Tvrdi disk (engl. hard disk, prevodi se i kao kruti disk ili čvrsti disk) sekundarna je jedinica za pohranu podataka u računalima. Tvrdi diskovi su se pojavili na tehnološkoj sceni 1956. godine, kao izum tvrtke IBM, i nakon izlaska na tržište postala dominantna tehnologija za sekundarno pohranjivanje podataka u tipičnim računalnim sustavima tijekom 1960-tih. Danas (2022.) tvrdi diskovi rabe se u mnogim računalnim sustavima, a nedavne inovacije u tehnologijama kao tvrdi diskovi bez pokretnih dijelova koji rabe tehnologije flash memorija i NAND tehnologije, polako počinju potiskivati magnetske diskove s pojedinih sustava kao što su prijenosnici. Tvrdi diskovi zbog neprekidnog razvoja i usvajanja novih tehnoloških rješenja još su najprivlačniji kao tehnologija za sekundarno pohranjivanje podataka što se tiče odnosa sljedećih svojstava: nosivosti, brzine prijenosa podataka i cijene.
mini|250px|Razne generacije tvrdih diskova
Tehnička svojstva
Tvrdi diskovi sastoje se od jedne ili više kružnih ploča zatvorenih u hermetičkom kućištu. Ove kružne ploče vrte se oko jedne središnje osi uz pomoću elektromotora. Ploče su obično napravljene od legure nekog metala (željeza, aluminija, ili neke druge kombinacije) dok kod nekih tvrdih diskova ploče su izrađene od stakla. U procesu izrade ploče se obično presvlače tankim slojem neke feromagnetske tvari. Čitanje i zapisivanje podataka vrši se uz pomoć posebne magnetske glave koja lebdi tik iznad magnetskog sloja. Kod tvrdih diskova s više ploča, magnetske glave su na svakoj ploči, i nekada s obje strane ploče. Magnetske glave postavljaju se na posebne nosače kojima upravlja posebni mehanizam i upravljačka jedinicom. Podatci koji se zapisuju odnosno čitaju preko magnetskih glava podatke rabeći razne kodne i modulacijske sustave (FM, MFM, MMFM). Prednost tvrdih diskova jest da se podatci mogu čitati: u slijedu, jedan za drugim, ili van reda s bilo koje točke gdje magnetska glava može dostići.
Ova osobnost pristupa van reda, dovela je do revolucije u obradi podataka na računalnim sustavima, jer više nije bilo potrebno čitati magnetske trake od početka do mjesta gdje se nalaze podatci ili čitati bušene kartice koje su zauzimale mnogo prostora i na koje nije bilo moguće spremiti mnogo podataka. Ova inovacija omogućila je razvoj novih operacijskih sustava, kao i razvoj novih aplikacijskih programa u kojima podatci se mogu obraditi u stvarnom vremenu.
Kapacitet
Kapacitet tvrdih diskova uvjetovano je različitim faktorima, i mijenjala se tokom razvoja tehnologije od svoje pojave na tržištu 1956. godine. Primjerice prilikom razvoja prvog tvrdog diska IBM-ovi inženjeri mogli su razviti tvrdi disk većeg obujma, no prodajni stručnjaci bili su uvjereni da tržište nije sposobno primiti disk s većim obujmom. Kapacitet nekog tvrdog diska uvjetovana je sljedećim: kvalitetom magnetske tvari kojim su presvučene magnetske ploče i gustoće magnetske tvari, veličinom magnetske glave koja uvjetuje širinu trake, te tehnologijom zapisivanja (FM, MFM, MMFM)
S poboljšavanjem tehnologije tijekom vremena, kapacitet tvrdih diskova povećavala se sukladno Mooreovom zakonu koji je prikazan na dijagramu. Od pojave tvrdog diska 1956. godine koja je tada imao kapacitet od 5MB, kapacitet diskova brzo je rasla no trebala je 51 godina (2007.) da kapacitet tvrdih diskova stigne 1TB (Tera bajta), dok za skok od 1TB do 2TB trebalo je samo godinu dana. mini|desno|500px|Kretanje rasta kapaciteta podataka od 1956. godine do 2009. i usporedba prema Mooreovom zakonu rasta. Y-os je kapacitet u GB/kvadradnom colu, dok je X-os godina. Mooreov zakon je prikazan u mangenti.
