Твърдият диск (), наричан още хард диск или жаргонно само хард, е запаметяващо устройство от енергонезависим тип. Информацията се съхранява чрез магнитен запис върху покрити със специален слой плочи. Прилагателното „твърд“ подчертава разликата спрямо гъвкавия магнитен диск и напомня за историческото наименование запаметяващо устройство с твърд магнитен диск (ЗУТМД) използвано през 70-те и 80-те години на XX век. Необходимостта от съхраняване на все повече информация налага устройства, използващи сменяеми дискови пакети с магнитни дискове, които разговорно също са наричани дискови пакети. Дисковият пакет се върти с постоянна ъглова скорост около оста си.
Устройство и технология Конструкция Запаметяващото устройство използва набор от една или повече дискови плочи (диска) около обща ос в т.нар. дисков пакет. Всяка плоча е покрита с магнитен слой, върху който информацията се записва и чете от магнитна глава. Данните се записват върху концентрични окръжности, които се наричат „пътечки“ (писти). Пистите се номерират за всяка плоча поотделно, като се започва от нулева (най-външната работна) до последната (с най-голям номер). Обикновено след нея има и няколко резервни (запасни).
Целият дисков пакет се върти с постоянна ъглова скорост около оста си, задвижван от електродвигател. При старите и големи устройства той е дори мощен трифазен електродвигател, свързан чрез ремъчна предавка с шпиндел, на който е фиксиран дисковият пакет. В съвременните устройства двигателят за пакета е най-често миниатюрен и плосък, куплиран директно към шпиндела, и управляван от специализиран контролер, стабилизиращ скоростта му на въртене.
За двете работни повърхности на всяка плоча има отделна глава за запис и четене. Блокът магнитни глави се задвижва чрез рамо, извършвайки операцията позициониране на главите чрез радиално преместване. В устройствата със сменяеми дискови пакети главите типично се позиционират по права линия (радиално; към центъра на шпиндела на пакета), задвижвани от линеен двигател. При тези устройства, за да се постигне съвместимост на запис и четене на информацията от всеки сменяем пакет е необходимо да се настроят магнитните глави в радиална и тангенциална посока. За целта са използвани така наречените контролни пакети. При тези устройства магнитните глави се извеждат извън сменяемия дисков пакет и след това той може да се спре и смени.
При първото устройство на IBM от тип „Winchester“, IBM 3340, се преминава към производство на изделия, в които магнитните дискове и глави се обединяват в един неразглобяем модул. При спиране на устройството магнитните глави или „кацат“ на повърхността на диска, или се отделят от нея. За да не се получи задиране на магнитните глави при кацането, обикновено върху повърхността е нанесен много тънък слой, намаляващ триенето. За спиране и кацане на магнитните глави, блокът глави се позиционира най-често на най-вътрешния диаметър на диска, където линейната скорост е най-ниска и височината на летене съответно най-малка.
В повечето от съвременните запаметяващи устройства с твърд магнитен диск рамото се върти около ос, разположена извън пакета и успоредна на оста му, при което върхът на рамото и главите, закрепени на него, извършват движение по дъга от окръжност, ориентирана приблизително по радиуса на дисковия пакет.
Записът става чрез промяна на ориентацията на отделните магнитни домейни. До края на 20 век записът се извършва надлъжно – ориентацията на домените е по протежение на пътечките, срещу или по посоката на въртене. Нуждата от повишаване на плътността на запис довежда до напречен запис – с ориентация на домените наляво или надясно, напречно на дължината на пистата, както и до перпендикулярен запис – перпендикулярно на повърхността, в дълбочината на магнитния слой, с ориентация на домейните нагоре или надолу.
От гледна точка на оптимизацията на достъпа до данните върху пакета във физическата им организация е въведено понятието цилиндър, обединяващо мислено пистите с еднакъв диаметър от всички работни повърхности. Цилиндрите съответстват по брой и номерация на пистите по коя да е повърхност. При само една работна повърхност (но не плоча, тъй като плочата често използва глава за всяка от двете си работни повърхности) понятието цилиндър няма смисъл. Поцилиндровите операции от тип търсене, четене или запис на информация често водят до съществена икономия във времето на достъп, доколкото в рамките на цилиндъра пистите се избират (сменят) чрез много бърза, електронна комутация на работната глава, а не се налага бавното препозициониране на друг номер писта (с друг радиус).
При въртенето на магнитния диск, магнитната глава „лети“ на определена височина от диска, следвайки профила му. При първите дискови устройства тази височина е 2 – 3 μm, а при по-късно произвежданите устройства е под 0,1 μm. В съвременните устройства с напредъка на качеството на единичните дискове и магнитните глави намалява драстично и тази височина. При тези условия наличието на замърсявания във въздушната среда на дисковото устройство, влошава рязко надеждността и живота на устройството. Поради това монтажът на дисковото устройство с твърд диск в частта дискове и глави се извършва в чиста стая. След това този модул на дисковото устройство се затваря херметично.
Съставни части Твърдият диск има два електрически двигателя: шпинделен двигател за въртене на дисковете и позиционер на главите (линеен двигател). Шпинделният двигател е с външен ротор, а статорът с намотките е неподвижен. Позиционерът с ъглов линеен двигател е балансиран около лагерно тяло, като от външна страна се намира намотката на линейния двигател между постоянни магнити, а от вътрешната, между дисковете, се намират леки и здрави държатели на магнитните глави, окачването им (плоски пружини) и магнитните глави.
