ما هو القرص الصلب وكيف يعمل؟
على أساس يومي، نستخدم باستمرار محركات أقراص ثابتة مختلفة لتنفيذ أعمالنا على الكمبيوتر، ولكن هل تساءلت يومًا عن كيفية تخزين المعلومات على القرص الصلب؟ بلغة أبسط، كيف تتم كتابة المعلومات على القرص الصلب وقراءتها مرة أخرى في مرحلة لاحقة؟
عادةً، في جهاز كمبيوتر محمول بقيمة 500 دولار، تبلغ مساحة تخزين SSD 256 جيجابايت، ويمكن وضع جميع أنواع البيانات على طراز محرك الأقراص الثابتة هذا. ومع ذلك، في هذه المقالة، نريد التحدث عن كيفية تخزين بياناتك على القرص الصلب. باختصار، يمكن القول أن القرص الصلب المثبت على نظامك يستخدم مغناطيسًا لتخزين المعلومات.
عندما نقارن هذا مع القرص المضغوط، يمكن أن يكون هذا النهج أكثر كفاءة. في الواقع، إذا أردنا الاستمرار في نسخ بياناتنا الكبيرة على أقراص مضغوطة، فسنواجه بمرور الوقت عددًا كبيرًا من الأقراص المضغوطة، والتي سيكون من الصعب صيانتها، وسيبدو شراء أقراص مضغوطة جيدة النوعية باهظ الثمن.
كيف يعمل القرص الصلب؟
لفهم القرص الصلب بشكل كامل، تحتاج إلى التعرف على هذا الجزء ماديًا. بشكل عام، يوجد داخل محرك الأقراص الثابتة أجزاء من القرص وفوق هذه الأجزاء توجد مساحة تبلغ بضعة ملليمترات. تسمى هذه الأقراص أيضًا الأطباق. هذه الألواح مصقولة إلى سطح أملس للغاية يشبه المرآة ويمكن أن تحتوي على كمية كبيرة من المعلومات.
في القسم التالي، لدينا الذراع. يقوم هذا المكون بقراءة المعلومات الموجودة على القرص وكتابتها. يتحرك هذا الذراع باستمرار من الجزء المركزي إلى حافة القرص ويقرأ المعلومات أو يكتبها من خلال الرؤوس الصغيرة جدًا التي يمتلكها. في المتوسط، يمكن أن يتأرجح الذراع الموجود في محركات الأقراص المنزلية حوالي 50 مرة في الثانية. يمكن أن يزيد هذا العدد إلى الآلاف في العديد من الأجهزة عالية المواصفات وكذلك الأجهزة المستخدمة للحسابات المعقدة.
لفهم أفضل ، بالنسبة لمحركات الأقراص الثابتة التي تعمل بسرعة 5400 دورة في الدقيقة ، يتحرك الذراع 62 ميلاً في الساعة. كما أن الذراع على بعد 10 نانومتر فقط من اللوحة ويجب على الذراع قراءة أو كتابة المعلومات على اللوحة في هذه المسافة الصغيرة جدًا. تستخدم محركات الأقراص الثابتة مفهوم المغناطيسية لأداء هذه العملية. لفهم كيفية عمل القرص الصلب بشكل أفضل ، نحتاج إلى مراجعة بعض المفاهيم الأساسية.
شرح تأثير المغناطيسية على أداء القرص الصلب
قبل الدخول في محركات الأقراص الثابتة، من الأفضل التحدث عن المفاهيم التي من خلالها تخزن محركات الأقراص الثابتة المعلومات.
بكلمات بسيطة للغاية، تستخدم الأقراص الصلبة المغناطيسية الحديدية لتخزين جميع ملفاتك في بضع ثوانٍ، ولكن ربما يكون هذا السؤال قد تبلور في ذهنك الآن، ما هي المغناطيسية الحديدية؟
ربما تكون قد واجهت هذه التجربة بالفعل عن طريق وضع عدة قطع من الورق بجوار المغناطيس، بحيث تصبح الأوراق ممغنطة في النهاية. هذا هو سلوك بعض المعادن التي تكتسب خصائص مغناطيسية عند وضعها بالقرب من المغناطيس. تسمى هذه المواد بالمغناطيسات الحديدية. يستخدم هذا التغيير في خصائص المكاوي المذكورة لتخزين المعلومات على القرص الصلب.
على الرغم من أن الطبق الموجود على محرك الأقراص يشبه المرآة الموجودة أسفل السطح، إلا أن الطبق يتكون من بلايين الحبيبات الصغيرة. هذه الحبيبات لها خصائص جوهرية مماثلة لتلك القطع من الورق في تجارب المدرسة الثانوية ويمكنها تخزين المعلومات المغناطيسية في وجود مجال مغناطيسي. لتخزين المعلومات، يمكن أن يكون لهذه الحبيبات حالتان مختلفتان، وتُعرف هذه الحالات باسم العزوم المغناطيسية.
