Ổ đĩa cứng - HDD là gì ?

Ổ đĩa cứng, hay còn gọi là ổ cứng (tiếng Anh: Hard Disk Drive, viết tắt: HDD) là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu trên bề mặt các tấm đĩa hình tròn phủ vật liệu từ tính.

Ổ đĩa cứng là loại bộ nhớ “không thay đổi” (non-volatile), có nghĩa là chúng không bị mất dữ liệu khi ngừng cung cấp nguồn điện cho chúng.

Ổ đĩa cứng là một thiết bị rất quan trọng trong hệ thống bởi chúng chứa dữ liệu thành quả của một quá trình làm việc của những người sử dụng máy tính. Những sự hư hỏng của các thiết bị khác trong hệ thống máy tính có thể sửa chữa hoặc thay thế được, nhưng dữ liệu bị mất do yếu tố hư hỏng phần cứng của ổ đĩa cứng thường rất khó lấy lại được.

Ổ đĩa cứng là một khối duy nhất, các đĩa cứng được lắp ráp cố định trong ổ ngay từ khi sản xuất nên không thể thay thế được các “đĩa cứng” như với cách hiểu như đối với ổ đĩa mềm hoặc ổ đĩa quang.

Ổ cứng thường được gắn liền với máy tính để lưu trữ dữ liệu cho dù chúng xuất hiện muộn hơn so với những chiếc máy tính đầu tiên.
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, ổ đĩa cứng ngày nay có kích thước càng nhỏ đi đến các chuẩn thông dụng với dung lượng thì ngày càng tăng lên.

Không chỉ tuân theo các thiết kế ban đầu, ổ đĩa cứng đã có những bước tiến công nghệ nhằm giúp lưu trữ và truy xuất dữ liệu nhanh hơn: ví dụ sự xuất hiện của các ổ đĩa cứng lai giúp cho hệ điều hành hoạt động tối ưu hơn, giảm thời gian khởi động của hệ thống, tiết kiệm năng lượng, sự thay đổi phương thức ghi dữ liệu trên các đĩa từ làm cho dung lượng mỗi ổ đĩa cứng tăng lên đáng kể.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động cơ bản là có một đĩa tròn làm bằng nhôm (hoặc thủy tinh, hoặc gốm) được phủ vật liệu từ tính. Giữa ổ đĩa có một động cơ quay để để đọc/ghi dữ liệu, kết hợp với những thiết bị này là những bo mạch điện tử nhằm điều khiển đầu đọc/ghi đúng vào vị trí của cái đĩa từ lúc nãy khi đang quay để giải mã thông tin. Vì vậy mà các thao tác của bạn như chép nhạc, phim hay dữ liều (Cài đặt phần mềm, game) nào đó từ máy tính ra thiết bị khác (USB, Ổ cứng) nhanh hay chậm cũng phụ thuộc vào phần này, hơn nữa chất liệu của các linh kiện trong ổ cứng này càng tốt thì dữ liệu bạn lưu trên này sẽ an toàn hơn.

HDD có tốc độ quay 5400 rpm hoặc cao hơn là 7200 rpm (Round per minute: Số vòng quay trong 1 phút), ngoài ra HDD cũng có nhiều thế hệ để đánh giá khả năng xử lý như trước thì có SATA 1, cao hơn có SATA 2 (tốc độ đọc/ghi 200 MB/s), SATA 3 (tốc độ đọc/ghi 6 Gbp/s).

Cấu tạo của HDD

Cụm đĩa: Bao gồm toàn bộ các đĩa, trục quay và động cơ.

• Đĩa từ.
• Trục quay: truyền chuyển động của đĩa từ.
• Động cơ: Được gắn đồng trục với trục quay và các đĩa.

Cụm đầu đọc

• Đầu đọc (head): Đầu đọc/ghi dữ liệu
• Cần di chuyển đầu đọc (head arm hoặc actuator arm)

Cụm mạch điện

• Mạch điều khiển: có nhiệm vụ điều khiển động cơ đồng trục, điều khiển sự di chuyển của cần di chuyển đầu đọc để đảm bảo đến đúng vị trí trên bề mặt đĩa.
• Mạch xử lý dữ liệu: dùng để xử lý những dữ liệu đọc/ghi của ổ đĩa cứng.
• Bộ nhớ đệm (cache hoặc buffer): là nơi tạm lưu dữ liệu trong quá trình đọc/ghi dữ liệu. Dữ liệu trên bộ nhớ đệm sẽ mất đi khi ổ đĩa cứng ngừng được cấp điện.
• Đầu cắm nguồn cung cấp điện cho ổ đĩa cứng.
• Đầu kết nối giao tiếp với máy tính.
• Các cầu đấu thiết đặt (jumper) thiết đặt chế độ làm việc của ổ đĩa cứng: Lựa chọn chế độ làm việc của ổ đĩa cứng (SATA 150 hoặc SATA 300) hay thứ tự trên các kênh trên giao tiếp IDE (master hay slave hoặc tự lựa chọn), lựa chọn các thông số làm việc khác…

Vỏ đĩa cứng

• Vỏ ổ đĩa cứng gồm các phần: Phần đế chứa các linh kiện gắn trên nó, phần nắp đậy lại để bảo vệ các linh kiện bên trong.
• Vỏ ổ đĩa cứng có chức năng chính nhằm định vị các linh kiện và đảm bảo độ kín khít để không cho phép bụi được lọt vào bên trong của ổ đĩa cứng.

Ngoài ra, vỏ đĩa cứng còn có tác dụng chịu đựng sự va chạm (ở mức độ thấp) để bảo vệ ổ đĩa cứng.

Do đầu từ chuyển động rất sát mặt đĩa nên nếu có bụi lọt vào trong ổ đĩa cứng cũng có thể làm xước bề mặt, mất lớp từ và hư hỏng từng phần (xuất hiện các khối hư hỏng (bad block)… Thành phần bên trong của ổ đĩa cứng là không khí có độ sạch cao, để đảm bảo áp suất cân bằng giữa môi trường bên trong và bên ngoài, trên vỏ bảo vệ có các hệ lỗ thoáng đảm bảo cản bụi và cân bằng áp suất.

Đĩa từ

Đĩa từ (platter): Đĩa thường cấu tạo bằng nhôm hoặc thuỷ tinh, trên bề mặt được phủ một lớp vật liệu từ tính là nơi chứa dữ liệu. Tuỳ theo hãng sản xuất mà các đĩa này được sử dụng một hoặc cả hai mặt trên và dưới. Số lượng đĩa có thể nhiều hơn một, phụ thuộc vào dung lượng và công nghệ của mỗi hãng sản xuất khác nhau.
Mỗi đĩa từ có thể sử dụng hai mặt, đĩa cứng có thể có nhiều đĩa từ, chúng gắn song song, quay đồng trục, cùng tốc độ với nhau khi hoạt động.

Track

Trên một mặt làm việc của đĩa từ chia ra nhiều vòng tròn đồng tâm thành các track.
Track có thể được hiểu đơn giản giống các rãnh ghi dữ liệu giống như các đĩa nhựa (ghi âm nhạc trước đây) nhưng sự cách biệt của các rãnh ghi này không có các gờ phân biệt và chúng là các vòng tròn đồng tâm chứ không nối tiếp nhau thành dạng xoắn trôn ốc như đĩa nhựa. Track trên ổ đĩa cứng không cố định từ khi sản xuất, chúng có thể thay đổi vị trí khi định dạng cấp thấp ổ đĩa (low format).

Khi một ổ đĩa cứng đã hoạt động quá nhiều năm liên tục, khi kết quả kiểm tra bằng các phần mềm cho thấy xuất hiện nhiều khối hư hỏng (bad block) thì có nghĩa là phần cơ của nó đã rơ rão và làm việc không chính xác như khi mới sản xuất, lúc này thích hợp nhất là format cấp thấp cho nó để tương thích hơn với chế độ làm việc của phần cơ

Sector

Trên track chia thành những phần nhỏ bằng các đoạn hướng tâm thành các sector. Các sector là phần nhỏ cuối cùng được chia ra để chứa dữ liệu. Theo chuẩn thông thường thì một sector chứa dung lượng 512 byte.
Số sector trên các track là khác nhau từ phần rìa đĩa vào đến vùng tâm đĩa, các ổ đĩa cứng đều chia ra hơn 10 vùng mà trong mỗi vùng có số sector/track bằng nhau.

Bảng sau cho thấy các khu vực với các thông số khác nhau và sự ảnh hưởng của chúng đến tốc độ truyền dữ liệu của ổ cứng Các khu vực ghi dữ liệu của ổ đĩa cứng Hitachi Travelstar 7K60 2,5″.

Cylinder

Tập hợp các track cùng bán kính (cùng số hiệu trên) ở các mặt đĩa khác nhau thành các cylinder. Nói một cách chính xác hơn thì: khi đầu đọc/ghi đầu tiên làm việc tại một track nào thì tập hợp toàn bộ các track trên các bề mặt đĩa còn lại mà các đầu đọc còn lại đang làm việc tại đó gọi là cylinder (cách giải thích này chính xác hơn bởi có thể xảy ra thường hợp các đầu đọc khác nhau có khoảng cách đến tâm quay của đĩa khác nhau do quá trình chế tạo).
Trên một ổ đĩa cứng có nhiều cylinder bởi có nhiều track trên mỗi mặt đĩa từ.

Trục quay

Trục quay là trục để gắn các đĩa từ lên nó, chúng được nối trực tiếp với động cơ quay đĩa cứng. Trục quay có nhiệm vụ truyền chuyển động quay từ động cơ đến các đĩa từ.

Trục quay thường chế tạo bằng các vật liệu nhẹ (như hợp kim nhôm) và được chế tạo tuyệt đối chính xác để đảm bảo trọng tâm của chúng không được sai lệch – bởi chỉ một sự sai lệch nhỏ có thể gây nên sự rung lắc của toàn bộ đĩa cứng khi làm việc ở tốc độ cao, dẫn đến quá trình đọc/ghi không chính xác.

Đầu đọc/ghi

Đầu đọc đơn giản được cấu tạo gồm lõi ferit (trước đây là lõi sắt) và cuộn dây (giống như nam châm điện). Gần đây các công nghệ mới hơn giúp cho ổ đĩa cứng hoạt động với mật độ xít chặt hơn như: chuyển các hạt từ sắp xếp theo phương vuông góc với bề mặt đĩa nên các đầu đọc được thiết kế nhỏ gọn và phát triển theo các ứng dụng công nghệ mới.

Đầu đọc trong đĩa cứng có công dụng đọc dữ liệu dưới dạng từ hoá trên bề mặt đĩa từ hoặc từ hoá lên các mặt đĩa khi ghi dữ liệu.

Số đầu đọc ghi luôn bằng số mặt hoạt động được của các đĩa cứng, có nghĩa chúng nhỏ hơn hoặc bằng hai lần số đĩa (nhỏ hơn trong trường hợp ví dụ hai đĩa nhưng chỉ sử dụng 3 mặt).

Cần di chuyển đầu đọc/ghi

Cần di chuyển đầu đọc/ghi là các thiết bị mà đầu đọc/ghi gắn vào nó. Cần có nhiệm vụ di chuyển theo phương song song với các đĩa từ ở một khoảng cách nhất định, dịch chuyển và định vị chính xác đầu đọc tại các vị trí từ mép đĩa đến vùng phía trong của đĩa (phía trục quay).

Các cần di chuyển đầu đọc được di chuyển đồng thời với nhau do chúng được gắn chung trên một trục quay (đồng trục), có nghĩa rằng khi việc đọc/ghi dữ liệu trên bề mặt (trên và dưới nếu là loại hai mặt) ở một vị trí nào thì chúng cũng hoạt động cùng vị trí tương ứng ở các bề mặt đĩa còn lại.

Sự di chuyển cần có thể thực hiện theo hai phương thức:

• Sử dụng động cơ bước để truyền chuyển động.
• Sử dụng cuộn cảm để di chuyển cần bằng lực từ.

Một số đặc điểm của ổ cứng HDD

Giá cả

Thực tế, ổ cứng SSD đắt hơn nhiều so với ổ cứng HDD về số tiền phải bỏ ra trên mỗi GB.

Về dung lượng tối đa phổ biến:

Xét về dung lượng thì SSD vẫn chỉ đạt tới mức 128GB trong những sản phẩm cao cấp hiện nay, trong khi dung lượng của HDD đã đạt đến tầm 1TB hoặc hơn nữa.

Về tốc độ

Đây là nơi mà ổ cứng SSD tỏa sáng.Một máy tính được trang bị SSD sẽ khởi động trong vài giây và chắc chắn dưới một phút. Một ổ cứng HDD sẽ cần có thời gian để tăng tốc độ lên đến thông số kỹ thuật vận hành, và sẽ tiếp tục là chậm hơn so với một ổ cứng SSD trong khi sử dụng bình thường. Cho dù đó là để phục vụ cho việc giải trí, học tập hoặc làm việc, tốc độ cộng thêm có thể là sự khác biệt của việc hoàn thành đúng thời hạn hay không.

Về sự phân mảnh

Do bề mặt đĩa quay của mình, ổ cứng HDD làm việc tốt nhất với các tập tin lớn hơn được đặt ra trong các khối liền kề. Bằng cách đó, các đầu đĩa có thể bắt đầu và kết thúc đọc nó trong một chuyển động liên tục. Khi ổ đĩa cứng bắt đầu ghi, các file lớn có thể trở thành rải rác xung quanh mâm đĩa, dẫn tới tình trạng phân mảnh. Trong khi ổ SSD không quan tâm nơi dữ liệu được lưu trữ trên chip của mình, vì không trang bị đầu đọc vật lý. Do đó, ổ SSD vẫn hoạt động tốt hơn.

Về độ bền

Ổ cứng SSD không có bộ phận chuyển động, vì vậy nó có nhiều khả năng để giữ cho dữ liệu của bạn an toàn trong trường hợp thiết bị gặp phải va đập và chịu tác động bởi ngoại lực. Hầu hết các ổ đĩa cứng HDD đều không đọc/ghi khi hệ thống được tắt vì thế các dữ đang được đọc/ghi sẽ bay trên bề mặt đĩa ghi hàng trăm dặm một giờ khi chúng bắt đầu hoạt động.

Về sự phổ biến

Ổ cứng HDD thường có số lượng phong phú hơn so với SSD.Với danh mục các sản phẩm từ Western Digital, Toshiba, Seagate, Samsung, và Hitachi thì HDD vẫn luôn chiếm đa số. Đối với máy tính để bàn và máy Mac, ổ cứng HDD bên trong sẽ không thể tháo ra hoàn toàn, ít nhất là trong vài năm tới. Tuy các dòng ổ cứng SSD vẫn đang trên đường phát triển về số lượng, nhưng ổ cứng vẫn chiếm đa số cho các thiết bị lưu trữ trong máy tính cá nhân.

Nhìn chung, với sự phổ biến, khả năng lưu trữ dữ liệu lớn và giá thành phù hợp, HDD vẫn chưa hề bị “soán ngôi” bởi anh chàng SSD trẻ trung. Trong một số trường hợp, người dùng vẫn tin tưởng lựa chọn các sản phẩm HDD hơn là chạy theo xu hướng với SSD.