disco duro

El primer disco duro de producción de IBM, el almacenamiento de disco 350 , se envió en 1957 como un componente del sistema IBM 305 RAMAC. Tenía aproximadamente el tamaño de dos refrigeradores grandes y almacenaba cinco millones de caracteres de seis bits (3,75 megabytes ) ^{[ 18 ]} en una pila de 52 discos (100 superficies utilizadas). ^{[ 28 ]} El 350 tenía un solo brazo con dos cabezales de lectura/escritura, uno hacia arriba y el otro hacia abajo, que se movían tanto horizontalmente entre un par de platos adyacentes como verticalmente de un par de platos a un segundo conjunto. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} Las variantes del IBM 350 fueron el IBM 355 , el IBM 7300 y el IBM 1405 .

En 1961, IBM anunció, y en 1962 lanzó, la  unidad de almacenamiento en disco IBM 1301, ^{[ 32 ]} que reemplazó a la IBM  350 y unidades similares. La 1301 constaba de uno (para el modelo 1) o dos (para el modelo 2) módulos, cada uno con 25 platos, cada plato de aproximadamente 1/8 de pulgada (3,2 mm) de espesor y 24 pulgadas (610 mm) de diámetro. ^{[ 33 ]} Mientras que las unidades de disco IBM anteriores usaban solo dos cabezales de lectura/escritura por brazo, la 1301 usaba una matriz de 48 ^{[ m ]} cabezales (peine), cada matriz moviéndose horizontalmente como una sola unidad, un cabezal por superficie utilizada. Se admitían operaciones de lectura/escritura en modo cilindro , y los cabezales volaban aproximadamente 250 micropulgadas (aproximadamente 6 μm) por encima de la superficie del plato. El movimiento de la matriz de cabezales dependía de un sistema de sumador binario de actuadores hidráulicos que aseguraba un posicionamiento repetible. El gabinete 1301 tenía aproximadamente el tamaño de tres refrigeradores grandes colocados uno al lado del otro, y almacenaba el equivalente a unos 21 millones de bytes de ocho bits por módulo. El tiempo de acceso era de aproximadamente un cuarto de segundo.   

También en 1962, IBM presentó la unidad de disco modelo 1311 , que tenía aproximadamente el tamaño de una lavadora y almacenaba dos millones de caracteres en un paquete de discos extraíble . Los usuarios podían comprar paquetes adicionales e intercambiarlos según fuera necesario, de forma similar a las cintas magnéticas . Los modelos posteriores de unidades de discos extraíbles, tanto de IBM como de otros fabricantes, se convirtieron en la norma en la mayoría de las instalaciones informáticas y alcanzaron capacidades de 300 megabytes a principios de la década de 1980. Los discos duros no extraíbles se denominaban unidades de "disco fijo".

En 1963, IBM presentó el 1302, ^{[ 34 ]} con el doble de capacidad de pista y el doble de pistas por cilindro que el 1301. El 1302 tenía uno (para el modelo 1) o dos (para el modelo 2) módulos, cada uno con un peine separado para las primeras 250 pistas y las últimas 250 pistas.

Algunos discos duros de alto rendimiento se fabricaron con un cabezal por pista, por ejemplo, el Burroughs B-475 en 1964 y el IBM  2305 en 1970, de modo que no se perdía tiempo moviendo físicamente los cabezales a una pista y la única latencia era el tiempo que tardaba el bloque de datos deseado en girar hasta su posición debajo del cabezal. ^{[ 35 ]} Conocido como cabezal fijo oLas unidades de disco de cabezal por pista eran muy caras y ya no se fabrican. ^{[ 36 ]}

En 1973, IBM presentó un nuevo tipo de disco duro con nombre en clave " Winchester ". Su principal característica distintiva era que los cabezales de disco no se extraían completamente de la pila de platos al apagar la unidad. En cambio, los cabezales se "apoyaban" en un área especial de la superficie del disco al detenerse, "despegando" de nuevo al encenderla posteriormente. Esto redujo considerablemente el coste del mecanismo de accionamiento de los cabezales, pero impedía extraer solo los discos de la unidad, como se hacía con los paquetes de discos de la época. En su lugar, los primeros modelos de unidades con "tecnología Winchester" incorporaban un módulo de disco extraíble, que incluía tanto el paquete de discos como el conjunto de cabezales, dejando el motor del actuador en la unidad al extraerlo. Las unidades "Winchester" posteriores abandonaron el concepto de soporte extraíble y volvieron a los platos no extraíbles.

En 1974, IBM introdujo el actuador de brazo oscilante, que fue posible gracias a que los cabezales de grabación Winchester funcionan bien cuando están inclinados con respecto a las pistas grabadas. El diseño simple de la unidad IBM GV (Gulliver), ^{[ 37 ]} inventada en los laboratorios Hursley de IBM en el Reino Unido, se convirtió en la invención electromecánica de IBM con más licencias ^{[ 38 ]} de todos los tiempos, y el actuador y el sistema de filtración fueron adoptados en la década de 1980 para todos los discos duros, y siguen siendo universales más de 50 años y 10 mil millones de brazos después.

