容量8TBのハードディスクドライブの前面
容量8TBのハードディスクの前面
同じハードディスクドライブの背面。コントローラボードが見える。
筐体内のポータブルハードディスク

ハードディスクドライブ（HDD）、ハードディスク、ハードドライブ、または固定ディスク[a]は、磁性材料でコーティングされた1つまたは複数の硬質で高速回転するプラッタを備えた磁気記憶装置を使用してデジタルデータを保存および取得する電気機械データ記憶装置である。プラッタは、通常、可動アクチュエータアーム上に配置された磁気ヘッドと対になっていて、プラッタ表面にデータを読み書きする。[1]データはランダムアクセス方式でアクセスされるため、個々のデータブロックを任意の順序で保存および取得できます。HDDは不揮発性ストレージの一種で、電源を切っても保存されたデータは保持されます。[2] [3] [4]現代のHDDは通常、小さな長方形の箱の形をしており、携帯できるようにディスクエンクロージャに収納されている場合もあります。

ハードディスクドライブは1956年にIBMによって導入され、 [5] 1960年代初頭から汎用コンピュータの主要な二次記憶装置となりました。HDDは、サーバーやパーソナルコンピュータの現代においてもこの地位を維持していますが、携帯電話やタブレットなど、大量生産されるパーソナルコンピューティングデバイスは、フラッシュメモリ記憶装置に依存しています。歴史的に224社以上がHDDを製造してきましたが、大規模な業界統合を経て、ほとんどのユニットはSeagate、Toshiba、Western Digitalによって製造されています。HDDは、サーバー用に生産されるストレージの量（年間エクサバイト）の大部分を占めています。生産は緩やかに成長していますが（出荷エクサバイトベース[6]）、売上高と出荷台数は減少しています。これは、ソリッドステートドライブ（SSD）のデータ転送速度、面記憶密度が高く、信頼性がやや高く、[7] [8]、レイテンシとアクセス時間が大幅に短いためです。[9] [10] [11] [12]

ほとんどがNANDフラッシュメモリを使用するSSDの売上高は、2018年にHDDをわずかに上回りました。[13]フラッシュストレージ製品の売上高は、2017年の時点でハードディスクドライブの2倍以上でした。[14] SSDはビットあたりのコストが4〜9倍高いですが、[15] [16]速度、消費電力、小型サイズ、高容量、耐久性が重要なアプリケーションでHDDに取って代わりつつあります。[11] [12] 2017年の時点で、SSDのビットあたりのコストは低下しており、HDDに対する価格プレミアムは縮小しました。[16]

HDD の主な特性は、容量とパフォーマンスです。容量は1000 の累乗に対応する単位の接頭辞で指定されます。1テラバイト(TB) のドライブの容量は 1,000ギガバイトで、1 ギガバイト = 1 000 メガバイト = 1 000 000 キロバイト (100 万) = 1 000 000 000バイト(10 億) です。通常、HDD の容量の一部はファイル システムとコンピューターのオペレーティング システムによって使用され、エラー修正および回復用に内蔵の冗長性によっても使用されるため、ユーザーは利用できません。HDD メーカーは容量を 1000 の累乗の 10 進ギガバイトで表記しますが、最も一般的に使用されるオペレーティング システムでは容量が 1024 の累乗で報告されるため、ストレージ容量に関して混乱が生じることがあります。その結果、宣伝されているよりも小さな数値になります。パフォーマンスは、ヘッドをトラックまたはシリンダーに移動するのに必要な時間 (平均アクセス時間)、目的のセクターがヘッドの下を移動するのにかかる時間 (平均レイテンシ、これは1 分あたりの回転数での物理的な回転速度の関数です)、そして最後に、データが送信される速度 (データ レート) として指定されます。

現代のHDDの最も一般的なフォームファクタは、デスクトップコンピュータ用の3.5インチと、主にノートパソコンやサーバー用の2.5インチです。HDDは、 SATA（シリアルATA）、USB、SAS（シリアルアタッチドSCSI）、PATA（パラレルATA）ケーブル などの標準インターフェースケーブルでシステムに接続されます。

歴史

1950年代～1960年代

IBMが初めて製造したハードディスクドライブである350ディスクストレージは、1957年にIBM 305 RAMACシステムのコンポーネントとして出荷されました。大型冷蔵庫2台分ほどの大きさで、52枚のディスク（100面使用）に500万の6ビット文字（3.75メガバイト）[18]を保存しました。 [28] 350は1本のアームに2つの読み取り/書き込みヘッド（1つは上向き、もう1つは下向き）を備え、隣接する2つのプラッター間で水平方向に、また1つのプラッターからもう1つのプラッターセットへ垂直方向に移動しました。[29] [30] [31] IBM 350の派生型には、IBM 355、IBM 7300、IBM 1405がありました。

1961年、IBMはIBM 1301ディスク記憶装置[32]を発表し、1962年に出荷した。これはIBM 350などのドライブに取って代わるものであった。1301は1つ（モデル1）または2つ（モデル2）のモジュールで構成され、各モジュールには約1 ⁄ 8インチ（3.2 mm）の厚さ、直径24インチ（610 mm）のプラッタが25枚含まれていた。[33]初期のIBMディスクドライブはアームごとに2つの読み取り/書き込みヘッドしか使用していなかったが、1301は48 [l]のヘッド（くし形）のアレイを使用し、各アレイは1つのユニットとして水平に移動し、使用される面ごとに1つのヘッドが使用された。シリンダーモードの読み取り/書き込み操作がサポートされ、ヘッドはプラッタ表面から約250マイクロインチ（約6 μm）上を飛行した。ヘッドアレイの動きは、繰り返し可能な位置決めを保証する油圧アクチュエータのバイナリ加算システムに依存していた。 1301のキャビネットは、大型冷蔵庫を3台並べたくらいの大きさで、モジュールあたり約2100万バイト相当の8ビットデータを保存できました。アクセス時間は約0.25秒でした。

1962年、IBMはモデル1311ディスクドライブを発表しました。これは洗濯機ほどの大きさで、リムーバブルディスクパックに200万文字を保存できました。ユーザーは磁気テープのリールのように、必要に応じてパックを追加購入して交換することができました。IBMやその他の企業からの後継モデルであるリムーバブルパックドライブは、ほとんどのコンピュータシステムで標準となり、1980年代初頭には容量が300MBに達しました。非リムーバブルHDDは「固定ディスク」ドライブと呼ばれていました。

1963年にIBMは1302 [34]を発表しました。これは1301の2倍のトラック容量とシリンダーあたりのトラック数の2倍でした。1302には1つ（モデル1の場合）または2つ（モデル2の場合）のモジュールがあり、それぞれ最初の250トラックと最後の250トラック用の別々のコームが含まれていました。

一部の高性能HDDは、1トラックあたり1つのヘッドを搭載して製造されました。例えば、1964年のBurroughs B-475や1970年のIBM 2305などです。これにより、ヘッドをトラックに物理的に移動させる際のロスがなく、必要なデータブロックがヘッドの下の所定の位置に回転するまでの遅延時間のみで済みました。[35]固定ヘッドまたはヘッドパートラックディスクドライブとして知られるこれらのディスクドライブは非常に高価であり、現在は生産されていません。[36]

1970年代

1973年、IBMは「ウィンチェスター」というコードネームで呼ばれる新しいタイプのHDDを発表しました。その最大の特徴は、ドライブの電源を切ってもディスクヘッドがディスクプラッターのスタックから完全には引き抜かれないことでした。その代わりに、スピンダウン時にヘッドはディスク表面の特定の領域に「着地」し、その後ディスクの電源を入れると再び「離陸」します。これによりヘッドアクチュエータ機構のコストは大幅に削減されましたが、当時のディスクパックのようにディスクだけをドライブから取り外すことは不可能になりました。その代わりに、「ウィンチェスターテクノロジー」ドライブの最初のモデルは、ディスクパックとヘッドアセンブリの両方を含むリムーバブルディスクモジュールを採用し、取り外し時にアクチュエータモーターはドライブ内に残りました。後の「ウィンチェスター」ドライブでは、リムーバブルメディアの概念が放棄され、非リムーバブルプラッターに戻りました。

1974年、IBMはスイングアームアクチュエータを発表しました。これは、ウィンチェスター記録ヘッドが記録トラックに対して斜めに傾けても良好に機能することから実現可能となりました。IBMの英国ハースリー研究所で発明されたIBM GV（ガリバー）ドライブ[37]のシンプルな設計は、IBM史上最もライセンス供与された電気機械発明[38]となりました。このアクチュエータと濾過システムは1980年代に最終的にすべてのHDDに採用され、40年近く経ち、100億アームが使用された今でもなお、広く普及しています。

