هارد درایو چیست و چگونه کار می‌کند؟
به طور روزمره مدام از هارد درایوهای مختلف به منظور پیش بردن کارهای کامپیوتری خود استفاده می‌کنیم، اما آیا برای‌تان تا به حال سوال شده که چگونه اطلاعات روی هارد درایو ذخیره می‌شود؟ به زبانی ساده‌تر، چطور اطلاعات روی هارد درایو نوشته و در مرحله‌ی بعدی مجدد خوانده می‌شود؟
به طور معمول در یک لپتاپ ۵۰۰ دلاری، فضای ذخیره‌سازی SSD ۲۵۶ گیگابایتی در نظر گرفته می‌شود و کلی دیتای مختلف را می‌توان روی این مدل هارد درایو قرار داد. با این حال در این مطلب می‌خواهیم به این موضوع بپردازیم که چطور اطلاعات شما روی هارد ذخیره می‌شود. در پاسخ کوتاه می‌توان این‌طور بیان کرد که هارد درایو نصب شده روی سیستم شما از مغناطیس برای ذخیره‌ی اطلاعات استفاده می‌کند. وقتی این مسئله را با سی‌دی مقایسه می‌کنیم، این رویکرد می‌تواند کارآمدتر باشد. در حقیقت اگر می‌خواستیم همچنان اطلاعات حجیم خود را روی سی‌دی رایت بزنیم، به مرور زمان با تعداد بسیار زیادی از سی‌دی‌ها روبه‌رو می‌شدیم که هم نگهداری از آنها کار سختی بود و هم خرید سی‌دی‌های جنس خوب هزینه‌بر به نظر می‌رسد.
چگونه هارد درایو کار می‌کند؟
برای فهم کامل درباره‌ی یک هارد درایو، شما باید از لحاظ فیزیکی با این قطعه آشنا شوید. به طور کلی، درون یک هارد درایو قطعات دیسک وجود داشته و در بالای این اجزا، فضایی در حد چند میلیمتر وجود دارد. به این دیسک‌ها، بشقاب (Platter) هم گفته می‌شود. این بشقاب‌ها به صورت یک سطح بسیار صاف و آینه‌ای پولیش شده و می‌توانند مقدار زیادی اطلاعات را روی آن قرار داد.
در بخش بعدی، ما بازو را داریم. این جزء اطلاعات روی دیسک را خوانده و رایت می‌زند. این بازو مدام از بخش مرکزی به لبه‌ی دیسک رفته و اطلاعات را از طریق سرهای بسیار کوچکی که دارد خوانده یا می‌نویسد. بازو به طور متوسط در درایوهای خانگی می‌تواند تقریبا ۵۰ بار در ثانیه نوسان داشته باشد. این عدد در بسیاری از ماشین‌ها با مشخصات بالا و همچنین دستگاه‌هایی که به منظور محاسبات پیچیده استفاده می‌شوند می‌تواند به هزاران هم افزایش پیدا کند.
برای فهم بهتر، برای هارد درایوهایی که روی دور RPM ۵۴۰۰ اجرا می‌شوند، بازو در هر ساعت ۶۲ مایل حرکت می‌کند. همچنین، بازو تنها ۱۰ نانومتر دورتر از بشقاب قرار داشته و بازو باید در این فاصله‌ی بسیار اندک، اطلاعات را خوانده یا روی بشقاب رایت بزند. هارد درایوها برای انجام این فرایند از مفهوم مغناطیس استفاده می‌کنند. برای فهم بیشتر این‌که چطور هارد درایو کار می‌کند باید چند مفهوم پایه‌ای را با یکدیگر بررسی کنیم.
تشریح اثر مغناطیس در عملکرد هارد درایو
قبل از این‌که وارد هارد درایوها شویم، بهتر است درباره‌ی مفاهیمی صحبت کنیم که هارد درایو از طریق آنها اطلاعات را ذخیره می‌کند.
