איך זה עובד: דיסק קשיח
רוב המידע של המין האנושי מאוחסן על דיסקיות מתכת מלוטשות שמסתובבות במהירות. נשמע מוזר? בעולם אחסון הנתונים המגנטי, זוהי רק ההתחלה.
כשהתחלתי לפרק דיסק קשיח ישן לצורך הכתבה הזו, נשרה ממנו תיבת פלסטיק קטנה ובתוכה כדורים שחורים זעירים. בירור קצר העלה שמדובר בחומר סופח לחות, שמונע מאדי המים שבאוויר לשבש את פעולת הכונן. זו היתה תזכורת קטנה למידת המורכבות והעדינות של פריט החומרה הנפוץ הזה, שהפך עם השנים בעצמו למסובך כמעט כמו מחשב. אגב, התעלות המתפתלות שבתחתית הקפסולה הן לניקוז הנוזלים המצטברים אל מחוץ לכונן.
המבנה הבסיסי
הדיסק הקשיח המגנטי (להבדיל מכונני SSD החדשים, שאין בהם חלקים נעים) מורכב משני חלקים עיקריים. הראשון הוא דיסקיות המתכת – אחת או יותר – שמצופות בחומר מגנטי ומסתחררות על ציר משותף במהירות קבועה, בין 5,400 סל"ד בכוננים ביתיים ישנים ל-15,000 סל"ד בכוננים יקרים של שרתים. בעיקרון, ככל שהמהירות גבוהה יותר, כך הדיסק מסוגל לקרוא ולהעביר יותר נתונים בפרק זמן נתון. עם זאת, כפי שעוד נראה, הזמן שלוקח למידע להגיע לזיכרון המחשב תלוי בהרבה גורמים נוספים.הדיסקיות הללו קשיחות, ומכאן השם "דיסק קשיח". למעשה, השם הנכון הוא "כונן דיסק קשיח", כשהמילה "קשיח" מתייחסת לדיסק ולא לכונן, וזאת בהנגדה ל-Floppy disk, הדיסקטים שבהם הדיסקיות המגנטיות היו גמישות.
החלק השני הוא מנגנון הקריאה: "ראש" מגנטי זעיר להפליא שמותקן בקצה זרוע מסתובבת על ציר. סיבוב הזרוע הזו מסיע את ראש הקריאה לאורך קשת דמיונית ממרכז הדיסקית ועד לשוליה, ובשילוב עם הסיבוב של הדיסקית עצמה תחתיו, הראש מסוגל להגיע כך לכל נקודה על פני שטח הדיסקית, לשנות את השדה המגנטי בה ("כתיבה") או לזהות את מצבו ("קריאה").
בכונן שמופיע בתמונות כאן היתה דיסקית אחת בלבד, מה שאומר שהמידע נקרא ונכתב בצורה סדרתית, ביט אחרי ביט. בכוננים רבים אחרים יש מספר דיסקיות עם רווחים ביניהן, ואז גם ראש הקריאה הוא בעצם מספר ראשים נפרדים, אחד לכל דיסקית – או אפילו שניים, לצדה העליון ולצדה התחתון. באמצעות מערך כזה אפשר לקרוא נתונים במקביל ולזרז מאד את קצב העברת המידע.
שאלה של דיוק
נפח האחסון של כונני הדיסק הקשיח הביתיים זינק בשלושים השנים האחרונות פי מאה אלף ויותר, אף על פי שהמידות הפיזיות לא השתנו או אפילו פחתו. הדבר התאפשר לא בזכות הוספה של עוד ועוד דיסקיות, אלא בעיקר בזכות דיוק רב יותר של המנגנון. השטח הדרוש לאחסון ביט יחיד של נתונים בכונן מודרני קטן יותר מחיידק, וזה אומר שכל תזוזה – של הדיסקיות ושל ראש הקריאה – חייבת להיות מבוקרת ומדודה ברמות שקשה לתפוס.
הדיוק הזה מתחיל במנוע שמסובב את ציר הדיסקיות. למראית עין זהו מנוע פשוט, כמו מנועי הצעד שראינו במדפסות הלייזר, אך בניגוד למנועים ההם, הוא מספק משוב למעגל האלקטרוני המורכב שמפעיל אותו. בעזרת משוב זה הכונן מסוגל להשיג מהירות סיבוב יציבה ביותר, ולפצות על סטיות קטנות שמתרחשות בהכרח מדי פעם.
התנועה של ראש הקריאה מתבצעת באמצעות סליל של חוטי נחושת דקיקים, שמוצב מעל מגנט רב עוצמה. אגב, המגנט (בקצה הימני, בתמונה למעלה) הצליח להחזיק פטיש במשקל 600 גרם בלי שום בעיה, מה שמעמיד בסימן שאלה את כל האזהרות, לפיהן מגנט שיוחזק ליד הכונן עלול לפגוע בנתונים. כאשר הבקר של הדיסק הקשיח מעביר זרם חשמלי בסליל, נוצר שדה מגנטי שמזיז אותו – ויחד איתו את כל הזרוע וראש הקריאה – על פני המגנט הקבוע.