最初のリムーバブルパックドライブと同様に、最初の「ウィンチェスター」ドライブは直径14インチ（360mm）のプラッターを使用していました。1978年、IBMは8インチプラッターを搭載したスイングアーム式ドライブ、IBM 0680（Piccolo）を発表しました。これは、より小さなプラッターの利点の可能性を探るものでした。その後、他の8インチドライブも登場し、その後5インチドライブが開発されました。+1 ⁄ 4インチ（130 mm）のドライブ。当時のフロッピーディスクドライブを 置き換えるサイズ。フロッピーディスクドライブは、当時まだ発展途上だったパーソナルコンピュータ（PC）市場を主な対象としていました。

1980年代～1990年代

時が経つにつれ、記録密度が大幅に向上し、ディスク径をさらに縮小して3.5インチや2.5インチにするのが最適であることが判明しました。この時期には強力な希土類磁石材料が手頃な価格で入手できるようになり、スイングアームアクチュエータの設計と相乗効果を発揮することで、現代のHDDのコンパクトなフォームファクタを実現しました。

1980 年代初頭、HDD は PC の追加機能としては珍しく、非常に高価でしたが、1980 年代後半にはコストが下がり、最も安価なコンピューターを除くすべてのコンピューターで標準装備となりました。

1980年代初頭、ほとんどのHDDは外付けのアドオンサブシステムとしてPCエンドユーザーに販売されていました。サブシステムはドライブメーカー名ではなく、Corvus SystemsやTallgrass Technologiesといったサブシステムメーカー名、あるいはApple ProFileといったPCシステムメーカー名で販売されていました。 1983年のIBM PC/XTには10MBの内蔵HDDが搭載され、その後まもなくパーソナルコンピュータに内蔵HDDが普及しました。

外付けHDDは、 Apple Macintoshではずっと長く人気を博しました。1986年から1998年の間に製造された多くのMacintoshコンピュータは背面にSCSIポートを搭載しており、外部拡張が容易でした。しかし、それ以前のコンパクトなMacintoshコンピュータには、ユーザーがアクセスできるハードドライブベイがありませんでした（実際、 Macintosh 128K、Macintosh 512K、そしてMacintosh Plusにはハードドライブベイが全く搭載されていませんでした）。そのため、これらのモデルでは、内蔵ストレージを拡張するには外付けSCSIディスクが唯一の合理的な選択肢でした。

21世紀

HDDの改良は、上記の表に記載されている面密度の向上によって推進されてきました。用途は2000年代を通じて拡大し、 1950年代後半のメインフレームコンピュータから、コンピュータを含むほとんどの大容量ストレージアプリケーション、そしてエンターテイメントコンテンツの保存などのコンシューマアプリケーションへと広がりました。

2000年代から2010年代にかけて、携帯性や高性能が求められる用途で、NANDがHDDに取って代わり始めました。NANDの性能向上はHDDよりも速く、HDDの用途は衰退しています。2018年、ハードドライブの最大容量は15TBで、SSDの最大容量は100TBでした。[39] 2018年には、HDDは2025年頃に100TBの容量に達すると予測されていましたが（2025年の現時点での現実は程遠い）、[40] 2019年の時点で、予想される向上ペースは2026年までに50TBに抑えられています。[41] 1.8インチ以下の小型フォームファクタは、2010年頃に廃止されました。ムーアの法則に代表されるソリッドステートストレージ（NAND）のコストは、HDDよりも速いペースで向上しています。 NANDはHDDよりも需要の価格弾力性が高く、これが市場の成長を牽引しています。[42] 2000年代後半から2010年代にかけて、 HDDの製品ライフサイクルは成熟期に入り、売上の鈍化は衰退期の始まりを示している可能性があります。[43]

2011年のタイの洪水により製造工場が被害を受け、2011年から2013年にかけてハードディスクドライブのコストに悪影響を及ぼしました。[44]

2019年、ウエスタンデジタルは需要の減少によりマレーシアの最後のHDD工場を閉鎖し、SSDの生産に注力しました。[45]残りのHDDメーカー3社はすべて、2014年以降HDDの需要が減少しています。[46]

テクノロジー

磁気記録

現代のHDDは、ディスクの両面に強磁性体薄膜[m]を磁化することでデータを記録します。磁化方向の連続的な変化がバイナリデータビットを表します。データは磁化の遷移を検出することでディスクから読み取られます。ユーザーデータは、ランレングス制限符号化[n]などの符号化方式を用いて符号化され、この符号化方式によって磁気遷移によってデータがどのように表現されるかが決まります。

典型的なHDDの設計は、磁気ヘッドは、記録されたデータを保持するプラッターと呼ばれる平らな円形のディスクを保持するスピンドルです。プラッターは非磁性材料で作られており、通常はアルミニウム合金、ガラス、またはセラミックですnmの磁性材料の浅い層でコーティングされ、外側には保護のための炭素層があります。[48][49][50]参考までに、標準的なコピー用紙の厚さは0.07～0.18 mm（70,000～180,000 nm）です[51]。

現代のHDDのプラッターは、エネルギー効率の高いポータブルデバイスでは4200rpm 、高性能サーバーでは15,000rpmで回転します。[ 52]最初のHDDは1,200rpmで回転し[5]、長年にわたり3,600rpmが標準でした。[53] 2019年11月現在、ほとんどの消費者向けHDDのプラッターは5,400または7,200rpmで回転します。

情報は、プラッターが回転しながら、磁気面のごく近傍で動作するように配置されたリード・アンド・ライト・ヘッドと呼ばれる装置を通過する際に書き込まれ、読み取られます。ヘッドの浮上高は数十ナノメートル程度です。リード・アンド・ライト・ヘッドは、その直下を通過する物質の磁化を検出し、変化させるために使用されます。

最近のドライブでは、スピンドル上の各磁気プラッタ面に対してヘッドが 1 つずつあり、共通のアームに取り付けられています。アクチュエータ アーム (またはアクセス アーム) は、回転するプラッタ上でヘッドを円弧上 (ほぼ放射状) に動かし、回転するプラッタのほぼ全面に各ヘッドがアクセスできるようにします。アームの移動にはボイス コイルアクチュエータが使用され、一部の古い設計ではステッピング モーターが使用されています。初期のハード ディスク ドライブは 1 秒あたり一定のビット数でデータを書き込んでいたため、すべてのトラックでトラックあたりのデータ量は同じでしたが、最近のドライブ (1990 年代以降) はゾーン ビット記録を使用しており、内側のゾーンから外側のゾーンに向かって書き込み速度が速くなり、外側のゾーンではトラックあたりのデータ量が多くなっています。

現代のドライブでは、磁性領域のサイズが小さいため、熱の影響（一般に「超常磁性限界」として知られる熱誘起磁気不安定性）によって磁気状態が失われる危険性があります。これに対抗するため、プラッターは2つの平行な磁性層でコーティングされ、非磁性元素ルテニウムの3原子層で分離されています。2つの層は反対方向に磁化されるため、互いに強め合います。[54]熱の影響を克服してより高い記録密度を可能にするもう1つの技術は、垂直記録（PMR）です。これは2005年に初めて出荷され、[55] 2007年現在、一部のHDDで使用されています。[56] [57] [58]垂直記録では、ヘッドによって生成される磁場の強度を高めるために、読み取り/書き込みヘッドの製造が変更されることがあります。[59]

2004年には、軟磁性層と硬磁性層を結合させた高密度記録媒体が導入されました。いわゆる交換スプリング媒体磁気記録技術（交換結合複合媒体とも呼ばれます）は、軟磁性層の書き込み補助特性により良好な書き込み性を実現します。しかし、熱安定性は最も硬い層によってのみ決定され、軟磁性層の影響を受けません。[60] [61]

磁束制御型MAMR（FC-MAMR）は、ハードディスクドライブのプラッタ材料を新たに変更することなく、ハードドライブの記録容量を増大させます。MAMRハードドライブは、読み書きヘッドにマイクロ波発生型のスピントルク発生器（STO）を搭載しており、これにより物理的に小さなビットをプラッタに記録できるため、面密度が向上します。通常、ハードドライブの記録ヘッドには、プラッタへの書き込みに使用される主磁極と呼ばれる磁極があり、この磁極に隣接してエアギャップとシールドが配置されています。ヘッドの書き込みコイルは、磁極を囲んでいます。STOデバイスは、磁極とシールドの間のエアギャップに配置され、磁極によって生成される磁場の強度を高めます。FC-MAMRは技術的にはマイクロ波を使用しませんが、MAMRで採用されている技術を採用しています。STOは、磁場発生層（FGL）とスピン注入層（SIL）を備えており、FGLはSILから発生するスピン偏極電子を用いて磁場を発生させます。このスピン偏極電子は、スピントルクエネルギーの一種です。[62]