به زبان بسیار ساده، هارد درایوها از قابلیت فرومغناطیس برای ذخیره‌ی تمامی فایل‌های شما در چند ثانیه استفاده می‌کنند اما شاید این سوال در همین الان در ذهن‌تان شکل گرفته که فرومغناطیس چیست؟
احتمالا شما هم قبلا به‌واسطه‌ی درس‌های علوم تجربی با این آزمایش مواجه شده‌اید که چند تکه کاغذ را در جوار یک مغناطیس قرار داده تا در نهایت کاغذها قابلیت مغناطیسی پیدا کنند. این رفتارِ فلزات خاصی است که وقتی نزدیک آهنربا قرار می‌گیرند، ویژگی‌های مغناطیسی پیدا می‌کنند. از این مواد به عنوان فرومغناطیس یاد می‌کنند. این تغییر در ویژگی‌ِ آهن‌های مذکور برای ذخیره‌سازی اطلاعات روی هارد درایو استفاده می‌شود.
با این‌که بشقاب روی درایو شبیه به یک آینه زیر یک سطح است، بشقاب از میلیاردها دانه‌ی ریز تشکیل شده است. این دانه‌ها در واقع ویژگی‌های ذاتی شبیه به همان تکه‌های کاغذ در آزمایش‌های دوران دبیرستان هستند و می‌توانند اطلاعات مغناطیسی را در جوار یک میدان مغناطیسی ذخیره کنند. برای ذخیره‌ی اطلاعات، این دانه‌ها می‌توانند دو حالت مختلف داشته باشند و این حالات به عنوان لحظات مغناطیسی شناخته می‌شوند.
علاوه بر این مورد، برخلاف تکه‌های کاغذ، اندازه‌ی دانه‌ها بسیار کوچک بوده و یک اینچ مربع از بشقاب می‌تواند صدها گیگابایت اطلاعات را ذخیره کند. بنابراین، یک الکترومغناطیس با یک سر بسیار کوچک به منظور نوشتن اطلاعات روی این دانه‌های کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ادامه، به این مسئله می‌پردازیم که چطور اطلاعات با استفاده از یک الکترومغناطیس روی این دانه‌های مذکور نوشته می‌شوند.
نحوه‌ی نوشتن اطلاعات روی هارد درایو
فرض کنید که کامپیوتر شما می‌خواهد یک فایل را روی هارد درایوتان ذخیره کند. این اطلاعات در واقع شماری از اعداد صفر و یکی هستند که جهتِ جریان را در سرِ نوشتن تغییر می‌دهند. به دلیل تغییر حالت جاری، قطبیتِ الکترومغناطیس، یک میدان مغناطیسی متفاوتی را در بشقاب زیر خود القا می‌کند. همین تفاوت‌ها در میدان‌های مغناطیسی روی بشقاب است که لحظات مغناطیسی مختلفی را در دانه‌ها ایجاد می‌کند.
بنابراین، اگر سیستم شما تصمیم به ذخیره‌ی اطلاعات ۱ را دارد، دانه‌ی مورد نظر باید یک لحظه‌ی مغناطیسی متفاوتی در مقایسه با اطلاعات ۰ داشته باشد. این تفاوت‌ها در ویژگی‌های مغناطیسی دانه‌ها به هارد درایو قدرت می‌دهد تا اطلاعات را ذخیره کند.
درک روش‌های مختلف ذخیره‌سازی اطلاعات روی یک بشقاب
انسان‌ها در حال تولید اطلاعات دیجیتالی به مراتب بیشتر از گذشته هستند. در واقع، در سال ۲۰۲۱ میلادی بیشتر از ۷۵ زتابایت اطلاعات تولید شده، ذخیره شده، کپی شده و حتی در سطح جهانی مصرف شده است. به همین ترتیب، بر اساس اعداد سرسام‌آوری که پیش‌تر به آن اشاره شد، هارد درایوها باید اطلاعات بیشتری را نسبت به قبل در خود ذخیره کنند. به همین دلیل، دانه‌های موجود بر سطح بشقاب‌ها، باید کوچک‌تر ساخته شده و تا جایی که ممکن است نسبت به هم نزدیک‌تر باشند.
