Теория и практика науки и образования №5 (5) июль 2026 г.

В настоящее время особую актуальность приобретает вопрос хранения данных. Объем генерируемых данных ежегодно увеличивается стремительными темпами, что обусловлено ростом числа цифровых сервисов, социальных сетей, а также активным внедрением систем на базе больших языковых моделей (LLM – от англ. Large Language Model). Указанные тенденции обусловливают расширение инфраструктуры дата-центров и одновременно ставят вопрос о выборе наиболее рациональных и экономически обоснованных подходов к хранению информации.

История появления HDD

Для обоснования целесообразности применения HDDнеобходимо обратиться к эволюции носителей информации в вычислительной технике. Исторически первыми массово применявшимися носителями данных для ЭВМ стали перфокарты и перфоленты. 

Перфолента – это пластиковая или бумажная лента, на которой информация кодировалась посредством перфорации (См. рисунок 1). Перфолента представляет из себя непрерывную достаточно длинную последовательность отверстий единиц информации – бит.

Перфокарта – аналогичный носитель в форме карточки, где данные также фиксировались за счет наличия или отсутствия отверстий в заданных позициях (См. рисунок 2).

Рисунок 1. Перфолента 

Рисунок 2. Перфокарта

Главное отличие заключается в объеме информации на носителе. Ключевое различие между перфокартой и перфолентой заключалось в удобстве внесения изменений: при обнаружении ошибки в данных замена перфокарты требовала существенно меньших временных и материальных затрат по сравнению с переделкой много метровой перфоленты. В целом, недостатками ранних носителей являлись невозможность перезаписи данных без физического изменения носителя и значительные требования к площади для их хранения.

Бумажные носители не могли обеспечить требуемую скорость доступа и объёмы хранения, поэтому закономерным этапом эволюции стало появление устройств на основе магнитной записи, допускающих многократную перезапись данных. На смену ему пришел способ хранение информации на металлической поверхности магнитного диска. 

В основе работы жесткого диска лежит квантовая механика электронного спина. Первый серийный образец жёсткого диска был разработан компанией IBM в 1953 году. Устройство имело массу 971 кг и ёмкость 3,5 Мбайт. [1] (См. рисунок 3).

Рисунок 3. IBM 350 DiskStorageUnit

Приведённых исторических сведений достаточно для понимания эволюции носителей. 

Далее будет рассматриваться принцип работы современных HDD. Технологическое развитие позволило значительно уменьшить габариты устройств при многократном увеличении ёмкости, однако фундаментальный принцип магнитной записи сохранился.

Упрощенно устройство HDD изображено на рисунке 4.

Рисунок 4. Устройство HDD

Приведённых исторических сведений достаточно для понимания эволюции носителей. 

Далее будет рассматриваться принцип работы современных HDD. Технологическое развитие позволило значительно уменьшить габариты устройств при многократном увеличении ёмкости, однако фундаментальный принцип магнитной записи сохранился.

Упрощенно устройство HDD изображено на рисунке 4.

Принцип работы HDD

В накопителях на жестких дисках (HDD) данные размещаются на вращающихся пластинах («блинах»), покрытых ферромагнитным слоем. Запись и считывание информации осуществляется посредством магнитных головок, которые размещаются над поверхностью пластин.

Вращение пластин обеспечивается шпиндельным механизмом, при этом головки не контактируют с поверхностью дисков, а находятся над ней на минимальном расстоянии. В процессе работы головка перемещается по радиусу диска, обеспечивая доступ к различным дорожкам данных. При записи головка создает локальные изменения намагниченности участков поверхности, кодируя таким образом логические состояния «0» и «1» (см. рисунок 8). При считывании фиксируется изменение магнитного поля, которое преобразуется в электрический сигнал, далее – в цифровые данные.

Весь процесс расположения головок и вращения дисков характеризуется высокой точностью и скоростью работы.

Все компоненты HDD размещены в герметичном корпусе (гермоблоке) (см. рисунок 5).

Рисунок 5. Гермоблок

Корпус HDD выполняет не только защитную функцию, его внутреннее пространство заполняется очищенным воздухом или инертным газом, чаще всего – гелием.

Как описано выше, механика записи и чтения работает с высокой точностью и скоростью. Это связано с большим объемом информации, которую нужно хранить на одном носителе, следовательно, для хранения большого объема информации необходимо увеличить плотность размещенной информации. Для этого на жестких дисках используется металлизация (процесс нанесения металла на поверхность) стеклянных или алюминиевых дисков специального ферромагнитного сплава, как правило диоксида хрома. Ферромагнетик – это материал способный легко намагничиваться и сохранять намагниченность. 

Диоксид хрома является лишь одним из представителей класса ферромагнитных материалов, применимых в технологиях магнитной записи. Ряд материалов, пригодных для формирования рабочего слоя на магнитных дисках, приведен в Таблице 1 с указанием ключевых магнитных характеристик.

Таблица 1

Ферромагнитные металлы

Где J_s0 — величина намагниченности единицы объёма при абсолютном нуле температуры, называемая спонтанной намагниченностью; T_c — точка Кюри (критическая температура, выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком).

При нанесении материала под микроскопом можно заметить, что он структурирован в виде отдельных областей – магнитных доменов. Каждый домен характеризуется однородной намагниченностью. Домены непосредственно являются носителями информации: каждый домен имеет свой вектор намагниченности, который определяет логическое значение 0 или 1. Размер отдельного магнитного домена в современных HDD составляет порядка 10–30 нм (см. Рисунок 6). Столь малые линейные размеры обуславливают повышенные требования к чистоте внутренней среды гермоблока. Наличие даже единичных микрочастиц пыли в рабочей зоне накопителя при высоких скоростях вращения пластин способно привести к повреждению ферромагнитного покрытия, и, как следствие, к потере данных. 