  • 磁気断面積と周波数変調エンコードされたバイナリデータ
    磁気断面積と周波数変調エンコードされたバイナリデータ
  • 動作を示すためにフロントカバーを取り外したHDD
  • 200MBのHDDプラッター上のビットの単一磁化の記録（CMOS-MagViewを使用して可視化された記録）[63]
    200MB HDDプラッター上のビットの単一磁化の記録（CMOS-MagViewを使用して可視化された記録）[63]
  • 縦記録（標準）と垂直記録の図
    縦記録（標準）と垂直記録の図

コンポーネント

そのアクチュエータは永久磁石と可動コイルモーターで構成され、ヘッドを所定の位置に振ります。金属板が、ずんぐりとしたネオジム・鉄・ホウ素（NIB）高磁束磁石スピーカーのコイルに例えてボイスコイルと呼ばれる可動コイルがあり、アクチュエータハブに接続されています。さらにその下には、モーターの底板に取り付けられた2つ目のNIB磁石があります（一部のドライブでは磁石が1つしかありません）。

ボイスコイル自体は矢じりのような形をしており、二重被覆の銅製マグネットワイヤでできています。内側の層は絶縁体で、外側は熱可塑性樹脂で、コイルを型に巻いた後にコイルを結合して自立させます。コイルの矢じりの両側 (アクチュエータベアリングの中心を指す) に沿った部分は、固定磁石の磁場と相互作用します。矢じりの片側に沿って放射状外向きに、もう片側に沿って放射状内向きに流れる電流によって、接線力が生成されます。磁場が均一であれば、それぞれの側で反対の力が生成され、互いに打ち消し合います。したがって、磁石の表面は半分が N 極、半分が S 極で、中央に放射状の分割線があり、コイルの両側で反対の磁場が発生し、打ち消し合うのではなく、加わる力が生成されます。コイルの上部と下部に沿った電流は、ヘッドを回転させない放射状の力を生成します。

HDD の電子機器は、アクチュエータの動きとディスクの回転を制御し、ディスク コントローラとの間でデータを転送します。ドライブ電子機器へのフィードバックは、サーボフィードバック専用のディスクの特別なセグメントによって実現されます。これらのセグメントは、完全な同心円 (専用サーボ テクノロジの場合) または実際のデータが点在するセグメント (埋め込みサーボ、別名セクター サーボ テクノロジの場合) のいずれかです。サーボ フィードバックは、ボイス コイル モーターを調整してアームを回転させ、GMR センサーの信号対雑音比を最適化します。最新のサーボ システムでは、読み取り/書き込みヘッドをより正確に配置するために、ミリまたはマイクロ アクチュエータも採用されています。[64]ディスクの回転には、流体軸受スピンドル モーターが使用されています。最新のディスク ファームウェアは、プラッター表面での読み取りと書き込みを効率的にスケジュール設定し、メディアの障害が発生したセクターを再マッピングすることができます。

  • コンピュータのHDDの主要コンポーネントを示す図
    コンピュータのHDDの主要コンポーネントを示す図
  • ディスクとモーターハブを取り外したHDD。スピンドルモーターの中央にあるベアリングを囲む銅色のステーターコイルが露出しています。アームの側面にあるオレンジ色のストライプは細いプリント基板ケーブルで、中央にスピンドルベアリング、左上にアクチュエータがあります。
    ディスクとモーターハブを取り外したHDD。スピンドルモーターの中央にあるベアリングを囲む銅色のステーターコイルが露出しています。アームの側面にあるオレンジ色のストライプは細いプリント基板ケーブルで、中央にスピンドルベアリング、左上にアクチュエータがあります。
  • 2.5インチ Samsung ハードディスク MP0402H の回路基板]]一般的な HDD には、ディスクを回転させるスピンドルモーターと、回転するディスク上に読み取り/書き込みヘッドアセンブリを配置するアクチュエータ（モーター）の 2 つの電気モーターが搭載されています。ディスクモーターは、ディスクに取り付けられた外部ローターを持ち、ステーター巻線は固定されています。ヘッドサポートアームの先端にあるアクチュエータの反対側には、読み取り/書き込みヘッドがあります。細いプリント回路ケーブルが、読み取り/書き込みヘッドをアクチュエータのピボットに取り付けられた増幅回路に接続しています。ヘッドサポートアームは非常に軽量ですが、剛性も高く、最新のドライブではヘッドの加速度は 550 g に達します。
    2.5インチ Samsung ハードディスク MP0402H の回路基板]]一般的な HDD には、ディスクを回転させるスピンドル モーターと、回転するディスク上に読み取り/書き込みヘッド アセンブリを配置するアクチュエータ (モーター) の 2 つの電気モーターが搭載されています。ディスク モーターには、ディスクに取り付けられた外部ローターがあり、ステーター巻線は所定の位置に固定されています。ヘッド サポート アームの先端にあるアクチュエータの反対側には、読み取り/書き込みヘッドがあります。細いプリント回路ケーブルが、読み取り/書き込みヘッドをアクチュエータのピボットに取り付けられた増幅回路に接続しています。ヘッド サポート アームは非常に軽量ですが、剛性も高く、最新のドライブでは、ヘッドの加速度は 550 gに達します。
  • 左側にアクチュエータコイル、右側に読み取り/書き込みヘッドを備えたヘッドスタック
    左側にアクチュエータコイル、右側に読み取り/書き込みヘッドを備えたヘッドスタック
  • プラッターに面した側を示す、単一の読み書きヘッドのクローズアップ
    プラッターに面した側を示す、単一の読み書きヘッドのクローズアップ

エラー率と処理

現代のドライブは、エラー訂正コード（ECC）、特にリード・ソロモン誤り訂正を広く利用しています。これらの技術は、数式によって決定される追加ビットを各データブロックに格納します。この追加ビットによって、多くのエラーを目に見えない形で訂正することができます。追加ビット自体はHDDの容量を占有しますが、訂正不可能なエラーを発生させることなく、より高い記録密度を実現できるため、結果としてストレージ容量が大幅に増加します。[65]例えば、512バイトセクターの典型的な1TB ハードディスクは、  ECCデータ用に約93GBの追加容量を提供します。[66]

2009年時点での最新ドライブでは、[67] 低密度パリティ検査符号（LDPC）がリード・ソロモンに取って代わり、LDPC符号はシャノン限界に近い性能を可能にし、最高のストレージ密度を実現しました。[67] [68]

一般的なハードディスクドライブは、不良セクターのエラー数が十分に少ない間は、ドライブの「スペアセクタープール」（「予備プール」とも呼ばれる）[69]によって提供される予備の物理セクターに、故障した物理セクターのデータを「再マッピング」しようとします。このとき、ECC に依存して保存されたデータを回復しますが、不良セクターのエラー数が十分に少ない間は、SMART ( Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology ) 機能は、ECC によって修正された HDD 全体のエラーの総数をカウントします (ただし、関連する SMART 属性「ハードウェア ECC 回復」および「ソフト ECC 修正」が一貫してサポートされているわけではないため、すべてのハードドライブでカウントされるわけではありません)。また、実行されたセクター再マッピングの総数もカウントします。このようなエラーが多数発生すると、HDD の故障が予測される可能性があるためです。

1990年代半ばにIBMが開発した「No-IDフォーマット」には、どのセクターが不良であるか、再マップされたセクターがどこに位置しているかに関する情報が含まれています。[70]

検出されたエラーのうち、訂正できないのはごくわずかです。規定されている未訂正ビット読み取りエラー率の例には、以下のものがあります。

  • 2013年のエンタープライズSASディスクドライブの仕様では、エラー率は10 16ビットの読み取りごとに1つの未訂正ビット読み取りエラーであると規定されています。[71] [72]
  • 2018年の消費者向けSATAハードドライブの仕様では、エラー率は1014ビットごとに1つの未訂正ビット読み取りエラーと規定されています。[73] [74]

特定のメーカーのモデル内では、未訂正ビットエラー率はドライブの容量に関係なく通常同じです。[71] [72] [73] [74]

最悪のタイプのエラーは、ディスクファームウェアやホストオペレーティングシステムによって検出されないサイレントデータ破損です。これらのエラーの一部はハードディスクドライブの故障によって引き起こされる可能性がありますが、他のエラーはドライブとホスト間の接続のどこか他の場所で発生する可能性があります。[75]

発達

1956年から2009年までの最先端のハードディスクドライブの面密度とムーアの法則の比較。2016年までに、進歩は外挿された密度の傾向を大幅に下回るまでに減速した。[76]

