HDD (hard disk drive) 깊이 이해하기

- 목차

 

* 소개

HDD 는 hard disk drive 의 약자입니다

왜 Hard Disk 라고 이름이 붙여졌는지 알아보자면,

Hard 라는 명칭은 과거에 플로피 디스크와 같이 내구성이 떨어지고 디스크와 차별점을 두기 위해서 붙여졌습니다.

그리고 Disk 는 CD 와 Flatter 같이 둥근 원형의 형태를 취하기 때문에 Disk 라고 이름이 붙여졌습니다.

그래서 Hard Disk 는 기존의 저장 장치들보다 내구성이 뛰어나며 둥근 형태의 저장 장치라고 볼 수 있습니다.

 

그리고 HDD 는 비휘발성 기억 장치입니다.

기억장치는 휘발성 또는 비휘발성으로 나뉩니다.

RAM 과 같은 메모리들은 휘발성 기억장치로 전원이 꺼지게 되면 데이터들이 초기화됩니다.

반면 HDD 나 SSD 같은 기억장치들은 비휘발성으로 전원 여부와 무관하게 영구적으로 저장됩니다.

 

자세한 내용들은 앞으로 이어질 내용에서 상세히 알아보도록 하겠습니다.

 

* 데이터 저장 원리

HDD 는 물질의 자기적인 원리를 사용하여 데이터를 저장합니다.

철과 같은 자성체들은 스스로 자성을 가집니다.

( 여기서 말하는 자성은 N극과 S극을 가지는 자석의 자기적인 성질을 의미합니다. )

하지만 자연상태의 자성체들은 불규칙한 자성을 가지고 있어서 외부의 자극에 따라서 물질의 자성이 강해지거나 약해지며,

그 방향로 변경될 수 있습니다.

 

HDD 는 플래터라는 여러 원반들로 이루어져 있는데요.

이 플래터는 자성을 가지는 자성체로 코팅되어 있습니다.

그리고 이 플래터에 자극을 주어 N 또는 S 극에 해당하는 상태로 자성을 변경하는데요.

N극과 S극으로 변경된 자성은 0 또는 1처럼 여겨집니다.

이로써 HDD 는 데이터를 저장할 수 있게 됩니다.

 

 

- Head 는 Platter 의 자성은 변경하는 HDD 의 구성요소입니다.

- Head 에 의해서 Platter 의 자성이 변경되는데, 이로써 binary (0 or 1) 을 저장할 수 있게 됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

** 자성체

물질이 가지는 자기적 성질을 줄여서 자성이라고 합니다.

자석이 가지는 N극과 S극을 자성이라고 말하죠.

자성체는 스스로 자성을 띌 수 있는 물질을 의미합니다.

철, 니켈, 코발트와 같은 물질이 그 예시인데요.

Hard Disk Drive 는 자성체를 사용합니다.

Hard Disk Drive 에서 Platter 는 자성체로 이루어져 있습니다.

Platter 는 넓은 원판처럼 생겼는데요.

Platter 의 자성체를 자화 (Magnetize) 시켜서 데이터를 저장합니다.

 

 

** magnetization (자화)

자성을 띄는 물질은 수 많은 원자와 분자들로 이루어져 있습니다.

magnetization 은 원자 또는 분자들의 방향 (or 기울기) 을 동일하게 만드는 과정입니다.

그래서 원자 또는 분자들의 방향성이 통일되어 그 물질이 자성이 생기게 됩니다.

 

원자는 원자핵과 원자핵을 회전하는 전자들로 구성되어 있는데요.

전자들이 원자핵을 회전하면서 자성이 생겨납니다.

자성는 방향을 가지고 있어 방향이 다른 여러 자성이 만나면 그 영향력이 상쇄되거나 증폭되게 되는데,

자성의 방향이 다르면 전체 자성의 세기는 상쇄되고, 방향이 같으면 전체 자성의 세기는 증폭됩니다.

