Os discos

A capacidade de um HD é determinada por basicamente dois fatores: a tecnologia utilizada, que determina sua densidade e o diâmetro dos discos, que determina a área útil de gravação.

A densidade de gravação dos HDs tem aumentado de forma surpreendente, com a introdução de sucessivas novas técnicas de fabricação. Para você ter uma idéia, no IBM 350 os discos eram simplesmente pintados usando uma tinta especial contendo limalha de ferro, um processo bastante primitivo.

Com o passar do tempo, passou a ser usado o processo de eletroplating, que é semelhante à eletrólise usada para banhar bijuterias à ouro. Esta técnica não permite uma superfície muito uniforme e justamente por isso só funciona em discos de baixa densidade. Ela foi usada até o final da década de 80.

A técnica usada atualmente (chamada de sputtering) é muito mais precisa. Nela a superfície magnética é construída depositando grãos microscópicos de forma incrivelmente uniforme. Quanto menores os grãos, mais fina e sensível é a superfície, permitindo densidades de gravação mais altas.

A densidade de gravação de um HD é medida em gigabits por polegada quadrada. Os HDs fabricados na segunda metade de 2006, por exemplo, utilizavam em sua maioria discos com densidade de 100 gigabits (ou 12.5 GB) por polegada quadrada. Neles, cada bit é armazenado em uma área magnética com aproximadamente 200×50 nanômetros (uma área pouco maior que a de um transístor nos processadores fabricados numa técnica de 0.09 micron) e é composta por apenas algumas centenas de grãos magnéticos. Estes grãos medem apenas alguns nanômetros e são compostos por ligas de cobalto, cromo, platina, boro e outros materiais raros, muito longe da limalha de ferro utilizada pelos pioneiros.

Considerando que os discos giram a 7200 RPM e a cabeça de leitura lê os dados a mais de 50 MB/s (quando lendo setores seqüenciais), atingir densidades como as atuais é simplesmente impressionante.

Este esquema mostra como funciona o processo de escrita e gravação em um HD:

Como você pode ver, a cabeça é composta por dois dispositivos separados, um para gravação e outro para leitura. O dispositivo de gravação é similar a um eletroímã, onde é usada eletricidade para criar o campo magnético usado para realizar a gravação. Nos primeiros HDs, tínhamos um filamento de cobre enrolado sobre um corpo de ferro. Nos HDs atuais, os materiais usados são diferentes, mas o princípio de funcionamento continua o mesmo.

O dispositivo de leitura, por sua vez, faz o processo oposto. Quando ele passa sobre os bits gravados, capta o campo magnético emitido por eles, através de um processo de indução (nos HDs antigos) ou resistência (nos atuais), resultando em uma fraca corrente, que é posteriormente amplificada.

O dispositivo de leitura é protegido por um escudo eletromagnético, que faz com que ele capte apenas o campo magnético do bit que está sendo lido, e não dos seguintes. Você pode notar que não existe isolamento entre os dispositivos de leitura e gravação. Isso acontece porque apenas um deles é usado de cada vez.

Note que essa divisão existe apenas nos HDs modernos, que utilizam cabeças de leitura/gravação MR ou GMR. Nos antigos, que ainda utilizavam cabeças de leitura de ferrite, o mesmo dispositivo fazia a leitura e a gravação.

O grande problema é que, assim como em outras áreas da informática, a tecnologia avançou até o ponto em que se começou a atingir os limites físicos da matéria. Em um HD, a área referente a cada bit armazenado funciona como um minúsculo ímã, que tem sua orientação magnética alterada pela cabeça de leitura. Quando ela é orientada em um sentido temos um bit 1 e no sentido oposto temos um bit 0. A área da superfície utilizada para a gravação de cada bit é chamada de “magnetic element”, ou elemento magnético.

A partir de um certo ponto, a área de gravação torna-se tão pequena que a orientação magnética dos bits pode ser alterada de forma aleatória pela própria energia térmica presente no ambiente (fenômeno chamado de superparamagnetismo), o que faz com que a mídia deixe de ser confiável.