面記録密度の向上率は2010年までムーアの法則（2年ごとに倍増）に近かった。1988年から1996年までは年間60%、1996年から2003年までは年間100%、2003年から2010年までは年間30%であった。[77]ゴードン・ムーアは1997年の講演でこの増加を「驚異的」と評したが[78]、後に成長は永遠に続くことはないと指摘した。[79]価格上昇は2010年から2017年にかけて年間マイナス12%に減速し[80] 、これは面記録密度の向上が鈍化したためである。面記録密度の向上率は2010年から2016年にかけて年間10%に減速し[81]、垂直記録から新しい技術への移行が困難になった。[82]

ビットセルのサイズが小さくなると、1枚のドライブプラッターに載せられるデータ量が増える。2013年、量産デスクトップ3TB HDD（プラッター4枚）の面密度は約500Gbit/in 2で、これは1ビットセルが約18個の磁性粒子（11 x 1.6粒子）から構成されることに相当した。[83] 2000年代半ば以降、面密度の向上は、粒子サイズ、粒子の磁気強度、ヘッドの書き込み能力を含む超常磁性の三難問題によって課題とされてきた。 [84]許容できる信号対雑音比を維持するためには、より小さな粒子が必要である。より小さな粒子は、磁気強度を増加させない限り自己反転する可能性がある（電熱不安定性）。しかし、既知の書き込みヘッド材料では、粒子が占めるますます小さくなる空間に媒体を書き込むのに十分な磁場を生成できない。

このトリレンマを解決するために、磁気ストレージ技術の開発が進められており、フラッシュメモリベースのソリッドステートドライブ（SSD）と競合しています。2013年、シーゲイトはシングルド磁気記録（SMR）[85]を発表しました。これは、シーゲイトが後継技術として計画していた熱アシスト磁気記録（HAMR）とPMRの間の「つなぎ」となる技術として考案されました。SMRは、重複トラックを利用してデータ密度を高めますが、設計の複雑さとデータアクセス速度（特に書き込み速度と4Kランダムアクセス速度）の低下を伴います。[86] [87]

対照的に、HGST （現在はWestern Digital傘下）は、通常の空気ろ過式ではなく、ヘリウムガスを充填したドライブを密閉する方法の開発に注力しました。乱流と摩擦が減少するため、トラック幅を狭くすることで面密度を高めることができ、摩擦によるエネルギー損失も低減するため、消費電力も低減します。さらに、同じ筐体スペースにより多くのプラッターを収容できますが、ヘリウムガスの漏れを防ぐのは非常に困難です。[88]そのため、ヘリウムガス充填式ドライブは完全に密閉されており、空気充填式ドライブとは異なり、ブリーザーポートを備えていません。

面密度を高めるために研究中または商業的に実装されている記録技術には、シーゲイトの熱アシスト磁気記録（HAMR）などがあります。HAMRには、再設計されたメディアと読み取り/書き込みヘッド、新しいレーザー、新しい近接場光トランスデューサーを備えた異なるアーキテクチャが必要です。[89] HAMRは、技術的な問題により、2009年の初期の予測から10年以上導入が遅れたため、2024年初頭に商業出荷されました[90]。[91] [92] [93] [94] HAMRの後継として計画されていたビットパターン記録（BPR）[95]は、ウエスタンデジタルとシーゲイトのロードマップから削除されました。[96]ウエスタンデジタルのマイクロ波アシスト磁気記録（MAMR）[97] [98]はエネルギーアシスト磁気記録（EAMR）とも呼ばれ、2020年にサンプル出荷され、最初のEAMRドライブであるUltrastar HC550は2020年後半に出荷されました。[99] [100] [101] 二次元磁気記録（TDMR）[83] [102]と「面垂直方向の電流」巨大磁気抵抗（CPP / GMR）ヘッドが研究論文に登場しています。[103] [104] [105]

一部のドライブでは、読み取り/書き込み速度を向上させ、SSDに対抗するために、独立した2つのアクチュエータアームを採用しています。[106] 3D駆動真空ドライブ（3DHD）コンセプト[107]と3D磁気記録が提案されています。[108]

シーゲイト社は、これらの技術の実現可能性と時期に関する仮定に応じて、面密度が2020年から2034年の間に年間20％増加すると予測している。[41]

容量

2003年と2009年に製造された2台のSeagate Barracudaドライブ（それぞれ160GBと1TB）です。2025年現在、Seagateは最大36TBの容量を提供しています。
2.5インチハードドライブの上にmSATA SSDを搭載

2025年時点で市販されている最大容量のHDDは36TBである。[20]

オペレーティングシステムがエンドユーザーに報告するハードディスクドライブの容量は、メーカーが公表する容量よりも少なくなります。これにはいくつかの理由があります。例えば、オペレーティングシステムが一部の領域を使用している、データの冗長性のために一部の領域を使用している、ファイルシステム構造のために領域を使用しているなどです。また、10進数のプレフィックスと2進数のプレフィックスを混同すると、エラーが発生する可能性があります。

計算

現代のハードディスクドライブは、ホストコントローラからは連続した論理ブロックの集合として認識され、ドライブの総容量はブロック数とブロックサイズを掛け合わせることで計算されます。この情報は、メーカーの製品仕様書、およびドライブ本体から低レベルのドライブコマンドを呼び出すオペレーティングシステムの機能を通じて入手できます。[109] [110]古いIBM製ドライブとその互換ドライブ（例えば、CKDレコード形式を使用するIBM 3390）は可変長レコードを採用しており、このようなドライブ容量の計算にはレコードの特性を考慮する必要があります。一部の新しいDASDはCKDをシミュレートしており、同じ容量計算式が適用されます。

古いセクター指向 HDD の総容量は、記録ゾーンあたりのシリンダー数、セクターあたりのバイト数 (通常は 512)、およびドライブのゾーン数の積として計算されます。 [要出典]最近の SATA ドライブの中にはシリンダー ヘッド セクター(CHS) 容量を報告するものもありますが、報告される値は従来のオペレーティング システム インターフェイスによって制約されるため、これらは物理的なパラメーターではありません。C/H/S 方式は、論理ブロック アドレス指定(LBA) に置き換えられました。これは、最初のブロックが LBA 0 から始まり、その後は増加していく整数インデックスによってブロックを検索する、単純な線形アドレス指定方式です。[111] C/H/S 方式を使用して最新の大型ドライブを説明する場合、ヘッドの数は 64 に設定されることが多いですが、一般的な最新のハード ディスク ドライブには 1 〜 4 枚のプラッターがあります。最新の HDD では、公開されている容量に欠陥管理用の予備容量は含まれていません。しかし、初期のHDDの多くでは、一定数のセクターが予備として予約されており、オペレーティングシステムが利用できる容量が減少していました。さらに、多くのHDDはファームウェアを予約済みのサービス領域に保存しており、通常、ユーザーはアクセスできないため、容量計算には含まれません。

RAIDサブシステムでは、データ整合性とフォールトトレランスの要件によって実現容量も減少します。例えば、RAID 1アレイはデータミラーリングの結果として総容量が約半分になりますが、n台のドライブを持つRAID 5アレイはパリティ情報の保存により容量の1/n（1台のドライブの容量に相当）を失います。RAIDサブシステムは、ユーザーには1台または複数のドライブとして見える複数のドライブですが、フォールトトレランスを提供します。ほとんどのRAIDベンダーは、ブロックレベルのデータ整合性を向上させるためにチェックサムを使用しています。一部のベンダーは、512バイトのユーザーデータと8バイトのチェックサムを格納するために520バイトのセクターを持つHDDを使用するシステムを設計するか、チェックサムデータ用に512バイトの別のセクターを使用するシステムを設計しています。[112]

一部のシステムでは、システム回復のために隠し パーティションを使用することがあり、 Windowsのdiskpartのような特別なディスクパーティションユーティリティを知らないエンドユーザーが利用できる容量が減ります。[113]

書式設定

データはハードドライブ上に一連の論理ブロックとして保存されます。各ブロックは、開始と終了を示すマーカー、エラー検出・訂正情報、そしてわずかなタイミングの変動を許容するためのブロック間のスペースによって区切られます。これらのブロックには、通常512バイトの使用可能なデータが含まれていますが、他のサイズのブロックも使用されてきました。ドライブの密度が高まるにつれて、Advanced Formatと呼ばれる取り組みによってブロックサイズが4096バイトに拡張され、ブロックヘッダー、エラーチェックデータ、そしてスペースに使用されるディスク容量が大幅に削減されました。