با کوچک‌تر ساختنِ دانه‌ها، چالش‌ها و مشکلات جدیدی هم بروز پیدا می‌کند. برای مثال دانه‌های کوچک می‌توانند اطلاعات مغناطیسی را به دلیل فاکتورهای محیطی راحت‌تر از دست دهند. بنابراین، لحظات معناطیسی باید در آرایش متفاوت نظم پیدا کرده تا این مشکل حل شود.
در ادامه چند روش متفاوت برای ذخیره‌سازی اطلاعات روی بشقاب‌ها مطرح می‌شود:
ضبط مغناطیسی طولی
همان‌طور که از اسم این روش برمی‌آید، ضبط مغناطیسی طولی (LMR) به طور طولی اطلاعات را ذخیره می‌کند. این روش یعنی دوقطبی‌های مغناطیسی همان آرایشی را دارا هستند که سرِ بازو در حین حرکت برای نوشتن دارد. با این‌که روش LMR کارایی خوبی دارد، اندازه‌ی دوقطبی‌ها روی هارد درایو با بهره‌برداری از فناوری LMR فضای بسیار زیادی را می‌گیرد. به همین دلیل، یک تراکمی از ۱۰۰ گیگابایت به ازای هر اینچ مربع توسط LMR انجام می‌شود.
ضبط مغناطیسی عمودی
ضبط مغناطیسی عمودی (PMR) که به ضبط مغناطیسیِ مرسوم هم معروف است، نسبت به روش LMR فضای ذخیره‌سازی بیشتری را ارائه می‌دهد. دلیل این افزایش، تفاوت در آرایش دوقطبی‌های مغناطیسی است. اطلاعات در روش LMR به طور طولی ذخیره شده اما در فناوری PMR، دوقطبی‌ها به صورت عمودی نظم پیدا می‌کنند. بنابراین، دو قطبی‌ها روی یک درایو PMR نسبت به حرکت سر بازو در حین نوشتن، عمود است. این تغییر در نظم‌بخشی موجب افزایش تراکم اطلاعات می‌شود. به همین ترتیب، هر دو قطبی فضای کمتری در مقایسه با دو قطبی مورد استفاده در تکنولوژی LMR می‌شود. به همین دلیل، در روش PMR می‌توان یک تراکم ۳۰۰ الی ۴۰۰ گیگابایتی را در هر اینچ مربع قرار داد.
ضبط مغناطیسی پوششی
همان‌طور که قبلا به آن اشاره شده، اطلاعات روی دانه‌های ریزی درون هارد درایو ذخیره می‌شود. این دانه‌های ذخیره کننده‌ی اطلاعات در یک مدار حلقوی روی هارد درایو قرار می‌گیرند. در واقع این مدار و مسیرها هستند که سر بازو برای نوشتن و ذخیره‌ی اطلاعات روی آن حرکت می‌کنند. با این‌که این مسیرها نزدیک به یکدیگر در فناوری‌های PMR و LMR قرار داده شده‌اند، این مسیرها با یکدیگر هم‌پوشانی ندارند. اگر هم‌پوشانی رخ دهد، مشکلاتی در حین خوانش اطلاعات می‌تواند رخ دهد. در روش ضبط مغناطیسی پوششی (SMR)، مسیرها با یکدیگر هم‌پوشانی داشته تا مقدار اطلاعاتی که می‌تواند روی یک درایو ذخیره شود افزایش پیدا کند. به دلیل هم‌پوشانی مسیرها، فناوری SMR موجب افزایش تراکم ذخیره‌سازی تا ۲۵ درصد می‌شود.
ضبط مغناطیسی به کمک حرارت
با این‌که تغییر از فناوری LMR به PMR موجب افزایش حیاتی در مقدار اطلاعاتی که می‌تواند روی یک هارد درایو ذخیره شود گردیده، این فناوری همچنان برای ابر شرکت‌هایی نظیر گوگل، فیس‌بوک، مایکروسافت و آمازون که حداقل ۱۲۰۰ پتابایت اطلاعات دارند کافی نیست. بنابراین، برای افزایش تراکم اطلاعات موجود روی هارد درایو، روشی تحت عنوان ضبط مغناطیسی با کمک حرارت (HAMR) ابداع شده است. این فناوری در حقیقت بشقاب را با استفاده از لیزرهایی حرارت داده تا دانه‌ها بتوانند در نزدیکی یکدیگر قرار گرفته تا اطلاعاتی که آنها ذخیره می‌کنند به دلیل عوامل محیطی از دست نرود. به دلیل این پیشرفت، هارد درایوهایی که از تکنیک HAMR بهره‌برداری می‌کنند، در هر اینچ مربع می‌توانند بیش از ۲ ترابایت اطلاعات را ذخیره کنند.
