Cakram keras
Cakram keras (bahasa Inggris: harddisk atau harddisk drive disingkat HDD atau hard drive disingkat HD) adalah sebuah komponen perangkat keras yang menyimpan data sekunder dan berisi piringan magnetis. Cakram keras diciptakan pertama kali oleh insinyur IBM, Reynold Johnson pada tahun 1956. Cakram keras pertama tersebut terdiri dari 50 piringan berukuran 2 kaki (0,6 meter) dengan kecepatan rotasinya mencapai 1.200 rpm (rotation per minute) dengan kapasitas penyimpanan 4,4 MB. Cakram keras zaman sekarang sudah ada yang hanya selebar 0,6 cm dengan kapasitas 750 GB. Kapasitas terbesar cakram keras saat ini mencapai 3 TB dengan ukuran standar 3,5 inci.
Data yang disimpan dalam cakram keras tidak akan hilang ketika tidak diberi tegangan listrik (non-volatile). Dalam sebuah cakram keras, biasanya terdapat lebih dari satu piringan untuk memperbesar kapasitas data yang dapat ditampung.
Dalam perkembangannya kini cakram keras secara fisik menjadi semakin
tipis dan kecil namun memiliki daya tampung data yang sangat besar.
Cakram keras kini juga tidak hanya dapat terpasang di dalam perangkat
(internal) tetapi juga dapat dipasang di luar perangkat (eksternal)
dengan menggunakan kabel USB ataupun FireWire.
Karena sifatnya yang rapuh dan tidak tahan guncangan, cakram keras bisa dikategorikan sebagai barang pecah belah.
Sejarah
Cakram keras ditemukan pada tahun 1956 sebagai media penyimpan data untuk perangkat pengolah transaksi IBM dan dibuat untuk penggunaan umum pada komputer mainframe maupun komputer mini. IBM 350 RAMAC
adalah cakram keras pertama yang memiliki ukuran sebesar 2 kali lemari
pendingin dan mampu menyimpan 5 juta 6-bit karakter (atau sama dengan
3,75 juta 8-bit bytes) dalam 50 cakram bertumpuk.
Pada tahun 1961 IBM memperkenalkan cakram keras model 1311 yang berukuran sebesar mesin cuci dan menyimpan 2 juta karakter pada sebuah paket cakram mudah bongkar. Pengguna dapat membeli paket tambahan dan menggantinya apabila diperlukan sebagaimana halnya pita magnetik.
Paket cakram mudah bongkar model selanjutnya menjadi keharusan dalam
kebanyakan instalasi komputer dan mencapai kapasitas 300 megabytes pada
awal tahun 1980an.
Beberapa cakram keras kinerja tinggi seperti IBM 2305 dibuat dengan satu pembaca-tulis (read and write head)
di tiap alurnya untuk mengurangi kehilangan waktu dari pergerakan
pembaca. Sistem pembaca-tulis tetap atau pembaca-tulis tiap alur ini
harganya sangat mahal dan tidak diproduksi lagi.
Pada tahun 1973, IBM memperkenalkan cakram keras jenis baru dengan
kode "Winchester". Perbedaan pokok dari jenis ini, pembaca-tulis tidak
sepenuhnya diam di susunan plat ketika cakram keras mati. Pembaca-tulis
diletakan di tempat khusus pada permukaan cakram saat tidak berputar dan
kembali ke posisi kerja saat cakram keras dihidupkan lagi. Ini lumayan
banyak mengurangi biaya produksi motor penggerak lengan (actuator)
mekanis pembaca-tulis, namun membatasi penggantian cakram seperti pada
paket cakram model sebelumnya. Bahkan, model pertama dari cakram
berteknologi Winchester ini memiliki fasilitas modul cakram mudah
bongkar, termasuk paket cakram dan perakitan pembaca-tulis, meninggalkan
motor penggerak pengan dalam cakram saat pemindahan. Di kemudian hari
cakram Winchester tidak dipergunakan lagi dan kembali ke sistem plat
cakram yang tidak mudah bongkar.
Seperti paket cakram mudah bongkar pertama, cakram Winchester jenis
pertama menggunakan plat cakram berdiameter 14" atau 360 mm. Kemudian,
desainer mencoba memperkecil ukuran plat untuk menambah keuntungan.