物理ディスクプラッタ上のこれらの論理ブロックを初期化するプロセスは、低レベルフォーマットと呼ばれ、通常は工場で実行され、現場で変更されることは通常ありません。[114] 高レベルフォーマットは、オペレーティングシステムがディスク上のデータファイルを整理するために使用するデータ構造を書き込みます。これには、選択された論理ブロックへのパーティションとファイルシステム構造の書き込みが含まれます。例えば、ディスク領域の一部は、ディスクファイル名のディレクトリと、特定のファイルに関連付けられた論理ブロックのリストを保持するために使用されます。

パーティションマッピング方式の例としては、マスターブートレコード（MBR）やGUIDパーティションテーブル（GPT）などが挙げられます。ファイルを取得するためにディスク上に保存されるデータ構造の例としては、MS-DOSファイルシステムのファイルアロケーションテーブル（FAT） 、多くのUNIXファイルシステムのiノード、その他のオペレーティングシステムのデータ構造（メタデータとも呼ばれます）などがあります。結果として、HDD上のすべてのスペースがユーザーファイルに使用できるわけではありませんが、このシステムオーバーヘッドは通常、ユーザーデータと比較すると小さいものです。

ユニット

コンピュータが普及し始めた当初、HDDの総容量は7～9桁の10進数で指定され、百万単位の慣用句で切り捨てられることが多かった。[117] [34] 1970年代になると、HDDの総容量は、メガバイト（1 MB = 1,000,000バイト）、ギガバイト（1 GB = 1,000,000,000バイト） 、テラバイト（1 TB = 1,000,000,000,000バイト）などのSI10進接頭辞を使用してメーカーから示されるようになった。[115] [118] [119] [120]ただし、メモリの容量は通常、接頭辞の2進解釈、つまり1000の累乗ではなく1024の累乗を 使用して表記される。

ソフトウェアは、ハードディスクドライブまたはメモリの容量を、10進数または2進数のプレフィックスを使用して、異なる形式で報告します。Microsoft Windowsファミリーのオペレーティングシステムは、ストレージ容量を報告する際に2進数表記を使用します。そのため、メーカーが1TBドライブとして提供しているHDDは、これらのオペレーティングシステムでは931GB HDDとして報告されます。Mac OS X 10.6（「Snow Leopard」）は、HDD容量を報告する際に10進数表記を使用します。 [121] Linuxのdf コマンドラインユーティリティのデフォルトの動作は、HDD容量を1024バイト単位の数値で報告することです。[122]

小数点と二進数の接頭辞の解釈の違いは消費者に混乱を招き、HDDメーカーに対する集団訴訟につながった。原告は、小数点の接頭辞の使用が消費者を誤解させたと主張したが、被告は不正行為や責任を否定し、自社のマーケティングと広告はあらゆる点で法律を遵守しており、集団訴訟参加者に損害や傷害は発生していないと主張した。[123] [124] [125] 2020年、カリフォルニア州の裁判所は、小数点の意味を持つ小数点の接頭辞の使用は誤解を招くものではないとの判決を下した。[126]

フォームファクター

8、5.25、3.5、2.5、1.8、1インチのHDDと、プラッターと読み書きヘッドのサイズを示す定規
新しい2.5インチ（63.5 mm）6,495 MB HDDと、古い5.25インチフルハイト110 MB HDDを比較
筐体内のポータブルハードドライブ
筐体内のポータブルハードドライブ


IBM初のハードディスクドライブであるIBM 350は、24インチのプラッターを50枚重ねて搭載し、3.75MB（現代のデジタル画像1枚分程度）のデータを保存可能で、大型冷蔵庫2台分の大きさでした。1962年、IBMはモデル1311を発表しました。これは、 14インチ（公称サイズ）のプラッター6枚を取り外し可能なパックに収納した、洗濯機とほぼ同じ大きさのディスクでした。これは長年にわたり標準的なプラッターサイズとなり、他のメーカーでも採用されました。[127] IBM 2314は、同じサイズのプラッターを11段パックに収納し、「ドライブ・イン・ア・ドロワー」レイアウト（「ピザオーブン」と呼ばれることもあります）を導入しました。ただし、「ドロワー」はドライブ全体ではありませんでした。1970年代に入ると、HDDは1台から4台のHDDを収納できる、様々なサイズのスタンドアロンキャビネットで提供されるようになりました。

1960年代後半から、19インチラックにマウントできるシャーシに完全に収まるドライブが提供されるようになりました。DECのRK05とRL01は、取り外し可能なパックに14インチプラッターを1枚ずつ搭載した初期の例で、ドライブ全体が10.5インチ高のラックスペース（6ラックユニット）に収まりました。1980年代半ばから後半にかけては、（偶然にも）10.5インチプラッターを採用した、同様のサイズのFujitsu Eagleが人気製品でした。

フロッピーディスクドライブ（FDD）を内蔵したマイクロコンピュータの販売が増加するにつれ、FDDのマウントに適合するHDDが求められるようになりました。Shugart AssociatesのSA1000を皮切りに、HDDのフォームファクタは当初8インチ、5インチ、10インチ、20インチ、30インチ、40インチ、50インチ、60インチ、80インチ、100インチ、120インチ、140インチ、160インチ、240インチ、280インチ、320インチ、480インチ、520インチ、640インチ、640インチ、720インチ、720インチ、800+1 ⁄ 4インチ、 3+1 ⁄ 2インチフロッピーディスクドライブ。これらの公称サイズで呼ばれていますが、実際のサイズはそれぞれ9.5インチ、5.75インチ、4インチ幅です。これより小さいフロッピーディスクドライブがなかったため、 2インチなどのより小さなHDDフォームファクタが主流となりました。+製品提供または業界標準から開発された1 ⁄ 2インチ ドライブ (実際の幅は 2.75 インチ)。

2025年時点で2+1 ⁄ 2インチと3+1 ⁄ 2インチハードディスクは最も一般的なサイズです。2009年までに、可動部品のないフラッシュメモリ[128] [129]の価格下落により、を中止しました。公称サイズはインチ単位ですが、実際の寸法はミリメートル単位で指定されます。

消費者向けハードドライブは、一般的にディスクエンクロージャに収納された状態で販売されています。ディスクエンクロージャはデバイスを保護し、USBなどの一般的な汎用インターフェースを介して接続できるため、デバイスをコンピューターから切り離して持ち運びできます。このようなエンクロージャは通常、固定コンポーネントとしてシステムに挿入されることを想定していないため、サイズは様々です。また、エンクロージャには複数のハードドライブがRAIDとして組み合わされて収納されている場合もあります。

パフォーマンス特性

HDD 上の データにアクセスする時間を制限する要因は、主に回転するディスクと移動するヘッドの機械的な性質に関係しており、次のようなものがあります。

  • シークタイムは、ヘッド アセンブリがデータを含むディスクのトラックまで移動するのにかかる時間を測定するものです。
  • 回転レイテンシは、データ転送要求時に目的のディスクセクターがヘッドの直下にない可能性があるために発生します。平均回転レイテンシは、平均レイテンシが回転周期の半分であるという統計的関係に基づいて、表に示されています。
  • ビットレートまたはデータ転送速度 (ヘッドが正しい位置にある場合) によって、転送されるブロックの数に応じた遅延が発生します。通常は比較的小さいですが、連続した大きなファイルを転送する場合はかなり長くなることがあります。

電力を節約するためにドライブ ディスクが停止された場合にも遅延が発生する可能性があります。

デフラグメンテーションとは、関連する項目をディスク上の物理的に近い領域に移動することで、データの取得遅延を最小限に抑える手順です。[130]一部のコンピュータオペレーティングシステムでは、デフラグが自動的に実行されます。自動デフラグはアクセス遅延の削減を目的としていますが、処理中は一時的にパフォーマンスが低下します。[131]

データアクセス時間は、回転速度を上げる（つまりレイテンシを減らす）か、シーク時間を短縮することで改善できます。面密度を高めると、データレートが向上し、ヘッドセットに保持できるデータ量が増えるため、スループットが向上し、一定量のデータに対するシーク動作が軽減される可能性があります。しかし、データアクセス時間はスループットの向上に追いついておらず、スループットの向上自体もビット密度とストレージ容量の増加に追いついていません。

レイテンシー

データ転送速度

2010年現在、典型的な7,200rpmのデスクトップHDDは、最大1,030Mbit/sの持続的な「ディスクからバッファへの」データ転送速度を備えています。[132]この転送速度はトラックの位置によって異なり、外側のトラック（回転あたりのデータセクター数が多い）では転送速度が高く、内側のトラック（回転あたりのデータセクター数が少ない）では転送速度が低くなります。また、10,000rpmのドライブでは、一般的にいくらか転送速度が高くなります。現在広く使用されている「バッファからコンピュータへの」インターフェースの標準規格は3.0Gbit/s SATAで、バッファからコンピュータに約300MB/s（10ビットエンコーディング）のデータを送信できるため、今日のディスクからバッファへの転送速度（[現在？ ]）をはるかに上回っています。データ転送速度（読み取り/書き込み）は、専用のファイル生成ツールを使用して大きなファイルをディスクに書き込み、そのファイルを読み戻すことで測定できます。転送速度はファイルシステムの断片化とファイルのレイアウトによって影響を受ける可能性があります。[130]