תזוזות אלה מדויקות ומהירות, ומתבצעות בתאוצה קטלנית (500 ג'י ומעלה). למרות זאת, תנועת הזרוע (מה שמכונה "זמן חיפוש" - Seek time) היא עדיין צוואר הבקבוק המשמעותי.
ביותר בין בקשת הנתונים מהמחשב לבין תחילת העברת הנתונים בפועל. כשמדובר בקבצים או בחלקי קבצים קטנים יחסית, הזמן שלוקח להגיע אל מקום האחסון הפיזי של המידע הוא לעתים קרובות ממושך הרבה יותר מזמן ההעברה של המידע כולו, ולכן מפתחי הכוננים עושים שמיניות באוויר כדי לצמצם את זמן החיפוש ככל שניתן.
פיזור וחוצצים
בפסקה הקודמת הזכרתי "חלקי קבצים", ואכן, לעתים קרובות קורה שקובץ מסוים מחולק, למעשה, למספר אתרים נפרדים על פני הדיסקיות. הסיבה לכך פשוטה. נניח שיצרנו מצגת שגודלה 50 מגהבייט, ולאחר מכן הורדנו קובץ התקנת תוכנה שגודלו 100 מגהבייט. שני הקבצים נשמרו פחות או יותר ברצף פיזי בכונן. כעת אנחנו חוזרים למצגת ומוסיפים לה שקופית, כך שעכשיו גודלה 51 מגהבייט. איפה לאחסן אותה כעת? אי אפשר להזיז את כל הקבצים שאחריה מגהבייט אחד קדימה, כי זו עלולה להיות פעולה ממושכת מאד.
אי אפשר גם להעביר את המצגת כולה למקום אחר בכונן, כי אז ייפער חור ענק שאפשר היה לנצל לדברים אחרים. הפתרון הוא לפצל את הקובץ ולשמור את החלק הראשון במקום המקורי, ואת השני במקום פנוי אחר. הניהול והמעקב אחרי כל החלקים האלה הוא הג'וב של מערכת הקבצים , שמהווה חלק קריטי של מערכת ההפעלה.
בעיה גדולה בפיצול הקבצים הזה היא שכעת, קריאה של אותו קובץ יחיד שפוצל מחייבת שני זמני חיפוש, שלושה או יותר, והזמן שיידרש כדי לקרוא אותו בשלמותו יתארך במידה בלתי נסבלת. למרות כל מאמצי מערכת הקבצים, בסופו של דבר לא תהיה ברירה אלא לבצע איחוי קבצים יזום (Defragmentation). פעולה זו מזיזה ומסדרת מחדש את החלקים המפוזרים של הקבצים, כך שכל קובץ יחיד יהיה רציף גם פיזית. כך קריאת הקבצים, ובעקבותיה פעולת המחשב כולו, נעשית מהירה יותר.
כל העסק הנ"ל מתבצע על ידי תוכנה בלבד. הכוננים כוללים גם חומרה שנועדה לזרז תהליכים – זיכרון החוצץ (Buffer). "אם כבר הגעתי לאזור של קובץ מסוים," אומר לעצמו הכונן, "למה שלא אשמור בצד ליתר ביטחון קצת מידע שמצאתי לפניו או אחריו?" המידע הזה נשמר בשבב זיכרון, שהגישה אליו מהירה הרבה יותר מהגישה הפיזית לדיסקית, ולעתים קרובות מסתבר שהמחשב אכן צריך את המידע הזה – דמיינו למשל אלבום תמונות ממוחשב שאתם מדפדפים בו לפי הסדר. החוצץ משמש גם למטרות נוספות, שלא ניכנס אליהן כעת.
מצב שינה
הסיבוב התמידי של הדיסקיות צורך חשמל, וכדי לחסוך אנרגיה (ולהאריך את זמן הסוללה, בניידים) מערכת ההפעלה עשויה לכבות את הכונן אחרי זמן מסוים של אי-פעילות. ההתעוררות משינה זו גורמת לעיכוב ואפילו קפיאה זמנית של המערכת כולה, כשהיא מנסה לקרוא או לכתוב לקובץ כלשהו: עד שהמידע מגיע מהכונן, מערכת ההפעלה אינה יכולה להרשות לתוכנה להתקדם אפילו בצעד אחד, אחרת היא עלולה לפספס משהו חשוב.
כל המגבלות המכניות שהוזכרו אינן רלוונטיות לכונני המצב המוצק (SSD) שמסתערים כעת על השוק הביתי, ולכן הם מהירים וחסכוניים הרבה יותר. אף על פי כן, העלות הגבוהה שלהם לעומת יחידת נפח אחסון, ומגבלות מסוימות אחרות על כתיבה וקריאת נתונים, מבטיחות שהכוננים עם דיסקיות המתכת יהיו איתנו עוד הרבה זמן – אם לא במחשב האישי, אז לפחות בשרתים שעומדים מאחורי כל אתר ושירות אינטרנט בהם אנחנו משתמשים.
