Ổ cứng là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ổ đĩa cứng

Máy tính của bạn có thể hoạt động trơn tru và lưu giữ được vô vàn thông tin là nhờ vào sự góp mặt của nhiều thành phần khác nhau.

Trong đó, ổ cứng đóng vai trò như kho lưu trữ mọi dữ liệu một cách lâu dài. Vậy ổ cứng là gì, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nó như thế nào? Tất cả sẽ được Hoàng Long Computer giải đáp chi tiết

Ổ cứng là gì?

Ổ cứng hay ổ đĩa cứng (Hard Disk Drive - HDD) là một thiết bị lưu trữ dữ liệu hoạt động dựa trên việc ghi thông tin lên các mặt đĩa tròn được phủ một lớp vật liệu từ tính. Đặc trưng nổi bật của ổ cứng là khả năng bảo toàn dữ liệu ngay cả khi không cung cấp nguồn điện cho thiết bị, thuộc nhóm bộ nhớ “không thay đổi” (non-volatile).

Trong hệ thống máy tính, ổ cứng giữ một vị trí vô cùng quan trọng vì chúng là nơi chứa đựng những giữ liệu quý giá, bao gồm thành quả lao động của người sử dụng. Nếu các bộ phận khác của máy tính gặp trục trặc thì vẫn có thể khắc phục hoặc thay thế nhưng dữ liệu bị mất do lỗi ổ cứng thường rất khó hoặc không thể phục hồi.

Lịch sử phát triển của ổ cứng

Sau khi đã hiểu được định nghĩa ổ cứng là gì, chúng ta cùng tìm hiểu về lịch sử phát triển của hard drive với các cột mốc quan trọng như sau:

• Năm 1956, chiếc ổ cứng đầu tiên trên thế giới tên là IBM 350 RAMAC xuất hiện. Nó sử dụng hệ thống cơ quay bằng điện, trọng lượng nặng tới cả tấn và chỉ chứa được khoảng 3.75 MB dữ liệu. Đến những năm 1970, công nghệ ổ cứng đã có sự cải tiến lớn, với việc phát triển các đĩa từ tính hiện đại hơn, giúp tăng tốc độ đọc/ghi và nâng cao hiệu quả sử dụng so với các ổ cứng trước đó.  
• Vào năm 1980, chiếc ổ cứng đầu tiên dành cho máy tính cá nhân, có tên Seagate ST-506, chính thức ra đời. Ổ cứng này sử dụng chuẩn kích thước 5.25 inch, có dung lượng 5 MB và nặng khoảng 3.2 kg. Với thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt và tốc độ truyền dữ liệu khá tốt thời bấy giờ, nó đã mở ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực lưu trữ dữ liệu cho máy tính cá nhân.  
• Năm 1988, để phục vụ nhu cầu của các doanh nghiệp, ổ cứng 2.5 inch nhỏ gọn hơn đã được tạo ra với sức chứa 20MB dữ liệu và tốc độ đọc/ghi là 23MB/s.
• Vào thế kỷ 21, ổ cứng ngày càng được cải tiến về dung lượng và kích thước thu gọn tối đa. Hiện nay, chúng ta thường thấy các ổ cứng kích thước rất nhỏ, chỉ khoảng 2.5 inch, nhẹ chưa đến 100g nhưng tốc độ đọc và ghi có thể lên tới hơn 80–160 MB/s.

Tìm hiểu Hard Disk và Hard Drive

Các loại ổ cứng

Ổ cứng HDD (Hard Disk Drive) có thể được phân chia thành 2 loại chính gồm:

1. HDD External (Ổ cứng ngoài)

Loại ổ cứng này thường có kích thước nhỏ gọn phổ biến nhất là 2.5 inch, phần lớn có dung lượng tối đa khoảng 2TB, được cung cấp nguồn điện thông qua cổng kết nối Thunderbolt hoặc USB của máy tính. 

2. HDD Internal (Ổ cứng trong)

Ổ cứng trong thường có hai kích thước phổ biến là 2.5 inch (thường dùng cho laptop, máy tính nhỏ) và 3.5 inch (thường dùng cho máy tính để bàn). Hầu hết HDD Internal có dung lượng 4TB với tốc độ đọc ghi dữ liệu khoảng 530 MB/s. Giá thành của ổ cứng trong trên thị trường dao động từ 2 - 7 triệu tùy vào dung lượng và tốc độ nhưng thường có giá thành dễ tiếp cận hơn nhiều so với ổ cứng ngoài có cùng dung lượng.