A tecnologia usada nos HDs fabricados até a primeira metade de 2007 é chamada de gravação longitudinal (longitudinal recording), onde a orientação magnética dos bits é gravada na horizontal, de forma paralela à mídia. O problema é que a partir dos 100 gigabits por polegada quadrada, tornou-se muito difícil aumentar a densidade de gravação, o que acelerou a migração para o sistema de gravação perpendicular (perpendicular recording), onde a orientação magnética passa a ser feita na vertical, aumentando muito a densidade dos discos.

Estima-se que, utilizando gravação longitudinal, seria possível atingir densidades de no máximo 200 gigabits por polegada, enquanto que utilizando gravação perpendicular seja possível atingir até 10 vezes mais. Isso significa que os fabricantes ainda terão margem para produzir HDs de até 10 terabytes antes de esgotar as possibilidades oferecidas pela nova tecnologia.

Na gravação perpendicular, a mídia de gravação é composta de duas camadas. Inicialmente temos uma camada de cromo, que serve como um indutor, permitindo que o sinal magnético gerado pelo dispositivo de gravação “atravesse” a superfície magnética, criando um impulso mais forte e, ao mesmo tempo, como uma espécie de isolante entre a superfície de gravação e as camadas inferiores do disco.

Ele poderia (até certo ponto) ser comparado à camada extra usada nos processadores fabricados com tecnologia SOI (silicon on insulator), onde uma camada isolante é criada entre os transístores e o wafer de silício, reduzindo a perda de elétrons e, conseqüentemente, o consumo elétrico do processador.

Sobre a camada de cromo, são depositados os grãos magnéticos. A diferença é que agora eles são depositados de forma que a orientação magnética seja vertical, e não horizontal. A cabeça de leitura e gravação também é modificada, de forma a serem capazes de lidar com a nova orientação:

Embora pareça uma modificação simples, o uso da gravação perpendicular em HDs é uma conquista técnica notável. Em termos comparativos, seria como se a NASA conseguisse enviar uma missão tripulada até Marte.

O processo de gravação perpendicular foi adotado rapidamente por todos os principais fabricantes. O primeiro foi a Fujitsu, que lançou um HD de 1.8″ com gravação perpendicular ainda em 2005. A próxima foi a Seagate que, em abril de 2006, anunciou o Barracuda 7200.10, um disco de 3.5″ com 750 GB. Em agosto de 2006 a Fujitsu anunciou um HD de 2.5″ com 160 GB, e em Janeiro de 2007 a Hitachi anunciou o Deskstar 7K1000, um HD de 3.5″ com 1 TB, que utiliza um design incomum, com 5 platters em vez dos 4 comumente usados.

Em seguida, temos a questão do diâmetro dos discos. Como vimos, os primeiros HDs eram gigantescos, e utilizavam discos de até 24 polegadas de diâmetro. Com o passar das décadas, os discos foram encolhendo, até chegar ao que temos hoje.

Mas, como tudo na vida, existem receitas ideais para o tamanho dos discos magnéticos, de acordo com a área onde eles serão utilizados.

O problema em produzir discos muito compactos é que a superfície de gravação fica exponencialmente menor, permitindo gravar um volume menor de dados. Apesar disso, os demais componentes continuam custando quase o mesmo (ou até mais, dependendo da escala de miniaturização necessária). Isso faz com que o custo por megabyte cresça, conforme o tamanho físico do HD diminui. Um exemplo prático disso é a diferença no custo por megabyte entre os HDs de 2.5″ para notebooks e os modelos de 3.5″ para desktops.

A partir de um certo nível de miniaturização, o custo por megabyte se torna mais alto que o dos cartões de memória Flash, e os HDs deixam de ser viáveis. O melhor exemplo é o HD de 0.85″ apresentado pela Toshiba em 2005, que tinha como objetivo atender o mercado de palmtops e smartphones. Ele era tão pequeno que podia ser produzido no formato de um cartão SD e possuía um consumo elétrico baixíssimo:

O problema é que ele seria lançado em versões de apenas 2 e 4 GB, com preços a partir de US$ 150. Com a rápida queda no custo da memória Flash, logo surgiram cartões de 2 e 4 GB que custavam menos, de forma que o mini-HD acabou não encontrando seu lugar no mercado e foi descontinuado silenciosamente.