Cakram tetap dibuat menggunakan plat berukuran 8" sehingga cakram keras
bisa berukuran 5 1/4" atau 130 mm dan dapat dipasang pada dudukan
pembaca disket. Yang terakhir ini ditujukan untuk pasar komputer pribadi (PC)
Awal tahun 1980an, cakram keras termasuk barang langka dan dianggap
perangkat tambahan yang sangat mahal pada komputer pribadi. Namun pada
akhir 1980an, harganya bisa ditekan sehingga bisa menjadi perlengkapan
standar pada komputer pribadi berharga murah.
Awal tahun 1980an kebanyakan cakram keras dipakai pengguna akhir
komputer pribadi sebagai perangkat luar untuk tambahan subsistem.
Subsistem ini tidak dijual atas nama pabrik cakram melainkan atas nama
produsen subsistem semacam Corvus System atau Tallgrass Technologies. Bisa juga atas nama pabrikan personal komputer misalnya Apple ProFile. IBM PC/XT
pada tahun 1983 sudah menyertakan cakram keras internal berukuran 10MB
dan tak lama kemudian cakram keras internal berkembang pada komputer
pribadi
Cakram keras luar tetap populer lebih lama pada Apple Macintosh. Setiap Mac buatan tahun 1986 sampai 1998 memiliki sebuah port SCSI
di bagian belakang supaya penambahan cakram luar lebih mudah.
Masalahnya Compact Mac tidak mungkin dipasang pada dudukan cakram keras
seperti pada kasus Mac Plus
atau dudukan cakram keras umumnya. Makanya pada model tersebut,
tambahan cakram keras SCSI pemakaian luar menjadi pilihan yang masuk
akal.
Mengikuti kepadatan media penyimpanan yang meningkat dua kali lipat
setiap 2 sampai 4 tahun sejak awal ditemukan, cakram keras terus
berkembang karakteristiknya, dengan sedikit poin penting sebagai
berikut :
- Kapasitas per cakram bertambah dari 3,75 MB menjadi 4 TB atau lebih, meningkat jutaan kali lipat.
- Ukuran fisik cakram keras berkurang dari 1,9 m3 (setara dengan dua buah lemari pendingin) menjadi kurang dari 20 mm
- Berat berkurang dari 920 kg menjadi 48 gram.
- Harga berkurang dari USD 15.000 per MB menjadi kurang dari USD 0.00006 per MB
- Waktu akses rata-rata berkurang dari 100 millidetik menjadi 40 kali lebih cepat.
- Aplikasi pasar berkembang dari komputer mainframe pada akhir tahun 1950 ke berbagai aplikasi penyimpanan data termasuk konten hiburan.
Teknologi
Sebuah cakram keras menyimpan data dengan cara memagnetkan selaput tipis material ''ferromagnetik'' pada piringan. Urutan perubahan arah pemagnetan akan mewakili data biner bit.
Pembacaan data dari piringan dengan cara mendeteksi perubahan
pemagnetan. Data pengguna disandikan menggunakan skema pengkodean yang
menentukan bagaimana data ditampilkan ulang berdasarkan perubahan medan
magnet.
Umumnya cakram keras terdiri dari sebuah poros (spindle) yang menjaga putaran piringan (platter) tempat data disimpan. Piringan terbuat dari bahan non-magnetis, biasanya alumunium alloy, kaca atau keramik yang dilapisi satu lapisan tipis bahan magnetis setebal 10-20 nanometer yang kemudian dilapisi karbon sebagai pelindung terluar. Sebagai perbandingan, tebal selembar kertas standar adalah 0,07 - 0,18 millimeter.
Piringan pada cakram keras modern berputar secara bervariasi mulai dari 4.200 ppm
pada perangkat ringan hemat energi sampai 15.000 ppm untuk server
berkinerja tinggi. Cakram keras generasi pertama berputar pada kecepatan
1.200 ppm. Generasi berikutnya menggunakan kecepatan 3.600 ppm dan pada
umumnya saat ini bekerja pada 5.400 - 7.200 ppm.
Informasi dibaca dan ditulis pada piringan berputar melalui alat pembaca-tulis (disk read and write head)
yang bekerja sangat dekat (sekitar 10 nanometer) di atas permukaan
piringan magnetis. Pembaca-tulis ini dipergunakan untuk mendeteksi dan
merubah kemagnetan media yang ada di bawahnya.
Pada cakram modern ada satu pembaca-tulis yang terpasang pada lengan
bertuas untuk masing-masing permukaan piringan. Sebuah lengan bertuas
menggerakan pembaca-tulis seperti busur melintasi piringan yang
berputar, memungkinkan masing-masing pembaca-tulis mengakses hampir
seluruh permukaan piringan. Lengan ini digerakan menggunakan motoran
penggerak lengan sistem gulungan. Cakram keras model lama menuliskan
data secara tetap dalam bit per detik, sehingga setiap alur memiliki
ukuran data yang sama. Model terbaru (sejak tahun 1990an) menggunakan
sistem perekaman area bit (zone bit recording) yang bisa menambah
kecepatan penulisan dari piringan area terdalam ke area terluar. Dengan
demikian data yang tersimpan di area terluar akan lebih banyak.
