هارد دیسک (HDD) چیه

اسم

توی خیلی از خونه‌ها یه «هارد اکسترنال» هست که عکس‌های سال‌های قبل توشه، یا توی مشخصات یه کامپیوتر نوشته «HDD ۱ ترابایت». این درس درباره‌ی همین هارد دیسکه.

HDD کوتاه‌شده‌ی Hard Disk Drive هست، یعنی «گرداننده‌ی دیسک سخت». «سخت» در برابر فلاپی دیسک‌های قدیمی که نرم و خم‌شو بودن؛ صفحه‌های داخل هارد سفت و محکمن. خیلی‌ها به هر حافظه‌ی ذخیره‌ای می‌گن «هارد»، حتی به SSD؛ ولی هارد دیسک واقعی یعنی همون که داخلش صفحه‌ی چرخان داره.

داخل هارد

اگه در یه هارد رو باز کنید (که نباید، چون یه ذره گرد و خاک خرابش می‌کنه)، چهار تا چیز اصلی می‌بینید. یک یا چند تا صفحه (platter) گرد و براق که روی هم چیده شدن، معمولا از آلومینیوم یا شیشه، با یه لایه‌ی خیلی نازک مغناطیسی روشون. یه موتور وسطشون که همه رو با هم می‌چرخونه.

یه بازو که با یه موتور دیگه جلو و عقب می‌ره. و سر بازو، برای هر رو و پشت هر صفحه، یه هد که می‌خونه و می‌نویسه. یه برد کوچیک هم زیر هارد هست، که مغزشه و با کامپیوتر حرف می‌زنه.

مغناطیس

داده توی کامپیوتر همیشه ۱ و ۰ هست. هارد دیسک هر بیت رو با جهت یه تیکه‌ی خیلی کوچیک از اون لایه‌ی مغناطیسی نگه می‌داره؛ یه جهت یعنی ۱، جهت مخالف یعنی ۰. هد موقع نوشتن با یه میدان مغناطیسی کوچیک جهت رو عوض می‌کنه، و موقع خوندن جهت رو حس می‌کنه.

مثلا فرض کنید یه زمین پر از قطب‌نماهای خیلی ریزه، و شما با یه آهن‌ربا از بالاش رد می‌شید و هر کدوم رو یه طرف می‌چرخونید. برق که بره، قطب‌نماها همون‌طور می‌مونن. برای همین هارد، برخلاف رم، با رفتن برق چیزی رو فراموش نمی‌کنه.

حلقه‌ها و تیکه‌ها

داده روی صفحه، روی حلقه‌های هم‌مرکز نوشته می‌شه که بهشون می‌گن شیار (track). هر شیار هم به تیکه‌های کوچیک‌تری تقسیم شده به اسم قطاع (sector)؛ کوچیک‌ترین تیکه‌ای که هارد یک‌جا می‌خونه یا می‌نویسه.

قطاع‌ها سال‌ها ۵۱۲ بایت بودن. از حدود سال ۲۰۱۰ هاردها کم‌کم رفتن سراغ قطاع‌های ۴ کیلوبایتی، که بهش می‌گن Advanced Format؛ چون با تیکه‌های بزرگ‌تر، جای کمتری برای علامت‌های بین تیکه‌ها هدر می‌ره و تصحیح خطا هم قوی‌تر می‌شه.

دور در دقیقه

مهم‌ترین عدد روی یه هارد، سرعت چرخششه: دور در دقیقه، یا RPM (Revolutions Per Minute). هاردهای کم‌مصرف و لپ‌تاپی ۵۴۰۰ دور، هاردهای معمولی ۷۲۰۰ دور، و هاردهای قدیمی سرور ۱۰ هزار یا ۱۵ هزار دور در دقیقه.

