하드디스크(Hard Disk Drive, HDD) 구조와 작동 원리 및 각종 규격

하드 디스크란? 

 

하드 디스크는 하드 디스크 드라이브 라고도 이야기 하는데 짧게 줄여서 HDD 라고도 이야기 합니다. 

하드 디스크는 비휘발성, 순차 접근이 가능한 컴퓨터의 보조 기억장치입니다.

 

하드디스크에 존재하는 플래터를 회전시켜, 자기 패턴으로 정보를 기록합니다.

 

우리가 생각하는 대부분의 하드디스크는 다음과 같은 모양을 하고 있습니다.

위의 사진은 하드디스크의 앞과 뒤를 보여주는 사진인데 앞에서 이야기한 플래터를 확인 하기 위해서는 하드디스크의 내부 구조를 확인해야 합니다.

 

아래 사진을 보시면 하드디스크의 내부 구조가 어떻게 구성되어 있는지 확인 할 수 있습니다.

 

 

하드 디스크는 다음과 같이 6개로 구성 되어 있습니다. 

전원 커넥터, 데이터 커넥터, 헤드, 액추에이터암, 스핀들, 플래터가 존재 합니다.

 

(1) 전원 커넥터 : 하드디스크에 전원을 공급하는 역할을 합니다.

(2) 데이터 커넥터 : 하드디스크와 컴퓨터 사이의 데이터를 전송해주는 단자 이다.

(3) 헤드 : 데이터를 읽어주는 역할을 담당한다.

(4) 액추에이터암 : 헤드를 데이터가 있는 곳으로 움직이는 역할을 합니다.

(5) 플래터 : 실제로 데이터가 저장되는 곳

(6) 스핀들 : 플래터를 돌려주는 역할을 합니다.

 

각각의 추가적인 용어 및 위의 구성요소의 용어 설명을 하겠습니다.

 

Hard Disk Drive

 

플래터의 지름은 일반 PC용 하드디스크는 3.5"(실제 지름 3.75")이며, 더 큰것은 5.25", 작은것은 2" 인것도 존재합니다.

 

 

플래터(platter)

 

비 자성체인 비금속 원판 표면에 자성체인 산화 금속 막을 양면에 도장한 것입니다.

해당 산화 금속의 막을 논리적으로 나눈(partitioning)뒤 위치를 지정(formatting)하면 정보를 저장할 수 있게 됩니다.

 

 

스핀들(Spindle)

 

플래터가 회전할 수 있도록 모터와 직접 연결된 축입니다.

스핀들은 4개의 볼트와 1.25" 크기의 고정용 비금속 판을 이용해서 플래터를 축에 단단히 고정을 시킵니다.

스핀들에 여러장의 플래터를 설치할 경우에는 플래터 사이에 지름이 1.25" 두께 1/8" 의 스페이서(Spacer)를 넣어서 함께 고정합니다.

플래터를 일정한 속도로 회전시키는 장치인 모터가 존재 하고, HDD용 모터는 스핀들에 직접 연결이 되어 있어서 "스핀들 모터" 라고도 이야기 합니다.

 

 

헤드(Head)

 

플래터 표면에 코팅된 자성체를 자화 또는 소거를 하여 정보를 저장 또는 삭제를 하는 장치입니다. 또한 저장된 정보를 읽는 역할도 합니다.

일반적으로 해더의 수는 플래터의 수의 2배정도 있습니다.

플래터는 양면이기 때문에 한장의 플래터는 2개의 면으로 되어 있기 때문에 각면에 하나씩 해서 헤드가 2개가 필요한 것입니다.

 

따라서 3장의 플래터로 구성된 하드디스크는 6개의 헤드가 필요합니다.

 

 

헤드 구동 장치(Actuator)

 

액추에이터 라고 불리는 장치는 헤드를 움직이는 장치 입니다.

위의 사진에서는 액추에이터 암이라는 용어로 사용된 장치입니다.

HDD 회로 기판으로 부터 제어신호를 받으면 actuator용 구동장치는 헤드가 부착된 암을 지정한 위치 까지 이동 시킵니다.

헤드를 움직이는 구동 장치는 linear motor를 사용하는데, 이 모터는 수평으로 선 운동을 합니다.

부착된 암과 그 반대편의 코일이 감긴 모터 부분은 서로 연결되어 있으며 중앙에 축이 있어서 각기 반대 방향으로 움직입니다.

 

 

회로 기판(PCB)

 

HDD 하부에 회로 기판(PCB)라는 것이 달려 있습니다.

PCB에는 전원용 커넥터, 신호용 커넥터, 점퍼용 핀, BIOS, control chip, buffer memory, LED 등 여러 부품들이 부착되어 있습니다.

회로 기판은 방열, 수리따위의 목적으로 노출한 형태가 많아서 동작중에 실수로 금속 물체를 떨어뜨리거나 물을 쏟으면 고장 나기 쉬운 장치입니다.

 

 

실린더 (Cyinder)

 

다수개의 플래터의 트랙을 수직적으로 관통하는 3차원 적인 스택을 이야기 합니다.

