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하드 디스크 드라이브

비휘발성, 순차접근이 가능한 컴퓨터의 보조 기억 장치
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하드 디스크 드라이브(Hard disk drive, HDD), 하드 디스크(hard disk), 하드 드라이브(hard drive), 고정 디스크(fixed disk)[b]는 비휘발성, 순차접근이 가능한 컴퓨터의 보조 기억 장치이다.

하드 디스크 드라이브
2.5인치 SATA 하드 디스크 드라이브의 내부
발명일1954년 12월 24일(69년 전)(1954-12-24)[a]
발명자레이 존슨이 주도한 IBM 팀
2.5인치 하드 디스크 전후면

보호 케이스 안에 있는 플래터를 회전시켜, 이것에 자기 패턴으로 정보를 기록한다.

여기서 이 플래터를 구동하는 장치가 스핀들 모터로 이루어진 것이 특징이다.

데이터는 플래터 표면의 코팅된 자성체에 기록되며, 회전하는 플래터 위에 부상하는 입출력 헤드에 의해 자기적으로 데이터를 쓰고 읽을 수 있다.[2]

하드 디스크는 플로피 디스크하고 같은 자기 기록 매체이긴 하지만, 플로피 디스크하고는 달리 금속 재질의 플래터에 데이터를 기록하기 때문에 플로피디스크하고 구분짓기 위해 재질적으로 단단하다는 뜻으로 하드라는 이름이 붙었다.

일반적으로 아직까지는 개인용 컴퓨터의 운영 체제를 담는 용도로, 없어서는 안 될 저장 매체로 많이 쓰이고 있다.

더 높은 데이터 전송 속도, 더 높은 스토리지 밀도, 더 나은 신뢰성[3], 훨씬 더 낮은 레이턴시와 액세스 타임[4][5][6][7] 등 여러 가지 특성이 우수한 반도체 기반의 기록 매체인 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)가 가격하락으로 저장 매체 시장에 서서히 진입하고는 있긴 하지만, 저장 용량당 가격에서 하드 디스크에 비해 높은 효용성을 가지고 있으므로 성능적인 우위에도 불구하고 하드 디스크는 여전히 중요한 저장 매체로 사용되고 있다.

전원이 꺼지더라도 저장된 데이터는 유지되는 비휘발성 메모리의 일종이다.[8][9][10]

역사

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초기의 HDD. 최신형 HDD하고는 달리 플래터가 매우 많음에 주목할 것.

최초의 하드 디스크는 1956년에 미국의 IBM에서[11] RAMAC(Random Access Method of Accounting and Control)이라는 이름으로 출시되었다.

메인프레임과 미니컴퓨터에 탑재하기 위해 출시된 이 장치는 지름 24인치의 플래터 50장으로 약 4.8 MiB의 용량을 구현하였으며 가격은 약 5만 달러였다.

1980년대 초반까지는 하드디스크는 PC에 있어 특별한 기능을 하는 고가의 주변기기에 불과하였다.

하지만 1980년대 후반에 들어오면서 하드디스크는 PC에 있어 필수적인 기능이 되어 저가의 PC에도 탑재되기 시작했다.

2000년 초반 이후 디지털 가전제품의 수요가 증가함에 따라 디지털화된 영상과 음성을 저장하기 위한 용도의 수요가 증가하였으며, 2000년대 중반부터는 내비게이션과 텔레비전에도 하드디스크가 탑재되기 시작했다.

그 이후, 하드디스크를 USB나 IEEE 1394를 이용해 외부 장치처럼 이용할 수 있는 외장 하드디스크(외장 하드)가 등장하였다.

또한, 특정 컴퓨터에 종속되지 않고, 독립적으로 네트워크상에서 공유할 수 있는 NAS라는 제품도 등장하였다.

원리와 구조

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하드 디스크의 구조
 
헤드와 플래터
 
하드디스크의 구조2

원리적으로, 컴퓨터에 저장되는 모든 데이터는 0,1 두 디지털 신호에 의해 이루어진다.

하드 디스크의 경우 이러한 디지털 신호를 원반 형태의 플래터에 기록한다.

디지털 신호의 기록은 자기장의 밀도 변화를 이용해 기록한다.

좀더 자세하게 말하면, 자기장의 밀도 변화를 측정하는 바늘(헤드)가 플래터 위의 일정한 간격을 지나치는 동안 자기장의 극성이 변화하면 1, 그렇지 않으면 0으로 인식한다.

