[CE] Disk Drive

Disk Drive

레코드판과 같은 형태의 Disk의
알루미늄과 같은 금속성 표면에 자성 물질을 입히고,
Disk head를 이용하여
해당 자성 물질의 특정 위치에 데이터를 저장하거나 저장된 데이터를 읽어내는 기억 장치

1. Block Device의 일종
   1. 데이터를 bit단위가 아닌 block단위로 처리. (한번에 1block씩 처리)
   2. HDD에서 block을 보통 sector라고 부름.
2. Direct Access Storage Device (DASD, 직접접근 저장장치)로 Disk head를 조절하여 원하는 데이터가 있는 위치 혹은 데이터를 기재할 원하는 위치에 직접 접근할 수 있음.
   1. Magnetic Tape 의 경우, 원하는 데이터를 읽어들이기 위해서는 테이프 처음부터 읽기 시작해서 해당 위치로 이동해야함. (흔히 드는 예가 tape와 LP임)
   2. Magnetic Tape와 같은 기억장치를 Sequential Access Storage Device (SASD, 순차접근 저장장치)라고 함.
3. 종류로는 Floppy Disk Drive와 Hard Disk Drive로 나뉨
   1. 초기에는 모두 Hard disk였으나 잘 구부러지는 재질의 floppy disk가 등장하면서 나누어 부름.
   2. 현재 floppy disk는 용량의 제한으로 인해 거의 사용되지 않음.
   3. Disk Drive의 variation으로 Magnetic drum이 있으며 초기에 대형 시스템등에서 사용되었으나 현재는 거의 쓰이 지않음.

Hard Disk Drive (HDD) 는
회전하는 구조로 베어링 등의 기계적 노화로 인해 수명이 한정됨
다른 기억장치들에 비해 속도가 느린 편.
속도는 낮으나 가격대비 저장용량이 우수한 기억장치임.
전형적인 nonvolatile memory이며 보조기억장치의 대표임.

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Disk

Disk는 bit단위보다는 block단위로 데이터를 처리하는 장치이며,
Disk Drive에서 다루는 block을 sector라는 표현으로 부름.

• 이는 1bit씩 데이터를 다루는 게 아닌 sector로 묶어서 다룬다는 의미
• 1bit의 데이터를 읽기 위해서 Disk Drive는 1sector를 읽어야 함

1 sector는 512 byte에서 4096 byte에 이르기까지 크기가 다양하다(점점 커지는 추세임).

 

다음 그림은 Disk를 구성하는 1개의 Platter (접시같은 원반)를 보여준다

(일반적으로 Disk는 하나 이상의 Platter로 구성됨.)

• 트랙 (Track) : 회전축을 중심으로 자료가 저장되는 동심원을 가르킴. 
• 섹터 (Sector) : 하나의 트랙을 여러 개로 구분한 것.
• 실린더 (Cylinder) : 동일 위치의 트랙들로 구성된 집합 (여러 platter).
• Cluster : 동일 track에서 연속된 sector들로 구성됨.

안쪽의 트랙과 바깥쪽의 트랙이 길이는 다르지만 정보량은 같음.

 

위 그림과 같은 layout에서는

• 1개의 sector는 동일한 수의 bit의 데이터를 기록가능하므로,
• 바깥쪽의 track일수록 bit density ($\text{bits}/\text{mm}^2$)가 낮아짐.
• 최근 바깥쪽에 보다 많은 sector가 놓이도록 개선된 HDD도 있음

 

Cylinder, track, sector에 번호가 할당되며, 이를 데이터의 저장된 장소(=address, 주소)로 사용함.