Al igual que la primera unidad de disco extraíble, las primeras unidades "Winchester" utilizaban discos de 360 ​​mm (14 pulgadas) de diámetro. En 1978, IBM presentó una unidad de brazo oscilante, la IBM 0680 (Piccolo), con discos de ocho pulgadas, explorando la posibilidad de que los discos más pequeños pudieran ofrecer ventajas. Le siguieron otras unidades de ocho pulgadas, y luego unidades de 130 mm ( 5 ¼ pulgadas ) , diseñadas para reemplazar las unidades de disquete contemporáneas . Estas últimas estaban destinadas principalmente al entonces incipiente mercado de las computadoras personales (PC).   

Con el tiempo, a medida que aumentaban considerablemente las densidades de grabación, se determinó que las reducciones adicionales del diámetro del disco a 3,5" y 2,5" eran óptimas. Durante este período, los potentes materiales magnéticos de tierras raras se volvieron asequibles y complementaron el diseño del actuador de brazo oscilante, lo que permitió los formatos compactos de los discos duros modernos.

En 1986, 10  MB era el tamaño de disco duro más utilizado, y la mayoría de las nuevas computadoras corporativas contaban con discos duros. La mayoría de los profesionales del sector esperaban que 20  MB pronto se convirtiera en el nuevo tamaño estándar. ^{[ 39 ]} A finales de la década de 1980, su costo se había reducido hasta el punto de que eran estándar en todas las computadoras, excepto en las más económicas.

A principios de la década de 1980, la mayoría de los discos duros se vendían a los usuarios de PC como un subsistema externo adicional. Este subsistema no se vendía bajo el nombre del fabricante del disco, sino bajo el del fabricante del subsistema, como Corvus Systems y Tallgrass Technologies , o bajo el nombre del fabricante del sistema de PC, como Apple ProFile .

El IBM PC XT de 1983 incluía un  disco duro interno de 10 MB; para 1985, los discos duros internos superaban en ventas a los externos para ordenadores personales. Cuando IBM comenzó a vender el XT sin disco duro, los fabricantes de discos duros que solo habían vendido a clientes OEM comenzaron a vender a revendedores, quienes incluían discos duros que no eran de IBM en los XT. Las tarjetas de expansión se convirtieron en una actualización popular para los ordenadores existentes. ^{[ 39 ]}

Los discos duros externos siguieron siendo populares durante mucho más tiempo en los ordenadores Apple Macintosh . Muchos ordenadores Macintosh fabricados entre 1986 y 1998 contaban con un puerto SCSI en la parte posterior, lo que facilitaba la expansión externa. Los ordenadores Macintosh compactos más antiguos no tenían bahías para discos duros accesibles para el usuario (de hecho, los Macintosh 128K , Macintosh 512K y Macintosh Plus no tenían ninguna bahía para disco duro), por lo que en esos modelos, los discos SCSI externos eran la única opción razonable para ampliar el almacenamiento interno.

Las mejoras en los discos duros se han visto impulsadas por el aumento de la densidad de almacenamiento , tal y como se muestra en la tabla anterior. Las aplicaciones se expandieron a lo largo de la década de 2000, desde las computadoras centrales de finales de la década de 1950 hasta la mayoría de las aplicaciones de almacenamiento masivo, incluyendo computadoras y aplicaciones de consumo como el almacenamiento de contenido de entretenimiento.

En las décadas de 2000 y 2010, la memoria NAND comenzó a reemplazar a los discos duros en aplicaciones que requerían portabilidad o alto rendimiento. En 2018, el disco duro más grande tenía una capacidad de 15  TB, mientras que la unidad SSD de mayor capacidad tenía una capacidad de 100  TB. ^{[ 40 ]} En 2018, se pronosticaba que los discos duros alcanzarían  capacidades de 100 TB alrededor de 2025, ^{[ 41 ]} pero a partir de 2019, el ritmo de mejora previsto se redujo a 50  TB para 2026. ^{[ 42 ]} Los formatos más pequeños (1,8 pulgadas o menos) se dejaron de fabricar alrededor de 2010.

El costo del almacenamiento de estado sólido (NAND), representado por la ley de Moore , está mejorando más rápido que los HDD. NAND tiene una mayor elasticidad precio de la demanda que HDD, y esto impulsa el crecimiento del mercado. ^{[ 43 ]} Durante finales de la década de 2000 y la década de 2010, el ciclo de vida del producto de HDD entró en una fase madura, y la desaceleración de las ventas puede indicar el inicio de la fase de declive. ^{[ 44 ]} Durante la década de 2020, la tasa de adopción de NAND se ha acelerado significativamente, en gran parte debido al creciente uso de la tecnología en la electrónica de consumo, mientras que su rendimiento ha estado mejorando más rápido que el rendimiento de HDD.

Las inundaciones de Tailandia de 2011 dañaron las plantas de fabricación y afectaron negativamente el costo de los discos duros entre 2011 y 2013. ^{[ 45 ]}

En 2019, Western Digital cerró su última fábrica de HDD en Malasia debido a la disminución de la demanda, para centrarse en la producción de SSD. ^{[ 46 ]} Los tres fabricantes de HDD restantes han experimentado una disminución en la demanda de sus HDD desde 2014. ^{[ 47 ]}

Vídeo explicativo sobre cómo funcionan los discos duros (HDD).