자기장을 이용한 기계적 구조로 구성된 하드 디스크는 반도체 기반의 저장 매체 (솔리드 스테이트 드라이브)에 비해 진동, 충격, 자성등의 외부 환경에 취약하다.

또한, 하드 디스크 외부는 소음 발생과 외부의 먼지 유입을 최소화하기 위해서 최대한 밀폐적인 구조로 설계되어 있다.

내부를 헬륨으로 충전하는 등 내부가 외부와 완전히 격리된 모델도 존재하지만, 일반적인 하드디스크에는 내부의 기압을 대기압과 동등하게 해주는 작은 구멍이 뚫린 씰이 있어 외부 환경에 따라 먼지 등이 유입될 수 있기 때문에 외부 환경에 의한 수명 편차가 크다.

  • 제어회로
하드 디스크를 제어하는 회로로 총괄적인 부분을 제어한다. 또한 제어회로에 있는 버퍼 메모리는 하드 디스크에 입출력될 데이터를 임시로 저장하게 된다. 또한 S.M.A.R.T. 기술이 내장된 하드 디스크는 자가 문제 진단을 할 수 있으며, 문제를 발견시에는 부팅시에 사용자에게 보고하게 된다. 단 바이오스가 S.M.A.R.T. 기술을 지원하지 않거나 사용안함으로 설정된 경우에는 사용자에게 보고하지 않는다.
  • 스핀들 모터 (Spindle Motor)
플래터의 회전을 담당한다. 브러시리스 모터를 이용하여 구동하기 때문에 모터의 제어회로가 따로 필요하게 된다. 초기에는 볼 베어링을 사용했지만 유체를 사용함으로써 볼의 마모로 인한 수명 문제가 개선된 동압 유체 베어링이 개발되면서 동압 유체 베어링으로 대체되었다. 동압 유체 베어링이 적용되면 거의 완전하게 원형 회전을 할 수 있어 트랙 밀도를 높일 수 있다.
데이터가 기록되는 부분이다. 플래터는 금속재질이지만, 거울과 같이 반사가 잘 될 정도로 래핑상태가 부드러우며, 데이터를 기록하기 위해 산화철 등의 자성체로 코팅되어 있다. 하나의 하드 디스크에는 한개 또는 그 이상의 플래터가 장착되어 있다. 플래터 수가 많으면 더 큰 용량을 저장할 수 있지만, 안정성에는 문제가 생길 수 있다.
  • 액추에이터 (Actuator)
헤드가 원하는 데이터를 읽을 수 있게 제어회로의 명령에 따라 액추에이터 암을 구동하는 역할을 한다. 구동을 위해 네오디뮴 자석이 있으며, 누설자속을 줄이기 위해 철과 같은 강자성체 재질로 된 자석 덮개가 있다. 액추에이터는 명령어 대기열(Command queuing) 기술을 통해 구동을 최소화하여 여러개의 파일을 효율적으로 입출력 할 수 있다. 단 명령어 대기열 기술을 사용할 때에는 하드 디스크와 ICH 칩셋이 모두 커맨드 큐잉 기술을 지원해야 사용이 가능하다. 초창기의 하드 디스크는 스테핑 모터로 액추에이터를 구동하여 데이터 손실을 방지하기 위해 헤드 파킹이 필요하였으나, 현재는 음성 코일 방식으로 액추에이터가 구동되어 하드 디스크의 전원 공급이 중단될 경우에는 스핀들 모터의 관성으로 헤드가 자동으로 제자리로 파킹되기 때문에 헤드 파킹은 더 이상 필요하지 않다.
  • 액추에이터 암 (Actuator arm)
액추에이터를 통해 구동되며, 하나의 하드 디스크에는 여러 개의 암이 달려있다. 앞 뒷면을 모두 사용하기 때문에, 각 플래터 당 두 개의 암이 달려있다. 각 암의 끝에는 입출력을 위해 헤드가 달려 있다.
  • 헤드 (Head)
데이터를 읽고 쓰는 헤드로, 스핀들 모터가 작동 할 때 헤드는 제어회로를 통해 나노미터 단위로 부상하여 기록하게 된다. 헤드가 부상되지 않은 상태에서 스핀들 모터가 작동될 경우에는 플래터에 손상을 주어 베드 섹터등의 복구가 불가능한 문제로 번질 수 있다. 헤드의 기록 방식에는 수직 기록 방식과 수평 기록 방식이 있다. 수직 기록 방식은 수직으로 데이터를 기록하기 때문에 수평 기록 방식에 비해 플래터당 기록 밀도를 훨씬 높일 수 있으며, 자성의 손실이 거의 없어 데이터의 수명이 더 길다.