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HDD구조

• Spindle : Disk 중앙부에 위치하며 모터와 연결되어 Platter를 일정 속도(Revolution Per Minute)로 회전시킴.
• Platter : Disk를 구성하는 원판 한 장. 앞/뒷면에 자성물질로 코팅되어 0/1을 기록할 수 있음.
• Read/Write Head (Slider) : 여러 Platter 사이에 놓이며 Platter의 앞/뒷면에 하나씩 할당되어 데이터를 기록하거나 읽어들임(전자기 유도를 이용하여 데이터를 읽고 쓰며, 아주 작은 공간  정도만 떨어져 있음.)
• Actuator arm : 방사상으로 움직여서 Head가 원하는 위치에 놓이게 함. 
• Actuator : Actuator arm을 움직이게 하는 구동 장치.

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HDD 크기에 따른 분류

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HDD 관련 용어

Seek time은 원하는 track으로 head가 움직이는데 걸리는 시간.

Latency (or Rotational latency, 회전 지연시간)은 track에서 실제 sector로 이동하는데 걸리는 시간.

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HDD 종류 (interface 방식 등에 따른)

IDE (lntegrated Drive Electronics, or PATA) :

• 저가에 매우 안정적인 방식 (내가 대학생 시절에 쓰던...).
• 1개의 채널에 2개의 주변장치 (HDD, CD-Rom 등)를 연결할 수 있으며 Master, Slave개념으로 나뉨.
• EIDE (Enhanced IDE) 는 2개의 채널을 지원하여 총 4개의 HDD를 장착가능했다. (현재 IDE라 하면 모두 EIDE임)
• 대략 8GB의 HDD가 한계였던 걸로 기억. (요즘은 RAM이 이정도 사이즈 이상인 시대..)

SCSI (Small Computer System Interface) :

• 시스템 구분 없이 주변 장치를 7개에서 죄대 15 개까지 연결함.
• 빠른 전송 속도로 주변 장치의 데이터를 컴퓨터로 전달하는 장점을 가짐.
• 하지만 별도의 컨트롤러가 필요하며 컨트롤러 자체에 프로세서가 장치되어 있어 CPU에 무리(CPU에 독립적)를 주지 않고 데이터 처리가 가능함.
• 별도의 컨트롤러를 마더보드에 연결하여 사용하는 방식이었다.
• 예전엔 비싸지만 고성능이 필요할 때 쓰던 방식. 
• SAS(Serial Attached SCSI)로 이어졌고, 원래 고가의 장비용으로 사용된 특성상 2020년대에는 거의 SAS SSD가 대세임.
• 속도에서는 NVMe보다 떨어지나 확장성이 보다 좋아서 SAN을 통한 대용량 저장 시스템 구축에서는 SAS가 많이 사용됨 (거기다 전송가능 길이도 매우 긴 편이라 3m까지 문제 없음).
• SAS-1(3Gbps), SAS-2(6Gbps), SAS-3(12Gbps), SAS-4(24Gbps)

SATA (Serial Advanced Technology Attachment) :

• 병렬연결 방식이던 IDE가 빠른 전송속도의 요구를 따라가지 못하자 등장한 직렬연결방식.
• 하나의 SATA 연결은 하나의 channel로 인식됨 (마스터 슬레이브 점퍼 설정 필요없음).
• SATA는 예전의 ATA 표준을 계승하여, ‘병렬 ATA(PATA, Parallel ATA, 기존의 ATA)’를 대체하기 위해 고안됨.
• SATA 1 규격에서는 150MB/s, SATA 2는 300MB/s의 전송 속도를 낸다.
• 또 SATA 2에서는 USB처럼 허브를 이용해 하나의 포트에 여러 개의 하드디스크를 연결할 수 있고 PC를 끄지 않고 장치를 연결하는 핫플러그 등의 기능이 추가됨.

RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) :

• 여러 드라이브의 집합을 하나의 저장 장치처럼 취급함 장애가 발생했을 때 데이터를 잃어버리지 않게 하며 각각에 대해 독립적으로 동작할 수 있도록 하는 시스템
• 여러 개의 HDD(하드디스크)를 하나의 Virtual Disk로 구성하므로 대용량 저장 장치 구축이 가능함