Vrijeme pristupa podatcima
Tvrdi disk je elektronsko-električno mehanički uređaj koji ima određena svojstva koje utječu na pristup odnosno na spremanje podataka. Brzina vrtnje ploča presvučenih magnetskim tvarima, brzina pomicanja čitačko/pisače magnetske glave s trake na traku, prijenos podataka s magnetske glave s i na magnetsku tvar, te prijenos podataka prema i od računala su samo dio svojstava koje utječu na vrijeme pristupa podatcima na nekom tvrdom disku. Tri osnovne značajke koje utječu na prijenos podataka jesu: latentnost, vrijeme traženja, te brzina prijenosa podataka.
Mnogi dizajneri i proizvođači imaju svoja specifična tehnološka rješenja za navedene značajke, no u mnogo puta krajnje vrijeme pristupa podatcima ograničeno je standardima za međuspoj tvrdih diskova s računarskim sustavom, te fizičkih svojstava kao brzina vrtnje tvrdog diska.
Latentnost
Kod tvrdih diskova, latentnost je vrijeme koje je potrebno da se neki dio koji nosi podatke na disku ponovno pojavi ispod glave za čitanje i pisanje. Latentnost nekog tvrdog diska izravno je povezana s brzinom elektromotora koji pokreće vrtnju ploča s magnetskim premazom. Ovo kašnjenje funkcija je brzine okretanja ploče, i s bržim obrtajem ploča, latentnost se smanjuje. Isto tako latentnost na tvrdom disku uvjetovana je geometrijom traka koji se nalaze na tvrdim diskovima. Zbog raznog broja traka na magnestkoj ploči latentnost na trakama bliže osi okretanja bit će manja, dok će latentnost prema obodima magnestke ploče biti veća. Zato se u literaturi obično rabi prosječna latentnost, jer su magnetske ploče relativno malene u radijusu u odnosu prema brzini okretanja. Sljedeća tablica sadrži prosječno vrijeme latentnosti za pojedine popularne brzine okretaja koji se rabe ili su se rabile za tvrde diskove: Brzina obrtanja[rpm] Prosječna latentnost[ms] 15.000 2 10.000 3 7.200 4,16 5.400 5,55 4.800 6,25
Vrijeme traženja
Vrijeme traženja je vrijeme potrebno da se dođe do nekog željenog bloka na tvrdom disku, tj. od trenutka kada se upit poslao prema tvrdom disku, i vrijeme koje je potrebno tvrdom disku da dođe do željene minimalne čestice podataka koja se može spremiti ili čitati s tvrdog diska. Na vrijeme traženja utječu sljedeći faktori: brzina vrtnja diska, vrijeme da se magnetska glava pomjeri s trake na traku, vrijeme da se magnetska glava pomjeri na traženi blok, način kojim se zapisivaju blokovi, i način na koji se šalje slijed poslova čitanja i zapisivanja podataka
Na vrijeme traženja u velikom utječe i mjesto gdje se magnetska glava nalazi kada se ne čitaju ili pišu podatci, ili način na koji se šalju poslovi da se čitaju ili pišu podatci. Primjerice, ako tvrdi disk miruje i ne postoje poslovi preko kojih se zapisiuju ili čitaju podatci put magnetske glave sigurno će biti smanjen ako (npr.) magnetska glava lebdi na središnjoj traci umjesto da stoji na obodu ploče ili blizu središnjice ploče. Isto tako prilikom mnogostrukih čitanja ili pisanja, izvršavanje poslova (čitanja i pisanja) prema slijedu na koji se ti poslovi pojavljuju nekada nije najbolje rješenje. Mnogi dizajneri tvrdih diskova kao i operacijskih sustava izmislili su algoritme u kojima pokušavaju smanjivati naglo pomicanje magnetskih glava od oboda do središnjice u cilju da se smanji vrijeme traženja na tvrdim diskovima.
Brzina prijenosa podataka
Postojanost i kvarovi
Princip rada
Magnetski disk svoje djelovanje temelji na fizičkim osnovama magnetskog polja i svojstvima feromagnetskih materijala. Pri upisu podataka na njega koriste se svojstva takozvanih tvrdih feromagnetskih tvari da nakon što su magnetizirane vanjskim poljem, ostanu magnetizirane i nakon što se vanjsko magnetsko polje ukloni.
Tvrdi disk se sastoji od nekoliko ploča obično od nemagnetskih materijala, najčešće legure aluminija ili stakla. Te ploče su premazane tankim slojem feromagnetskog materijala debljine 10 do 20 nm (za usporedbu, debljina običnog kopirnog papira je između 0,07 mm i 0,18 mm - 70.000-180.000 nm).http://hypertextbook.com/facts/2001/JuliaSherlis.shtml Na taj magnetski materijal se obično još stavi premaz ugljika kao zaštitni sloj. Za magnetski materijal se danas obično biraju legure kobalta, dok su ranije bili korišteni oksidi željeza, kroma, ili slično.
mini|lijevo|250px|Unutrašnjost tvrdog diska nakon uklanjanja magnetskih ploča. Lijevo gore je pogon magnetske glave za čitanje i pisanje. U sredini desno se mogu vidjeti navoji statora elektromotora koji okreće magnetske ploče.