Позиционерът (англ. Actuator) се състои от постоянен магнит и безкаркасна бобина от лек емайлиран проводник. Преминаващият през бобините ток взаимодейства с магнитното поле на постоянните магнити и позиционира блока магнитни глави. Управлението на позиционирането се извършва от управляващата електроника на твърдия диск в зависимост от прочетената сервоинформация, която е или записана на отделна повърхност (сервоповърхност), или е разпределена – записана на служебни сектори на всяка глава запис четене. За предаването на управляващите сигнали към бобината на позиционера и информацията за запис и четене към магнитните глави служи гъвкава печатна платка. Към позиционера има и ключалка, която трябва да обездвижи позиционера в неработещо положение и по време на транспорт.
В корпуса на твърдия диск има и два филтъра: единия е циркулационен – за филтриране на евентуално генерирани частици при работата на диска, а вторият е барометричен за компенсиране на външното атмосферно налягане (например при различна надморска височина).
Единичен магнитен диск Основният материал на единичните дискове са обикновено алуминиеви, магнезиеви сплави или стъкло. Използва се покритие под магнитния запомнящ слой за намаляване на дифузията и подобряване на механическите качества на подложката. Магнитният слой в съвременните твърди дискове се нанася чрез разпрашване на материали, като кобалт или например по-съвременните CoCrPt с дебелина под 1 μm. Върху магнитния слой се нанася много тънък слой от въглерод, който служи да предотврати повреди на магнитното покритие при кацането на магнитната глава. Поради структурата на този въглероден слой, той наподобява диамантено покритие. В съвременните твърди дискове се поставят от един до четири единични диска, като на всеки диск има по две магнитни глави (на всяка повърхност).
Глави запис/четене Магнитната глава представлява миниатюрна електромагнитна система, която намагнитва отделни участъци от магнитния запомнящ слой и по този начин извършва записа на информацията върху него. При въртенето на единичния диск, той създава въздушна възглавница върху летящото тяло на главата, на което се намира този електромагнит и съответна подемна сила. Летящото тяло е закрепено на плоска пружина, която го притиска към повърхността и осигурява една постоянна височина на летене. През годините тази височина се намалява непрекъснато, за да достигне в днешно време по някои данни до 0,003 μm.
Магнитната система на главата първоначално се изработва от феритен магнитопровод и емайлиран проводник за намотката. Ограничените възможности за развитие на тази технология е причина още от 80-те години на ХХ век заедно с развитието на дисковите устройства, да се работи по разработката на тънкослойните магнитните глави. Първоначално те са аналог на индуктивните глави – намотка и магнитопровод, изработени с помощта на тънкослойни технологии. По-късно се преминава към магниторезистивни глави.
Магнитен запис
При твърдия диск данните се записват като се намагнетизира тънък слой от феромагнитен материал, намиращ се върху твърдия диск. При последователната промяна в посоката на намагнитването се получават отделните кодирани двоични кодове. Данните се прочитат като на местата на промяна на магнитното поле се отчита промяна в електрическия сигнал на магнитната глава.
При записа на информацията около процепа на магнитната глава се получава магнитно поле, наречено понякога „магнитен пламък“, което променя по определен начин магнитните домени. При четене на записа на местата на промяна на намагнитването, в магнитната глава се възбужда електрически сигнал. При преминаването от надлъжен към перпендикулярен магнитен запис се увеличава плътността на запис и четене, и от там общата плътност на запис на твърдите дискове.
Серво запис За да може записаната информация да бъде прочетена, необходимо е при всяко позициониране на определен цилиндър/пътека да се позиционира точно на съответното място на записа. С развоя на твърдите дискове това се извършва по различен начин: С предварително настройване на положението на магнитните глави (радиално и тангенциално) с използването на така наречените контролни пакети (при сменяемите дискови пакети). С използването на отделна повърхност в пакета от магнитни дискове – сервоповърхност, върху която е записана предварително сервоинформация, служеща за точното позициониране на блока магнитни глави. Тази информация се записва предварително на сервоповърхността с използването на специално оборудване – серворайтер. Тази информация се чете непрекъснато по време на работата на твърдия диск от сервоглавата. Сервоинформацията, записана предварително, трябва да се запази по време на целия живот на твърдия диск. Затова е важно да се елиминират външни и вътрешни магнитни полета, както и всички части на твърдия диск, намиращи се в близост до тази информация, да бъдат немагнитни. Записът на сервоинформацията се извършва в чиста стая. Разпределена сервоинформация – всяка двойка диск и глава съдържа необходимата за позиционирането си на съответната пътека информация.
Съвременно развитие Твърд диск с хелий Western Digital със своята дъщерна фирма HGST разработва и през 2013 г. започва производството на твърд диск напълнен с хелий вместо с въздух – технология HelioSeal. Предимствата са следните: Хелият като много по-лек газ от въздуха (седем пъти по-лек) има голяма разлика в поведението при летенето на магнитните глави. При въздуха, който е по-тежък флуид от хелия, се получават турбуленции при висока скорост и допълнителни вибрации в магнитните глави. Създават се топлинни загуби, които не позволяват увеличаването на броя на единичните магнитни дискове. При твърдите дискове с хелий на мястото на пет диска могат да се поставят седем при по-малки топлинни загуби. Хелият е газ, който много трудно може да се уплътни херметично поради малкия размер на молекулата му, но при изпълнение на тази задача се получава устройство, което напълно е изолирано от външните условия и не се влияе от замърсяване в околната среда. Тези твърди дискове могат да се потапят и охлаждат отвън без проблеми, включително в течна среда.