علاوه بر نحوه‌ی آرایش و نظمِ دوقطبی‌ها، این‌که هارد درایو شما چطور پارتیشن‌بندی می‌شود هم روی عملکرد اثرگذار خواهد بود.
خوانش اطلاعات از هارد درایو
حالا که متوجه شده‌ایم چطور اطلاعات روی هارد درایوها نوشته می‌شود، در مرحله‌ی بعدی به این موضوع می‌پردازیم که چطور هارد درایو می‌تواند اطلاعاتِ نوشته شده را بخواند.
همان‌طور که در تصویر زیر قابل رویت است، هارد درایو از مجموعه‌ای از مسیرها تشکیل شده است. همان‌طور که اشاره کرده‌ایم این میسرها هستند که اطلاعات را ذخیره می‌کنند. وقتی شما یک فایل را روی کامپیوتر ذخیره می‌کنید، سرِ نوشتنیِ بازو در بخشی از این مسیر، عملیات نوشتن را انجام داده و هارد درایو محل فایل را به خاطر خواهد داشت.
وقتی شما فایل را باز می‌کنید، پردازنده (CPU) از هارد درایو تقاضا می‌کند تا همین کار را انجام دهد. هارد درایو بازو را در همان مسیری قرار می‌دهد که اطلاعات قبلا در آن بخش نوشته شده بود.
در این بخش است که سرِ خوانشِ هارد درایو باید عملکرد خود را نشان دهد. درست همانند سرِ نوشتنِ هارد، یک الکترومغناطیس بسیار بزرگ (GMR) برای سر خوانش وجود دارد. اگرچه، برخلافِ سر نوشتن که میدان مغناطیسی را القا می‌کند، سر GMR تغییرات را در میدان‌های مغناطیسی روی بشقاب شناسایی می‌کند. به دلیل این ویژگی‌ها در سر خوانش، این سر می‌تواند اطلاعات را از بشقاب بخواند. همین پروسه‌های خواندن و نوشتن اطلاعات است که موجب می‌شود سر و صدای خاصی از هارد درایو به گوش برسد. البته ناگفته نماند سر و صدای هارد درایو در حد نویز با فرکانس کم طبیعی است. اگر شدت صدای نویز بیشتر از حالت مرسوم باشد، احتمال دارد هارد درایو در خواندن اطلاعات با مشکلاتی روبه‌رو شده است.
SSD یا HDD؛ کدام هارد برای خرید بهتر است؟
هارد درایوهای حالت جامد یا SSD از لحاظ تکنولوژی مدرن‌تر از HDD هستند. SSDها سرعت خواندن و نوشتن بیشتری را به کاربر ارائه می‌دهند و این موضوع قطع به یقین به نفع کاربر است تا با صرف هزینه‌ی بیشتر، امکانات و راحتی بهتری را برای خود فراهم کند. با این حال، می‌توان با خریداری SSD با ظرفیت حجم کمتر، در هزینه هم تا حدودی صرفه‌جویی کرد.
با تمام این تفاسیر، اگر مجموعه و کالکشن عظیمی از بازی‌های ویدیویی را در اختیار دارید که چند ترابایت حجم را روی هارد درایو اشغال می‌کند، همچنان بهترین تصمیم، خرید یک هارد درایو مکانیکی است تا ضمن هزینه‌ی کمتر، حجم بیشتری از اطلاعات را در اختیار خود داشته باشید. با این حال، باید مراقبت و اقدامات لازم را برای SSD و HDD به کار بگیرید تا هارد درایو برای مدت زمان طولانی سالم باقی بماند.
منبع: makeuseof