Un disco duro de 3,5" y otro de 2,5" con las cubiertas frontales retiradas para mostrar su interior.

Un disco duro moderno registra datos magnetizando una fina película de material ferromagnético ^{[ n ]} en ambas caras del disco. Los cambios secuenciales en la dirección de la magnetización representan bits de datos binarios . Los datos se leen del disco detectando las transiciones de magnetización. Los datos del usuario se codifican mediante un esquema de codificación, como la codificación de longitud de ejecución limitada ^{[ o ]} , que determina cómo se representan los datos mediante las transiciones magnéticas.

Un diseño típico de disco duro consta de unEje que sostiene discos circulares planos, llamadosplatos, que contienen los datos grabados. Los platos están hechos de un material no magnético, generalmentealeación de aluminio,vidrioocerámica. Están recubiertos con una capa delgada de material magnético, típicamente de 10 a 20nmde profundidad, con una capa exterior de carbono para protección. ^{[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]} Como referencia, una hoja de papel de copia estándar tienede 0,07 a 0,18mm (70 000 a 180 000nm) ^{[ 52 ]} .  

Los platos de los discos duros contemporáneos giran a velocidades que varían desde4200 rpm  en dispositivos portátiles de bajo consumo energético, hasta 15 000  rpm para servidores de alto rendimiento. ^{[ 53 ]} Los primeros discos duros giraban a 1200  rpm ^{[ 5 ]} y, durante muchos años, 3600  rpm fue la norma. ^{[ 54 ]} A partir de noviembre de 2019En la mayoría de los discos duros de consumo, los platos giran a 5.400 o 7.200  rpm.

La información se escribe y se lee en un disco mientras este gira frente a unos dispositivos llamados cabezales de lectura/escritura , que están posicionados para operar muy cerca de la superficie magnética, con una altura de vuelo que suele estar en el rango de decenas de nanómetros. El cabezal de lectura/escritura se utiliza para detectar y modificar la magnetización del material que pasa inmediatamente debajo.

En las unidades modernas, hay un cabezal para cada superficie magnética del plato en el eje, montado en un brazo común. Un brazo actuador (o brazo de acceso) mueve los cabezales en un arco (aproximadamente radial) a través de los platos mientras giran, lo que permite que cada cabezal acceda a casi toda la superficie del plato mientras gira. El brazo se mueve mediante un actuador de bobina móvil o, en algunos diseños más antiguos, un motor paso a paso . Las primeras unidades de disco duro escribían datos a una velocidad constante de bits por segundo, lo que resultaba en que todas las pistas tuvieran la misma cantidad de datos por pista, pero las unidades modernas (desde la década de 1990) utilizan la grabación de bits por zonas , aumentando la velocidad de escritura de la zona interior a la exterior y, por lo tanto, almacenando más datos por pista en las zonas exteriores.

En las unidades modernas, el pequeño tamaño de las regiones magnéticas crea el peligro de que su estado magnético pueda perderse debido a efectos térmicos — inestabilidad magnética inducida térmicamente, comúnmente conocida como el " límite superparamagnético ". Para contrarrestar esto, los platos están recubiertos con dos capas magnéticas paralelas, separadas por una capa de tres átomos del elemento no magnético rutenio , y las dos capas están magnetizadas en orientación opuesta, reforzándose así mutuamente. ^{[ 55 ]} Otra tecnología utilizada para superar los efectos térmicos y permitir mayores densidades de grabación es la grabación perpendicular (PMR), comercializada por primera vez en 2005, ^{[ 56 ]} y a partir de 2007, utilizado en ciertos HDD. ^{[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]} La grabación perpendicular puede ir acompañada de cambios en la fabricación de los cabezales de lectura/escritura para aumentar la fuerza del campo magnético creado por los cabezales. ^{[ 60 ]}

En 2004, se introdujo un soporte de grabación de mayor densidad, compuesto por capas magnéticas blandas y duras acopladas. Esta tecnología de almacenamiento magnético, denominada soporte de resorte de intercambio o soporte compuesto acoplado por intercambio , permite una buena capacidad de escritura gracias a la naturaleza de asistencia a la escritura de la capa blanda. Sin embargo, la estabilidad térmica está determinada únicamente por la capa más dura y no se ve influenciada por la capa blanda. ^{[ 61 ] [ 62 ]}

La tecnología FC-MAMR (Flux Control MAMR) permite que un disco duro tenga una mayor capacidad de grabación sin necesidad de nuevos materiales para los platos. Los discos duros MAMR incorporan un generador de par de espín (STO) que genera microondas en los cabezales de lectura/escritura, lo que permite grabar bits físicamente más pequeños en los platos, aumentando así la densidad de área. Normalmente, los cabezales de grabación de los discos duros tienen un polo principal que se utiliza para escribir en los platos, y junto a este polo se encuentra un espacio de aire y un blindaje. La bobina de escritura del cabezal rodea el polo. El dispositivo STO se coloca en el espacio de aire entre el polo y el blindaje para aumentar la intensidad del campo magnético generado por el polo; técnicamente, FC-MAMR no utiliza microondas, sino tecnología empleada en MAMR. El STO consta de una capa de generación de campo (FGL) y una capa de inyección de espín (SIL). La FGL produce un campo magnético mediante electrones polarizados por espín que se originan en la SIL, lo que constituye una forma de energía de par de espín. ^{[ 63 ]}

