Harde schijven

Lezen en schrijven van gegevens

Het belangrijkste van geheugen is niet het kunnen opslaan van informatie, maar het later kunnen terugvinden ervan. Stel je voor dat je een gemagnetiseerde ijzeren spijker opslaat in een stapel van 1,6 miljoen miljoen identieke spijkers en je hebt enig idee in hoeveel problemen je computer zou komen als hij niet op een zeer methodische manier zijn informatie opsloeg.

Wanneer uw computer gegevens op zijn harde schijf opslaat, gooit hij niet zomaar gemagnetiseerde spijkers in een doos, allemaal door elkaar gegooid. De gegevens worden opgeslagen in een zeer ordelijk patroon op elke plaat. Gegevens worden gerangschikt in concentrische, cirkelvormige paden die sporen worden genoemd. Elk spoor is onderverdeeld in kleinere gebieden die sectoren worden genoemd. Een deel van de harde schijf slaat een kaart op van sectoren die al zijn opgebruikt en andere die nog vrij zijn. (In Windows wordt deze kaart de Bestandstoewijzingstabel of FAT genoemd.) Wanneer de computer nieuwe informatie wil opslaan, bekijkt hij de kaart om een aantal vrije sectoren te vinden. Vervolgens geeft hij de lees-schrijfkop opdracht om precies naar de juiste plaats op de schijf te gaan en de gegevens daar op te slaan. Om informatie te lezen, wordt hetzelfde proces in omgekeerde volgorde uitgevoerd.

Hoe manipuleert een elektronische computer al die mechanische nitty gritty in een harde schijf? Dit is een klein circuit dat de actuatoren bedient, specifieke sporen voor lezen en schrijven selecteert en parallelle gegevensstromen van de computer omzet in seriële gegevensstromen die naar de schijf worden geschreven (en vice versa). Controllers zijn ofwel ingebouwd in de eigen printplaat van de diskdrive of onderdeel van de hoofdprintplaat (moederbord) van de computer.

Met zoveel informatie opgeslagen in zo’n kleine hoeveelheid ruimte, is een harde schijf een opmerkelijk stukje techniek. Dat brengt voordelen met zich mee (zoals de mogelijkheid om 500 CD’s op je iPod op te slaan), maar ook nadelen. Een daarvan is dat harde schijven stuk kunnen gaan als er vuil of stof in komt. Een klein stukje stof kan de lees- en schrijfkop heen en weer doen stuiteren, tegen de plaat aan botsen en het magnetisch materiaal beschadigen. Dit staat bekend als een disk crash (of head crash) en het kan (hoewel niet altijd) leiden tot het verlies van alle informatie op een harde schijf. Een schijfcrash komt meestal uit het niets, zonder enige waarschuwing. Daarom moet u altijd reservekopieën van uw belangrijke documenten en bestanden bewaren, hetzij op een andere harde schijf, hetzij op een compact disc (cd) of dvd, hetzij op een flashgeheugenstick.

Photo: De lees-schrijfkop op een harde schijf. 1) De actuatorarm zwaait de kop heen en weer zodat hij op de juiste plaats op de schijf zit. 2) Alleen het kleine uiteinde van de harde schijf leest daadwerkelijk van en schrijft naar de plaat. Bedenk dat de helft van wat u op de tweede foto ziet, een reflectie is in het glanzende oppervlak van de harde schijf!

Wie heeft de harde schijf uitgevonden?

Zoals vele innovaties in de computerwereld van de 20e eeuw, werden harde schijven uitgevonden bij IBM als een manier om computers een snel toegankelijk “random-access” geheugen te geven. Het probleem met andere computergeheugens, zoals ponskaarten en magneetbanden, is dat ze alleen serieel kunnen worden benaderd (in volgorde, van begin tot eind), dus als het stukje dat je wilt ophalen ergens in het midden van je band staat, moet je het hele ding doorlezen of scannen, tamelijk langzaam, om het ding te vinden dat je wilt hebben. Alles gaat veel sneller met een harde schijf, die zijn lees-schrijfkop zeer snel van het ene deel van de schijf naar het andere kan bewegen; elk deel van de schijf kan even gemakkelijk worden benaderd als elk ander deel. De eerste harde schijf werd ontwikkeld door Reynold B. Johnson van IBM en op 4 september 1956 aangekondigd als de IBM 350 Disk Storage Unit.

De ingenieurs van IBM waren ook pioniers op het gebied van floppydisks, verwisselbare magnetische schijven verpakt in stevige plastic hoesjes (oorspronkelijk 20 cm of 8 in diameter en gewikkeld in flexibele plastic hoesjes; later 133 mm of 5,25 in diameter en verpakt in stevige plastic hoesjes). Deze schijven, die in 1967 door Warren Dalziel van IBM werden ontwikkeld en in 1971 voor het eerst werden verkocht, werden eind jaren zeventig en begin jaren tachtig enorm populair in microcomputers (de voorlopers van PC’s), maar zijn nu verouderd. Met een opslagcapaciteit van slechts 1,44 MB zijn ze volledig achterhaald door USB flash “drives” die honderden of duizenden malen meer geheugen bieden in een piepkleine plastic stick van een fractie van de grootte.