بالإضافة إلى ذلك، على عكس قطع الورق ، فإن الحبيبات صغيرة جدًا في الحجم، ويمكن أن تخزن بوصة مربعة واحدة من اللوحة مئات الجيجابايت من البيانات. لذلك، يتم استخدام مغناطيس كهربائي برأس صغير جدًا لكتابة معلومات عن هذه الحبيبات الصغيرة. في ما يلي، سنناقش كيفية كتابة المعلومات على هذه الحبوب باستخدام مغناطيس كهربائي.
كيفية كتابة المعلومات على القرص الصلب
افترض أن جهاز الكمبيوتر الخاص بك يريد حفظ ملف على محرك الأقراص الثابتة. هذه المعلومات هي في الواقع عدد من الأصفار والآحاد التي تغير اتجاه التدفق في رأس الكتابة. نظرًا للتغير في الحالة الحالية، فإن قطبية المغناطيس الكهربائي تحفز مجالًا مغناطيسيًا مختلفًا في اللوحة الموجودة أسفلها. هذه الاختلافات في المجالات المغناطيسية على الصفيحة هي التي تخلق لحظات مغناطيسية مختلفة في الحبيبات.
لذلك، إذا قرر نظامك تخزين المعلومات 1، فيجب أن يكون للبذرة المعنية لحظة مغناطيسية مختلفة مقارنة بالمعلومات 0. هذه الاختلافات في الخصائص المغناطيسية للحبوب تمنح القرص الصلب القدرة على تخزين المعلومات.
فهم الطرق المختلفة لتخزين المعلومات على القرص
ينتج البشر معلومات رقمية أكثر بكثير من أي وقت مضى. في الواقع ، في عام 2021، تم إنشاء أكثر من 75 زيتابايت من المعلومات وتخزينها ونسخها بل واستهلاكها على مستوى العالم. وبالمثل، بناءً على الأرقام المذهلة المذكورة سابقًا، يجب أن تخزن محركات الأقراص الثابتة بيانات أكثر من أي وقت مضى. لهذا السبب، يجب أن تكون الحبيبات الموجودة على سطح الألواح أصغر حجمًا وأقرب ما يمكن.
من خلال جعل البذور أصغر، تظهر تحديات ومشاكل جديدة. على سبيل المثال ، يمكن أن تفقد الحبوب الصغيرة المعلومات المغناطيسية بسهولة أكبر بسبب العوامل البيئية. لذلك، يجب ترتيب اللحظات ذات المعنى بترتيب مختلف لحل هذه المشكلة.
فيما يلي بعض الطرق المختلفة لتخزين المعلومات على اللوحات:
التسجيل المغناطيسي الطولي
كما يوحي الاسم، يقوم التسجيل المغناطيسي الطولي (LMR) بتخزين البيانات طوليًا. تعني هذه الطريقة أن ثنائيات الأقطاب المغناطيسية لها نفس ترتيب رأس الذراع أثناء حركة الكتابة. على الرغم من أن طريقة LMR تعمل بشكل جيد، إلا أن حجم ثنائيات الأقطاب على القرص الصلب باستخدام تقنية LMR يشغل مساحة كبيرة. لهذا السبب، يتم تحقيق كثافة تبلغ 100 غيغابايت لكل بوصة مربعة بواسطة LMR.
تسجيل مغناطيسي عمودي
يوفر التسجيل المغناطيسي العمودي (PMR)، المعروف أيضًا باسم التسجيل المغناطيسي التقليدي، مساحة تخزين أكبر من طريقة LMR. سبب هذه الزيادة هو الاختلاف في ترتيب ثنائيات الأقطاب المغناطيسية. يتم تخزين المعلومات في طريقة LMR طوليًا، ولكن في تقنية PMR، يتم ترتيب ثنائيات الأقطاب عموديًا. لذلك، فإن الأضلاع الثنائية الموجودة في محرك PMR تكون متعامدة مع حركة رأس الذراع أثناء الكتابة. هذا التغيير في الترتيب يزيد من كثافة المعلومات. وبالمثل، فإن كل ثنائي القطب يشغل مساحة أقل مقارنة بثنائيات الأقطاب المستخدمة في تقنية LMR. لهذا السبب، يمكن وضع كثافة من 300 إلى 400 غيغابايت لكل بوصة مربعة في طريقة PMR.
تغطية التسجيل المغناطيسي
كما ذكرنا سابقًا، يتم تخزين المعلومات على حبيبات صغيرة داخل القرص الصلب. يتم وضع بذور تخزين البيانات هذه في دائرة دائرية على القرص الصلب. في الواقع، هذه هي الدوائر والمسارات التي يتحرك فيها الذراع لكتابة المعلومات وتخزينها. على الرغم من وضع هذه المسارات بالقرب من بعضها البعض في تقنيات PMR و LMR، إلا أن هذه المسارات لا تتداخل. في حالة حدوث تداخل، يمكن أن تحدث مشاكل أثناء قراءة البيانات. في التسجيل المغناطيسي المتراكب (SMR)، تتداخل المسارات لزيادة كمية البيانات التي يمكن تخزينها على محرك أقراص واحد. بسبب المسارات المتداخلة، تزيد تقنية SMR من كثافة التخزين بنسبة تصل إلى 25٪.
تسجيل مغناطيسي حراري
على الرغم من أن التغيير من تقنية LMR إلى تقنية PMR قد أدى إلى زيادة كبيرة في كمية البيانات التي يمكن تخزينها على القرص الصلب، إلا أن هذه التقنية لا تزال غير كافية للشركات العملاقة مثل Google و Facebook و Microsoft و Amazon، والتي لديها في 1200 بيتابايت على الأقل من البيانات. لذلك، لزيادة كثافة البيانات على القرص الصلب، تم اختراع طريقة تسمى التسجيل المغناطيسي بمساعدة الحرارة (HAMR). تعمل هذه التقنية في الواقع على تسخين اللوح باستخدام الليزر بحيث يمكن وضع البذور بالقرب من بعضها البعض حتى لا تضيع المعلومات التي تخزنها بسبب العوامل البيئية. بسبب هذا التقدم، يمكن لمحركات الأقراص الثابتة التي تستخدم تقنية HAMR تخزين أكثر من 2 تيرابايت من البيانات لكل بوصة مربعة.
بالإضافة إلى ترتيب ثنائي الأضلاع وترتيبه، فإن كيفية تقسيم محرك الأقراص الثابتة سيؤثر أيضًا على الأداء.
قراءة البيانات من القرص الصلب
الآن بعد أن فهمنا كيفية كتابة المعلومات على محركات الأقراص الثابتة، فإن الخطوة التالية هي كيف يمكن لمحرك الأقراص الثابتة قراءة المعلومات المكتوبة.
كما يتضح في الصورة أدناه، يتكون القرص الصلب من مجموعة من المسارات. كما ذكرنا، هؤلاء هم الذين يخزنون المعلومات. عندما تقوم بحفظ ملف على الكمبيوتر، فإن رأس الكتابة في الذراع سيقوم بجزء الكتابة من الطريق، وسيتذكر محرك الأقراص الثابتة موقع الملف.
عندما تفتح الملف ، تطلب وحدة المعالجة المركزية من القرص الصلب أن يفعل الشيء نفسه. يضع القرص الصلب الذراع في نفس الاتجاه الذي كانت فيه المعلومات مكتوبة مسبقًا في هذا القسم.
في هذا القسم، يجب أن يُظهر رأس القراءة لمحرك الأقراص الثابتة أدائه. تمامًا مثل رأس الكتابة في القرص الصلب، يوجد مغناطيس كهربائي كبير جدًا (GMR) لرأس القراءة. ومع ذلك، على عكس رأس الكتابة الذي يحفز مجالًا مغناطيسيًا، يكتشف رأس GMR التغيرات في المجالات المغناطيسية على الطبق. بسبب هذه الميزات الموجودة في رأس القراءة، يمكن لهذا الرأس قراءة المعلومات من اللوحة. هذه هي عمليات قراءة وكتابة المعلومات التي تسبب سماع ضوضاء معينة من القرص الصلب. بالطبع، من نافلة القول أن ضوضاء محرك الأقراص الثابتة هي في مستوى ضوضاء منخفضة التردد العادية. إذا كانت شدة الضوضاء أعلى من المعتاد ، فمن الممكن أن يواجه القرص الصلب مشاكل في قراءة البيانات.
SSD أو HDD؛ ما هو القرص الصلب الأفضل للشراء؟
تعد
محركات الأقراص الصلبة أو SSD أكثر حداثة من الناحية التكنولوجية من الأقراص الصلبة. توفر محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة للمستخدم سرعات قراءة وكتابة أسرع، وهذا بالتأكيد في صالح المستخدم لتوفير تسهيلات وراحة أفضل من خلال إنفاق المزيد من المال. ومع ذلك، يمكنك توفير بعض المال عن طريق شراء SSD بسعة تخزين أصغر.
مع كل هذه التفسيرات، إذا كان لديك مجموعة ضخمة من ألعاب الفيديو التي تشغل عدة تيرابايت من المساحة على محرك الأقراص الثابتة، فإن أفضل قرار لا يزال هو شراء محرك أقراص ثابت ميكانيكي لتخزين المزيد من البيانات بتكلفة أقل. ومع ذلك، فأنت بحاجة إلى اتخاذ العناية والاحتياطات المناسبة لمحرك الأقراص الثابتة ومحرك الأقراص الثابتة للحفاظ على صحة محرك الأقراص الثابتة لفترة طويلة.
