1. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
Hard Disks
Top view of a 36 GB, 10,000 RPM, IBM SCSI server hard disk, with its top cover removed. Note the height of the drive and the 10 stacked platters. (IBM Ultrastar 36ZX.)
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

2. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
Hard Disk Basics
Invented in the 1950
20 inch diameter holding a few megabytes
Originally called “fixed disks” or “Winchesters” (Winchester rifle)
Magnetic recording technique
Easily erased and rewritten
Remembers magnetic flux patterns for many years.
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

3. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
Hard Disk Basics
hard disks play a significant role in the following important aspects of a computer system:
Overall System Performance
Storage Capacity
Software Support
Reliability
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

4. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

5. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

6. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
Hard Disk Trends
Areal Density: 35Gbits/inch2 (20GB on a single 3.5” platter)
Capacity: ~300GB
Spindle speed: 15000rpm
Form factor: smaller -> more rigid
Desktop: 5.25” -> 3,5”
Laptop: 2,5”
IBM Microdrive: 1” diameter, 0,25” thick, 340 MB
Performance: positioning and transfer performance
Reliability (SMART)
RAID: for performance & reliability
Interfaces: IDE/SATA – SCSI/SAS - USB
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

7. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
Construction
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

8. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
Platters and Media
One or more platters
Substrate, gives it structure and rigidity
Magnetic media coating
Platters are precision manufactured
Assembled in a clean room to keep platters clean.
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

9. Platter Size – Drive form factor
Form factor: 5.25”,3.5”,2.5”, PC Card & CompactFlash
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

10. Platter Size is shrinking, why ?
Most cost effective for manufacturers: platter size as big as possible !
Reasons for shrinking:
Enhanced rigidity: more rsistant to shock and vibration. (diameter /2 -> rigidity x 4)
Manufacturing Ease
Mass Reduction (easier to spin, faster spin-up)
Power conservation
Noise and Heat reduction
Improved Seek Performance, but smaller capacity !
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

11. Platter size shrinking
Seagate Cheetah 10K
Seagate Cheetah 15K
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

12. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
Number of Platters
Consumer disks: 1 – 5 platters
High-end disks: up to 12 platters
Always a single assembly that spins as one unit.
Each platter: two surfaces to hold data -> two read/write heads. (not always used)
Many platters: difficult to drive, noise, vibration, spin up, spin down, ...
Trend: less platters (areal density compensates)
Height limitation: one inch for standard drives.
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

13. Platter Substrate Materials
Material should be: rigid, easy to work with, lightweight, stable, magnetically inert, inexpensive, available.
Aluminium Alloy Platter
Glass platter
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

14. Glass Platters: advantages over aluminium
Better quality: smoother surface, ideal for low flying heights and faster spindle speeds.
Improved rigidity: glass is more rigid than aluminium
Thinner platters: enhanced rigidity allows platters to be made thinner. More platters can be placed in the same drive dimensions. Thinner platters weigh less => spindle motor requirements reduced, spin-up time smaller
Thermal Stability: glass expands less than aluminium when heated.
Very thin glass: FRAGILITY
Solution: Glass/ceramic composites to reduce the likelyhood of cracking.
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

15. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
Magnetic Media
Thin coating of magnetic material (only a few millionths of an inch thick)
Older disks used high-performance oxide media (=rust particles), similar to what is used in audio cassette tape.
Oxide media is inexpensive but
Is soft, easily damaged
Low density
Today’s disks use thin film media:
Much more uniform and smooth
Superior magnetic properties (higher areal density)
Harder and more durable than oxide
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

16. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
Tracks and Sectors
Platter is broken in tracks
Each track divided into sectors.
Sector is smallest accessable unit which holds 512 bytes of info.
First disks: 17 sectors per track
Today: over 1000 sectors per track + zoned recording
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

17. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
Zoned Recording
5400RPM IBM 40GV (20GB)
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

18. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
Interleaving
Used only for (Old) slow controllers
Interleave factor 1:1
1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17
Interleave factor 2:1
1,10,2,11,3,12,4,13,5,14,6,15,7,16,8,17,9
Interleave factor 3:1
1,7,13,2,8,14,3,9,15,4,10,16,5,11,17,6,12
Configured by low level format
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

19. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
Cylinder and Head Skew
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

20. Magnetic Reading + Recording
MR (Magneto-Resistive) or GMR (Giant MR) reading head.
Thin-Film inductive write head
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

21. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

22. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
Ferrite Head
Mid 1970s
Bulky ferrite head
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

23. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
Thin Film Heads (TF)
1980s to mid 1990s
Very small, precise head
Much higher density ( MB drives)
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

24. Magnetoresistive (MR) Heads
Ferrite and Thin Film heads: inducing a current in the wire of the read head when a magnetic field is present.
MR heads (reading only): special conductive material that changes resistance when a magnetic field is present. A sensor detects these changes in resistance. Results in much higher densities on the platters. Read head is much more sensitive -> allows weaker written signals, which lets the bits be spaced closer together.
1GB – 30GB disks
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

25. Giant Magnetoresistive (GMR) Heads
Same principle as MR heads
Different design that makes it superior
“Giant” MR head is smaller than MR head
Giant magnetoresistive effect discovered in the late 1980s:
Thin layers of various magnetic materials
Subjected to magnetic field
=> large resistance changes
Commercialized by IBM: GMR
First harddisk using GMR on the market: 1998
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

26. Giant Magnetoresistive (GMR) Heads
GMR head operation
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

27. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
MR versus GMR
GMR is more sensitive:
MR only 2% resistance change when polarity changes
GMR from 5% to 8%
GMR head can detect much weaker (smaller) signals. Much higher areal density is possible.
GMR head: 300GB disks (35Gbits/in2)
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

28. Illustration: inside a hard disk
Speed ~100km/h
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst

29. DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst
Sources
Harddisks:
Seagate Technology Papers:
Seagate Technology: More than an Interface – SCSI vs. ATA Dave Anderson, Jim Dykes, Erik Riedel
Hitachi Global Storage Technologies:
6 December 2018
DE NAYER INSTITUUT Hogeschool voor Wetenschap & Kunst