Disk se okreće oko svojeg središta brzinom od 3000 okr./min. do 10.000 okr./min., dok se tik iznad njega nalazi glava za čitanje i pisanje (engl. read-and-write head), pričvršćena na ručku koja može glavu premjestiti bliže ili dalje središtu diska. Na današnjim, modernim diskovima, udaljenost te glave od površine ploče se mjeri u nanometrima.
mini|250px|desno|Tvrdi disk rastavljen u sastavne dijelove
Pohranjivanje i čitanje podataka
Podaci se na disk upisuju uz pomoć male zavojnice koja je sastavni dio glave. Zavojnica u biranim trenucima propušta električnu stuju izabranog smjera (princip binarnog sustava, 0 ili 1). Magnetska glava sastoji se od zavojnice koja je namotana na tvrdu feritnu jezgru. Glava je učvršćena na ručicu koju po disku pomiče aktuator. Uz pomoć njega glava se može pomicati iznad cijelog polumjera diska. Magnetska površina ploče u disku podijeljena je u puno malih magnetskih područja veličine mikrometra, a svaka od tih površina se rabi za pohranu (kodiranje) jednog bita informacije. Do 2005. ta podjela magnetske površine bila je samo vodoravna, ali od tada pa do danas ta podjela je i okomita čime su se dobili tvrdi diskovi većeg kapaciteta (do 2 TB). Zbog prirodne kristalne strukture magnetskih materijala, ta područja na disku se sastoje do nekoliko stotina magnetskih čestica (jedna magnetska čestica je veličine 10 nm).
Protjecanjem struje kroz zavojnicu stvara se magnetsko polje koje se zbog blizine glave proteže i kroz magnetski materijal na površini diska. Kako se disk brzo okreće ispod glave, sav materijal koji prođe ispod glave se magnetizira u smjeru određenom smjerom protjecanja električne struje. Uključivanjem struje u kratkotrajnim biranim trenucima, postiže se na površini diska niz različito magnetiziranih područja jedno iza drugog, čime je na disk zapisan niz podataka tj. bitova. Podaci su na disku nalaze kao niz magnetskih čestica na magnetskom sloju diska koje su smještene u koncentrične krugove.
Čitanje se ispočetka radilo koristeći činjenicu da kada niz različito magnetiziranih područja brzo prođe ispod zavojnice magnetske glave, u zavojnici se inducirao električni napon kod svake promjene polja. Inducirani napon i tako dobivena struja ima svoju jakost koja ovisi o jakosti magnetskog polja, njegovom smjeru, brzini promjene magnetskog polja ispred glave i udaljenosti glave od diska. Zbog razlike u induciranom naponu na zavojnici u određenom trenutku dobiva se naponski signal. Iz tog naponskog signala se stoga može zaključiti kakav je raspored magnetiziranih područja prošao ispod nje i time se niz bitova pročitao. No danas se koriste druge magnetske pojave, recimo osobine da prisutnost magnetskog polja mijenja električnu otpornost nekih materijala. Kod takvih diskova, glava je magnetnootporna. Prilikom prolaska čitača glave preko magnetizirane površine diska, glava mjenja svoj električni otpor zbog promjene jačine i smjera magnetskog polja (tehnologija gigantskog magnetootpora (GMR)).
thumb|lijevo|Mnogostruke magnetske glave za zapisivanje i čitanje podataka učvršćene na ručicu
U današnjim (2015.) tvrdim diskovima glave za čitanje i pisanje su odvojene, za razliku od starih diskova na kojima se sve obavljalo uz pomoć jedne glave. Čitača glava je magnetnootporna, dok je pisača glava tankoslojna induktivna. mini|desno|250px|Izgled magnetskog zapisa na disku tvrdog diska zapremine 200MB (slika je napravljena pomoću uređaja CMOS-MagViewhttp://www.magneticmeasurements.com/cmos-magview.html CMOS-MagView instrument za vizualizaciju magnetskih zapisa
Fizička organizacija podataka
mini|lijevo|Fizička organizcija ploče tipičnog tvrdog diska: A-trakaB-sektorC-sektor između trakaD-grozd (eng. cluster)
Ploča
Sektor
Traka
Blok
Grozd
Radne značajke
Ostale značajke
Dobra i negativna svojstva magnetskog diska
Dobra svojstva magnetskog diska jesu: