하드 디스크 드라이브

하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive, HDD)는 자기 디스크(플래터)에 데이터를 기록하고 읽는 비휘발성 보조기억장치이다. 컴퓨터의 운영체제, 프로그램, 문서, 사진, 영상 등의 데이터를 장기간 저장하는 데 사용된다.

개요

하드 디스크 드라이브는 회전하는 자기 디스크 위에 데이터를 자기적으로 기록하는 저장장치이다. 전원이 꺼져도 데이터가 유지되는 비휘발성 저장장치에 해당한다.

1950년대 IBM이 최초의 하드 디스크를 개발한 이후 오랫동안 컴퓨터의 대표적인 보조기억장치로 사용되어 왔다. 현재는 SSD의 보급이 확대되고 있으나, 대용량 저장장치 분야에서는 여전히 널리 사용된다.

HDD는 SSD보다 속도는 느리지만 저장 용량 대비 가격이 저렴하다는 장점이 있다.

구조

하드 디스크 드라이브는 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어진다.

밀봉된 본체 안에 플래터·스핀들 모터·헤드·액추에이터가 있고, 바깥에 컨트롤러 기판과 전원 연결 단자, 인터페이스(SATA·SAS 등) 연결 단자가 있다

플래터

플래터(Platter)는 데이터를 저장하는 원형 자기 디스크이다. 여러 장의 플래터가 겹쳐 장착되는 경우도 많다.

플래터 표면에는 자성 물질이 코팅되어 있으며, 데이터를 자기적으로 기록한다.

스핀들

스핀들(Spindle)은 플래터를 고속으로 회전시키는 축이다. 일반적으로 분당 회전수(RPM)로 성능을 표시한다.

대표적인 회전 속도는 다음과 같다.

5400RPM
7200RPM
10000RPM
15000RPM

회전 속도가 높을수록 데이터 접근 속도는 빨라지지만 발열과 소음, 전력 소모도 증가한다.

헤드

헤드(Read/Write Head)는 플래터 표면에 데이터를 읽고 쓰는 장치이다.

헤드는 플래터 표면과 매우 가까운 거리에서 부상한 상태로 동작하며, 직접 접촉하지 않는다. 만약 충격 등으로 헤드가 플래터에 접촉하면 헤드 크래시(Head Crash)가 발생하여 데이터 손상이 일어날 수 있다.

액추에이터 암

액추에이터 암(Actuator Arm)은 헤드를 원하는 위치로 이동시키는 장치이다.

헤드를 플래터의 특정 트랙으로 이동시켜 데이터를 읽거나 기록한다.

컨트롤러

컨트롤러는 하드 디스크의 동작을 제어하는 회로이다.

데이터 입출력, 오류 제어, 캐시 관리, 인터페이스 통신 등을 담당한다.

동작 원리

하드 디스크는 자기 기록 방식을 이용한다.

플래터가 고속으로 회전한다.
헤드가 특정 위치로 이동한다.
자기장의 방향을 변화시켜 데이터를 기록한다.
기록된 자기 상태를 감지하여 데이터를 읽는다.

데이터는 일반적으로 다음과 같은 논리 구조로 관리된다.

플래터
트랙(Track)
섹터(Sector)
실린더(Cylinder)

트랙

트랙은 플래터 위의 동심원 형태 저장 영역이다.

섹터

섹터는 트랙을 일정 크기로 나눈 최소 저장 단위이다.

과거에는 일반적으로 512바이트 단위가 사용되었으며, 최근에는 4096바이트(4K 섹터) 방식도 많이 사용된다.

실린더

실린더는 여러 플래터에서 동일 반경에 위치한 트랙들의 집합이다.

용량 계산

CHS(Cylinder-Head-Sector) 구조에서 디스크의 용량은 다음과 같다.

용량 = 헤드 수 × 실린더 수 × 섹터 수(트랙당) × 섹터당 바이트 수

헤드 수는 데이터를 기록하는 면의 수와 같다. 실린더 수는 한 면의 트랙 수와 같다.
헤드 수 × 실린더 수 = 전체 트랙 수이고, 여기에 트랙당 섹터 수를 곱하면 전체 섹터 수가 된다.
예: 헤드 16, 실린더 1,024, 섹터 63, 섹터당 512바이트이면 16 × 1,024 × 63 × 512 = 528,482,304바이트(약 504MiB)다. 옛 BIOS 의 504MB 한계가 이 값이다.
클러스터는 파일 시스템이 여러 섹터를 묶어 할당하는 단위이므로 물리 용량 계산에는 들어가지 않는다.
지금의 디스크는 섹터에 일련번호를 붙이는 LBA 방식을 쓰므로 용량 = 전체 섹터 수 × 섹터 크기 로 계산한다.
헤드 수보다 섹터 수가 훨씬 많다. 헤드는 기록 면마다 하나라 플래터가 몇 장이면 몇 개~십수 개뿐이지만, 섹터는 트랙마다 수백 개가 있고 전체 섹터 수는 헤드 수 × 실린더 수 × 트랙당 섹터 수다(위 예에서 헤드 16, 전체 섹터 약 103만 개)

고용량 기술

같은 크기의 플래터에 더 많이 담으려면 트랙과 비트를 더 촘촘하게 놓고, 그렇게 작아진 신호를 읽어 낼 수 있어야 한다.