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  Sección transversal magnética y datos binarios codificados por modulación de frecuencia
• Disco duro con la cubierta frontal retirada para mostrar su funcionamiento.
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  Grabación de magnetizaciones individuales de bits en un  disco duro de 200 MB (grabación visible mediante CMOS-MagView) ^{[ 64 ]}
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  Diagrama de registro longitudinal (estándar) y registro perpendicular

ElEl actuador es unde imán permanenteybobina móvilque desplaza los cabezales a la posición deseada. El brazo de soporte del cabezal es muy ligero, pero también rígido; en los accionamientos modernos, la aceleración en el cabezal alcanza los 550 g . Una placa metálica sostiene unimánde alto flujode neodimio-hierro-boro. Debajo de esta placa se encuentra la bobina móvil, a menudo denominada bobina de voz por analogía con la bobina delos altavoces, que está unida al cubo del actuador, y debajo de esta hay un segundo imán NIB, montado en la placa inferior del motor (algunos accionamientos tienen solo un imán).

La bobina móvil tiene forma de punta de flecha y está hecha de alambre de cobre esmaltado con doble recubrimiento . La capa interior es aislante y la exterior es termoplástica, lo que une la bobina después de enrollarla en un molde, haciéndola autoportante. Las porciones de la bobina a lo largo de los dos lados de la punta de flecha (que apuntan al centro del cojinete del actuador) interactúan con el campo magnético del imán fijo. La corriente que fluye radialmente hacia afuera a lo largo de un lado de la punta de flecha y radialmente hacia adentro por el otro produce la fuerza tangencial . Si el campo magnético fuera uniforme, cada lado generaría fuerzas opuestas que se anularían entre sí. Por lo tanto, la superficie del imán es mitad polo norte y mitad polo sur, con la línea divisoria radial en el medio, lo que hace que los dos lados de la bobina perciban campos magnéticos opuestos y produzcan fuerzas que se suman en lugar de anularse. Las corrientes a lo largo de la parte superior e inferior de la bobina producen fuerzas radiales que no hacen girar la cabeza.

La electrónica del HDD controla el movimiento del actuador y la rotación del disco, y transfiere datos hacia o desde un controlador de disco . La retroalimentación de la electrónica de la unidad se logra mediante segmentos especiales del disco dedicados a la retroalimentación servo . Estos son círculos concéntricos completos (en el caso de la tecnología servo dedicada) o segmentos intercalados con datos reales (en el caso de la tecnología servo integrada, también conocida como tecnología servo sectorial). La retroalimentación servo optimiza la relación señal-ruido de los sensores GMR ajustando el motor de bobina móvil para rotar el brazo. Un sistema servo más moderno también emplea microactuadores o miliactuadores para posicionar con mayor precisión los cabezales de lectura/escritura. ^{[ 65 ]} El giro de los discos utiliza motores de husillo con cojinetes de fluido. El firmware de disco moderno es capaz de programar lecturas y escrituras de manera eficiente en las superficies de los platos y reasignar sectores del medio que han fallado.

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  Diagrama que muestra los componentes principales de un disco duro de computadora.
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  Un disco duro sin discos ni cubo del motor, dejando al descubierto las bobinas del estator de color cobre que rodean un cojinete en el centro del motor del husillo. La franja naranja a lo largo del brazo es un cable de circuito impreso delgado; el cojinete del husillo está en el centro y el actuador en la parte superior izquierda.
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  Placa de circuito impreso de un disco duro Samsung MP0402H de 2,5 pulgadas.
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  Conjunto de cabezales con una bobina actuadora a la izquierda y cabezales de lectura/escritura a la derecha.
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  Primer plano de un cabezal de lectura/escritura individual , mostrando el lado que da al plato.
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  La placa de circuito de un disco duro Western Digital acoplada a su chasis.
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  El brazo de lectura/escritura

Las unidades modernas utilizan ampliamente códigos de corrección de errores (ECC), en particular la corrección de errores Reed-Solomon . Estas técnicas almacenan bits adicionales, determinados por fórmulas matemáticas, para cada bloque de datos; estos bits adicionales permiten corregir muchos errores de forma invisible. Si bien estos bits adicionales ocupan espacio en el disco duro, permiten emplear mayores densidades de grabación sin causar errores irrecuperables, lo que resulta en una capacidad de almacenamiento mucho mayor. ^{[ 66 ]} Por ejemplo, un disco duro típico de 1 TB con sectores de 512 bytes proporciona una capacidad adicional de aproximadamente 93 GB para los datos ECC . ^{[ 67 ]}  

En las unidades más recientes, a partir de 2009, ^{[ 68 ]} Los códigos de verificación de paridad de baja densidad (LDPC) estaban reemplazando a Reed-Solomon; los códigos LDPC permiten un rendimiento cercano al límite de Shannon y, por lo tanto, proporcionan la mayor densidad de almacenamiento disponible. ^{[ 68 ] [ 69 ]}

Los discos duros típicos intentan "reasignar" los datos de un sector físico que está fallando a un sector físico de repuesto proporcionado por el "grupo de sectores de repuesto" del disco (también llamado "grupo de reserva"), ^{[ 70 ]} mientras confían en la ECC para recuperar los datos almacenados mientras el número de errores en un sector defectuoso todavía es suficientemente bajo. La función SMART ( Tecnología de automonitoreo, análisis e informes ) cuenta el número total de errores en todo el HDD corregidos por la ECC (aunque no en todos los discos duros, ya que los atributos SMART relacionados "Hardware ECC Recovered" y "Soft ECC Correction" no son compatibles de forma consistente), y el número total de reasignaciones de sectores realizadas, ya que la aparición de muchos de estos errores puede predecir una falla del HDD .

El formato "No-ID", desarrollado por IBM a mediados de la década de 1990, contiene información sobre qué sectores están dañados y dónde se han ubicado los sectores reasignados. ^{[ 71 ]}

Solo una pequeña fracción de los errores detectados resultan no ser corregibles. Algunos ejemplos de tasas de error de lectura de bits no corregidas especificadas incluyen:

• Las especificaciones de 2013 para unidades de disco SAS empresariales establecen que la tasa de error es de un error de lectura de bit no corregido en cada 10 ¹⁶ bits leídos, ^{[ 72 ] [ 73 ]}
• Las especificaciones de 2018 para discos duros SATA de consumo establecen que la tasa de error es de un error de lectura de bit no corregido en cada 10 ¹⁴ bits. ^{[ 74 ] [ 75 ]}

Dentro de un modelo de fabricante determinado, la tasa de error de bits no corregida suele ser la misma independientemente de la capacidad de la unidad. ^{[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ] [ 75 ]}

El peor tipo de errores son las corrupciones silenciosas de datos , que son errores no detectados por el firmware del disco o el sistema operativo del host; algunos de estos errores pueden ser causados ​​por fallas en la unidad de disco duro, mientras que otros se originan en otro lugar de la conexión entre la unidad y el host. ^{[ 76 ]}

La tasa de avance de la densidad areal fue similar a la ley de Moore (duplicándose cada dos años) hasta 2010: 60% anual durante 1988–1996, 100% durante 1996–2003 y 30% durante 2003–2010. ^{[ 78 ]} En 1997, Gordon Moore calificó el aumento de "asombroso", ^{[ 79 ]} aunque más tarde observó que el crecimiento no puede continuar indefinidamente. ^{[ 80 ]} La mejora de los precios se desaceleró a −12% anual durante 2010–2017, ^{[ 81 ]} a medida que se ralentizaba el crecimiento de la densidad areal. La tasa de avance de la densidad areal se redujo a 10% anual durante 2010–2016, ^{[ 82 ]} y hubo dificultades para migrar de la grabación perpendicular a tecnologías más nuevas. ^{[ 83 ]}

A medida que disminuye el tamaño de la celda de bits, se puede almacenar más datos en un solo plato de disco. En 2013, un  HDD de escritorio de producción de 3 TB (con cuatro platos) habría tenido una densidad de área de aproximadamente 500  Gbit/in², ^lo que habría equivalido a una celda de bits compuesta por aproximadamente 18 granos magnéticos (11 por 1,6 granos). ^{[ 84 ]} Desde mediados de la década de 2000, el progreso de la densidad de área se ha visto desafiado por un trilema superparamagnético que involucra el tamaño del grano, la fuerza magnética del grano y la capacidad del cabezal para escribir. ^{[ 85 ]} Para mantener una relación señal/ruido aceptable, se requieren granos más pequeños; los granos más pequeños pueden autorrevertirse ( inestabilidad electrotérmica ) a menos que se aumente su fuerza magnética, pero los materiales conocidos del cabezal de escritura no pueden generar un campo magnético lo suficientemente fuerte como para escribir en el medio en el espacio cada vez más pequeño que ocupan los granos.

Se están desarrollando tecnologías de almacenamiento magnético para abordar este trilema y competir con las unidades de estado sólido (SSD) basadas en memoria flash . En 2013, Seagate presentó la grabación magnética superpuesta (SMR), ^{[ 86 ]} concebida como una especie de tecnología "provisional" entre la PMR y la grabación magnética asistida por calor (HAMR) , su sucesora prevista por Seagate . La SMR utiliza pistas superpuestas para aumentar la densidad de datos, a costa de una mayor complejidad de diseño y velocidades de acceso a datos más bajas (en particular, velocidades de escritura y velocidades de acceso aleatorio de 4k). ^{[ 87 ] [ 88 ]}

Por el contrario, HGST (ahora parte de Western Digital ) se centró en desarrollar métodos para sellar las unidades rellenas de helio en lugar del aire filtrado habitual. Dado que se reducen la turbulencia y la fricción , se pueden lograr mayores densidades de área gracias al uso de un ancho de pista menor, y la energía disipada por la fricción también es menor, lo que resulta en un menor consumo de energía. Además, se pueden colocar más platos en el mismo espacio de la carcasa, aunque es notoriamente difícil evitar que el gas helio escape. ^{[ 89 ]} Por lo tanto, las unidades de helio están completamente selladas y no tienen un puerto de ventilación, a diferencia de sus contrapartes rellenas de aire.

Otras tecnologías de grabación están en investigación o se han implementado comercialmente para aumentar la densidad de área, incluida la grabación magnética asistida por calor (HAMR) de Seagate. HAMR requiere una arquitectura diferente con medios y cabezales de lectura/escritura rediseñados, nuevos láseres y nuevos transductores ópticos de campo cercano. ^{[ 90 ]} HAMR se comercializó a principios de 2024 ^{[ 91 ]} después de que problemas técnicos retrasaran su introducción por más de una década, de proyecciones anteriores que ya eran de 2009. ^{[ 92 ] [ 93 ] [ 94 ] [ 95 ]} El sucesor planeado de HAMR, la grabación con patrón de bits (BPR), ^{[ 96 ]} se ha eliminado de las hojas de ruta de Western Digital y Seagate. ^{[ 97 ]} La grabación magnética asistida por microondas (MAMR) de Western Digital, ^{[ 98 ] [ 99 ]} también conocida como grabación magnética asistida por energía (EAMR), se probó en 2020, y la primera unidad EAMR, la Ultrastar HC550, se lanzó a finales de 2020. ^{[ 100 ] [ 101 ] [ 102 ]} La grabación magnética bidimensional (TDMR) ^{[ 84 ] [ 103 ]} y los cabezales de magnetorresistencia gigante de "corriente perpendicular al plano" (CPP/GMR) han aparecido en artículos de investigación. ^{[ 104 ] [ 105 ] [ 106 ]}

Algunas unidades han adoptado brazos actuadores independientes duales para aumentar las velocidades de lectura/escritura y competir con las SSD. ^{[ 107 ]} Se ha propuesto un concepto de unidad de vacío accionada en 3D (3DHD) ^{[ 108 ] y grabación magnética en 3D. [ 109 ]}

Dependiendo de las suposiciones sobre la viabilidad y el momento de estas tecnologías, Seagate pronostica que la densidad de área crecerá un 20% por año durante 2020–2034. ^{[ 42 ]}

Los discos duros modernos aparecen ante su controlador host como un conjunto contiguo de bloques lógicos, y la capacidad bruta del disco se calcula multiplicando el número de bloques por el tamaño del bloque. Esta información está disponible en la especificación del producto del fabricante y en el propio disco mediante el uso de funciones del sistema operativo que invocan comandos de bajo nivel del disco. ^{[ 110 ] [ 111 ]} Los discos IBM y compatibles más antiguos, por ejemplo, el IBM 3390 que utiliza el formato de registro CKD , tienen registros de longitud variable; dichos cálculos de capacidad del disco deben tener en cuenta las características de los registros. Algunos DASD más recientes simulan CKD, y se aplican las mismas fórmulas de capacidad.

La capacidad bruta de los HDD más antiguos orientados a sectores se calcula como el producto del número de cilindros por zona de grabación, el número de bytes por sector (generalmente 512) y el número de zonas de la unidad. Algunas unidades SATA modernas también informan capacidades de cilindro-cabezal-sector (CHS), pero estos no son parámetros físicos porque los valores informados están limitados por las interfaces históricas del sistema operativo. El esquema C/H/S ha sido reemplazado por el direccionamiento de bloques lógicos (LBA), un esquema de direccionamiento lineal simple que localiza bloques mediante un índice entero, que comienza en LBA 0 para el primer bloque y se incrementa a partir de ahí. ^{[ 112 ]} Al usar el método C/H/S para describir unidades grandes modernas, el número de cabezales a menudo se establece en 64, aunque un disco duro moderno típico tiene entre uno y cuatro platos. En los HDD modernos, la capacidad de reserva para la gestión de defectos no se incluye en la capacidad publicada; sin embargo, en muchos HDD antiguos, un cierto número de sectores se reservaban como repuestos, reduciendo así la capacidad disponible para el sistema operativo. Además, muchos discos duros almacenan su firmware en una zona de servicio reservada, a la que normalmente no tiene acceso el usuario y que no se incluye en el cálculo de la capacidad.

En los subsistemas RAID , los requisitos de integridad de datos y tolerancia a fallos también reducen la capacidad real. Por ejemplo, una  matriz RAID 1 tiene aproximadamente la mitad de la capacidad total como resultado de la duplicación de datos, mientras que una  matriz RAID 5 con n unidades pierde 1/n de capacidad (que equivale a la capacidad de una sola unidad) debido al almacenamiento de información de paridad. Los subsistemas RAID son múltiples unidades que, para el usuario, parecen ser una o más unidades, pero proporcionan tolerancia a fallos. La mayoría de los proveedores de RAID utilizan sumas de comprobación para mejorar la integridad de los datos a nivel de bloque. Algunos proveedores diseñan sistemas utilizando discos duros con sectores de 520 bytes para contener 512 bytes de datos de usuario y ocho bytes de suma de comprobación, o utilizando sectores separados de 512 bytes para los datos de la suma de comprobación. ^{[ 113 ]}

Algunos sistemas pueden usar particiones ocultas para la recuperación del sistema, lo que reduce la capacidad disponible para el usuario final sin conocimiento de utilidades especiales de particionamiento de disco como diskpart en Windows . ^{[ 114 ]}

Los datos se almacenan en un disco duro en una serie de bloques lógicos. Cada bloque está delimitado por marcadores que identifican su inicio y final, información para la detección y corrección de errores, y espacio entre bloques para permitir pequeñas variaciones de tiempo. Estos bloques solían contener 512 bytes de datos utilizables, aunque también se han utilizado otros tamaños. Con el aumento de la densidad de almacenamiento, una iniciativa conocida como Formato Avanzado amplió el tamaño del bloque a 4096 bytes de datos utilizables, lo que resultó en una reducción significativa del espacio en disco utilizado para los encabezados de bloque, los datos de verificación de errores y el espacio entre bloques.

El proceso de inicialización de estos bloques lógicos en los platos del disco físico se denomina formateo de bajo nivel , que generalmente se realiza en la fábrica y normalmente no se modifica en el campo. ^{[ 115 ]} El formateo de alto nivel escribe estructuras de datos que el sistema operativo utiliza para organizar los archivos de datos en el disco. Esto incluye escribir estructuras de partición y del sistema de archivos en bloques lógicos seleccionados. Por ejemplo, parte del espacio del disco se utilizará para almacenar un directorio de nombres de archivos de disco y una lista de bloques lógicos asociados con un archivo en particular.

Ejemplos de esquemas de asignación de particiones incluyen el registro de arranque maestro (MBR) y la tabla de particiones GUID (GPT). Ejemplos de estructuras de datos almacenadas en disco para recuperar archivos incluyen la tabla de asignación de archivos (FAT) en el sistema de archivos MS-DOS y los inodos en muchos sistemas de archivos UNIX , así como otras estructuras de datos del sistema operativo (también conocidas como metadatos ). En consecuencia, no todo el espacio en un disco duro está disponible para archivos de usuario, pero esta sobrecarga del sistema suele ser pequeña en comparación con los datos de usuario.

En los primeros días de la informática, la capacidad total de los HDD se especificaba en siete a nueve dígitos decimales frecuentemente truncados con la expresión millones . ^{[ 118 ] [ 34 ]} Para la década de 1970, los fabricantes daban la capacidad total de los HDD utilizando prefijos decimales del SI como megabytes (1  MB  = 1.000.000  bytes), gigabytes (1  GB  = 1.000.000.000  bytes) y terabytes (1  TB  = 1.000.000.000.000 bytes). ^{[ 116 ] [ 119 ] [ 120 ] [ 121 ]} Sin embargo, las capacidades de memoria generalmente se citan utilizando una interpretación binaria de los prefijos, es decir, utilizando potencias de 1024 en lugar de 1000.

El software informa la capacidad del disco duro o de la memoria en diferentes formatos, utilizando prefijos decimales o binarios. La familia de sistemas operativos Microsoft Windows  utiliza la convención binaria para informar la capacidad de almacenamiento, por lo que un disco duro ofrecido por su fabricante como de 1 TB se informa en estos sistemas operativos como un  disco duro de 931 GB. Mac OS X 10.6 (" Snow Leopard ") utiliza la convención decimal para informar la capacidad del disco duro. ^{[ 122 ]} El comportamiento predeterminado de la utilidad de línea de comandos df en Linux es informar la capacidad del disco duro como un número de unidades de 1024 bytes. ^{[ 123 ]}

La diferencia entre la interpretación de los prefijos decimales y binarios causó cierta confusión entre los consumidores y dio lugar a demandas colectivas contra los fabricantes de discos duros . Los demandantes argumentaron que el uso de prefijos decimales indujo a error a los consumidores, mientras que los demandados negaron cualquier irregularidad o responsabilidad, afirmando que su marketing y publicidad cumplían en todos los aspectos con la ley y que ningún miembro del grupo sufrió daños o perjuicios. ^{[ 124 ] [ 125 ] [ 126 ]} En 2020, un tribunal de California dictaminó que el uso de prefijos decimales con significado decimal no era engañoso. ^{[ 127 ]}

A partir de 2010Un disco duro de escritorio típico de 7200 rpm tiene una tasa de transferencia de datos "disco a búfer " sostenida de hasta 1030 Mbit/s . ^{[ 133 ]} Esta tasa depende de la ubicación de la pista; es mayor para los datos en las pistas exteriores (donde hay más sectores de datos por rotación) y menor hacia las pistas interiores (donde hay menos sectores de datos por rotación); y generalmente es algo mayor para las unidades de 10 000 rpm. Un estándar actual y ampliamente utilizado para la interfaz "búfer a computadora" es SATA de 3,0 Gbit/s , que puede enviar alrededor de 300 megabytes/s (codificación de 10 bits) desde el búfer a la computadora, y por lo tanto, todavía está cómodamente por delante de las tasas de transferencia de disco a búfer actuales. La tasa de transferencia de datos (lectura/escritura) se puede medir escribiendo un archivo grande en el disco usando herramientas especiales de generación de archivos y luego leyendo el archivo. La tasa de transferencia puede verse influenciada por la fragmentación del sistema de archivos y la disposición de los archivos. ^{[ 131 ]}

La tasa de transferencia de datos de un disco duro depende de la velocidad de rotación de los platos y de la densidad de grabación de datos. Dado que el calor y la vibración limitan la velocidad de rotación, aumentar la densidad se convierte en el método principal para mejorar las tasas de transferencia secuencial. Las velocidades más altas requieren un motor de husillo más potente, lo que genera más calor. Si bien la densidad de área aumenta al incrementar tanto el número de pistas en el disco como el número de sectores por pista, ^{[ 134 ]} solo este último incrementa la tasa de transferencia de datos para una determinada velocidad de rotación. Dado que el rendimiento de la tasa de transferencia de datos solo depende de uno de los dos componentes de la densidad de área, su rendimiento mejora a un ritmo menor. ^{[ 135 ]}

Otros aspectos a tener en cuenta en cuanto al rendimiento incluyen el precio ajustado a la calidad , el consumo de energía, el nivel de ruido y la resistencia a los golpes, tanto en funcionamiento como en reposo.

Discos duros de servidores y estaciones de trabajo

Se utilizan habitualmente con ordenadores multiusuario que ejecutan software empresarial . Algunos ejemplos son: bases de datos para el procesamiento de transacciones, infraestructura de internet (correo electrónico, servidor web, comercio electrónico), software de computación científica y software de gestión de almacenamiento nearline. Las unidades empresariales suelen funcionar de forma continua ("24/7") en entornos exigentes, ofreciendo el máximo rendimiento posible sin sacrificar la fiabilidad. La capacidad máxima no es el objetivo principal, por lo que a menudo se ofrecen con capacidades relativamente bajas en relación con su coste. ^{[ 157 ]}

Los HDD empresariales más rápidos giran a 10 000 o 15 000  rpm y pueden alcanzar velocidades de transferencia de medios secuenciales superiores a 1,6 Gbit/s ^{[ 158 ]} y una tasa de transferencia sostenida de hasta 1 Gbit/s . ^{[ 158 ]} Las unidades que funcionan a 10 000 o 15 000  rpm utilizan platos más pequeños para mitigar los mayores requisitos de energía (ya que tienen menos resistencia del aire ) y, por lo tanto, generalmente tienen una capacidad menor que las unidades de escritorio de mayor capacidad. Los HDD empresariales se conectan comúnmente a través de Serial Attached SCSI (SAS) o Fibre Channel (FC). Algunos admiten múltiples puertos, por lo que pueden conectarse a un adaptador de bus de host redundante .

Los discos duros empresariales pueden tener tamaños de sector mayores de 512 bytes (a menudo 520, 524, 528 o 536 bytes). El espacio adicional por sector puede ser utilizado por controladores RAID de hardware o aplicaciones para almacenar datos de campos de integridad de datos (DIF) o extensiones de integridad de datos (DIX), lo que resulta en una mayor confiabilidad y previene la corrupción silenciosa de datos . ^{[ 159 ]}

discos duros de vigilancia ;

Discos duros de grabación de vídeo utilizados en grabadoras de vídeo en red. ^{[ 151 ]}

El precio por byte de HDD disminuyó a una tasa del 40% anual durante 1988–1996, del 51% anual durante 1996–2003 y del 34% anual durante 2003–2010. ^{[ 160 ] [ 78 ]} La disminución del precio se ralentizó al 13% anual durante 2011–2014, ya que el aumento de la densidad de área se ralentizó y las inundaciones de Tailandia de 2011 dañaron las instalaciones de fabricación ^{[ 83 ]} y se ha mantenido en el 11% anual durante 2010–2017. ^{[ 161 ]}

La Junta de la Reserva Federal ha publicado un índice de precios ajustado por calidad para sistemas de almacenamiento empresarial a gran escala que incluyen tres o más discos duros empresariales y sus controladores, bastidores y cables asociados. Los precios de estos sistemas de almacenamiento a gran escala disminuyeron a una tasa del 30 % anual durante el período 2004-2009 y del 22 % anual durante el período 2009-2014. ^{[ 78 ]}

Más de 200 empresas han fabricado discos duros a lo largo del tiempo, pero las fusiones y adquisiciones han concentrado la producción en tan solo tres fabricantes en la actualidad: Western Digital , Seagate y Toshiba . La producción se concentra principalmente en la cuenca del Pacífico.

Los envíos de unidades HDD alcanzaron un máximo de 651 millones de unidades en 2010 y han ido disminuyendo desde entonces hasta los 166 millones de unidades en 2022. ^{[ 162 ]} Seagate, con el 43% de las unidades, tenía la mayor cuota de mercado. ^{[ 163 ]}