크기 및 규격

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5.25인치 풀 사이즈 110MB HDD
2.5인치 6.5GB HDD
 
8인치, 5.25인치, 3.5인치 2.5인치, 1.8인치, 1인치의 하드 디스크

하드 디스크는 플로피 디스크 드라이브를 대체할 목적으로 개발되었으므로, 그 크기규격(Form Factor) 역시 이미 존재하고 있던 플로피 디스크 드라이브의 크기와 호환이 가능하게 제작되었다. 즉 3.5인치 드라이브는 3.5인치 디스켓 드라이브와 외형적 크기가 거의 동일하게 만들어졌다.

  • 8 인치 : 241.3 mm × 117.5 mm × 362 mm
  • 5.25 인치 : 146.1 mm × 82.55 mm × 203 mm

1980년 시게이트에 의해 제안된 규격이다.

  • 3.5 인치 : 101.6 mm × 25.4 mm × 146 mm

현재 데스크톱 PC에서 가장 일반적으로 사용되는 규격이다.

  • 2.5 인치 : 69.85 mm × 7~15 mm × 100 mm

1988년에 제안된 규격으로 이미 존재하는 FDD의 호환규격이 아닌 HDD 로서는 처음 제안된 규격이다. 노트북 컴퓨터 등의 이동성이 높은 기기나 XBOX 360 같은 소형 기기에서 널리 사용되고 있으며 많은 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)의 규격이기도 하다.

  • 1.8 인치 : 54 mm × 8 mm × 71 mm

1993년에 제안된 규격으로 휴대기기에서 점점 더 작고 더 많은 크기의 데이터를 저장할 필요성이 제기됨에 따라 제안된 규격이다. 노트북과 아이팟에 사용되면서 한때 사용량이 늘었으나 2012년을 정점으로 점차 플래시 메모리에 그 자리를 내주고 사용량이 감소하는 추세이다.

  • 1인치 : 42.8 mm × 5 mm × 36.4 mm

1999년에 CF 슬롯에 적용가능한 HDD 로 IBM에서 발표되었다.

  • 0.85 인치 : 24 mm × 5 mm × 32 mm

도시바에서 2004년에 핸드폰 등에서 사용될 것으로 제안되었다.

전송 인터페이스

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전송 인터페이스는 다음과 같다.

  • SASI : SCSI의 모태이다.
  • SCSI (스카시) : 병행연산 버스의 원형이다.
  • ST-506(시게이트 인터페이스) : 현재의 플로피 디스크를 제어하는 것과 동일한 MFM 방식이다.
  • ST-412(시게이트 인터페이스) : MFM 방식에 RLL 압축 기술을 적용하여 용량을 늘렸다. ST-506를 개량한 것이다.
  • ESDI : ST-412/506에 비해 동작 속도가 급격히 빨라졌지만, 이전의 규격들과 호환되지 않는다.
  • ATA : 초기의 병렬 방식인 병렬 ATA와 2003년에 개발된 직렬방식인 SATA가 있다.

용량의 변화

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1956년부터 현재에 이르기까지 플래터 하나의 용량이 급속히 늘어나, 지금은 20 테라바이트에 미치는, 큰 용량의 하드 디스크가 제품으로 나오고 있다.

한 해에 1.8배가 되고 2년에 3.2배, 5년에 10배가 될 것으로 내다보고 있다.

여기서 CPU의 처리 속도에 견주어 보면 하드 디스크의 용량이 성장 속도가 더 빠른 것을 알 수 있다. 용량의 증가 속도가 더딘 편이었으나, 현재는 기존의 LMR(수평 자기 기록)방식에서 PMR(수직 자기 기록)방식으로 전환되면서, 다시 용량이 크게 늘어나고 있는 추세이다.

용량를 넓히기 위해 현재 시게이트는 HAMR(Heat Assisted Magnetic Recording) 방식을, 히타치 제작소는 패턴 미디어(Patterned Media) 기술을 개발하고 있다.

하드 디스크를 이용한 전자제품

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지금까지 하드 디스크는 주로 컴퓨터에 사용하였지만, 최근에는 컴퓨터가 아닌 다른 전자제품에도 하드 디스크를 사용하는 빈도가 해마다 증가하고 있는 추세다.

