| Disco Duro | |
 Interior de un disco duro; se aprecian dos platos con sus respectivos cabezales. |
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Conectado a:
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Fabricantes comunes:
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En informática, un disco duro o disco rígido (en inglés Hard Disk Drive, HDD) es un dispositivo de almacenamiento de datos no volátil que emplea un sistema de grabación magnética para almacenar datos digitales. Se compone de uno o más platos o discos rígidos, unidos por un mismo eje
que gira a gran velocidad dentro de una caja metálica sellada. Sobre
cada plato, y en cada una de sus caras, se sitúa un cabezal de
lectura/escritura que flota sobre una delgada lámina de aire generada
por la rotación de los discos.
El primer disco duro fue inventado por IBM
en 1956. A lo largo de los años, los discos duros han disminuido su
precio al mismo tiempo que han multiplicado su capacidad, siendo la
principal opción de almacenamiento secundario para PC desde su aparición en los años 1960.
Los discos duros han mantenido su posición dominante gracias a los
constantes incrementos en la densidad de grabación, que se ha mantenido a
la par de las necesidades de almacenamiento secundario.
Los tamaños también han variado mucho, desde los primeros discos IBM hasta los formatos estandarizados actualmente: 3,5 " los modelos para PC y servidores, 2,5 " los modelos para dispositivos portátiles. Todos se comunican con la computadora a través del controlador de disco, empleando una interfaz estandarizado. Los más comunes hasta los años 2000 han sido IDE (también llamado ATA o PATA), SCSI (generalmente usado en servidores y estaciones de trabajo). Desde el 2000 en adelante ha ido masificándose el uso de los Serial ATA. Existe además FC (empleado exclusivamente en servidores).
Para poder utilizar un disco duro, un sistema operativo debe aplicar un formato de bajo nivel que defina una o más particiones. La operación de formateo requiere el uso de una fracción del espacio disponible en el disco, que dependerá del formato empleado. Además, los fabricantes de discos duros, unidades de estado sólido y tarjetas flash miden la capacidad de los mismos usando prefijos SI, que emplean múltiplos de potencias de 1000 según la normativa IEC y IEEE, en lugar de los prefijos binarios, que emplean múltiplos de potencias de 1024, y son los usados por sistemas operativos de Microsoft.
Esto provoca que en algunos sistemas operativos sea representado como
múltiplos 1024 o como 1000, y por tanto existan confusiones, por ejemplo
un disco duro de 500 GB, en algunos sistemas operativos sea representado como 465 GiB (es decir gibibytes; 1 GiB = 1024 MiB) y en otros como 500 GB.
Las unidades de estado sólido
tienen el mismo uso que los discos duros y emplean las mismas
interfaces, pero no están formadas por discos mecánicos, sino por memorias de circuitos integrados para almacenar la información. El uso de esta clase de dispositivos anteriormente se limitaba a las supercomputadoras, por su elevado precio, aunque hoy en día ya son muchísimo más asequibles para el mercado doméstico.
Historia
Al principio los discos duros eran extraíbles, sin embargo, hoy en
día típicamente vienen todos sellados (a excepción de un hueco de
ventilación para filtrar e igualar la presión del aire).
El primer disco duro, aparecido en 1956, fue el Ramac I, presentado con la computadora IBM 350: pesaba una tonelada y su capacidad era de 5 MB. Más grande que una nevera actual, este disco duro trabajaba todavía con válvulas de vacío y requería una consola separada para su manejo.
Su gran mérito consistía en el que el tiempo requerido para el acceso
era relativamente constante entre algunas posiciones de memoria, a
diferencia de las cintas magnéticas, donde para encontrar una
información dada, era necesario enrollar y desenrollar los carretes
hasta encontrar el dato buscado, teniendo muy diferentes tiempos de
acceso para cada posición.
La tecnología inicial aplicada a los discos duros era relativamente
simple. Consistía en recubrir con material magnético un disco de metal
que era formateado en pistas concéntricas, que luego eran divididas en
sectores. El cabezal magnético codificaba información al magnetizar
diminutas secciones del disco duro, empleando un código binario de
«ceros» y «unos». Los bits o dígitos binarios así grabados pueden
permanecer intactos años. Originalmente, cada bit tenía una disposición
horizontal en la superficie magnética del disco, pero luego se descubrió
cómo registrar la información de una manera más compacta.
El mérito del francés Albert Fert y al alemán Peter Grünberg (ambos premio Nobel de Física por sus contribuciones en el campo del almacenamiento magnético) fue el descubrimiento del fenómeno conocido como magnetorresistencia gigante,
que permitió construir cabezales de lectura y grabación más sensibles, y
compactar más los bits en la superficie del disco duro. De estos
descubrimientos, realizados en forma independiente por estos
investigadores, se desprendió un crecimiento espectacular en la
capacidad de almacenamiento en los discos duros, que se elevó un 60 %
anual en la década de 1990.
En 1992, los discos duros de 3,5 pulgadas alojaban 250 MB, mientras que 10 años después habían superado 40 GB (40 000 MB). En la actualidad, ya contamos en el uso cotidiano con discos duros de más de 3 TB, esto es 3072 GB, (3145728 MB)
En 2005 los primeros teléfonos móviles
que incluían discos duros fueron presentados por Samsung y Nokia,
aunque no tuvieron mucho éxito ya que las memorias flash los acabaron
desplazando, sobre todo por asuntos de fragilidad y superioridad.
Características de un disco duro
Las características que se deben tener en cuenta en un disco duro son:
- Tiempo medio de acceso: Tiempo medio que tarda la aguja en situarse en la pista y el sector deseado; es la suma del Tiempo medio de búsqueda (situarse en la pista), Tiempo de lectura/escritura y la Latencia media (situarse en el sector).
- Tiempo medio de búsqueda: Tiempo medio que tarda la aguja en situarse en la pista deseada; es la mitad del tiempo empleado por la aguja en ir desde la pista más periférica hasta la más central del disco.
- Tiempo de lectura/escritura: Tiempo medio que tarda el disco en leer o escribir nueva información: Depende de la cantidad de información que se quiere leer o escribir, el tamaño de bloque, el número de cabezales, el tiempo por vuelta y la cantidad de sectores por pista.
- Latencia media: Tiempo medio que tarda la aguja en situarse en el sector deseado; es la mitad del tiempo empleado en una rotación completa del disco.
- Velocidad de rotación: Revoluciones por minuto de los platos. A mayor velocidad de rotación, menor latencia media.
- Tasa de transferencia: Velocidad a la que puede transferir la información a la computadora una vez la aguja está situada en la pista y sector correctos. Puede ser velocidad sostenida o de pico.
Otras características son:
- Caché de pista: Es una memoria tipo Flash dentro del disco duro.
- Interfaz: Medio de comunicación entre el disco duro y la computadora. Puede ser IDE/ATA, SCSI, SATA, USB, Firewire, Serial Attached SCSI
- Landz: Zona sobre las que aparcan las cabezas una vez se apaga la computadora.
Estructura física
Dentro de un disco duro hay uno o varios discos (de aluminio o cristal) concéntricos llamados platos
(normalmente entre 2 y 4, aunque pueden ser hasta 6 ó 7 según el
modelo), y que giran todos a la vez sobre el mismo eje, al que están
unidos. El cabezal (dispositivo de lectura y escritura)
está formado por un conjunto de brazos paralelos a los platos, alineados
verticalmente y que también se desplazan de forma simultánea, en cuya
punta están las cabezas de lectura/escritura. Por norma general hay una
cabeza de lectura/escritura para cada superficie de cada plato. Los
cabezales pueden moverse hacia el interior o el exterior de los platos,
lo cual combinado con la rotación de los mismos permite que los
cabezales puedan alcanzar cualquier posición de la superficie de los
platos..
Cada plato posee dos ojos, y es necesaria una cabeza de lectura/escritura para cada cara. Si se observa el esquema Cilindro-Cabeza-Sector
de más abajo, a primera vista se ven 4 brazos, uno para cada plato. En
realidad, cada uno de los brazos es doble, y contiene 2 cabezas: una
para leer la cara superior del plato, y otra para leer la cara inferior.
Por tanto, hay 8 cabezas para leer 4 platos, aunque por cuestiones
comerciales, no siempre se usan todas las caras de los discos y existen
discos duros con un número impar de cabezas, o con cabezas
deshabilitadas. Las cabezas de lectura/escritura nunca tocan el disco,
sino que pasan muy cerca (hasta a 3 nanómetros),
debido a una finísima película de aire que se forma entre éstas y los
platos cuando éstos giran (algunos discos incluyen un sistema que impide
que los cabezales pasen por encima de los platos hasta que alcancen una
velocidad de giro que garantice la formación de esta película). Si
alguna de las cabezas llega a tocar una superficie de un plato, causaría
muchos daños en él, rayándolo gravemente, debido a lo rápido que giran
los platos (uno de 7.200 revoluciones por minuto se mueve a 129 km/h en el borde de un disco de 3,5 pulgadas).
Direccionamiento
Hay varios conceptos para referirse a zonas del disco:
- Plato: cada uno de los discos que hay dentro del disco duro.
- Cara: cada uno de los dos lados de un plato.
- Cabeza: número de cabezales.
- Pistas: una circunferencia dentro de una cara; la pista 0 está en el borde exterior.
- Cilindro: conjunto de varias pistas; son todas las circunferencias que están alineadas verticalmente (una de cada cara).
- Sector : cada una de las divisiones de una pista. El tamaño del sector no es fijo, siendo el estándar actual 512 bytes, aunque próximamente serán 4 KiB. Antiguamente el número de sectores por pista era fijo, lo cual desaprovechaba el espacio significativamente, ya que en las pistas exteriores pueden almacenarse más sectores que en las interiores. Así, apareció la tecnología ZBR (grabación de bits por zonas) que aumenta el número de sectores en las pistas exteriores, y utiliza más eficientemente el disco duro. Así las pistas se agrupan en zonas de pistas de igual cantidad de sectores. Cuanto más lejos del centro de cada plato se encuentra una zona, ésta contiene una mayor cantidad de sectores en sus pistas. Además mediante ZBR, cuando se leen sectores de cilindros más externos la tasa de transferencia de bits por segundo es mayor; por tener la misma velocidad angular que cilindros internos pero mayor cantidad de sectores.
El primer sistema de direccionamiento que se usó fue el CHS (cilindro-cabeza-sector), ya que con estos tres valores se puede situar un dato cualquiera del disco. Más adelante se creó otro sistema más sencillo: LBA (direccionamiento lógico de bloques), que consiste en dividir el disco entero en sectores y asignar a cada uno un único número. Éste es el que actualmente se usa.
Tipos de conexión
Si hablamos de disco duro podemos citar los distintos tipos de
conexión que poseen los mismos con la placa base, es decir pueden ser SATA, IDE, SCSI o SAS:
- IDE: Integrated Drive Electronics ("Dispositivo electrónico integrado") o ATA (Advanced Technology Attachment), controla los dispositivos de almacenamiento masivo de datos, como los discos duros y ATAPI (Advanced Technology Attachment Packet Interface) Hasta aproximadamente el 2004, el estándar principal por su versatilidad y asequibilidad. Son planos, anchos y alargados.
- SCSI: Son interfaces preparadas para discos duros de gran capacidad de almacenamiento y velocidad de rotación. Se presentan bajo tres especificaciones: SCSI Estándar (Standard SCSI), SCSI Rápido (Fast SCSI) y SCSI Ancho-Rápido (Fast-Wide SCSI). Su tiempo medio de acceso puede llegar a 7 milisegundos y su velocidad de transmisión secuencial de información puede alcanzar teóricamente los 5 Mbit/s en los discos SCSI Estándares, los 10 Mbit/s en los discos SCSI Rápidos y los 20 Mbit/s en los discos SCSI Anchos-Rápidos (SCSI-2). Un controlador SCSI puede manejar hasta 7 discos duros SCSI (o 7 periféricos SCSI) con conexión tipo margarita (daisy-chain). A diferencia de los discos IDE, pueden trabajar asincrónicamente con relación al microprocesador, lo que posibilita una mayor velocidad de transferencia.