Pada cakram modern, kecilnya ukuran bidang magnetis membahayakan area
kemagnetannya dari kemungkinan kehilangan karena efek panas (superparamagnetism). Untuk mengatasi hal ini, piringan dilapisi dengan dua lapisan magnetis sejajar, dipisahkan sejauh 3 atom menggunakan bahan non-magnetis ruthenium
dan dua lapisan bermagnet yang arahnya bersebrangan saling memperkuat
satu sama lain. Teknologi lain digunakan untuk mengatasi efek panas yang
memungkinkan perekaman dengan kepadatan tinggi dibuat pertama kali
tahun 2005 dan pada tahun 2007 teknologinya sudah banyak dipakai pada
cakram keras.
Komponen
Cakram keras dengan piringan dan motoran tengah dilepas menunjukan
gulungan berwarna tembaga mengelilingi bantalan pada poros motoran.
Garis oranye sepanjang lengan adalah sirkuit kabel tercetak. Bantalan
poros ada di tengah dan penggerak lengan ada di kiri atas. Umumnya cakram keras memiliki dua motor listrik. Satu motoran poros
pemutar cakram dan satu motoran penggerak lengan untuk pembaca-tulis
yang terpasang melintasi piringan berputar. Motoran cakram memiliki
rotor yang terpasang pada piringan dengan gulungan terpasang pada tempat
yang tetap. Bersebrangan dengan motor penggerak lengan pada ujung
lengan terdapat alat pembaca-tulis. Sirkuit kabel tercetak menghubungkan
pembaca-tulis dengan penguat elektronik yang terpasang pada poros motor
penggerak lengan. Penyangga pembaca-tulis ini sangat ringan namun kuat.
Pada cakram modern, percepatan pada pembaca-tulis mencapai 550 Gaya Gravitasi (G-Force).
Susunan pembaca-tulis dan sebuah motor penggerak lengan di sebelah kiri dan pembaca-tulis di sebelah kanan. Motor penggerak lengan adalah sebuah magnet
permanen dan gulungan bergerak untuk mengayunkan pembaca-tulis ke
posisi yang diinginkan. Sebuah plat logam menyangga magnet NIB(neodymium iron boron) bermedan kuat. Di bawah plat ini ada gulungan bergerak yang sering disebut sebagai gulungan suara (voice coil
yang disamakan dengan gulungan pada pengeras suara) yang terpasang pada
as motor penggerak lengan dan di bawahnya terdapat magnet NIB kedua
dipasang dibawah plat motoran. Namun ada juga beberapa cakram keras yang
hanya memiliki satu magnet.
Gulungan suara itu sendiri bentuknya hampir mirip kepala panah dan
terbuat dari kawat magnet berlapis tembaga ganda. Lapisan dalam adalah
penyekat sedangkan lapisan luar adalah plastik tahan panas (thermoplastic)
yang melekat pada gulungan menempel dasar secara mandiri. Bagian dari
gulungan sepanjang dua sisi kepala panah (yang mengarah ke pusat
bantalan motor penggerak lengan) mempengaruhi medan magnet membentuk gaya tangensial
yang menggerakan motor penggerak lengan. Aliran arus keluar menjari
sepanjang sisi kepala panah dan jari-jari masuknya pada hasil lain dari
medan magnet. Jika medan magnetnya seragam, masing-masing sisi akan
menghasilkan gaya bersebrangan yang akan membatalkan keluaran satu sama
lain. Oleh karena itu permukaan magnet sebagian berkutub utara (N Pole) dan sebagian lain berkutup selatan (S Pole),
dengan jari-jari yang membagi jalur pada bagian tengah, menyebabkan
kedua sisi dari gulungan kelihatan terpisah medan magnetnya dan
menghasilkan gaya yang menambah bukannya membatalkan. Arus sepanjang
atas dan bawah gulungan jari-jari menghasilkan gaya yang tidak memutar
pembaca-tulis.