HDDのデータ転送速度は、プラッターの回転速度とデータ記録密度に依存します。回転速度は熱と振動によって制限されるため、シーケンシャル転送速度を向上させるには、密度の向上が主な手段となります。速度を上げるには、より強力なスピンドルモーターが必要になり、それによって発生する熱も大きくなります。面密度は、ディスク上のトラック数とトラックあたりのセクター数の両方を増やすことで向上しますが、[133]後者のみが、一定の回転数におけるデータ転送速度を向上させます。データ転送速度の性能は、面密度を構成する2つの要素のうちの1つにのみ依存するため、その性能向上率は低くなります。[134]

その他の考慮事項

その他のパフォーマンスの考慮事項には、品質調整後の価格、消費電力、可聴ノイズ、動作時と非動作時の両方の耐衝撃性が含まれます。

アクセスとインターフェース

パラレルATAインターフェースを採用した1998年製Seagate HDDの内部
3.5 インチ SATA ドライブの上に 2.5 インチ SATA ドライブがあり、(7 ピン) データ コネクタと (15 ピン) 電源コネクタのクローズアップが表示されています。

現在のハードドライブは、パラレルATA、シリアル ATA、SCSI、 SAS（ Serial Attached SCSI）、ファイバチャネルなど、複数のバスタイプのいずれかを介してコンピュータに接続されます。一部のドライブ、特に外付けポータブルドライブは、IEEE 1394またはUSBを使用します。これらのインターフェースはすべてデジタルで、ドライブ上の電子機器が読み取り/書き込みヘッドからのアナログ信号を処理します。現在のドライブは、内部で使用されるデータエンコード方式や、ドライブ内のディスクとヘッドの物理的な数に関係なく、コンピュータの他の部分に対して一貫したインターフェースを提供します。

通常、ドライブ内部の電子回路に搭載されたDSPは、読み取りヘッドからの生のアナログ電圧を受け取り、 PRMLおよびリード・ソロモン誤り訂正[135]を用いてデータをデコードし、標準インターフェースからデータを送信します。このDSPは、誤り検出訂正によって検出されたエラー率を監視し、不良セクタの再マッピング、自己監視・分析・報告技術（SMI-SAT）用のデータ収集、その他の内部タスクを実行します。

最新のインターフェースでは、ドライブとホストインターフェースは1本のデータ/制御ケーブルで接続されます。各ドライブには、通常は電源ユニットに直接接続された追加の電源ケーブルも備わっています。古いインターフェースでは、データ信号用とドライブ制御信号用に別々のケーブルが使用されていました。

  • Small Computer System Interface (SCSI) は、元々は Shugart Associates System Interface にちなんで SASI と呼ばれていましたが、1990年代半ばまで、サーバー、ワークステーション、Commodore Amiga、Atari ST、Apple Macintoshコンピュータの標準規格でした。その頃には、ほとんどのモデルが新しいインターフェースに移行していました。データケーブルの長さ制限により、外付け SCSI デバイスが接続可能になりました。SCSI コマンドセットは、より現代的なSAS インターフェースでも現在も使用されています。
  • 後にAT Attachment（ATA、SATAの導入に伴いPATA（Parallel ATA ）という別名が遡及的に追加された）として標準化されたIntegrated Drive Electronics （IDE）は、 HDDコントローラをインターフェースカードからディスクドライブに移動しました。これにより、ホスト/コントローラインターフェースの標準化、ホストデバイスドライバのプログラミングの複雑さの軽減、システムのコストと複雑さの削減に貢献しました。40ピンのIDE/ATA接続は、データケーブル上で一度に16ビットのデータを転送します。データケーブルは当初40導体でしたが、その後、より高い速度要件により、高速時のクロストークを低減するために追加のワイヤを備えた80導体ケーブルを使用する「ウルトラDMA」（UDMA）モードが採用されました。
  • EIDEは、オリジナルのIDE規格の非公式アップデート（Western Digital社による）であり、主な改良点は、 CPUを介さずにディスクとコンピュータ間でデータを転送するダイレクトメモリアクセス（DMA）の使用です。この改良は後に公式ATA規格にも採用されました。DMAはメモリとディスク間でデータを直接転送するため、CPUがバイト単位でコピーする必要がなくなり、データ転送中にCPUが他のタスクを処理できるようになります。
  • ファイバチャネル（FC）は、エンタープライズ市場におけるパラレルSCSIインターフェースの後継です。シリアルプロトコルです。ディスクドライブでは通常、ファイバチャネル・アービトレーテッド・ループ（FC-AL）接続トポロジが使用されます。FCは単なるディスクインターフェースよりもはるかに幅広い用途があり、ストレージエリアネットワーク（SAN）の基盤となっています。最近では、 iSCSIやATA over Ethernetといった、この分野の他のプロトコルも開発されています。ややこしいことに、ファイバチャネルでは光ファイバーではなく、ツイストペア銅線ケーブルが使用されるのが一般的です。光ファイバーは、従来、サーバーやディスクアレイコントローラーなどの大型デバイスに使用されています。
  • シリアルアタッチドSCSI（SAS）。SASは、SATAと互換性があり、より高速なデータ転送を可能にするデバイス向けの新世代シリアル通信プロトコルです。SA​​Sは、標準の3.5インチSATA1/SATA2 HDDと機械的に互換性のあるデータおよび電源コネクタを使用し、多くのサーバー向けSAS RAIDコントローラもSATA HDDのアドレス指定に対応しています。SASは、従来のSCSIデバイスに見られるパラレル方式ではなくシリアル通信を採用していますが、SCSIコマンドも引き続き使用します。
  • シリアル ATA (SATA)。SATA データケーブルには、 EIA-422と同様に、デバイスへのデータ差動送信用のデータペアが 1 つと、デバイスからのデータ差動受信用のデータペアが 1 つあります。そのため、データはシリアルで送信する必要があります。同様の差動信号方式は、 RS485、LocalTalk、USB、FireWire、差動SCSIでも使用されています。SATA I ～ III は、SAS コマンドのサブセットおよび互換インターフェースと互換性があり、それらを使用するように設計されています。そのため、SATA ハードドライブは SAS ハードドライブコントローラーに接続して制御できます (互換性が制限されたドライブ/コントローラーなどのいくつかの小さな例外を除く)。ただし、SATA コントローラーを SAS ドライブに接続することはできません。

誠実さと失敗

HDDはヘッドとディスク面の間隔が非常に狭いため、ヘッドクラッシュ （ディスクの故障）による損傷を受けやすくなっています。ヘッドクラッシュとは、ヘッドがプラッター面を擦り、薄い磁性膜を削り取ってデータ損失を引き起こすディスクの故障です。ヘッドクラッシュは、電子的な故障、突然の停電、物理的な衝撃、ドライブ内部の筐体の汚染、摩耗、腐食、あるいはプラッターやヘッドの製造不良などによって引き起こされる可能性があります。

HDD のスピンドル システムは、ディスク エンクロージャ内の空気密度を利用して、ディスクの回転中にヘッドを適切な浮上高度で保持します。HDD が正常に動作するには、一定の空気密度範囲が必要です。外部環境および空気密度との接続は、エンクロージャにある小さな穴 (幅約 0.5 mm) を介して行われ、通常、内部にはフィルター (ブリーザー フィルター) があります。[136]空気密度が低すぎると、浮上するヘッドに十分な揚力がなく、ヘッドがディスクに近づきすぎて、ヘッドがクラッシュしてデータ損失が発生するリスクがあります。標高約 3,000 m (9,800 フィート) を超える高地で信頼性の高い動作を実現するには、特別に製造された密閉および加圧されたディスクが必要です。[137]最新のディスクには温度センサーが組み込まれており、動作環境に合わせて動作を調整します。ブリーザーホールは、ほとんどのディスクドライブに見られますが、ヘリウムを使用するドライブなどの密閉型ドライブは例外です。これらのドライブは外気に触れると故障の原因となるため、通常、ブリーザーホールの横に、穴を塞がないようにという警告のステッカーが貼られています。稼働中のドライブ内の空気も常に動いており、回転するプラッターとの摩擦によってかき混ぜられています。この空気は内部の再循環フィルターを通過し、製造時に残留した汚染物質、筐体内に何らかの形で入り込んだ可能性のある粒子や化学物質、通常の動作中に内部で発生した粒子やガスを除去します。長時間にわたって非常に高い湿度にさらされると、ヘッドやプラッターが腐食する可能性があります。例外として、ヘリウムを充填した密閉型 HDD があり、湿度や大気圧の変化によって生じる環境問題を大幅に排除できます。このような HDD は、HGST が 2013 年に初めて量産導入に成功しました。