هر چی صفحه سریع‌تر بچرخه، قطاعی که دنبالشید زودتر زیر هد می‌رسه، و توی هر دور داده‌ی بیشتری رد می‌شه. ولی چرخش سریع‌تر یعنی برق بیشتر، گرمای بیشتر و صدای بیشتر. برای همین برای هاردهای خیلی پرسرعت سرور، SSD جانشین شد.

چند کار در ثانیه

برای حافظه‌ها یه عدد دیگه هم هست که برای سرورها مهم‌تر از مگابایت در ثانیه‌ست: IOPS، کوتاه‌شده‌ی Input/Output Operations Per Second، یعنی «چند تا خوندن یا نوشتن کوچیک در ثانیه».

حساب ساده‌ست: اگه هر کار پراکنده ۱۰ تا ۱۵ میلی‌ثانیه طول بکشه، توی یه ثانیه حدود ۷۰ تا ۱۰۰ تا کار می‌شه انجام داد. یه هارد ۷۲۰۰ دور معمولا حدود صد IOPS داره. یه SSD معمولی ده‌ها هزار، و یه NVMe خوب صدها هزار. این فرق هزار برابری، دلیل اینه که سرور سایت دیگه نباید روی هارد چرخان باشه.

هلیوم و گرما

داخل هاردهای معمولی هواست. هاردهای خیلی بزرگ امروزی، داخلشون رو با گاز هلیوم پر می‌کنن و درشون رو کامل می‌بندن. هلیوم خیلی سبک‌تر از هواست، پس صفحه‌ها راحت‌تر می‌چرخن، کمتر گرم می‌شن، کمتر می‌لرزن، و می‌شه صفحه‌های بیشتری توی همون قاب جا داد.

یه روش تازه‌تر هم هست که موقع نوشتن، یه نقطه‌ی خیلی ریز از صفحه رو با لیزر یه لحظه گرم می‌کنه تا بشه بیت‌های کوچیک‌تری نوشت؛ اسمش HAMR هست، کوتاه‌شده‌ی Heat-Assisted Magnetic Recording. با این روش‌ها، هاردهای سی‌وچند ترابایتی ساخته شدن.

اندازه و رابط

هاردها دو تا اندازه‌ی اصلی دارن: ۳٫۵ اینچی، برای کامپیوتر رومیزی و سرور، که جاداره و ارزون‌تره؛ و ۲٫۵ اینچی، برای لپ‌تاپ و هاردهای اکسترنال کوچیک. هارد اکسترنال در واقع یه هارد معمولیه توی یه جعبه، با یه تبدیل به USB.

کابلی که هارد رو به کامپیوتر وصل می‌کنه هم دو جوره. SATA، که توی کامپیوترهای معمولیه و سقفش حدود ۶ گیگابیت در ثانیه‌ست؛ برای هارد چرخان خیلی بیشتر از لازمه. و SAS، کوتاه‌شده‌ی Serial Attached SCSI، برای سرورها، که سریع‌تره، دو تا مسیر داره و برای کار دائمی ساخته شده.

یه کم رم داخل هارد

روی مشخصات هارد یه عدد دیگه هم هست: «کش» یا «بافر»، مثلا ۲۵۶ مگابایت. این یه تیکه رم کوچیکه روی خود برد هارد. وقتی کامپیوتر چیزی می‌نویسه، هارد اول اون رو توی همین رم می‌گیره و می‌گه «گرفتم»، بعد سر فرصت روی صفحه می‌نویسه. موقع خوندن هم، تیکه‌های بعدی رو از قبل می‌خونه و نگه می‌داره، به این امید که الان لازم بشن.

این کار هارد رو سریع‌تر نشون می‌ده، ولی یه خطر داره: اگه برق درست همون لحظه بره، چیزی که هنوز توی این رم کوچیک بوده و روی صفحه نرفته، از دست می‌ره. برای همین سرورها برق پشتیبان دارن، و دیتابیس‌ها گاهی از هارد می‌خوان که مطمئن بشه داده واقعا روی صفحه رفته.