Artwork: De originele harde schijf. IBM-ingenieurs ontwikkelden dit baanbrekende magnetische geheugen (dat in IBM-taal DASD werd genoemd, uitgesproken als “das-dee”) via een proces van voortdurende verbetering vanaf het begin van de jaren 1950 en kregen hun laatste patent op het ontwerp in 1970. U kunt zien dat het basismechanisme voor lezen en schrijven precies hetzelfde is als in de huidige drives: er zijn meerdere platters (lichtblauw) die bestaan uit individuele sectoren (donkerblauw) waarnaar kan worden geschreven of waarvan kan worden gelezen door meerdere lees-schrijfkoppen (rood) die zijn gemonteerd op de uiteinden van schuifactuators (oranje). De schijven worden rondgedraaid door een katrol en een motor (groen), terwijl de actuators worden aangedreven door tandwielen en een motor (geel). Het belangrijkste verschil tussen deze schijf en een moderne schijf is de verbazingwekkende hoeveelheid ingewikkelde machinerie die deze schijf bevatte (waarover u alles kunt lezen in het oorspronkelijke octrooi). Uit US Patent 3,503,060: Direct access magnetic disc storage device door William Goddard en John Lynott, IBM Corporation, 24 maart 1970, met dank aan US Patent and Trademark Office, met kleuren toegevoegd voor de duidelijkheid.

Harde schijven en SSD’s vergeleken

Harde schijven zijn beproefd, hebben een hoge capaciteit en zijn goedkoop, maar ze hebben ook veel nadelen. Een van de nadelen is de tijd die de lees- en schrijfkop nodig heeft om het juiste deel van de schijf te bereiken om toegang te krijgen tot de gewenste informatie. Het gewicht van een harde schijf en het relatief hoge stroomverbruik zijn ook problemen, vooral in mobiele apparaten zoals tablets en smartphones. Betrouwbaarheid is een ander probleem. Zoals u wel begrepen zult hebben uit wat u zojuist gelezen hebt, is een harde schijf een prachtig stukje precisietechniek met veel ingewikkelde bewegende onderdelen. Hij kan gemakkelijk 20 jaar zonder problemen werken. Maar als u ooit te maken hebt gehad met een harddisk-kopcrash (een ernstige mechanische storing die wordt veroorzaakt door bijvoorbeeld vuil op een van de platen van de harde schijf of een plotselinge mechanische schok) en alles bent kwijtgeraakt wat u ooit op uw computer hebt opgeslagen, is dat geen geruststelling: u weet dat een harde schijf op slag verliefd op u wordt als u hem met minder zorg behandelt dan hij verdient.

Foto: SSD-schijven gemaakt met geheugenchips (boven) vervangen harde schijven (onder).

Al deze problemen – gewicht, energieverbruik, toegangstijden en betrouwbaarheid – kunnen worden opgelost door solid-state drives (SSD’s) te gebruiken, die meestal flash-geheugenchips gebruiken in plaats van draaiende magnetische platters. Computerfabrikanten stappen al minstens tien jaar af van harde schijven en stappen over op SSD’s, vooral onder invloed van de trend van desktopcomputers naar mobiele apparaten. De iPods van Apple zijn een goed voorbeeld van hoe de tijden zijn veranderd. De oorspronkelijke “Classic”-iPods, die in 2001 op de markt kwamen, waren niet veel meer dan een harde schijf, een geluidskaart en batterijen (op de foto’s hierboven zie je hoe een harde schijf van een iPod eruitziet); vooral de harde schijf was een voor de hand liggend excuus voor defecten als je ermee ging joggen of hem in je tas gooide. Met de iPod Touch, die in 2007 op de markt kwam, stapte Apple resoluut over op SSD-technologie, waardoor muziekspelers dunner en lichter in je zak passen, minder gevoelig zijn voor mechanische storingen en een veel langere gebruiksduur van de batterij hebben. Je hebt meer kans om de knoppen te verslijten of het scherm te kraken op een moderne iPod of iPhone dan schade aan te richten aan de geheugenchips binnenin.

Hier volgt een zeer snelle vergelijking tussen traditionele harde schijven (HDD’s) en SSD’s op een paar belangrijke metingen:

Geen wedstrijd? SSD’s winnen met de hand naar beneden? Niet zo snel! Als u zo veel mogelijk opslagruimte wilt kopen voor zo weinig mogelijk geld, en u bent minder kieskeurig wat betreft zaken als stroomverbruik en snelheid, dan bieden traditionele harde schijven nog steeds de beste prijs-kwaliteitverhouding. Vanaf 2020 zijn SSD’s per gigabyte nog steeds een stuk duurder dan traditionele harde schijven, hoewel er grote prijsverschillen bestaan tussen de verschillende soorten SSD’s en het verschil tussen SSD’s en harde schijven van jaar tot jaar kleiner wordt. Verwacht niet dat harde schijven van de oude stijl zullen verdwijnen totdat dat prijsverschil aanzienlijk kleiner wordt!