特に巨大磁気抵抗(GMR) ヘッドの場合、汚れによる軽度のヘッドクラッシュ (ディスクの磁気面が除去されないもの) でも、ディスク表面との摩擦によりヘッドが一時的に過熱し、ヘッド温度が安定するまでの短期間でデータが読み取れなくなることがあります (いわゆる「サーマル アスペリティ」で、読み取り信号を適切に電子フィルタリングすることで部分的に対処できる問題)。

ハードディスクのロジックボードが故障した場合、多くの場合、回路基板を同一のハードディスクのものと交換することで、ドライブを復旧し、データを回復することができます。読み書きヘッドに障害がある場合は、ほこりのない環境で専用のツールを使用して交換できます。ディスクプラッタが損傷していない場合は、同一の筐体に移し、データを新しいドライブにコピーまたはクローン化することができます。ディスクプラッタに障害が発生した場合は、ディスクプラッタの分解とイメージングが必要になることがあります。[138]ファイルシステムの論理的な損傷の場合、 UNIX系システムのfsckやWindowsのCHKDSKなど、さまざまなツールを使用してデータを回復できます。論理的な損傷からの回復には、ファイルカービングが必要になる場合があります。

サーバー向けに設計・販売されているハードディスクドライブは、デスクトップコンピュータで一般的に使用されるコンシューマーグレードのドライブよりも故障率が低いと一般的に考えられています。しかし、カーネギーメロン大学[139]とGoogle [140]による2つの独立した研究では、ドライブの「グレード」と故障率は相関関係がないことが判明しました。

トムズハードウェアによるSSDと磁気ディスクの故障パターンに関する2011年の研究概要では、研究結果が次のようにまとめられています。[141]

  • 平均故障間隔(MTBF) は信頼性を示すものではありません。年間故障率の方が高く、通常、より関連性が高くなります。
  • HDD は使用初期には故障しにくく、温度の影響も小さいですが、使用期間が長くなるにつれて故障率は着実に増加します。
  • SMARTは機械的な問題については警告しますが、信頼性に影響を与えるその他の問題については警告しません。したがって、状態を示す信頼できる指標ではありません。[142]
  • 「エンタープライズ」および「コンシューマー」として販売されているドライブの故障率は「非常に似ている」が、これらのドライブタイプはそれぞれ異なる動作環境に合わせてカスタマイズされている。[143] [144]
  • ドライブ アレイでは、1 つのドライブに障害が発生すると、2 番目のドライブに障害が発生する短期的なリスクが大幅に増加します。

2019年時点で、ストレージプロバイダーのBackblazeは、11万台の市販HDDを保有するストレージファームの年間故障率は2%で、信頼性はモデルやメーカーによって大きく異なると報告しました。[145] Backblazeはその後、2021年に、同年代のHDDとSSDの故障率は同程度であると報告しました。[7]

コストを最小限に抑え、個々のHDDの故障に対処するために、ストレージシステムプロバイダーは冗長HDDアレイに依存しています。故障したHDDは継続的に交換されます。[145] [91]

  • ディスクプラッター上に置かれたHDDヘッドのクローズアップ。プラッター表面にヘッドの鏡面反射が見られます。ヘッドがランディングゾーン上にない場合、動作中にヘッドがプラッターに接触すると、壊滅的な被害が発生する可能性があります。
    ディスクプラッター上に置かれたHDDヘッドのクローズアップ。プラッター表面にヘッドの鏡面反射が見られます。ヘッドがランディングゾーン上にない場合、動作中にヘッドがプラッターに接触すると、壊滅的な被害が発生する可能性があります。
  • HDDヘッドクラッシュ
    HDDヘッドクラッシュ
  • さらにひどい衝突
    さらにひどい衝突
  • 破損したハードディスク、ガラスプラッターが見える
    破損したハードディスク、ガラスプラッターが見える

市場セグメント

消費者セグメント

2 台のハイエンド コンシューマー向け SATA 2.5 インチ 10,000 rpm HDD (工場出荷時に 3.5 インチ アダプタ フレームにマウント)
デスクトップHDD
デスクトップHDDは通常、1～5枚のプラッターを内蔵し、5,400～10,000 rpmで回転し、メディア転送速度は0.5 Gbit/s以上（1 GB = 10 9バイト、1 Gbit/s = 10 9ビット/s）です。初期の（1980～1990年代）ドライブは回転速度が遅い傾向がありました。2025年1月時点で、最大容量のデスクトップHDDは36 TBのストレージを搭載しており、[146] [147] 2025年後半には50 TBのドライブをリリースする予定です。[148] 36 TBのHDDは2025年にリリースされました。[要出典]。 2016年現在、平均的なデスクトップコンピュータに搭載されているハードドライブの標準的な回転速度は7,200 rpmですが、低価格のデスクトップコンピュータでは5,900 rpmや5,400 rpmのドライブが使用されている場合があります。2000年代から2010年代初頭にかけては、一部のデスクトップユーザーやデータセンターでWestern Digital Raptorなどの10,000 rpmのドライブが使用されていましたが、2016年現在（WD VelociRaptorの製造中止以降）は大幅に減少し、NANDフラッシュベースのSSDに置き換えられたため、現在では一般的には使用されていません。
モバイル（ラップトップ）HDD
モバイルHDDはデスクトップやエンタープライズ向けのHDDよりも小型ですが、内部にプラッターが1枚しかなく、デスクトップで一般的な3.5インチフォームファクターではなく、2.5インチまたは1.8インチの物理サイズであるため、速度が遅く、容量も少なくなる傾向があります。モバイルHDDの回転速度は4,200 rpm、5,200 rpm、5,400 rpm、7,200 rpmで、5,400 rpmが最も一般的です。7,200 rpmのドライブは高価で容量も小さくなる傾向があります。一方、4,200 rpmモデルは古いラップトップやポータブルに搭載されていましたが、現在では時代遅れになっています。プラッターが小さいため、モバイルHDDの容量はデスクトップHDDよりも一般的に低くなります。
家電製品用HDD

これらのドライブは通常 5400 rpm で回転し、次の内容が含まれます。

  • ビデオハードドライブは「監視用ハードドライブ」とも呼ばれ、デジタルビデオレコーダーに組み込まれており、読み取りおよび書き込みエラーが発生した場合でもストリーミング容量が保証されます。[149]
  • 自動車に組み込まれたドライブ。通常、大きな衝撃に耐え、より広い温度範囲で動作するように作られています。
外付けHDDとポータブルHDD
現在の外付けハードディスクドライブは、一般的にUSB-Cで接続されます。以前のモデルはUSB-B（帯域幅を向上するために2つのポートを使用する場合もあります）または（まれに）eSATA接続を使用します。USB 2.0インターフェースを使用するモデルは、SATA接続の内蔵ハードドライブと比較して、一般的にデータ転送速度が遅くなります。プラグアンドプレイドライブ機能により、システム互換性が確保され、大容量ストレージオプションとポータブル設計が特長です。2015年3月現在、外付けハードディスクドライブの容量は500GBから10TBまであります。[150]外付けハードディスクドライブは通常、組み立て済みの一体型製品として提供されますが、外付けエンクロージャ（USBまたはその他のインターフェース付き）と別途購入したドライブを組み合わせて組み立てることもできます。2.5インチと3.5インチのサイズがあり、2.5インチモデルは通常ポータブル外付けドライブ、3.5インチモデルはデスクトップ外付けドライブと呼ばれます。「ポータブル」ドライブは、「デスクトップ」ドライブよりも小型で軽量なエンクロージャに収納されています。さらに、「ポータブル」ドライブはUSB接続によって供給される電源を使用するのに対し、「デスクトップ」ドライブには外付け電源アダプターが必要です。暗号化、Wi-Fi接続、[151]生体認証セキュリティ、複数のインターフェース（ FireWireなど）などの機能は、より高価です。[152]プリント基板にUSBインターフェースが組み込まれており、SATA（またはパラレルATA ）インターフェースがないため、筐体から取り出した状態ではノートパソコンやデスクトップパソコンの内部で使用することができない、組み立て済みの外付けハードディスクドライブもあります。[153] [154]
  • 2.5インチ外付けUSBハードドライブ2台
    2.5インチ外付けUSBハードドライブ2台
  • SATAをUSB、FireWire、eSATAに変換するコントローラボードを備えたSeagateハードドライブ
    SATAをUSB、FireWire、eSATAに変換するコントローラボードを備えたSeagateハードドライブ