기술	무엇인가	용량에 기여하는 방식
MR 헤드(Magneto-Resistive, 자기 저항 헤드)	자기장의 세기에 따라 전기 저항이 바뀌는 소자로 데이터를 읽는 헤드. 쓰기는 따로 둔 유도형 헤드가 맡는다	코일로 유도 전류를 얻던 예전 헤드보다 약하고 좁은 자기 신호도 읽어 내므로 트랙 폭을 줄이고 인접한 트랙을 촘촘히 배치할 수 있다. 1990년대 초 IBM 이 도입했다
GMR 헤드(Giant MR)	저항 변화가 훨씬 큰 거대 자기 저항 효과를 쓴 MR 헤드	1990년대 후반 수십 GB 대 디스크를 가능하게 했다
수직 자기 기록(PMR)	자화 방향을 플래터 면에 수직으로 세운다	수평 기록보다 비트를 더 작게 만든다. 2000년대 중반부터 주류
RLL(Run-Length Limited)	0 이 이어지는 길이를 제한하는 데이터 부호화(인코딩) 방식	같은 자속 변화로 MFM 보다 약 1.5배 많은 데이터를 기록한다. 헤드 기술이 아니다
LBA(Logical Block Addressing)	섹터에 0 부터 일련번호를 붙여 주소를 정하는 주소 지정 방식	CHS 방식의 504MB 한계를 넘어 큰 디스크를 인식하게 한다. 기록 밀도를 높이는 제작 기술이 아니다

특징

비휘발성 저장장치이다.
대용량 저장이 가능하다.
SSD보다 저장 용량 대비 가격이 저렴하다.
기계적 구조를 사용하므로 충격에 약하다.
SSD보다 속도가 느리다.
회전 부품으로 인해 소음과 발열이 발생한다.

인터페이스

하드 디스크는 다양한 인터페이스를 통해 컴퓨터와 연결된다.

PATA

과거에 사용되던 병렬 ATA 방식 인터페이스이다.

SATA

현재 가장 널리 사용되는 인터페이스이다.

직렬 전송 방식을 사용하며, 얇은 케이블과 높은 전송 속도를 제공한다.

SCSI

주로 서버 및 워크스테이션 환경에서 사용되던 인터페이스이다.

SAS

Serial Attached SCSI의 약자로, 서버 환경에서 많이 사용된다.

USB

외장 하드 디스크 연결에 많이 사용된다.

성능 요소

회전 속도(RPM)

플래터의 회전 속도를 의미한다.

RPM이 높을수록 데이터 접근 속도가 향상된다.

탐색 시간(Seek Time)

헤드가 원하는 트랙으로 이동하는 데 걸리는 시간이다.

전송 속도

데이터를 읽고 쓰는 속도를 의미한다.

캐시 메모리

자주 사용하는 데이터를 임시 저장하는 메모리이다.

캐시 용량이 클수록 성능 향상에 도움이 될 수 있다.

장점

대용량 저장에 유리
가격 대비 용량 효율이 높음
장기간 사용 기술로 안정성이 높음

단점

기계적 구조로 인해 충격에 약함
SSD보다 느린 속도
소음과 발열 발생
물리적 마모 가능성 존재

SSD와의 비교

구분	HDD	SSD
저장 방식	자기 디스크	플래시 메모리
속도	느림	빠름
소음	있음	거의 없음
충격 내구성	약함	강함
가격 대비 용량	우수	상대적으로 낮음
발열	상대적으로 높음	낮음

활용

개인용 컴퓨터 저장장치
서버 저장장치
NAS(Network Attached Storage)
백업 장치
CCTV 영상 저장
대용량 데이터 보관

시험 포인트

HDD는 자기 디스크 기반의 비휘발성 저장장치이다.
플래터는 데이터를 저장하는 자기 디스크이다.
헤드는 데이터를 읽고 기록하는 장치이다.
RPM이 높을수록 일반적으로 성능이 향상된다.
HDD는 SSD보다 속도는 느리지만 가격 대비 용량 효율이 높다.
헤드 크래시는 플래터와 헤드의 물리적 접촉으로 발생한다.
SATA는 현재 가장 널리 사용되는 HDD 인터페이스이다.

같이 보기