하드 용량 = (헤드수) * (실린더 수) * (섹터수) * (섹터당 기록 용량) 의 공식으로 계산이 됩니다.

보통 섹터당 512KB 동심원을 동일한 각도로 나누어 데이터를 기록할 경우 내부 섹터와 외부 섹터의 실제 기록 밀도는 상당한 차이가 있습니다.

즉, 안 쪽 실린더에는 길이에 비해 기록 밀도가 매우 높습니다.

그래서 기록 밀도가 높은 곳은 데이터 안정에 문제가 생길 수도 있습니다. 

 

이러한 이유 때문에 모든섹터가 같은 길이를 갖도록 데이터를 기록하는 방식을 사용하는 것이 일반적인 추세입니다.

또한 하드디스크의 헤드 위치에 관한 정보를 읽을 수 있도록 별도의 헤드를 하나 더 사용합니다.

 

 

트랙, 섹터 (Track, Sector)

 

플로피 디스크와 하드디스크 기록 단위의 하나로 자기 매체에 늘어선 동심원으로 구획된 하나하나를 트랙이라 부르고 그 트랙들은 다시 섹터로 나뉘게 됩니다.

 

 

클러스터 (Cluster)

 

섹터의 그룹이며 도스에 의해 인식되는 최소 기억 단위 입니다. 보통은 클러스터의 2의 N승개의 섹터를 가지고 있습니다.

작게는 16부터 많게는 128개이상의 섹터를 하나의 클러스터로 사용합니다.

 

 

 

하드 디스크의 작동원리

 

하드디스크의 자성 물질로 덮인 플래터를 회전 시키고, 그 위에 헤드를 접근시켜 플래터 표면을 자기 배열을 변경하는 방식으로 데이터를 읽거나 쓴다.

 

플래터의 중심에는 플래터를 회전 시키기 위해서 스핀들 모터가 있고, 스핀들 모터의 회선속도(RPM)가 높을 수록 더욱 빠르게 데이터를 읽고 쓸 수가 있다. 허나 소음과 진동이 발생하는 단점이 생긴다.

 

헤드는 실제로 플래터와 접촉을 하고 있는 것이 아니고 표면에 살짝 더있는 상태로 데이터를 읽거나 쓰는데 하드 디스크가 동작하는 도중에 외부에서 충격이 가해지거나 갑자기 전원이 차단되면 헤드가 플래터의 표면을 긁어서 고장 나기도 합니다.

또한, 자성 물질로 데이터를 기록하는 플래터의 특성 때문에 하드디스크 주변에 자석이 있다면 기록된 데이터가 손상되기도 합니다.

 

실제로 하드디스크를 파괘하기 위해서 강력한 자성을 띄는 자석을 이용해서 하드디스크 옆을 쓸면 파괴가 되는 것을 확인해 본적이 있습니다.

 

PC사용이 끝난 후에 '윈도우 종료' 메뉴와 같은 파킹(헤드를 기본 위치로 옮김) 기능을 이용해서 전원을 끄는 것이 좋다.

 

 

 

하드 디스크의 각종 규격

 

(1) IDE (Integrated Drive Electronics)

가장 오래된 규격. 40개의 핀으로 구성된 직사각형 구조이다.

데이터 전송을 병렬로 전송한다는 뜻에서 PATA (Paralleled Advanced Trchnology Attachment) 인터페이스라고 부른다.

최신 규격은 UDMA6 모드에서 초당 133.3MB 데이터 전송을 한다.

E-IDE는 초기형 IDE 보다 성능이 향상되어 있지만, 일반적으로 IDE라고 부른다.

 

(2) SATA (Serial Advanced Technology Attachment)

SATA_1 규격에서는 초당 150MB, SATA_2는 초당 300MB의 전송속도를 나타낸다.

SATA_2 규격에서는 USB처럼 하나의 포트에 여러 개의 하드디스크를 연결 할 수 있다.

PC를 끄지않고 장치를 연결할 수 있는 핫플러그 기능이 추가 되었다.

 

(3) SCSI (Small Computer System Interface)

서버나 워크스테이션 등에 쓰이는 고속 인터페이스이다. 

이 규격을 사용하기 위해서는 별도의 확장 카드를 달아야한다.

최신 규격은 ULTRA 320은 최대 320MB/초의 속도를 낸다.

최근 이를 대체 하는 SAS 인터페이스가 등장하면서 사용하는 곳이 조금씩 줄고 있다.

 

(4) SAS (Serial Attached SCSI)

SCSI 규격을 한 단계 발전한 것으로 이 규격 역시 서버 등의 대형 컴퓨터에 주로 쓰인다.

성능은 울트라 320 SCSI보다 우수하다.

 

(5) SSD (Solid State Drive. Soild State Disk)

솔리드 스테이트 드라이브 또는 솔리드 스테이트 디스크의 영문 약자 입니다. 

하드디스크 드라이브와 비슷하게 동작하면서도 기계적 장치인 HDD와 달리 반도체를 이용해서 정보를 저장합니다.