès hard disk drive o HDD) és un dispositiu d'emmagatzemament no volàtil. S'hi guarden grans quantitats de dades digitals en la superfície magnetitzada dels diversos discs (platter) que conté, els quals giren a gran velocitat. Forma part del maquinari de la majoria dels ordinadors actuals. Dins els diferents tipus de memòries és classificat com a memòria secundària. L'adjectiu "dur" se'ls hi aplica en contrast amb el floppy disk o disc flexible, anteriors als discs durs. El 1956 els discs durs foren introduïts per primer cop al mercat de la mà d'IBM. Originàriament, van ser desenvolupats per a ordinadors de propòsit general. Les característiques principals d'un disc dur són la seva capacitat d'emmagatzematge (actualment d'uns quants gigabytes (GB) a un terabyte (TB), la velocitat de transferència (throughput, en MB/s), i el temps d'accés (en ms), que alhora ve condicionat per la velocitat de rotació (rpm o rotacions per minut).
Al , les aplicacions dels discs durs s'han ampliat fins a incloure videocàmeres, reproductors d'àudio, PDAs, càmeres fotogràfiques i videoconsoles. El 2005 es va presentar el primer mòbil que incloïa disc dur, fabricat per Samsung i Nokia. La necessitat de sistemes d'emmagatzemament a gran escala i que fossin fiables, independents d'un dispositiu en particular, ha dut a la introducció de noves configuracions, com RAID (Redundant Array of Independent/Inexpensive Disks), emmagatzemament vinculat a la xarxa (Network-attached storage o NAS). Noti's que tots aquests sistemes, tot i no aparèixer a primera vista com a computadors, són tots de fet sistemes incrustats.
Història El primer disc dur va ser creat el 1956 per IBM i formava part del sistema 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Entre aquest primer disc dur i els minúsculs discs durs actuals, l'evolució ha estat fins i tot més dramàtica que en el cas de la densitat creixent dels transistors, governada per la llei de Moore. El disc dur del RAMAC, creat per un equip dirigit per Reynold B. Johnson,Reynold Johnson, Inventor of the Week Archive, MIT School of Engineering. Massachusetts Institute of Technology. era format per 50 discs, pesava una tona i la seva capacitat era de 5 MB. Més gran que una nevera actual, aquest disc dur treballava encara amb vàlvules electròniques i requeria una consola separada per al seu maneig. El seu gran mèrit consistia en el fet que el temps requerit per a l'accés a una dada no depenia de la ubicació física del mateix i aquest temps era aproximadament d'un segon. En les cintes magnètiques, en canvi, per a trobar una informació donada, era necessari enrotllar i desenrotllar els rodets fins a trobar la dada buscada.
Tecnologia miniatura|Parts principals d'un disc dur El disc dur enregistra les dades per magnetització direccional de materials ferromagnètics. Per representar els dígits binaris (0 i 1) s'utilitzen canvis seqüencials en la direcció de la magnetització. Les dades es llegeixen del disc dur detectant les transicions de la direcció de la magnetització i descodificant les dades escrites originalment. S'utilitzen diferents sistemes de codificació, com per exemple el Modified Frequency Modulation, el Group Code Recording o el Run Length Limited.
El disseny típic d'un disc dur consisteix en un eix que se sosté un o més discs circulars anomenats plats (platter), on les dades són enregistrades. Els plats són fets d'un material no magnètic, normalment de vidre o d'un aliatge d'alumini, i són recoberts amb una fina capa superficial de material magnètic, habitualment d'un gruix de 10 a 20 nm (el gruix d'un full de paper corrent oscil·la de 0,07 a 0,18 mil·límetres, de 70.000 a 180.000 nm) recoberta al seu torn amb una capa de carboni com a protecció. Els discs més antics utilitzaven l'òxid de ferro com a material magnètic.