پارتیشن و فایل‌سیستم

هارد تازه، فقط یه عالمه قطاع خالیه؛ هنوز «فایل» نمی‌فهمه. دو تا کار لازمه. اول پارتیشن: هارد رو به یک یا چند تیکه‌ی جدا تقسیم می‌کنن، مثل درایو C و D توی ویندوز. دوم فایل‌سیستم: توی هر تیکه یه نظم می‌چینن که بگه هر فایل اسمش چیه و تیکه‌هاش روی کدوم قطاع‌هاست. به این کار می‌گن فرمت کردن.

هر سیستم‌عامل فایل‌سیستم خودش رو داره: NTFS برای ویندوز، ext4 برای لینوکس، APFS برای مک. برای هارد اکسترنالی که هم به ویندوز وصل می‌شه هم به مک، معمولا exFAT رو انتخاب می‌کنن، چون هر دو بلدنش. مثل یه کتابخونه: قفسه‌ها همون قطاع‌هان، و فایل‌سیستم فهرست کتاب‌هاست.

هدی که پرواز می‌کنه

هد به صفحه نمی‌خوره. چرخش سریع صفحه یه لایه‌ی خیلی نازک هوا (یا هلیوم) می‌سازه، و هد روی همون لایه پرواز می‌کنه؛ فقط چند نانومتر بالاتر از صفحه. یه نانومتر یه میلیاردم متره؛ یه تار مو هزاران برابر ضخیم‌تره.

مثلا فرض کنید یه هواپیمای جنگنده با سرعت خیلی زیاد، چند میلی‌متر بالاتر از زمین پرواز کنه، بی اینکه بخوره. این‌قدر دقیق. حالا اگه یه ذره گرد و خاک یا یه ضربه این وسط بیفته، هد به صفحه می‌خوره و یه خط روش می‌کشه. بهش می‌گن برخورد هد (head crash)، و معمولا یعنی خداحافظ داده‌ها.

ضربه و لرزش

برای همین هارد دیسک از ضربه می‌ترسه، مخصوصا وقتی روشنه. لپ‌تاپ با هارد چرخان که روشنه و از روی میز می‌افته، ممکنه هاردش آسیب ببینه. خیلی از هاردها یه حسگر دارن که اگه بفهمن دارن می‌افتن، هد رو فورا می‌برن کنار صفحه پارک می‌کنن.

لرزش هم دشمنشه. توی دیتاسنترها، وقتی ده‌ها هارد کنار هم توی یه قفسه می‌چرخن، لرزش همدیگه رو حس می‌کنن؛ هاردهای مخصوص سرور برای همین طوری ساخته شدن که این لرزش رو تحمل کنن. هارد اکسترنالتون رو هم وقتی داره کار می‌کنه، جابه‌جا نکنید.

تیکه‌تیکه شدن فایل‌ها

وقتی یه هارد پر و خالی می‌شه، فایل‌های تازه گاهی توی جاهای خالی پراکنده نوشته می‌شن؛ یه تیکه اینجا، یه تیکه اون سر صفحه. بهش می‌گن تیکه‌تیکه شدن (fragmentation). خوندن چنین فایلی یعنی بازو مدام بپره، و کندتر می‌شه.

برای همین ابزار «یکپارچه‌سازی» (defragment) هست، که تیکه‌های هر فایل رو کنار هم جمع می‌کنه. روی هارد چرخان کمک می‌کنه، و سیستم‌عامل‌های امروزی معمولا خودشون گاهی انجامش می‌دن. ولی روی SSD نباید این کار رو کرد؛ چون SSD صبر جابه‌جایی نداره، و نوشتن الکی فقط عمرش رو کم می‌کنه.

گزارش سلامت

هاردها خودشون حال خودشون رو یادداشت می‌کنن. این سیستم اسمش S.M.A.R.T هست، کوتاه‌شده‌ی Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology، یعنی «فناوری پایش، تحلیل و گزارش خودکار». چیزهایی مثل دما، چند ساعت کار کرده، و مهم‌تر از همه، چند تا قطاع خراب شده و جایگزین شده رو نگه می‌داره.

وقتی عدد قطاع‌های جایگزین‌شده کم‌کم بالا می‌ره، یعنی هارد داره خسته می‌شه؛ وقتشه پیش از خراب شدن کامل، داده‌ها رو یه جای دیگه ببرید. روی لینوکس، ابزار smartctl این گزارش رو نشون می‌ده، و روی ویندوز برنامه‌های رایگانی هست که همین رو می‌خونن.

صدای خرابی

هارد چرخان، برعکس SSD، معمولا پیش از خراب شدن خبر می‌ده، و یکی از نشونه‌هاش صداست. هارد سالم یه هوم آروم و گاهی یه تق‌تق ریز موقع کار داره. ولی اگه یه تیک‌تیک بلند و تکراری شنیدید، مخصوصا وقتی هارد هیچ کاری نمی‌کنه، یعنی هد نمی‌تونه جای خودش رو پیدا کنه و مدام برمی‌گرده سر جای اول. اگه صدای ساییدن یا جیغ شنیدید، یعنی یه چیزی داره به صفحه‌ها می‌خوره.

توی هر دو حالت، اولین کار خاموش کردن هارد و گرفتن پشتیبان از هر چیزیه که هنوز خونده می‌شه، یا اگه داده خیلی مهمه، فرستادنش برای برگردوندن داده. روشن نگه داشتن هاردی که صدای ساییدن می‌ده، هر دقیقه بیشتر به صفحه‌ها آسیب می‌زنه.

یه نشونه‌ی دیگه، «سکتورهای جابه‌جاشده»‌ست. وقتی هارد یه تیکه از صفحه رو خراب می‌بینه، داده‌ش رو به یه جای یدکی می‌بره و این رو توی گزارش سلامت می‌شمره. یکی دو تا اشکالی نداره، ولی اگه این عدد هفته به هفته بالا می‌ره، هارد داره از درون خراب می‌شه.

هارد برای هر کار

سازنده‌ها برای هر کار یه جور هارد می‌سازن. هارد کامپیوتر معمولی، برای چند ساعت کار در روز. هارد دستگاه‌های ذخیره‌ی شبکه‌ای خونگی و اداری (NAS)، که شبانه‌روز روشنن و چند تا کنار هم می‌چرخن. هارد دوربین مداربسته، که تقریبا فقط پشت سر هم می‌نویسه و کم می‌خونه. و هارد دیتاسنتر، برای کار سنگین دائمی و لرزش زیاد.

ظاهرشون شبیه همه، ولی تنظیم و دوامشون فرق داره. هارد معمولی که توی یه دستگاه شبانه‌روزی بذارید، معمولا زودتر خسته می‌شه. موقع خرید ببینید برای چه کاری ساخته شده.

برق و خواب هارد

هارد چرخان برای چرخوندن صفحه‌ها برق می‌خوره، معمولا چند وات؛ بیشتر از SSD. برای صرفه‌جویی، خیلی از هاردها وقتی مدتی بیکار بمونن، صفحه‌هاشون رو از چرخش نگه می‌دارن. دفعه‌ی بعد که کاری بیاد، چند ثانیه طول می‌کشه تا دوباره به سرعت برسن؛ برای همین گاهی باز کردن یه پوشه روی هارد اکسترنال یه مکث کوچیک داره.

هر بار ایستادن و دوباره چرخیدن یه ذره هارد رو خسته می‌کنه؛ برای همین هاردهای شبانه‌روزی رو معمولا تنظیم می‌کنن که زیاد نخوابن.