Cấu tạo của ổ cứng

Để hiểu rõ hơn về thiết bị lưu trữ quan trọng này, chúng ta sẽ cùng nhau khám phá ổ cứng là gì thông qua việc tìm hiểu chi tiết cấu tạo bên trong của nó. Theo đó, ổ cứng máy tính gồm các bộ phận chính như sau:

Đĩa từ

Đây là những đĩa tròn bằng kim loại, được phủ một lớp vật liệu từ tính đặc biệt. Các đĩa này được gắn cố định trên một trục quay, gọi là động cơ trục chính (spindle motor), cho phép chúng quay đồng bộ với tốc độ cao. Việc quay nhanh này giúp tăng hiệu quả trong việc lưu trữ và tìm kiếm dữ liệu.

Để quản lý dữ liệu một cách có hệ thống, bề mặt mỗi đĩa từ được chia thành các vùng nhỏ hơn:

• Track: Là các đường tròn đồng tâm được khắc trên bề mặt đĩa. Mỗi rãnh chứa dữ liệu dưới dạng từ tính.
• Sector: Mỗi rãnh lại được chia thành nhiều phần nhỏ hơn gọi là sector. Đây là đơn vị lưu trữ dữ liệu nhỏ nhất trên đĩa cứng.
• Cluster: Hệ điều hành thường quản lý dữ liệu theo các cluster, là một nhóm các sector liền kề nhau. Việc này giúp việc quản lý các tệp tin lớn trở nên hiệu quả hơn.

Đầu đọc/ghi

Đây là bộ phận trực tiếp thực hiện việc đọc và ghi dữ liệu lên bề mặt các đĩa từ. Khi ghi, đầu đọc sẽ chuyển đổi tín hiệu điện thành từ trường để thay đổi trạng thái từ tính của bề mặt đĩa, và ngược lại khi đọc dữ liệu. Điều đáng chú ý là đầu đọc/ghi không trực tiếp chạm vào bề mặt đĩa mà chỉ lơ lửng ở một khoảng cách cực kỳ nhỏ để tránh gây hư hỏng.

Động cơ trục chính

Đây là động cơ chịu trách nhiệm quay các đĩa từ với tốc độ ổn định trong suốt quá trình ổ cứng hoạt động. Tốc độ quay thường dao động từ 5400 đến 7200 vòng trên phút, đảm bảo dữ liệu có thể được truy cập hoặc ghi mới một cách nhanh chóng, chính xác và đáng tin cậy.

Mạch xử lý dữ liệu

Ổ cứng được trang bị một bảng mạch điện tử thông minh, thường gắn ở mặt dưới. Bảng mạch này kết nối với đầu đọc/ghi thông qua một cáp mềm (ribbon cable) và thực hiện các chức năng quan trọng như xử lý tín hiệu, điều khiển chuyển động của đầu đọc/ghi và quản lý việc đọc/ghi dữ liệu. Đây có thể coi là "bộ não" của ổ cứng, giúp nó giao tiếp và phối hợp hoạt động với máy tính.

Vỏ bảo vệ

Toàn bộ các thành phần bên trong ổ cứng được bao bọc bởi một lớp vỏ kim loại kín, có vai trò bảo vệ các linh kiện bên trong khỏi bụi bẩn, độ ẩm và các tác động từ môi trường bên ngoài. Bên trong vỏ còn chứa các bộ phận cơ khí quan trọng như đầu đọc và động cơ quay đĩa, giúp duy trì sự ổn định và kéo dài tuổi thọ của sản phẩm.

Nguyên lý hoạt động

Về cơ bản, ổ cứng hoạt động dựa trên các đĩa tròn làm từ nhôm, gốm hoặc thủy tinh, bề mặt được phủ một lớp vật liệu từ tính. Trung tâm của ổ cứng có một động cơ quay, giữ vai trò làm quay các đĩa này.

Kết hợp với đó là hệ thống đầu đọc/ghi, được điều khiển bởi bo mạch điện tử, có khả năng di chuyển đến đúng vị trí trên đĩa đang quay để thực hiện việc đọc và ghi dữ liệu.

Chính vì nguyên lý hoạt động này mà tốc độ bạn thực hiện các thao tác như sao chép phim, nhạc hay trích xuất dữ liệu giữa máy tính và các thiết bị lưu trữ khác (như ổ cứng ngoài, USB) có thể bị phụ thuộc vào các thành phần của ổ cứng.

Bên cạnh đó, chất lượng vật liệu làm ổ đĩa cứng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho dữ liệu được lưu trữ bên trong.

Ưu và nhược điểm của ổ cứng

Sau khi đã hiểu rõ ổ cứng là gì và nguyên lý hoạt động cơ bản của nó, chúng ta hãy cùng nhau điểm qua những ưu điểm và nhược điểm mà loại thiết bị lưu trữ này mang lại.