O interessante é que o oposto também é verdadeiro. HDs com discos muito grandes também acabam sendo inviáveis, pois são mais lentos e mais passíveis de problemas que HDs baseados em discos menores. Isso se deve a vários fatores.

O primeiro é a questão da rotação, já que discos maiores são mais pesados e demandam um maior esforço do motor de rotação, consumindo mais energia e gerando mais calor e mais barulho. Discos maiores também acabam sendo menos rígidos, o que impede que sejam girados a velocidades muito altas e tornam todo o equipamento mais sensível a impactos. Dobrar o diâmetro dos discos faz com que a rigidez proporcional seja reduzida em até 75%.

O segundo é a dificuldade de produção. Com o avanço da tecnologia, a mídia de gravação precisa ser cada vez mais fina e uniforme. Quanto maiores os discos, mais difícil é recobrir toda a superfície sem o surgimento de um grande número de pontos defeituosos.

Como se não bastasse, temos o terceiro motivo, que é o maior tempo de acesso, já que com uma superfície maior as cabeças de leitura demoram muito mais tempo para localizar os dados (justamente devido à maior distância a ser percorrida). Se combinarmos isso com a velocidade mais baixa de rotação, acabamos tendo uma redução muito grande no desempenho.

Isso explica porque os HDs com discos de 5.25″ usados nos primeiros PCs foram rapidamente substituídos pelos de 3.5″. O pico evolutivo dos HDs de 5.25″ foram os Quantum Bigfoot, produzidos até 1999, em capacidades de até 18 GB. Embora eles armazenassem um maior volume de dados por platter, a velocidade de rotação era bem mais baixa (apenas 3600 RPM), os tempos de acesso eram maiores e, ainda por cima, a durabilidade era menor.

Os HDs de 3.5″ e de 2.5″ atuais parecem ser o melhor balanço entre os dois extremos. Os HDs de 3.5″ oferecem um melhor desempenho, mais capacidade de armazenamento e um custo por megabyte mais baixo (combinação ideal para um desktop), enquanto os HDs de 2.5″ são mais compactos, mais silenciosos, consomem menos energia e são mais resistentes a impactos, características fundamentais no caso dos notebooks.

Temos ainda os HDs de 1.8″ (mais finos e do tamanho de um cartão PCMCIA), que são usados em notebooks ultra-portáteis, além de mp3players e alguns dispositivos de armazenamento portátil.

Uma quarta categoria são os microdrives, que utilizam discos de 1″ (pequenos o suficiente para serem produzidos no formato de cartões CompactFlash) e podem ser utilizados em palmtops e mp3players. Eles foram utilizados no Palm Life Drive (4 GB) e também no iPod Nano (4 e 8 GB), mas acabaram perdendo seu espaço para os cartões de memória Flash. A Hitachi chegou a anunciar o desenvolvimento de microdrives de 20 GB, utilizando tecnologia de gravação perpendicular, mas a produção em série acabou sendo cancelada, pois o preço de venda seria mais alto que o da mesma quantidade de memória Flash.

Para organizar o processo de gravação e leitura dos dados, a superfície dos discos é dividida em trilhas e setores. As trilhas são círculos concêntricos, que começam no final do disco e vão se tornando menores conforme se aproximam do centro. É diferente de um CD-ROM ou DVD, onde temos uma espiral contínua.

Cada trilha recebe um número de endereçamento, que permite sua localização. A trilha mais externa recebe o número 0 e as seguintes recebem os números 1, 2, 3, e assim por diante. Para facilitar ainda mais o acesso aos dados, as trilhas se dividem em setores, que são pequenos trechos de 512 bytes cada um, onde são armazenados os dados.

Além das trilhas e setores, temos também as faces de disco. Como vimos, os HDs atuais possuem de 1 a 4 discos. Como são utilizadas ambas as faces de cada disco, temos um total de 2 a 8 faces e o mesmo número de cabeças de leitura.