چقدر عمر می‌کنه؟

هارد دیسک قطعه‌ی چرخان داره، و قطعه‌ی چرخان آخرش خسته می‌شه. آمار دیتاسنترهای بزرگ که ده‌ها هزار هارد دارن نشون می‌ده هر سال معمولا یکی دو درصد هاردها خراب می‌شن، و این عدد بعد از چند سال کار بیشتر می‌شه. یعنی اگه صد تا هارد دارید، احتمالا هر سال یکی دو تاش رو عوض می‌کنید.

روی جعبه‌ی هاردها گاهی یه عدد خیلی بزرگ هست، مثلا «یک میلیون ساعت». این عمر یه هارد تنها نیست؛ یه عدد آماریه برای تعداد زیادی هارد با هم. پس به هیچ هارد تنهایی اعتماد کامل نکنید؛ پشتیبان داشته باشید.

پاک کردن واقعی

وقتی یه فایل رو پاک می‌کنید و سطل زباله رو هم خالی، روی هارد چرخان معمولا فقط اسمش از فهرست برداشته می‌شه؛ خود داده هنوز همون‌جاست تا یه چیز دیگه روش نوشته بشه. برای همین با برنامه‌های بازیابی، خیلی وقت‌ها می‌شه فایل پاک‌شده رو برگردوند.

اگه می‌خواید یه هارد رو بفروشید یا دور بندازید، باید یه بار کل هارد رو با صفر یا عددهای تصادفی پر کنید، یا هارد رو رمزگذاری کرده باشید و کلیدش رو از بین ببرید. فرمت سریع کافی نیست.

برگردوندن داده

اگه یه هارد خراب شد، اول از همه روشنش نگه ندارید و هی امتحانش نکنید؛ هر بار روشن کردن هارد آسیب‌دیده، ممکنه خرابیش رو بیشتر کنه. اگه صدای تیک‌تیک یا خش‌خش غیرعادی می‌ده، معمولا هد یا بازو آسیب دیده.

بازیابی داده از هارد آسیب‌دیده کار جاهای تخصصیه، که هارد رو توی اتاق‌های خیلی تمیز باز می‌کنن. گرون و بدون تضمینه. برای همین تنها راه مطمئن، پشتیبانه: یه قاعده‌ی معروف می‌گه از داده‌های مهم، سه تا نسخه داشته باشید، روی دو جور حافظه‌ی مختلف، که یکیش یه جای دیگه باشه.

هارد یا SSD؟

پس امروز: برای سیستم‌عامل، برنامه‌ها، سایت و دیتابیس، SSD. برای بایگانی، فیلم، و پشتیبان‌های بزرگ، هارد دیسک. خیلی‌ها هر دو رو دارن: یه SSD کوچیک‌تر برای کار، یه هارد بزرگ برای انبار.

از هارد به SSD

اگه یه کامپیوتر قدیمی دارید که کنده، عوض کردن هارد چرخانش با یه SSD معمولا بیشترین فرق رو می‌سازه؛ گاهی بیشتر از عوض کردن پردازنده. دو راه هست. راه اول، کپی کامل یا «کلون»: یه برنامه کل هارد قدیمی رو، با سیستم‌عامل و برنامه‌ها، بیت به بیت روی SSD کپی می‌کنه؛ بعد SSD رو جای هارد می‌ذارید و همه‌چیز مثل قبله، فقط سریع‌تر.

راه دوم، نصب تازه: سیستم‌عامل رو از اول روی SSD نصب می‌کنید و فایل‌ها رو جدا میارید. کمی بیشتر وقت می‌گیره، ولی چیزهای اضافه‌ی سال‌ها هم با هارد قدیمی کنار می‌ره. هارد قدیمی هم دور انداختنی نیست؛ با یه جعبه‌ی USB، یه هارد اکسترنال خوب برای پشتیبان می‌شه.

