Storia e funzionamento degli Hard Disk, dall’IBM 350 ai dischi da 3,5 pollici.

Vi siete mai chiesti come funziona un Hard Disk? Se non siete informatici o ingegneri, probabilmente no, e questo è un male, per questo ho voluto raccontarvi la storia e il funzionamento degli Hard Disk, una storia incredibile iniziata nel 1956 e che ha subito una serie di evoluzioni concatenate, spesso a poca distanza l’una dall’altra.

La storia degli Hard Disk è in parte la storia dell’informatica, poiché tra il 1956 ed il 2011 gli Hard disk, i dischi rigidi, sono stati il principale supporto di memoria nel mondo informatico che, a differenza di altri dispositivi di memoria, come i Floppy Disk, CD, DVD, e le più recenti chiavette USB, i dischi rigidi permettevano di immagazzinare quantità enormi di dati, e, al di la dell’evoluzione tecnologica che ha permesso nel tempo di ridurre le dimensioni di questi dispositivi, un tempo enormi, il loro funzionamento è rimasto pressoché invariato.

I principi che permettevano ai primi Hard Disk di funzionare, sono che regolano i più moderni Hard Disk ancora in commercio, nonostante sia passato più di mezzo secolo dalla loro prima introduzione, e questa è la loro storia.

IBM 350, il primo Hard Disk della storia

IBM 305 Storage Unit durante l'utilizzo
IBM 305 Storage Unit durante l’utilizzo
IBM 305 Storage Unit durante il trasporto

Il primo Hard Disk della storia è stato l’IBM 350 disk Storage Unit, ed è stato commercializzato da IBM a partire dal 1956, si trattava all’epoca di un dispositivo all’avanguardia, estremamente avanzato, che sfruttava tecnologie all’epoca innovative che permetteva di archiviare fino a 5 milioni di Bit, l’equivalente di 5 MegaByte. Uno spazio di memoria che oggi permetterebbe di conservare una canzone di 3 minuti e una fotografia in alta risoluzione, compressa nel formato jpg, ma che all’epoca, in un mondo in cui l’informazione era principalmente testuale, rappresentava una quantità di spazio enorme.

I primi Hard Disk, erano unità di memoria mastodontiche, grandi come un moderno frigorifero e pesavano circa 1 tonnellata, formato da 50 dischi magnetici di 61 cm, su cui venivano registrati i dati. Per quelli che erano i limiti tecnologici dell’epoca, era opinione diffusa che, analogamente alla potenza di calcolo, le loro dimensioni sarebbero cresciute esponenzialmente. Ma intorno alla metà degli anni 50, il concetto di circuito integrato, non era ancora stato esplorato.

Solo nel 1958, quando il fisico delle Texas Instruments, Jack St. Clair Kilby, e parallelamente Robert Noyce, della Fairchild Semiconductor, realizzarono i primissimi circuiti integrati della storia, si iniziò a pensare concretamente che le dimensioni dei calcolatori e dei dispositivi di allocazione della memoria, potessero essere rimpiccioliti.

La struttura di un Hard Disk

La struttura interna di un Hard Disk
La struttura interna di un Hard Disk

Devi sapere che tra il 1956 al 2011, anche se le dimensioni degli Hard disk sono cambiate, riducendosi per volume e crescendo esponenzialmente per capacità di archiviazione, tutti gli Hard disk, hanno funzionato è rimasto praticamente invariato, e i dischi rigidi hanno continuato a funzionare seguendo gli stessi principi fondamentali.

Ma allora, come funziona un Hard Disk?

I Circuiti integrati hanno permesso di ridurre le dimensioni fisiche dei dischi di memoria e allo stesso tempo di aumentare la loro capacità di archiviazione, passando da dispositivi grandi come un frigorifero, a dispositivi sempre più piccoli che avrebbero raggiunto, negli anni ottanta, le dimensioni di un libro.

Tutti gli Hard Disk, dall’IBM 350 agli Hard disk da 3,5 pollici sono costituiti da quattro diverse sezioni, ovvero, una scheda di controllo, delle testate per la lettura e scrittura dei dati sui dischi, un rotore elettromagnetico e dei dischi metallici su cui venivano effettivamente registrati i dati.

Nei primi Hard Disk la scheda di controllo era costituita da un enorme scheda elettronica composta da valvole, transistor, resistenze, condensatori, e altre componenti elettroniche, mentre negli Hard Disk più moderni, dagli anni 80 in poi, le schede sono state sostituite da circuiti stampati, comprensivi di diversi circuiti integrati.

I circuiti integrati sono la chiave di volta, che hanno permesso la riduzione delle dimensioni dei dispositivi di memoria e dei calcolatori.

Le schede di controllo sono il ponte che collega l’unità di memoria al calcolatore, ed ha il compito di comandare un braccio meccanico su cui sono collocate due testate indipendenti per la lettura e la scrittura dei dati.

Il principio è lo stesso che permetteva ai giradischi di tradurre in musica le informazioni registrate sui vecchi dischi in vinile, ma con qualche leggera differenza tecnologica. Mentre nei dischi in vinile la punta era a contatto diretto con il disco, negli Hard Disk, le testate non entrano mai in contatto con il disco e sono sospesi, oltre che da staffe metalliche, anche da una sottilissima camera d’aria e da un precario e delicatissimo equilibrio di forze elettromagnetiche e l’alta velocità di rotazione dei dischi.