Como todas as cabeças de leitura estão presas no mesmo braço móvel, elas não possuem movimento independente. Para acessar informações armazenadas na trilha 199.982 da face de disco 3, por exemplo, a controladora do disco ativa a cabeça de leitura responsável pelo disco 3 e, a seguir, ordena ao braço de leitura que se dirija à trilha correspondente. Não é possível que uma cabeça de leitura esteja na trilha 199.982 ao mesmo tempo que outra esteja na trilha 555.631 de outro disco, por exemplo.

Já que todas as cabeças de leitura sempre estarão na mesma trilha de seus respectivos discos, deixamos de chamá-las de trilhas e passamos a usar o termo “cilindro”. Um cilindro nada mais é do que o conjunto de trilhas com o mesmo número nos vários discos. Por exemplo, o cilindro 1 é formado pela trilha 1 de cada face de disco, o cilindro 2 é formado pela trilha 2 de cada face, e assim por diante. Esta antiga ilustração da Quantum mostra como funciona esta divisão:

A trilha mais externa do disco possui mais que o dobro de diâmetro da trilha mais interna e, conseqüentemente, possui capacidade para armazenar um volume muito maior de dados. Porém, nos primeiros discos rígidos, assim como nos disquetes, todas as trilhas do disco, independentemente de seu diâmetro, possuíam o mesmo número de setores, fazendo com que nas trilhas mais externas, os setores ocupassem um espaço muito maior do que os setores das trilhas mais internas.

Tínhamos então um grande espaço desperdiçado, pois era preciso nivelar por baixo, fazendo com que todas as trilhas possuíssem o mesmo número de setores permitido pelas trilhas mais internas, acabando por desperdiçar enormes quantidades de espaço nas primeiras trilhas do disco.

Atualmente, os HDs utilizam o Zoned bit Recording (ZBR), que permite variar a quantidade de setores por trilha, de acordo com o diâmetro da trilha a ser dividida, permitindo uma organização mais racional do espaço em disco e, conseqüentemente, uma maior densidade de gravação.

O HD pode ter então 1584 setores por trilha na área mais externa dos discos e apenas 740 na área mais interna, por exemplo. Como os discos giram sempre na mesma velocidade, isso causa um pequeno efeito colateral, que é uma considerável variação no desempenho de acordo com a área do disco que está sendo lida, proporcional ao número de setores por trilha.

Trocando em miúdos, o desempenho ao ler as trilhas mais externas acaba sendo mais que o dobro do obtido ao ler as mais internas. É por isso que em geral se recomenda colocar a partição com a instalação do sistema, ou com a partição swap no início do disco (que corresponde às trilhas mais externas) para obter o melhor desempenho.

Usando um programa de benchmark que permita realizar uma leitura seqüencial de toda a superfície do HD, como o HD Tach, você obterá sempre um gráfico similar a este, onde a taxa de leitura começa num nível alto (trilhas externas) e vai decaindo até atingir o ponto mais baixo no final do teste (ao ler o conteúdo das trilhas mais internas):

Um dos principais motivos do desempenho dos HDs não ter crescido na mesma proporção da capacidade ao longo das últimas décadas é que a densidade das trilhas aumentou numa escala muito maior que a dos setores dentro destas. Ou seja, as trilhas foram ficando mais “finas”, mas o número de setores por trilha passou a aumentar em escala incremental. Aumentar o número de trilhas permite aumentar a área de armazenamento, mas é o número de setores por trilha, combinado com a velocidade de rotação do HD que determina a performance.

Um antigo Maxtor 7040A, de 40 MB, por exemplo, possuía uma taxa de leitura média em torno de 700 KB/s, o que permitia ler todo o conteúdo do disco em cerca de um minuto.

Um Seagate Barracuda 7200.10 atual, de 750 GB, é bem mais rápido, com uma taxa média de leitura de 64 MB/s, mas, apesar disso, como a capacidade é brutalmente maior, ler todos os dados do disco demoraria pelo menos 3:15 horas!

No futuro, esta tendência deve se manter, pois é muito mais simples para os fabricantes produzir cabeças de leitura e sistemas de codificação capazes de lidarem com trilhas mais finas, do que espremer mais dados dentro de cada trilha, já que elementos magnéticos mais curtos correspondem a um sinal magnético mais fraco e mais difícil de ser captado pela cabeça de leitura. Como um agravante, temos o problema do superparamagnetismo, que vimos há pouco.