- SATA (Serial ATA): El más novedoso de los estándares de conexión, utiliza un bus serie para la transmisión de datos. Notablemente más rápido y eficiente que IDE. Existen tres versiones, SATA 1 con velocidad de transferencia de hasta 150 MB/s (hoy día descatalogado), SATA 2 de hasta 300 MB/s, el más extendido en la actualidad; y por último SATA 3 de hasta 600 MB/s el cual se está empezando a hacer hueco en el mercado. Físicamente es mucho más pequeño y cómodo que los IDE, además de permitir conexión en caliente.
- SAS (Serial Attached SCSI): Interfaz de transferencia de datos en serie, sucesor del SCSI paralelo, aunque sigue utilizando comandos SCSI para interaccionar con los dispositivos SAS. Aumenta la velocidad y permite la conexión y desconexión en caliente. Una de las principales características es que aumenta la velocidad de transferencia al aumentar el número de dispositivos conectados, es decir, puede gestionar una tasa de transferencia constante para cada dispositivo conectado, además de terminar con la limitación de 16 dispositivos existente en SCSI, es por ello que se vaticina que la tecnología SAS irá reemplazando a su predecesora SCSI. Además, el conector es el mismo que en la interfaz SATA y permite utilizar estos discos duros, para aplicaciones con menos necesidad de velocidad, ahorrando costes. Por lo tanto, las unidades SATA pueden ser utilizadas por controladoras SAS pero no a la inversa, una controladora SATA no reconoce discos SAS.
Factor de Forma
El más temprano "factor de forma" de los discos duros, heredó
sus dimensiones de las disqueteras. Pueden ser montados en los mismos
chasis y así los discos duros con factor de forma, pasaron a llamarse
coloquialmente tipos FDD "floppy-disk drives" (en inglés).
La compatibilidad del "factor de forma" continua siendo de 3½
pulgadas (8,89 cm) incluso después de haber sacado otros tipos de
disquetes con unas dimensiones más pequeñas.
- 8 pulgadas: 241,3×117,5×362 mm (9,5×4,624×14,25 pulgadas).
En 1979, Shugart Associates sacó el primer factor de forma compatible con los disco duros, SA1000, teniendo las mismas dimensiones y siendo compatible con la interfaz de 8 pulgadas de las disqueteras. Había dos versiones disponibles, la de la misma altura y la de la mitad (58,7mm). - 5,25 pulgadas: 146,1×41,4×203 mm (5,75×1,63×8 pulgadas). Este
factor de forma es el primero usado por los discos duros de Seagate en
1980 con el mismo tamaño y altura máxima de los FDD de 5¼ pulgadas, por
ejemplo: 82,5 mm máximo.
Éste es dos veces tan alto como el factor de 8 pulgadas, que comúnmente se usa hoy; por ejemplo: 41,4 mm (1,64 pulgadas). La mayoría de los modelos de unidades ópticas (DVD/CD) de 120 mm usan el tamaño del factor de forma de media altura de 5¼, pero también para discos duros. El modelo Quantum Bigfoot es el último que se usó a finales de los 90'.
- 3,5 pulgadas: 101,6×25,4×146 mm (4×1×5.75 pulgadas).
Este factor de forma es el primero usado por los discos duros de Rodine que tienen el mismo tamaño que las disqueteras de 3½, 41,4 mm de altura. Hoy ha sido en gran parte remplazado por la línea "slim" de 25,4mm (1 pulgada), o "low-profile" que es usado en la mayoría de los discos duros.
- 2,5 pulgadas: 69,85×9,5-15×100 mm (2,75×0,374-0,59×3,945 pulgadas).
Este factor de forma se introdujo por PrairieTek en 1988 y no se corresponde con el tamaño de las lectoras de disquete. Este es frecuentemente usado por los discos duros de los equipos móviles (portátiles, reproductores de música, etc...) y en 2008 fue reemplazado por unidades de 3,5 pulgadas de la clase multiplataforma. Hoy en día la dominante de este factor de forma son las unidades para portátiles de 9,5 mm, pero las unidades de mayor capacidad tienen una altura de 12,5 mm.
- 1,8 pulgadas: 54×8×71 mm.
