náhled|Vnitřek disku: v popředí je výkyvné rameno se čtecí a zápisovou hlavou, v pozadí kotouč horní plotny s hřídelí hnacího motoru uprostřed náhled|upright=1.0|Disková paměť IBM 350 z roku 1957 (3,7 MB) náhled|upright=1.3|„Anatomie“ pevného disku. Nahoře zleva hlavy, víko a kovové tělo. Vlevo dole je řídící elektronika a pohyblivé raménko se čtecími/záznamovými hlavami, vpravo dole sestava vřetene, motoru a ploten.
Pevný disk (zkratka HDD, ) je elektromechanické zařízení pro záznam a čtení adresovatelných dat, paměť o velké kapacitě a s pomalejším přístupem než operační paměť RAM. Používá se v počítačích jako sekundární a záložní paměť, ve spotřební elektronice (např. videorekordéry) k dočasnému nebo trvalému uchovávání většího množství dat. Ukládání a čtení probíhá pomocí magnetické indukce. Skládá se z pohonu a vřetene, na něž je navlečena kruhová deska, či několik desek (podle potřebné kapacity) s magnetickým povrchem, který zapisují a snímají pohyblivé hlavy, zpravidla po jedné na každém povrchu (jedna deska má dva povrchy a každý povrch svou hlavičku).
Předchůdcem pevných disků byla magnetická páska a magnetický buben, tyto ovšem trpěly o několik řádů delšími přístupovými dobami (než se pásek převinul). První komerční pevné disky se objevily v roce 1956, nejprve pro sálové počítače. Díky stále důmyslnějším technologiím se parametry pevných disků za 50 let zlepšily o 3 až 8 řádů, tento trend se však od roku 2010 patrně zpomaluje, protože disky se blíží hranici fyzikálních možností (limity se obcházejí zahřívání povrchu laserem obdobně jako u CD-ROM, plnění speciálními plyny atd.). Jejich největším konkurentem jsou polovodičové paměti SSD, které neobsahují žádné pohyblivé součásti. Jsou menší, úspornější, o tři řády rychlejší a spolehlivější než paměti magnetické. Na rozdíl od „volatilní“ RAM paměti, jejíž obsah se při odpojení od zdroje proudu ztrácí, jsou HDD/SSD non-volatilní, tedy jejich obsah zůstává zachován (ovšem časem degraduje a za několik desítek let se stává nečitelným). Označení „pevný disk“ se často užívá v širokém slova smyslu, takže může zahrnovat i SSD úložiště a další druhy pamětí, pokud plní stejnou funkci a pro software se jeví jako vnější paměťové zařízení, které se dá adresovat.
Mezi hlavní charakteristiky pevného disku patří jeho kapacita (KB, MB, GB, TB), přístupová doba (ms) a přenosová rychlost (MB/s). Určitá část jeho kapacity není pro uživatele dostupná, protože je používána souborovým a operačním systémem počítače (MBR, tabulka rozdělení disku, nealokované sektory připravené jako náhrada chybných sektorů apod.), případně má vestavěnou redundanci pro opravu chyb a obnovu. Výkon je určen rychlostí přenosu dat a přístupovou dobou, která má dvě složky: čas k přesunu hlav na určenou stopu nebo válec a tzv. latenci, tj. čas, než se požadovaný sektor (blok) dostane pod hlavu. Latence tedy závisí na rychlosti otáčení disku (typicky 5400, 7200, 10000 otáček za minutu). Moderní pevné disky mají nejčastěji průměr 3,5 palce pro stolní počítače a 2,5 palce především pro notebooky či servery. HDD jsou připojeny k systémům kabely SATA (Serial ATA), kdysi PATA (Parallel ATA), USB nebo SAS (Serial Attached SCSI), či nově bez kabelů přímo přes M.2 konektory na základní desce.
Charakteristika Typické parametry (2025) Kapacita – 0,5 až 28 TB (= 1012, bilion byte) Přístupová doba – několik ms (od 4 ms, obvykle 8 ms, lacinější přes 10 ms) Rychlost otáčení – lacinější desktopové 5400, obvykle 7200, rychlejší serverové 10 až 15 tisíc otáček za minutu Přenosová rychlost – desítky MB/s (náhodný přístup), přes 150 MB/s (sekvenční čtení) u M.2 disků až jednotky GB/s RAM cache – 8 až 512 MB RAM
Vlastnosti Hlavními důvody velkého rozšíření pevných disků byla velká kapacita, poměrně rychlá přístupová doba, spolehlivost a skutečnost, že uchování dat nevyžaduje trvalé napájení (po vypnutí se jedná o non-volatilní paměť, která zachová data). Přitom, na rozdíl od magnetické pásky, umožňuje přímý přístup k jednotlivým blokům záznamu s velkou přístupovou rychlostí (u páskových jednotek trvalo převíjení z místa na místo i desítky sekund). Navíc má výhodný poměr kapacity a ceny disku i dostatečnou rychlost čtení a zápisu dat. Hlavní nevýhodou je mechanické řešení, které je technologicky náročné, má větší spotřebu elektrické energie, vyšší hmotnost a je náchylné na poškození při nešetrném zacházení (prach, vlhkost, otřesy nebo náraz při zápisu/čtení dat).