  • HDD 레코더(PVR, Personal Video Recoder) : 기본 녹화방식은 VHS 또는 베타맥스 방식하고 비슷하지만, 기록 장치를 아날로그 방식으로 저장하는 자기 테이프하고는 달리 하드 디스크를 사용하여 디지털 파일 형태로 저장하기 때문에 화질이 뛰어난 것은 말할 것도 없고, PC하고 연결하여 동영상 자료의 보관 및 편집도 가능하다. VHS 테이프 수백 개 분량의 동영상 저장이 가능하며, 리모콘 조작으로 녹화물을 빠르게 찾아서 재생, 삭제, 편집이 가능하다. 기존 VTR처럼 클리닝 테이프를 사용하여 헤드를 자주 청소를 해주어야 하는 번거로움이 없으며, 되감기(◀◀)나 빨리 감기(▶▶) 과정도 필요없다. 기존 VTR이 한개의 채널만 녹화를 할 수 있는 반면, 2개의 하드디스크를 사용할 경우, 두 채널의 동시 녹화도 가능하다.
  • 자동차 내비게이션 : 자동차 내비게이션에 하드 디스크를 탑재하여 하드 디스크 드라이브에 영화, 음악 등을 저장해서 자동차 안에서 영화, 음악을 즐길 수 있다.
  • 휴대용 음악 플레이어 : 하드 디스크를 탑재해서 수천 곡을 간편하게 가지고 다닐 수 있다.
  • 캠코더 : 최근에는 기존의 8밀리미터 테이프나 DV 등을 대체하는 HDD 내장형 캠코더가 출시되고 있다. 기존의 방식보다 부피가 작아 휴대 및 사용이 편리할 뿐만아니라, 저장 성능도 우수하며, PC에 동영상 자료의 보관 및 편집도 가능하다.
  • 오락기 : 플레이스테이션 3나 엑스박스 같은 가정용 오락기에도 채용되고 있다.
  • 외장 하드 디스크 : 하드 디스크를 USB, IEEE1394, eS-ATA 등으로 연결할 수 있게 해주는 변환 장치와 같이 사용하면 하드 디스크를 이동식 디스크로 사용이 가능하다.

같이 보기

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각주

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  1. ↑ This is the original filing date of the application which led to US Patent 3,503,060, generally accepted as the definitive hard disk drive patent.[1]
  2. ↑ Further inequivalent terms used to describe various hard disk drives include disk drive, disk file, direct access storage device (DASD), CKD disk, and Winchester disk drive (after the IBM 3340). The term "DASD" includes other devices beside disks.
참조주
  1. ↑ Kean, David W., "IBM San Jose, A quarter century of innovation", 1977.
  2. ↑ Arpaci-Dusseau, Remzi H.; Arpaci-Dusseau, Andrea C. (2014). “Operating Systems: Three Easy Pieces, Chapter: Hard Disk Drives” (PDF). Arpaci-Dusseau Books. 
  3. ↑ “Validating the Reliability of Intel Solid-State Drives” (PDF). Intel. July 2011. 2012년 2월 10일에 확인함. 
  4. ↑ Fullerton, Eric (March 2018). “5th Non-Volatile Memories Workshop (NVMW 2018)” (PDF). IEEE. 2018년 9월 28일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2018년 4월 23일에 확인함. 
  5. ↑ Handy, James (2012년 7월 31일). “For the Lack of a Fab...”. Objective Analysis. 2012년 11월 25일에 확인함. 
  6. ↑ Hutchinson, Lee. (June 25, 2012) How SSDs conquered mobile devices and modern OSes. Ars Technica. Retrieved January 7, 2013.
  7. ↑ Santo Domingo, Joel (2012년 5월 10일). “SSD vs HDD: What's the Difference?”. 《PC Magazine》. 2012년 11월 24일에 확인함. 
  8. ↑ Patterson, David; Hennessy, John (1971). 《Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface》. Elsevier. 23쪽. ISBN 9780080502571. 
  9. ↑ Domingo, Joel. “SSD vs. HDD: What's the Difference?”. PC Magazine UK. 2018년 3월 21일에 확인함. 
  10. ↑ “Implications of non-volatile memory as primary storage for database management systems”. IEEE. 2018년 3월 21일에 확인함. 
  11. ↑ “IBM Archives: IBM 350 disk storage unit”. 2012년 10월 19일에 확인함. 
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