Este factor de forma se introdujo por Integral Peripherals en 1993 y se involucró con ATA-7 LIF con las dimensiones indicadas y su uso se incrementa en reproductores de audio digital y su subnotebook. La variante original posee de 2GB a 5GB y cabe en una ranura de expansión de tarjeta de ordenador personal. Son usados normalmente en iPods y discos duros basados en MP3.
- 1 pulgadas: 42,8×5×36,4 mm.
Este factor de forma se introdujo en 1999 por IBM y Microdrive, apto para los slots tipo 2 de compact flash, Samsung llama al mismo factor como 1,3 pulgadas.
- 0,85 pulgadas: 24×5×32 mm.
Toshiba anunció este factor de forma el 8 de enero de 2004 para usarse en móviles y aplicaciones similares, incluyendo SD/MMC slot compatible con disco duro optimizado para vídeo y almacenamiento para micromóviles de 4G. Toshiba actualmente vende versiones de 4GB (MK4001MTD) y 8GB (MK8003MTD) y tienen el Record Guinness del disco duro más pequeño.
Los principales fabricantes suspendieron la investigación de nuevos
productos para 1 pulgada (1,3 pulgadas) y 0,85 pulgadas en 2007, debido a
la caída de precios de las memorias flash, aunque Samsung introdujo en el 2008 con el SpidPoint A1 otra unidad de 1,3 pulgadas.
El nombre de "pulgada" para los factores de forma normalmente no
identifica ningún producto actual (son especificadas en milímetros para
los factores de forma más recientes), pero estos indican el tamaño
relativo del disco, para interés de la continuidad histórica.
Estructura lógica
Dentro del disco se encuentran:
- El Master Boot Record (en el sector de arranque), que contiene la tabla de particiones.
- Las particiones, necesarias para poder colocar los sistemas de archivos.
Funcionamiento mecánico
Un disco duro suele tener:
- Platos en donde se graban los datos.
- Cabezal de lectura/escritura.
- Motor que hace girar los platos.
- Electroimán que mueve el cabezal.
- Circuito electrónico de control, que incluye: interfaz con la computadora, memoria caché.
- Bolsita desecante (gel de sílice) para evitar la humedad.
- Caja, que ha de proteger de la suciedad, motivo por el cual suele traer algún filtro de aire.
Integridad
Debido a la distancia extremadamente pequeña entre los cabezales y la
superficie del disco, cualquier contaminación de los cabezales de
lectura/escritura o las fuentes puede dar lugar a un accidente en los
cabezales, un fallo del disco en el que el cabezal raya la superficie de
la fuente, a menudo moliendo la fina película magnética y causando la
pérdida de datos. Estos accidentes pueden ser causados por un fallo
electrónico, un repentino corte en el suministro eléctrico, golpes
físicos, el desgaste, la corrosión o debido a que los cabezales o las fuentes sean de pobre fabricación.
El eje del sistema del disco duro depende de la presión del aire
dentro del recinto para sostener los cabezales y su correcta altura
mientras el disco gira. Un disco duro requiere un cierto rango de
presiones de aire para funcionar correctamente. La conexión al entorno
exterior y la presión se produce a través de un pequeño agujero en el
recinto (cerca de 0,5 mm de diámetro) normalmente con un filtro en su
interior (filtro de respiración, ver abajo). Si la presión del aire es
demasiado baja, entonces no hay suficiente impulso para el cabezal, que
se acerca demasiado al disco, y se da el riesgo de fallos y pérdidas de
datos. Son necesarios discos fabricados especialmente para operaciones
de gran altitud, sobre 3.000 m. Hay que tener en cuenta que los aviones
modernos tienen una cabina presurizada cuya presión interior equivale
normalmente a una altitud de 2.600 m como máximo. Por lo tanto los
discos duros ordinarios se pueden usar de manera segura en los vuelos.