• Ưu điểm:
  • Cấu trúc thiết kế HDD tương đối đơn giản và được sử dụng phổ biến.
  • Dung lượng lưu trữ lớn với giá thành cạnh tranh.
  • Kích thước chuẩn 2.5 inch (laptop) và 3.5 inch (PC).
• Nhược điểm:
  • Tiêu thụ điện năng nhiều hơn so với ổ cứng SSD.
  • Có thể gây ra tiếng ồn lớn hơn ổ cứng SSD khi hoạt động.
  • Kém bền bỉ hơn SDD trước các va đập vật lý.

Các thông số cần biết khi đọc ổ cứng

Để có thể lựa chọn và sử dụng ổ cứng một cách hiệu quả, bên cạnh việc hiểu rõ ổ đĩa cứng là gì thì việc nắm vững các thông số kỹ thuật quan trọng ghi trên ổ cứng cũng rất cần thiết. Cụ thể:

• Dung lượng (Capacity): Tổng lượng dữ liệu tối đa mà ổ cứng có khả năng chứa, thường được biểu thị bằng Gigabyte (GB) hoặc Terabyte (TB).
• Thời gian truy cập (Access Time): Khoảng thời gian cần thiết để ổ cứng tìm kiếm và đọc hoặc ghi dữ liệu, có thể đo bằng mili giây (ms) hoặc nano giây (ns).
• Tốc độ đọc/ghi tuần tự (Sequential Read/Write Speed): Là tốc độ tối đa mà ổ đĩa cứng có thể đọc hoặc ghi một lượng lớn dữ liệu liền mạch, thường tính bằng Megabyte trên giây (MB/s).
• Tốc độ đọc/ghi ngẫu nhiên (Random Read/Write Speed): Tốc độ của ổ cứng trong việc xử lý các yêu cầu đọc và ghi dữ liệu ở các vị trí không liên tiếp, thường được tính bằng số lần đọc/ghi trên giây (IOPS).
• Bộ nhớ đệm (Cache): Dung lượng bộ nhớ tạm thời tích hợp trên ổ cứng, giúp tăng tốc độ truy cập vào các dữ liệu thường xuyên sử dụng.
• Độ bền/Tuổi thọ (Reliability/Lifespan): Thời gian hoạt động dự kiến của ổ cứng trước khi có thể xảy ra lỗi, thường được biểu thị bằng số giờ hoạt động trung bình giữa các lần hỏng hóc (MTBF).
• Giao diện kết nối (Interface): Loại cổng mà ổ cứng sử dụng để liên kết với máy tính, ví dụ như SATA, NVMe, USB.
• Loại ổ cứng (Drive Type): Phân loại ổ cứng, bao gồm ổ cứng cơ học (HDD) và ổ cứng thể rắn (SSD).
• Kích thước vật lý (Form Factor): Hình dáng và kích thước của ổ cứng, chẳng hạn như 2.5 inch, 3.5 inch, M.2.
• Chuẩn bộ nhớ NAND (NAND Type): Loại chip nhớ flash được sử dụng trong ổ cứng thể rắn, ví dụ như TLC, MLC, SLC.
• Mức tiêu thụ điện (Power Consumption): Lượng điện năng mà ổ cứng cần để hoạt động, thường được tính bằng Watt (W).
• Tính năng bảo vệ dữ liệu (Data Protection Features): Các công nghệ được tích hợp để bảo vệ dữ liệu, ví dụ như mã hóa, mã sửa lỗi ECC (Error-Correcting Code), lệnh TRIM (cho SSD).
• Khả năng tương thích (Compatibility): Sự phù hợp của ổ cứng với hệ điều hành và các cổng kết nối trên máy tính của bạn.

Ổ cứng được lắp đâu?

Thông thường, ổ cứng được lắp đặt ở bên trong thùng máy tính. Đối với máy tính để bàn, ổ cứng sẽ được cố định trong một khay hoặc một vị trí lắp đặt riêng biệt bên trong vỏ máy.

Vị trí này thường gần với bộ nguồn và bo mạch chủ. Đối với máy tính xách tay, ổ cứng thường được đặt ở một khu vực có thể tiếp cận dễ dàng từ mặt đáy của máy, nằm gần bo mạch chủ và được bảo vệ bởi một nắp đậy có thể tháo.

Kết luận

Như vậy, Hoàng Long Computer đã giới thiệu chi tiết ổ cứng là gì, từ định nghĩa cơ bản, cấu tạo, nguyên lý hoạt động cho đến các loại ổ cứng phổ biến hiện nay.

Hy vọng những thông tin này đã giúp bạn có cái nhìn rõ ràng hơn về thành phần quan trọng này và lựa chọn được loại ổ cứng phù hợp cho chiếc máy tính của mình.