Data jsou na disku uložena jako zmagnetizovaná místa na magneticky tvrdším materiálu záznamové vrstvy. Záznam provádějí záznamové a čtecí hlavy, obvody z magneticky měkkého materiálu s cívkou a mezerou, podobně jako u páskového magnetofonu. Tatáž hlava slouží i ke čtení, kdy se pohybem zmagnetizovaných bodů na záznamové vrstvě indukuje v cívce elektrický proud. U nejnovějších typů HDD s extra velkou kapacitou se místo zápisu dopředu ohřívá laserem, obchází se tak technologické omezení, kdy šířka hlavy je mnohem větší než je nutná velikost stopy a došlo by k přepisu hned několika stop najednou. Hustota záznamu může být tím větší, čím užší je mezera a čím blíž je povrch hlavy k záznamové vrstvě.
Záznamové desky (plotny) přitom nelze vyrobit tak, aby ve směru osy vůbec „neházely“, čili aby jejich povrchy byly dokonale rovinné a kolmé na osu otáčení. Proto se konstruktéři dlouho drželi magnetických bubnů, jejichž povrch může mít menší házivost. Hlavy tak mohly být blíž k povrchu, což umožňuje vyšší hustotu záznamu. Mají ovšem jen jeden povrch, a tudíž i malou kapacitu. Konstrukci disků umožnil teprve vynález plovoucích hlav (na vzduchovém polštáři, ne v tekutině), které pružina přitlačuje k povrchu poměrně značnou silou a potřebný odstup udržuje proud vzduchu mezi rotujícím povrchem a hlavou. Přitom se používají různé technologie záznamu a různá kódování uložených dat.
Historie pevných (mechanických) disků + Zlepšení parametrů disků Parametr V roce 1956 V roce 2024 Poměr Kapacita(formátovaná) 3.75 MB 24 TB 3,73×10614,000,000,000,000 děleno 3,750,000. Objem 1,9 m3 34 cm3 56 000 Hmotnost 910 kg 62 g 15 000 Přístup asi 600 ms 2.5 až 10 ms asi 200 Cena USD 9 200 za MB (1961) USD 0,032 za GB (2015) 3×108 Hustota dat 31,25 bit/mm2 2 Gbit/mm2 (2015) 6,5×108 Poruchovost ~2000 hodin MTBF ~2 500 000 hodin MTBFhttps://www.hgst.com/products/hard-drives/ultrastar-he12 1250 Tabulka vpravo ukazuje, jak se parametry disků zlepšily za necelých 60 let. Prvním diskovým systémem byl IBM 350 RAMAC z roku 1956, který měl na 50 plotnách o průměru 61 cm kapacitu 3,75 MB dat. Roku 1962 se objevil disk IBM 1311 s výměnnými svazky o kapacitě 2 MB a roku 1973 model IBM 3340, přezdívaný Winchester, s kapacitou až 70 MB. Nejstarší disky měly velice složitý vystavovací mechanismus, u IBM 350 se dvojice hlav navíc ještě přesouvala svisle a obsluhovala všech 50 ploten. U disků s výměnným svazkem se hlavičky pohybovaly v přímce po poloměru ploten do středu, což bylo technologicky i energeticky náročné.
S prvními přenosnými počítači bylo nutné zmenšit rozměry disků a s nástupem počítačů napájených z baterií také jejich energetickou náročnost. K tomu výrazně přispěl zjednodušený vystavovací mechanismus: plotny nejsou výměnné a místo lineárního pohybu ke středu byly hlavy umístěny na výkyvném raménku, které se otáčí kolem pevné osy. Na jednodušší připojení se zaměřila firma Seagate a vyvinula diskové rozhraní ST-506/412, které se stalo standardem pro výrobce disků ve své době. První 2,5" disk vyvinula společnost PrairieTek v roce 1988 a měl kapacitu 20 MB. Tato velikost disků se stala standardem v oblasti stolních počítačů. IBM se vrátila do hry v oblasti disků pro osobní počítače v roce 1999 s modelem Microdrive o kapacitě 170 MB. Záhy však tento segment opustila a prodala jej japonské společnosti Hitachi. Postupně tak vstoupily na trh kromě Seagate také firmy Western Digital, Toshiba a další s disky s paralelním rozhraním PATA a později sériovým SATA.