Aquests plats estan dissenyats per agafar grans velocitats, entre les 3.000 voltes o revolucions per minut (rpm) dels dispositius portàtils de baix consum fins a les 15.000 rpm en el cas dels discs destinats a servidors d'alt rendiment. La informació és llegida i escrita mentre els plats són en rotació, mitjançant un mecanisme anomenat capçal de lectura/escriptura que opera molt a prop de la superfície magnètica, a unes desenes de nanòmetres als dispositius més nous, el fet de no tenir contacte amb la superfície permet evitar la calor que es produiria pel fregament i augmentar la velocitat de gir. El capçal de lectura i escriptura (head en anglès) s'utilitza per detectar i modificar la magnetització del material que es troba immediatament per sota de la seva posició. A un disc modern hi ha un capçal per cada disc magnètic muntat sobre un braç comú per a tots els plats. El mecanisme de posicionament del braç mou el capçal en un arc radial a través dels discs, cosa que permet que els capçals tinguin accés a gairebé tota la superfície del disc a mesura que gira. El braç es mou utilitzant una bobina mòbil o, en els dissenys més antics, d'un motor pas a pas.
A causa de la naturalesa policristal·lina del material magnètic, cadascuna d'aquestes regions magnètiques es compon d'uns pocs centenars de grans cristal·lins. Aquests grans magnètics són d'una grandària típica de 10 nm i cadascun forma un domini magnètic individual. Cada regió magnètica forma en conjunt un dipol magnètic que genera un camp magnètic. La capa magnètica d'aquests plats està dividida conceptualment en moltes regions magnètiques molt petites, de mida inferior al micròmetre, denominades dominis magnètics que s'utilitzen per codificar la informació. En els dispositius antics aquestes regions s'orientaven en sentit horitzontal i paral·lel a la superfície del disc, però a partir del 2005 l'orientació es va canviar en utilitzar un enregistrament perpendicular per permetre una menor separació dels dominis magnètics.
Per a emmagatzemar dades de manera fiable és necessari que el material de la superfície d'enregistrament sigui resistent a la desmagnetizació que es produeix quan els dominis magnètics es repelen entre si. Antigament, s'havia utilitzat òxid de ferro III com a material magnètic, però als discs actuals s'utilitza un aliatge a base de cobalt. La resistència d'un material a la desmagnetització es coneix com la seva coercitivitat magnètica (HC) i es mesura en amperes per metre en el Sistema Internacional, a més coercitivitat del material més estabilitat de les dades enregistrades, però en necessitarà més energia per enregistrar-les.
Un capçal d'escriptura magnetitza una regió magnètica mitjançant la generació d'un fort camp magnètic local. Els primers discs durs utilitzaven un electroimant, tant per a magnetitzar una regió com per a llegir el seu camp magnètic fent servir la inducció electromagnètica. Les versions posteriors dels capçals d'inducció van utilitzar la tecnologia anomenada Metall-in-Gap (MIG) i la de pel·lícula prima. Quan la densitat de dades va augmentar es van començar a utilitzar capçals de lectura que utilitzaven el principi de la magnetoresistència (MR), la resistència elèctrica del capçal canviava d'acord amb la força magnètica del plat., Read/Write Head Designs
En els desenvolupaments posteriors s'ha aplicat l'espintrònica (electrònica de l'espín) en el disseny dels capçals, la magnetoresistència era molt més gran que en els dispositius anteriors i va rebre el nom de magnetoresistència gegant (GMR de l'anglès Giant MagnetoResistance). En els capçals actuals els elements de lectura i escriptura es troben separats, tot i que molt propers. L'element de lectura és magneto-resistiu mentre que el de lectura acostuma a basar-se en la pel·lícula prima inductiva.
Els capçals es mantenen sense tocar la superfície del plat gràcies a l'aire que hi ha a prop de la superfície del plat, aquest aire es mou a una velocitat molt propera a la del plat fent un efecte de coixí que evita el contacte del capçal amb la superfície. La distància entre el capçal i la superfície s'ha anat reduint amb el temps i en l'actualitat pot arribar a ser menor de 0,1 µm. Tanmateix, durant les operacions d'arrencada i aturada del disc els capçals toquen la superfície perquè la separació depèn de la velocitat de gir.