Рисунок 6. Домены жесткого диска

Процесс чтения и записи информации реализуется с помощью магнитных головок, располагаемых над поверхностью пластин (см. Рисунок 7). При движении над дорожкой головка детектирует направление намагниченности доменов, распознавая его как логические значения «0» или «1». Одновременно при записи головка генерирует локальное магнитное поле, изменяющее вектор намагниченности доменов и тем самым фиксируя новую информацию.

Рисунок 7. Считывающая головка

Структурная схема головки и ее наконечника представлены на Рисунке 8.

Рисунок 8. Увеличенное изображение наконечника считывающей головки

Критическим параметром функционирования HDD является рабочий зазор между магнитной головкой и поверхностью пластины, величина которого составляет 5–10 нм. Поддержание столь малого расстояния без прямого контакта позволяет считывать и перезаписывать данные из доменов, практически, неограниченное количество итераций. Нарушение заданного зазора приводит к критическим последствиям: контакт головки с поверхностью диска вызывает повреждения магнитного покрытия, формирование царапин и микрочастиц, распространяющихся по гермоблоку.

Высокая точность позиционирования обусловливает повышенную чувствительность HDD к внешним механическим воздействиям. Вибрации, резкие перевороты, удары могут спровоцировать отклонение головки от расчетной траектории, а также контакт с поверхностью пластины.

Благодаря современным способ обработки материалов, современные жесткие диски способны обеспечить ёмкость до 24 ТБ при сравнительно небольших габаритах. Несмотря на относительный «возраст» технологии, HDD сохраняют актуальность благодаря ряду эксплуатационных характеристик, в частности — высокой износостойкости при циклах перезаписи. Главным преимуществом является возможность перезаписывать информацию значительное количество раз, намного больше, чем у основного конкурента SSD, имеющего ограниченный запас перезаписи данных (особенно с ячейками типа TLC и QLС). При выходе SSD из строя, восстановление данных, как правило, невозможно без предварительного создания резервного копирования. Это ограничивает его применение в сценариях долгосрочного хранения: средний срок службы HDD оценивается в 10 лет, тогда как для SSD этот показатель составляет около 5 лет.

Заключение

Проведённый анализ демонстрирует, что жёсткие диски (HDD) прошли значительный эволюционный путь – от громоздких устройств весом почти в тонну до компактных накопителей ёмкостью до 24 ТБ, сохранив при этом фундаментальные принципы магнитной записи. История развития носителей информации наглядно показывает, как потребность в более эффективном хранении данных последовательно вела к отказу от перфолент и перфокарт в пользу магнитных решений, заложив основу для современных систем хранения [4].

Несмотря на активное развитие твердотельных накопителей (SSD), HDD сохраняют устойчивую нишу на рынке благодаря ряду ключевых преимуществ: практически неограниченному количеству циклов перезаписи, более низкой стоимости за гигабайт и предсказуемой деградации, в отличие от SSD, где исчерпание ресурса ячеек может привести к резкой потере работоспособности. 

В обозримом будущем HDD не будут полностью вытеснены с рынка, скорее, произойдёт дальнейшее разделение сфер применения: SSD займут лидирующие позиции в задачах, требующих высокой скорости ввода‑вывода (операционные системы, базы данных, высокопроизводительные вычисления), а HDD продолжат служить экономичным и надёжным решением для холодного хранения данных. Развитие технологий, таких как термомагнитная запись (HAMR) и использование гелиевого наполнения, позволит ещё больше увеличить плотность хранения и энергоэффективность HDD, продлевая их актуальность в эпоху экспоненциального роста объёмов информации. Таким образом, жёсткие диски остаются важным элементом инфраструктуры хранения данных, органично дополняя современные твердотельные решения и обеспечивая сбалансированный подход к управлению информационными ресурсами.

***

1. IBM Archives. IBM 350 Disk Storage Unit: Historical Overview. — Armonk : IBM Corporation, 1956. — 12 p.
   
   
2. Jiang Nan,Yue Zhang,Zhizhong Zhang,Kun Zhang, Zhenyi Zheng, Guanda Wang, Xueying Zhang,Jacques-Olivier Klein, Dafine Ravelosona, Youguang Zhang, Weisheng Zhao // Efficient Magnetic Domain Nucleation and Domain Wall Motion With Voltage Control Magnetic Anisotropy Effect and Antiferromagnetic/Ferromagnetic Coupling. — IEEE Transactions on Magnetics. Advances in Magnetic Recording Technologies. — Vol. 55, No. 7. — Piscataway : IEEE, 2019. — 15 p.
   
   
3. SNIA (Storage Networking Industry Association). Understanding HDD and SSD Technologies: A Comparative Analysis. — Reston : SNIA, 2021. — 34 p.
   
   
4. Western Digital Corporation. HDD Technology Roadmap and HAMR Implementation. — San Jose : WD R&D, 2022. — 28 p.
   
   
5. TechInsights. NAND Flash vs. Magnetic Media: Endurance and Use-Case Analysis. — Fremont : TechInsights, 2022. — 22 p.
   
   
6. ISO/IEC 27001:2022. Information security, cybersecurity and privacy protection. Information security management systems / International Organization for Standardization, International Electrotechnical Commission. — Geneva : ISO, 2022. — URL: https://www.iso.org/obp/ui/en/#iso:std:iso-iec:27001:ed-3:v1:en (дата обращения: 02.07.2026).
   
   
7. Копылов Д. А. От перфоленты к флэш-носителям: хранение и защита информации // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2011. — Т. 7, № 4. — С. 36–40.