Nároky na kapacitu disků prudce vzrostly, když se na ně vedle textů začaly ukládat obrázky a akustické záznamy, kdežto filmy a hry si vynutily i daleko vyšší přenosové rychlosti. Rychlost otáčení se zvyšovala od 5400 přes 7200 a 10 000 až k 15 000 otáček za minutu, kdy už odstředivé síly působí velké potíže. Tyto rychlé disky byly původně určeny pro podnikové servery, ale díky jejich skvělým vlastnostem a cenové dostupnosti si je pořizovali i milovníci počítačových her.
Technický popis Diskové plotny náhled|Krokový motor pohánějící plotny disku Data jsou na pevném disku uložena v podobě magnetického zápisu. Disk tvoří kovové nebo keramické desky – tzv. plotny, pokryté tenkou magneticky tvrdší vrstvou (viz hysterezní křivka). Hustota datového záznamu se udává jako počet bitů na měrnou jednotku plochy disku (bitů/palec², bitů/mm²). Plotny jsou neohebné (odtud pevný disk) na rozdíl od ohebných ploten v disketách (). Plotna bývá v současných discích jedna (výjimečně několik) o průměru 3,5″, 2,5″ nebo 1,6″ a otáčí se na vřetenu poháněném elektromotorem.
Hlavy náhled|Demontovaný starý disk. Všimněte si vystavovací mechaniky. Čtení a zápis dat na magnetickou vrstvu zajišťuje čtecí a zápisová hlava. Dříve se používaly magnetodynamické hlavy, nyní se používá krystal měnící vodivost podle intenzity magnetického pole. Hlava „plave“ na vzduchovém polštáři těsně nad povrchem, ve vzdálenosti řádově několika nanometrů (10−9m). Proti mechanickému poškození při doteku hlavy (head crash) bývá povrch magnetické záznamové vrstvy chráněn velmi tenkou vrstvou teflonu, případně napařenou vrstvou uhlíku.
Zařízení, které vystavuje čtecí hlavy na správnou pozici nad povrchem se nazývá vystavovací mechanismus. Ve starších discích (viz fotografie) se používal přesný krokový motor, který ocelovým páskem otáčí „patkou“, spojenou s raménkem a hlavami. Hlavy se pohybovaly po přímce. V novějších discích se používá rychlejší lineární motor, plochá cívka na raménku hlav, jež je polohuje v závislosti na protékajícím elektrickém proudu v silném poli permanentního magnetu. Hlavy se tedy pohybují po kružnici. Princip pohonu je stejný jako u membrány reproduktoru. Po přerušení napájení hlavy samočinně „zaparkují“ do klidové polohy mimo záznamovou oblast. Z pevných disků se tedy dají demontovat velmi silné a křehké magnety ze slitin neodymu (Nd2Fe14B), gadolinia aj.
Operace nutné pro čtení nebo zápis dat: vystavit čtecí hlavu na průměr žádané stopy, vyčkat na utlumení rozkmitu způsobeného setrvačností hlav (vystavení trvá řádově milisekundy [ms]), vyčkat než se žádaný sektor či blok otáčením disku dostane pod čtecí hlavu (tzv. latence).
Průměrný (střední) čas, za který je disk připraven číst nebo zapisovat data, se označuje jako přístupová doba. V současné době je okolo 8,5 ms, u disků s 15 000 ot./min je to pod 4 ms. Při vystavení hlav na požadovanou stopu je možné číst a zapisovat data bez pohybu hlav i ze stop o stejném poloměru na všech ostatních površích, která tvoří tzv. válec (cylinder). Pro vyšší výkon disku jsou data takto také organizována, viz kapitola Organizace dat.
Pohon disku, hřídel Na společné hřídeli může být umístěno i několik diskových kotoučů. Na pohonu disku, otáčkách hřídele, je závislá průměrná čekací doba. Čím jsou otáčky větší, tím je čekací doba menší. Vyšší rychlost otáčení disku ještě nemusí znamenat přínos. Mezi rychlostí otáčení a provozními podmínkami platí: Čím více otáček, tím horší provozní podmínky. S rostoucím počtem otáček roste tvorba tepla uvnitř pouzdra disku, což zvyšuje nároky na ventilaci.Pokud tedy nemá takový disk dokonalou ventilaci, vede to k častějšímu výskytu chyb a tím i ke snížení životnosti. Průměrná rychlost otáčení je dnes 4200, 5400, 7200, 10000 a 15000 ot/min. náhled|Vystavovací mechanismus moderního disku náhled|Hlava disku (2013)
Organizace dat