이렇게 원자들의 기울기를 통일시킴으로써 자성이 상쇄되는 것을 막을 수 있습니다.

magnetization 은 이러한 방식으로 인위적으로 자성을 만들어낼 수 있습니다.

 

< 왼쪽 그림은 외부 자극을 받기 전 >

< 오른쪽 그림은 외부 자극을 받은 후 >

 

 

* 구조

Hard Disk Drive 는 크게 Head, Platter 로 구성되어 있습니다.

각각의 구성요소들에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

** 플래터 (Platter)

Platter 는 자성체로 코팅되어 있습니다.

Platter 는 여러 레이어로 구성되어 있는데요.

Substrate 라고 불리는 기질 영역과 Magnetic Layer 로 이뤄집니다.

Substrate 는 알루미늄이라 유리, 세라믹 등으로 구성된다고 하는데, Substrate 가 필요한 이유는 잘 모르겠습니다.

 

다만 중요한 것은 Platter 는 Magnetic Layer 로 코팅되어 있고, Magnetic Layer 를 통해서 0 or 1 데이터를 저장할 수 있게 됩니다.

 

** 섹터 (Sector)

Sector 는 Hard Disk Drive 에서 데이터를 저장하는 최소 단위입니다.

Sector 는 Hard Disk Drive 상에서 자신의 주소를 가지며,

data 를 Read/Write 하는 목적지가 됩니다.

data 들은 bit by bit 로 Read/Write 되지 않고, Sector 단위로 읽거나 쓰여집니다. ( sector by sector )

그래서 Sector 의 사이즈는 4k 인데, 사용 중인 File System의 페이지 단위가 Sector 의 크기와 맞지 않다면

Sector 의 낭비가 발생할 수도 있습니다.

 

 

 

** 트랙 (track)

Track 은 Platter 에서 동일한 반지름을 가지는 Sector 들의 일컫는 말입니다.

가장 외곽의 Track 을 0 번으로 식별하고,

Platter 의 중심과 가까워지는 순서대로 Track 에 오름차순의 번호를 붙입니다.

Track 은 Hard Disk Drive 의 주소 체계에서 중요한 역할을 수행합니다.

 

Hard Disk Drive 는 "몇 번 Track 의 몇 번째 Sector 의 데이터를 읽어들이자."

와 같은 방식의 주소 체계를 사용하기 때문입니다.

 

Track 은 Hard Disk Drive 의 효율적인 주소 관리를 위한 논리적인 개념으로 생각하시면 될 것 같네요.

 

 

** 헤드 (head)

 

Head 는 Platter 에 기록된 데이터를 읽어들이거나, Platter 에 데이터를 생성할 수 있는 주체입니다.

자기적인 관점에서 Platter 는 Platter 가 가지고 있는 자성체의 극성을 조작한다고 말씀드렸습니다.

자성체 하나가 곧 하나의 Bit 를 저장할 수 있게 되는데요.

이렇게 자성체의 자성을 바꾸는 작업을 자화(Magnetization) 이라고 합니다.

Head 는 인위적으로 Platter 의 자성체를 자화시키는 Hard Disk Drive 의 구성요소입니다.

 

Head 는 전자기 원리를 이용하는데요.

전류가 흐르면 자기력이 생성되는 간단한 원리합니다.

전류가 강하면 자성 또한 강해지는데,

이렇게 Head 를 강한 자성을 띄게 한 다음에, Platter 의 특정 주소에 가까이 이동하게 되면

Platter 의 특정 Sector 는 이에 반응하여 자화되게 됩니다.

 

반대로 Head 의 Read 과정 또한 Sector 에 저장된 자기적인 정보를 읽어들여, 전기적인 신호르 변경하는 전자기적인 원리가 사용됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

<추후 기재할 내용들.>

HDD 주소 체계
Cylinder Addressing
Logical Block Addressing 
Sequential Data Access 
Error Correction