エンタープライズおよびビジネスセグメント

サーバーおよびワークステーションのHDD
ホットスワップ可能なHDDエンクロージャ
通常、エンタープライズソフトウェアを実行するマルチユーザーコンピュータで使用されます。例としては、トランザクション処理データベース、インターネットインフラストラクチャ（電子メール、ウェブサーバー、電子商取引）、科学計算ソフトウェア、ニアラインストレージ管理ソフトウェアなどが挙げられます。エンタープライズドライブは、信頼性を犠牲にすることなく可能な限り最高のパフォーマンスを提供しながら、要求の厳しい環境において24時間365日連続稼働することが一般的です。最大容量は主要な目標ではないため、ドライブの容量はコストに比べて比較的低い場合が多くあります。[155]
最高速のエンタープライズHDDは10,000または15,000rpmで回転し、1.6 Gbit/sを超えるシーケンシャルメディア転送速度[156]と、最大1 Gbit/sの持続転送速度を実現できます。[156] 10,000または15,000rpmで動作するドライブは、消費電力の増加を抑えるために小型のプラッターを使用しています（空気抵抗が少ないため）。そのため、一般的に最大容量のデスクトップドライブよりも容量が低くなります。エンタープライズHDDは、通常、シリアル接続SCSI（SAS）またはファイバーチャネル（FC）を介して接続されます。複数のポートをサポートしているものもあり、冗長ホストバスアダプタに接続できます。
エンタープライズHDDのセクターサイズは512バイトを超える場合があり（多くの場合、520、524、528、または536バイト）、セクターごとに追加されたスペースは、ハードウェアRAIDコントローラやアプリケーションによってデータ整合性フィールド（DIF）またはデータ整合性拡張（DIX）データの保存に使用され、信頼性の向上とサイレントデータ破損の防止につながります。[157]
監視用ハードドライブ;
ネットワークビデオレコーダーで使用されるビデオ録画用HDD。[149]

経済

価格の推移

HDDの1バイト当たりの価格は、1988年から1996年にかけては年間40%、1996年から2003年にかけては年間51%、2003年から2010年にかけては年間34%の割合で下落した。[158] [77]面密度の増加が鈍化し、 2011年のタイ洪水で製造施設が被害を受けたため、2011年から2014年にかけては価格下落率が年間13%に鈍化し、 [82] 2010年から2017年にかけては年間11%で推移した。[159]

連邦準備制度理事会は、 3台以上のエンタープライズHDDと関連コントローラー、ラック、ケーブルを含む大規模エンタープライズストレージシステムの品質調整済み価格指数を公表しました。これらの大規模ストレージシステムの価格は、2004年から2009年にかけて年率30%、2009年から2014年にかけて年率22%の割合で下落しました。[77]

メーカーと販売

HDDメーカー統合の図

これまで200社以上の企業がHDDを製造してきましたが、統合により現在ではWestern Digital、Seagate、東芝の3社に生産が集中しています。生産は主に太平洋沿岸地域で行われています。

HDDの出荷台数は2010年に6億5100万台でピークを迎え、その後減少傾向にあり、2022年には1億6600万台に達する見込みです。 [160] Seagateが43%のシェアで最大の市場シェアを獲得しました。[161]

SSDとの競争

HDDとSSD

SSD のビットコストが HDD の 4 ～ 9 倍であるため、価格よりも高速性 ( M.2 (NGFF) NVMeドライブの場合は最大 7ギガバイト/秒[162] 、 PCIe拡張カード ドライブの場合は最大 2.5ギガバイト/秒) [163] )、堅牢性、低消費電力が重要な市場では、HDD はソリッド ステート ドライブ (SSD) に取って代わられつつあります。[16] [15] 2016 年現在、HDD の故障率は年間 2 ～ 9% であるのに対し、SSD の故障率は年間 1 ～ 3% と低くなっています。[164]ただし、SSD では HDD よりも訂正不可能なデータエラーが多くなります。[164]

SSDは、最大のHDDよりも大容量（最大100TB）[39]と、より高いストレージ密度（100TBと30TBのSSDは、3.5インチHDDと同じ高さの2.5インチHDDケースに収納されています）で提供されていますが、[165] [166] [167] [168] [169]、このような大容量のSSDは非常に高価です。

96層の1.33 Tb 3D NANDチップ（ソリッドステートドライブ（SSD）で一般的に使用されるNAND）の実験室でのデモでは、2019年の時点で5.5 Tbit/in 2でした[170]。一方、HDDの最大面密度は1.5 Tbit/in 2です。フラッシュメモリの面密度は、ムーアの法則（年間40％）と同様に2年ごとに倍増しており、HDDの年間10～20％よりも高速です。2025年には、最大容量はHDDで36テラバイト、[171] SSDで100テラバイトでした。[172] 2016年に製造されたデスクトップパソコンとノートパソコンの70％でHDDが使用され、30％でSSDが使用されました。[173] 2025年には、ノートパソコンにHDDが搭載されることはほとんどなくなり、デスクトップのほとんどにはSSDのみが搭載されますが、SSDとHDDが混在しているものや、まれにHDDのみが搭載されているものもあります。[要出典]

SSDなどの用途で使用されるシリコンベースフラッシュメモリ（NAND）チップの市場は、HDDよりも速いペースで成長しています。2011年から2017年にかけて、世界のNANDの売上高は220億ドルから570億ドルへと年率16%増加し、生産量は19エクサバイトから175エクサバイトへと年率45%増加しました。[174]

参照

注記

  1. ^ ハードディスクドライブの各種を表す用語には、ディスクドライブ、ディスクファイル、直接アクセス記憶装置（DASD）、 CKDディスク、ウィンチェスターディスクドライブ（ IBM 3340に由来）などがあります。「DASD」という用語には、ディスク以外のメディアを備えたデバイスも含まれます。「ハードディスクドライブ」という用語は、リムーバブルメディアを備えたデバイスを指す場合もあります。
  2. ^ これは、ハードディスクドライブの特許として一般的に認められている米国特許第3,503,060号につながった出願の最初の出願日です。[17]
  3. ^ 36,000,000,000,000 ÷ 3,750,000
  4. ^ 大型冷蔵庫2台分の大きさに相当します。
  5. ^ 1.8 インチ フォーム ファクターは時代遅れです。2.5 インチより小さいサイズはフラッシュ メモリに置き換えられました。
  6. ^ 68 × 12 × 12 × 12 ÷ 2.1
  7. ^ 910,000 ÷ 62
  8. ^ 600÷2.5
  9. ^ (97,500 ÷ 14.4) × 10 6 .
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  11. ^ 2,500,000÷2,000。
  12. ^ ユーザー データ用に 40 個、フォーマット トラック用に 1 個、代替サーフェス用に 6 個、メンテナンス用に 1 個。
  13. ^ 当初はエポキシバインダー中のガンマ酸化鉄粒子であったが、現代のHDDの記録層は、垂直記録を可能にするために酸化物によって物理的に分離された粒状のコバルト-クロム-プラチナベースの合金のドメインであるのが一般的である。[47]
  14. ^ 歴史的に、磁気記録ではさまざまなランレングス制限コードが使用されており、その中にはFM、 MFM、 GCRといったコードが含まれますが、これらは現代の HDD では使用されなくなりました。
  15. ^ ab 小数倍数で表す
  16. ^ ab 2進数の倍数で表す
  17. ^ 平均回転遅延時間（ミリ秒）は、次のように計算されます: 60 × 1000 ÷ 2 ÷ R、ここでRは 1 分あたりの回転速度です。

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さらに読む

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  • ハードディスクドライブ百科事典
  • 開いたHDの動作を示すビデオ
  • コンピュータディスクの平均シーク時間（アーカイブ）
  • タイムライン：ハードドライブ50年。2013年10月6日アーカイブ、Wayback Machine。
  • HDD内部：トラックとゾーン。どれほど難しいことなのでしょう？
  • ハードディスクハッキング - 8つのパートに分かれたファームウェアの改造。通常のHDDコントローラボードでLinuxカーネルを起動するところまで。
  • ハードドライブのサービスエリアにデータを隠す (PDF)、2013年2月14日、アリエル・バークマン著 (アーカイブ)
  • 回転加速フィードフォワード（RAFF）情報シート（PDF）、Western Digital、2013年1月
  • ハードディスクドライブの省電力と柔軟性を実現する PowerChoice テクノロジー (PDF)、Seagate Technology、2010 年 3 月
  • シングル磁気記録（SMR）、HGST社、2015年
  • ヘリウムへの道、HGST社、2015年
  • 磁気光データストレージにおける磁性光伝導体の将来的な使用法に関する研究論文。