Kontrol elektronik cakram keras mengatur gerakan motor penggerak
lengan dan putaran piringan, juga melakukan pembacaan dan penulisan
sesuai permintaan kontrol cakram (disk controller). Umpan balik
dari bagian elektronik cakram didapat dengan mengartikan bagian khusus
dari cakram untuk diserahkan ke pelayan umpan balik. Ini merupakan satu
lingkaran sempurna (dalam kasus teknologi pelayan khusus /dedicated servo technology) atau bagian yang diselingi dengan data sebenarnya (dalam kasus teknologi pelayan tertanam / embedded servo technology).
Pelayan umpan balik mengoptimalkan sinyal ke rasio penganggu dari
sensor GMR dengan menyesuaikan gulungan suara pada lengan penggerak.
Putaran piringan juga menggunakan sebuah motor pelayan. Perangkat usaha (firmware)
cakram modern mampu menjadwalkan pembacaan dan penulisan secara efisien
pada permukaan piringan dan memetakan ulang sektor yang mengalami
kegagalan.
Penanganan Kesalahan
Cakram keras modern dibuat secara luas menggunakan koreksi kesalahan lanjutan (forward error correction), khususnya koreksi kesalahan Reed-Solomon.
Teknik ini menyimpan bit tambahan yang ditentukan menggunakan rumus
matematika untuk masing-masing blok data. Bit tambahan memungkinkan
banyak kesalahan dibetulkan tanpa terlihat. Bit tambahan itu sendiri
memakan tempat di cakram keras namun memungkinkan kepadatan perekaman
lebih tinggi bisa dilakukan tanpa menyebabkan kesalahan yang tak bisa
dibetulkan dalam banyak media penyimpanan berkapasitas besar. Pada
cakram keras terbaru keluaran setelah tahun 2009, kode pemeriksaan
keseimbangan kepadatan rendah atau LDPC (low-density parity-check code) menggantikan Reed-Solomon. LDPC memungkinkan kinerja cakram keras mendekati Batas Shannon dan menyediakan media penyimpan dengan kepadatan tertinggi
Umumnya cakram keras mencoba untuk memetakan ulang data dalam sebuah
sektor fisik dari kegagalan menyediakan sektor fisik yang diharapkan,
sementara kesalahan dalam sektor rusak belum terlalu banyak dan ECC bisa
memulihkan tanpa ada yang hilang. Teknologi pengawasan mandiri, analisa
dan pelaporan ''S.M.A.R.T''
akan menghitung jumlah kesalahan dalam cakram keras oleh ECC dan jumlah
keseluruhan dari pemetaan ulang. Dengan demikian banyaknya kasus
kesalahan dapat digunakan untuk memperkirakan kegagalan cakram keras (HDD failure).
Pengembangan Masa Depan
Kepadatan areal cakram keras yang ditunjukan oleh tingkat pertumbuhan tahunan jangka panjang sebetulnya tidak berbeda dari Hukum Moore,
pengembangan terbaru berada di kisaran 20-25% per tahun, pada cakram
berukuran 3,5" diperkirakan akan mencapai 12 TB pada tahun 2016.
Teknologi penyimpanan magnetik baru dibangun untuk mendukung pertumbuhan
areal kepadatan yang lebih tinggi dan memperbaiki daya saing cakram
keras terhadap perangkat penyimpanan lain seperti SSD (Solid-state drive) yang berbasis memori kilat.
Teknologi baru cakram keras ini termasuk :
- Perekaman magnetik dibantu panas (HAMR / Heat-assisted magnetic recording)
- Perekaman bit terpola (BPR / Bit-patterned recording)
- Arus tegak lurus ke pesawat (CPP / Current perpendicular to plane) atau Magnet berdayatahan besar (GMR / Giant magneto resistance)
- Pengatapan penulisan (shingled write)
Dengan teknologi baru ini posisi relatif antara cakram keras dan SSD
dengan memperhitungkan harga dan kinerja tidak akan berubah sampai tahun
2016
Ukuran performa
Waktu akses (access time)
Hal yang membatasi waktu akses biasanya berkaitan dengan perputaran piringan dan gerakan pembaca piringan.
Waktu pencarian data (seek time)
Waktu pencarian data adalah ukuran lamanya pembaca piringan untuk
bergerak ke bagian piringan yang berisi data. Waktu pencarian yang lebih
cepat memerlukan lebih banyak energi untuk menggerakkan pembaca
piringan.
Kecepatan pemindahan data (data transfer rate)
Kecepatan pemindahan data pada cakram keras bergantung pada kecepatan
rotasi dari piringan dan kerapatan dari penyimpanan data. Selain itu,
letak data dalam piringan juga menentukan kecepatan; semakin luar
letaknya, maka semakin cepat karena terdapat lebih banyak sektor data.
No comments:
Post a Comment