دمای درست

هارد دیسک نه داغ رو دوست داره، نه خیلی سرد رو. بیشتر هاردها بین حدود ۳۰ تا ۴۵ درجه راحت‌ترن. هارد اکسترنالی که زیر آفتاب کنار پنجره افتاده، یا هاردی که توی یه کیس بی جریان هوا کنار چند تا هارد دیگه گیر کرده، زودتر خسته می‌شه.

گزارش سلامت هارد دمای فعلیش رو هم نشون می‌ده؛ اگه همیشه بالای ۵۰ درجه‌ست، به خنک کردنش فکر کنید.

هارد روی سرور

اگه یه هاست یا سرور ارزون دیدید که دیسکش «HDD» نوشته، برای سایت مناسب نیست. سایت، مخصوصا وردپرس و فروشگاه، هزاران فایل کوچیک و سوال‌های پراکنده‌ی دیتابیس داره؛ دقیقا همون کاری که هارد چرخان توش کنده. سایتی که روی SSD یا NVMe هست، فقط از همین بابت چند برابر سریع‌تر جواب می‌ده.

ولی هارد چرخان هنوز توی دیتاسنترها خیلی زیاده: برای پشتیبان سایت‌ها، بایگانی‌های بزرگ، و هر جایی که داده‌ی زیاد و کم‌مصرف باید ارزون نگه داشته بشه.

هاردهای آینده

برای جا دادن داده‌ی بیشتر روی یه صفحه، باید ذره‌های مغناطیسی کوچیک‌تر بشن. ولی ذره‌ی خیلی کوچیک، جهتش رو خوب نگه نمی‌داره. راه حل تازه، موادی‌ان که جهتشون خیلی محکم‌تره، ولی نوشتن روشون سخته. برای همین هاردهای تازه موقع نوشتن، یه نقطه‌ی خیلی ریز از صفحه رو با یه لیزر کوچیک برای کسری از ثانیه داغ می‌کنن تا نوشتن ممکن بشه، و بعد سرد شدن، جهت محکم می‌مونه.

به این روش می‌گن HAMR، کوتاه‌شده‌ی Heat-Assisted Magnetic Recording، یعنی «ضبط مغناطیسی با کمک گرما». با این روش هاردهایی با ظرفیت ۳۰ ترابایت و بیشتر ساخته شدن، و قراره به ۵۰ و بالاتر برسن. برای همینه که هارد چرخان، با اینکه کندتر از SSD‌ئه، هنوز انبار اصلی داده‌ی دیتاسنترهاست؛ هر ترابایتش هنوز چند برابر ارزون‌تره.

تمرین

1. ببینید کامپیوتر خودتون هارد چرخان داره یا SSD؛ توی مدیر وظایف ویندوز، بخش دیسک، نوعش رو نوشته.
2. اگه هارد اکسترنال دارید، گزارش سلامتش رو با یه برنامه‌ی رایگان بخونید و ببینید چند ساعت کار کرده.
3. برای عکس‌های مهمتون، قاعده‌ی سه نسخه، دو جور حافظه، یکی جای دیگه رو امتحان کنید.

اشتباه‌های رایج

• «هر حافظه‌ای که توی کامپیوتره، هارده.» هارد دیسک یعنی حافظه با صفحه‌ی چرخان؛ SSD هارد دیسک نیست.
• «RAID یعنی پشتیبان دارم.» پاک شدن اشتباهی یا ویروس، توی همه‌ی هاردهای RAID با هم اتفاق می‌افته.
• «فایل رو پاک کردم، دیگه نیست.» روی هارد معمولا هنوز هست تا یه چیز دیگه روش نوشته بشه.
• «هارد ارزون برای سرور سایت کافیه.» سایت هزاران خوندن کوچیک داره؛ روی هارد چرخان خیلی کند می‌شه.
• «SSD رو هم یکپارچه‌سازی کنید.» نه؛ برای SSD فایده نداره و فقط عمرش رو کم می‌کنه.