La lettura e scrittura è la parte più importante del funzionamento di un Hard Disk, è la sua funzione primaria, e avviene, come dicevamo, non per contatto, come sui dischi in vinile, ma, tramite una sorta di raggio laser che incide magneticamente il disco, registrando su ogni sezione, un informazione binaria, ovvero assegna una carica positiva o negativa, se la carica è positiva, il disco registra quello che è comunemente chiamato 1, mentre se la carica è negativa, il disco registra uno 0. Ogni 0 ed 1 registrati sul disco costituiscono 1 bit, e ogni stringa o sequenza di otto bit costituisce un byte, e ogni byte è un informazione completa.

I primi Hard disk nella seconda metà degli anni 50, avevano una capacità di memoria limitata, perché, con quelli che erano i supporti tecnologici e le conoscenze fisiche dell’epoca, ogni disco del dispositivo di memoria poteva registrare al massimo 1 Milione di bit, possono sembrare tanti, ma non è così. 1 milione di bit infatti equivale a circa 125 Kbyte, che, oltiplicato per i 50 dischi del dispositivo di memoria, permettevano di immagazzinare complessivamente circa 5 MB, una quantità di memoria oggi sufficiente appena per una canzone o un immagine di discreta qualità. Nei dischi moderni le “celle di memoria” sono molto più piccole, ed ogni singolo cm quadrato di ogni singolo disco dell’Hard Disk, può contenere circa 30 miliardi di bit, permettendo così al disco, nel suo insieme di archiviare diverse decine o addirittura centinaia di GigaByte, e nei dischi più moderni, anche diversi TeraByte.

Per essere più precisi, 8 bit formano un Byte, 1000 byte formano 1 Kilobyte (KB), 1000 KB formano un MegaByte(MB), 1000 MB formano un GigaByte(GB) e 1000 GB formano 1 TeraByte (TB), ed al momento il TB è la quantità massima di memoria che è possibile archiviare su un singolo disco, ma, un insieme di dischi, possono arrivare ad archiviare anche migliaia di TB.

Le informazioni sul disco sono ordinate in strisce concentriche, chiamate tracce, e prendono il nome dalle tracce dei vecchi dischi in vinile, anch’esse ordinate in modo concentrico.

La differenza tra le tracce dei dischi in vinile e le tracce magnetiche degli Hard Disk, è dovuta al modo in cui le informazioni sono registrate sulle tracce, se nei dischi in vinile infatti le informazioni sono registrate linearmente, negli Hard Disk non è così, un Informazione completa può essere divisa in varie sezioni del disco, o su più dischi, e può essere richiamata dal calcolatore, attraverso una mappa completa delle sezioni e tracce del disco, che indica alla testate dove andare a recuperare i dati, o quali sezioni sono libere e quindi sovrascrivibili.

Un effetto collaterale di questo modo di gestire i dati si ha nel lungo periodo, se infatti da un disco vengono scritti e cancellati molti dati, nel lungo periodo questo inizierà a rallentare, ovvero, le testate impiegheranno più tempo per recuperare tutti i dati di un file, proprio perché alcune parti di quel file potrebbero essere conservate sul cerchio più interno di un disco, ed altre sul cerchio più esterno di un altro disco. Per questo motivo, i sistemi informatici danno la possibilità di “deframmentare” il disco, la deframmentazione è sostanzialmente un operazione di rimappatura del disco che comprime i dati, eliminando gli spazi vuoti tra una sequenza di bit e l’altra, in modo tale da avere i bit di uno stesso file più vicini tra loro e quindi velocizzare la lettura di quei file.

Le testate che leggono e scrivono i dati, come anticipavo, non entrano mai in contatto con il disco, avviene perché la velocità di rotazione dei dischi è estremamente elevata, e il minimo contatto tra disco e testata, distruggerebbe completamente il disco. Sarebbe come se un aereo pieno di piombo, volasse a pochi centimetri dal suolo, la sua velocità e la sua massa, distruggerebbero qualsiasi cosa al suolo entrasse in contatto con l’aereo.

Negli Hard Disk moderni da 3,5 pollici, gli hard disk realizzati dal 1986 in poi la velocità di rotazione del disco è di circa 15000 RPM, circa 250 giri al secondo, mentre nei dispositivi di memoria degli anni 50, la velocità di rotazione era molto più ridotta, IBM 350 Storage Unit aveva una velocità di rotazione di circa 1200 RPM, circa 250 rotazioni al secondo.

Hard Disk da 5,25 pollici.

All’inizio degli anni 80, tra il 1980 e il 1986, l’anno di uscita degli Hard Disk da 3,5 pollici, siamo agli albori dell’era dei Personal Computer, dei calcolatori domestici, grandi come una televisione, che avrebbero fatto la fortuna di aziende come Apple e Microsoft. I primi PC, come Altair 8800 e Apple I, erano basati su microprocessori di ultima generazione, ma la loro capacità di memorizzare dati era molto limitata, Apple I aveva una memoria di soli 4KB. Nel 1980 però, vista la grande popolarità dei Personal Computer, iniziarono a commercializzare Hard Disk compatti, destinati ai PC.

I primi Hard Disk domestici avevano le dimensioni di una radio o un tostapane, e permettevano di memorizzare fino a 5MB, la stessa quantità di memoria dell’IBM 350 storage Unit, ma con dimensioni decisamente più contenute e un costo enormemente più basso. Questo disco rigido funzionava esattamente come un Hard Disk Moderno, ma aveva dei dischi di memoria da 5,25 pollici di raggio.

Questi Hard Disk domestici sembravano proiettati verso il futuro, almeno fino al 1986 quando vennero commercializzati i primi Hard Disk da 3,5 pollici, dei dispositivi dalle dimensioni di un libro che integravano le più moderne tecnologie, permettendo a dischi più piccoli, di archiviare centinaia di MB. I primi Hard Disk commerciali avevano una capienza di qualche centinaia di MB, pochi GB al massimo, che negli anni sarebbero diventati decine, centinaia, addirittura migliaia di GB.

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