A les unitats de disc modernes, la petita grandària de les regions magnètiques fa que sigui possible que perdin el seu estat magnètic a causa dels efectes tèrmics. Per contrarestar aquest perill, els plats estan recoberts per dues capes magnètiques paral·leles, separades per una capa de ruteni, un element no magnètic, d'un gruix de 3 àtoms, mentre que les dues capes de material magnètic són magnetitzades en sentit oposat, per tal de reforçar-se mútuament.Terabyte Territory , American Scientist, Vol 90 Núm. 3 (Maig–Juny 2002) pàg. 212 Una altra tecnologia utilitzada per superar els efectes tèrmics tot permetent una major densitat és la gravació perpendicular, emprada comercialment per primer cop el 2005, i d'ús molt general a partir del 2007.
Capacitat Els fabricants de discs durs es refereixen a la capacitat d'un disc utilitzant múltiples del SI (en potències de 10), així un terabyte són 1000=10³ gigabytes i un gigabyte són 1000=10³ megabytes. Però cal fer notar que el programari, i els sistemes de fitxers, indiquen la capacitat en potències de 1024, per això l'espai disponible és una mica menor que la capacitat de la publicitat. La discrepància entre els dos mètodes de mesura ha tingut greus conseqüències financeres per a almenys un fabricant de discs durs (Western Digital) arran d'un judici promogut pels consumidors argumentat que la utilització de diferents mètodes de mesura era per enganyar els consumidors. http://www.foxnews.com/story/0,2933,201269,00.html Western Digital Settles Hard-Drive Capacity Lawsuit, Associated Press, 28 de juny de 2006. [consultat el 6 de desembre del 2020]
Els xips de semiconductor que s'utilitzen en la fabricació de les memòries s'organitzen de manera que la mida de la seva capacitat s'expressa en múltiples de potències de dos. Per contra, els discs durs no tenen una mida binària inherent. La capacitat és el producte del nombre de capçals (que acostuma a coincidir amb el nombre de cares), el nombre de cilindres, el nombre de pistes, el nombre de sectors per pista, i la mida de cada sector. La mida dels sectors ha estat estandarditzada per conveniència en valors de 256 o 512 bytes, i més recentment també de 4096 bytes, que són potències de dos. Això pot causar una mica de confusió perquè els sistemes operatius poden informar de la capacitat d'un disc dur utilitzant unitats amb uns prefixos binaris que s'incrementen en potències de 1024.
Donada una unitat de disc d'un terabyte (1 TB), esperarien que tingués una capacitat al voltant d'1 bilió de bytes (1.000.000.000.000) o 1000 GB, i de fet, la majoria d'unitats de disc d'1 TB tenen una capacitat una mica més gran que aquest nombre. No obstant això, algunes utilitats del sistema operatiu informaran d'una capacitat al voltant de 931 GB o 953.674 MB. El valor real de la capacitat un cop formatat el disc serà una mica més petit encara, i dependrà del sistema de fitxers. A continuació es mostren diverses formes de presentació d'un terabyte.
Prefixos del SI (disc dur) equivalent Prefixos binaris (SO) equivalent 1 TB (Terabyte) 1 * 10004 B 0,9095 TiB (Tebibyte) 0,9095 * 10244 B 1000 GB (Gigabyte) 1000 * 10003 B 931,3 GiB (Gibibyte) 931,3 * 10243 B 1.000.000 MB (Megabyte) 1.000.000 * 1000² B 953.674,3 MiB (Mebibyte) 953.674,3 * 1024² B 1.000.000.000 KB (Kilobyte) 1.000.000.000 * 1000 B 976.562.500 KiB (Kibibyte) 976.562.500 * 1024 B 1,000,000,000,000 B (byte) - 1.000.000.000.000 B (byte) -
Terminologia miniatura|Diagrama de les característiques d'un disc dur en quant a capacitat Alguns dels principals termes per a calcular la capacitat d'un disc són:
Plat: Cadascun dels discos que hi ha dintre del disc dur.