Los discos modernos incluyen sensores de temperatura y se ajustan a las
condiciones del entorno. Los agujeros de ventilación se pueden ver en
todos los discos (normalmente tienen una pegatina a su lado que advierte
al usuario de no cubrir el agujero. El aire dentro del disco operativo
está en constante movimiento siendo barrido por la fricción
del plato. Este aire pasa a través de un filtro de recirculación
interna para quitar cualquier contaminante que se hubiera quedado de su
fabricación, alguna partícula o componente químico que de alguna forma
hubiera entrado en el recinto, y cualquier partícula generada en una
operación normal. Una humedad muy alta durante un periodo largo puede corroer los cabezales y los platos.
Para los cabezales resistentes al magnetismo grandes (GMR)
en particular, un incidente minoritario debido a la contaminación (que
no se disipa la superficie magnética del disco) llega a dar lugar a un
sobrecalentamiento temporal en el cabezal, debido a la fricción con la
superficie del disco, y puede hacer que los datos no se puedan leer
durante un periodo corto de tiempo hasta que la temperatura del cabezal
se estabilice (también conocido como “aspereza térmica”, un problema que
en parte puede ser tratado con el filtro electrónico apropiado de la
señal de lectura).
Los componentes electrónicos del disco duro controlan el movimiento
del accionador y la rotación del disco, y realiza lecturas y escrituras
necesitadas por el controlador de disco. El firmware
de los discos modernos es capaz de programar lecturas y escrituras de
forma eficiente en la superficie de los discos y de reasignar sectores
que hayan fallado.
Presente y futuro
Actualmente la nueva generación de discos duros utiliza la tecnología de grabación perpendicular
(PMR), la cual permite mayor densidad de almacenamiento. También
existen discos llamados "Ecológicos" (GP - Green Power), los cuales
hacen un uso más eficiente de la energía.
Comparativa de Unidades de estado sólido y discos duros
Una unidad de estado sólido o SSD (acrónimo en inglés de solid-state drive) es un dispositivo de almacenamiento de datos que puede estar construido con memoria no volátil o con memoria volátil. Las no volatiles son unidades de estado sólido que como dispositivos electrónicos, están construidos en la actualidad con chips de memoria flash.
No son discos, pero juegan el mismo papel a efectos prácticos aportando
más ventajas que inconvenientes tecnológicos. Por ello se está
empezando a vislumbrar en el mercado la posibilidad de que en el futuro
ese tipo de unidades de estado sólido terminen sustituyendo al disco duro para implementar el manejo de memorias no volatiles en el campo de la ingeniería informática.
Esos soportes son muy rápidos ya que no tienen partes móviles y
consumen menos energía. Todos esto les hace muy fiables y físicamente
duraderos. Sin embargo su costo por GB es aún muy elevado respecto al
mismo coste de GB en un formato de tecnología de Disco Duro siendo un
índice muy importante cuando hablamos de las altas necesidades de
almacenamiento que hoy se miden en orden de Terabytes.
A pesar de ello la industria apuesta por este vía de solución tecnológica para el consumo doméstico aunque se ha de considerar que estos sistemas han de ser integrados correctamente tal y como se esta realizando en el campo de la alta computación.
Unido a la reducción progresiva de costes quizás esa tecnología recorra
el camino de aplicarse como método general de archivo de datos
informáticos energéticamente respetuosos con el medio natural si
optimiza su función lógica dentro de los sistemas operativos actuales.
Los discos que no son discos: Las Unidades de estado
sólido han sido categorizadas repetidas veces como "discos", cuando es
totalmente incorrecto denominarlas así, puesto que a diferencia de sus
predecesores, sus datos no se almacenan sobre superficies cilíndricas ni
platos. Esta confusión conlleva habitualmente a creer que "SSD"
significa Solid State Disk, en vez de Solid State Drive
Unidades híbridas
Las unidades híbridas son aquellas que combinan las ventajas de las
unidades mecánicas convencionales con las de las unidades de estado
sólido. Consisten en acoplar un conjunto de unidades de memoria flash
dentro de la unidad mecánica, utilizando el área de estado sólido para
el almacenamiento dinámico de datos de uso frecuente (determinado por el
software de la unidad) y el área mecánica para el almacenamiento masivo
de datos. Con esto se logra un rendimiento cercano al de unidades de
estado sólido a un costo sustancialmente menor. En el mercado actual
(2012), Seagate ofrece su modelo "Momentus XT" con esta tecnología.
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