-
Geschreven door Kees Jan Meerman
-
Gepubliceerd op
-
Min. Lezing 6 Min
Samenvatting: De grootte van het cachegeheugen, toegangstijd, zoektijd, spindelsnelheid en dataoverdrachtssnelheid zijn belangrijk voor de prestaties van een schijf. In dit artikel wordt beschreven hoe deze parameters de afgelopen zeventig jaar zijn geëvolueerd.
Inhoudsopgave
- Ontwikkeling van de belangrijkste HDD-prestatiekenmerken
- Uitgebreide verbetering van de eigenschappen van harde schijven in 70 jaar
Ontwikkeling van de belangrijkste HDD-prestatiekenmerken
De opslagcapaciteit van harde schijven is sinds de introductie door IBM in 1956 exponentieel gegroeid. Tegelijkertijd zijn de kosten en de omvang met een vergelijkbare factor afgenomen. Deze snelle groei is mogelijk gemaakt door talloze uitvindingen en verbeteringen in de technologie van harde schijven. En deze vooruitgang heeft ook een positieve invloed gehad op andere kenmerken van harde schijven.
Het is belangrijk om op te merken dat de meeste gebruikers bij het vergelijken van schijven verwijzen naar capaciteit, kosten en grootte/ontwerp. Kenmerken zoals cache, snelheid van gegevensoverdracht en toegangstijd zijn echter net zo belangrijk. In dit artikel bespreken we hoe harde schijven zich hebben ontwikkeld op het gebied van vier belangrijke prestatieparameters.
1. grootte van het cachegeheugen
De eerste is de grootte van de cache. De cache is een klein high-speed geheugen dat in de printplaat van de harde schijf is geïntegreerd. Vaak benodigde data wordt tijdelijk opgeslagen in het cachegeheugen voor snellere lees- en schrijfbewerkingen. Op deze manier helpt het cachegeheugen de microcontroller van de HDD om de tijd die nodig is om vaak benodigde data op te halen te minimaliseren.
Vroege harddiskmodellen zoals de IBM 350-serie hadden geen speciaal cachegeheugen - dat was niet nodig. Het ophalen van data was uitsluitend gebaseerd op de mechanische beweging van de platters en de lees-/schrijfkoppen.
De behoefte aan caching groeide al snel om het gat te dichten tussen de steeds hogere snelheden van de processors in opdracht en de toegangstijden tot het geheugen. De doorbraak kwam in 1963.
- 1963: Titan (Atlas-2), een van de eerste supercomputers wereldwijd, had 128K 48-bits woorden aan hoofdgeheugen (gelijk aan 0,75 MB).
- 1968: De term "cache" werd voor het eerst gebruikt in het tijdschrift IBM Systems in verband met de IBM 360 Model 85 en verving de term "snel buffergeheugen" die tot dan toe door technici werd gebruikt.
- 1969: De IBM 360 Model 85 wordt de eerste commercieel verkrijgbare computer met een cache. Er waren varianten met 64 KB en 128 KB verkrijgbaar.
- 1976: De gesplitste cache (L1d voor data en L1i voor instructies) werd geïntroduceerd met de IBM 801.
- 1980s: Software, databasesystemen en later het internet begonnen caching te gebruiken.
- 1989: De eerste on-chip cache met 8 KB geheugen werd door Intel gebouwd voor zijn 80486 microprocessor.
- 1995: Intel ontwikkelt de Pentium Pro, die een L1-cache van 16 KB en een L2-cache van 256 KB-1 MB heeft.
- 1999: IBM ontwikkelt modellen met 32 MB cache (L2).
- 2004-2010: Cachegroottes namen aanzienlijk toe en varieerden van 16 MB tot 64 MB. Voorbeelden hiervan zijn:
- 2003-2004: Seagate introduceert Barracuda 7200.7+ en Barracuda 7200.8 met respectievelijk 8 MB en 16 MB cache.
- 2010: De modellen van Western Digital en Seagate hadden een cache tot 32 MB.
- 2011-2024: De trend naar grotere caches zet door. Moderne harde schijven hebben cachegroottes van 64 MB tot 256 MB.
Als we terugkijken naar de jaren 1960, toen computersystemen minimale of geen caches hadden, is het duidelijk dat de snelheid waarmee data worden opgehaald in de loop der jaren een aantal kwantumsprongen heeft gemaakt. Vervolgens zullen we zien hoe deze technologische sprongen ook tot uiting komen in de vermindering van de toegangstijd.
2. toegangstijd
De toegangstijd verwijst naar de tijd die de lees-/schrijfkop van een harde schijf nodig heeft om een specifiek dataspoor op de schijf te vinden en te openen. Deze parameter wordt meestal gemeten in milliseconden (ms) en is de som van twee componenten:
- Zoektijd: De tijd die de lees-/schrijfkop nodig heeft om naar het juiste spoor te gaan.
- Rotatie latentie: De wachttijd totdat de gewenste sector de lees-/schrijfkop bereikt.
Een snellere toegangssnelheid betekent dat de schijf minder tijd nodig heeft om data te vinden en te lezen. Voor de gebruiker betekent dit snellere bestandstoegang en snellere laadtijden voor toepassingen.
Hier vindt u een overzicht van hoe de toegangstijden in de loop der tijd zijn verkort.
- 1956-1970s: Vroege harddiskmodellen zoals de IBM 350-serie hadden zeer hoge toegangstijden, rond de 600 ms.
- Jaren 1980-1990: De toegangstijd werd aanzienlijk verkort toen de technologie van harde schijven zich ontwikkelde met meerdere koppen, verbeterde aandrijfmechanismen en het gebruik van spreekspoelen in plaats van stappenmotoren.
- 2010s-2024: Moderne harde schijven hebben toegangstijden van 2,5 ms tot 10 ms dankzij betere actuatorontwerpen, hogere schijfdichtheid en geavanceerde firmware.
De volgende tabel toont deze enorme vermindering in zoektijd.
| Jaar | Fabrikant | Model | Zoektijd (ms) |
| 1956 | IBM | 350-1 | 600.0 |
| 1959 | IBM | 350-3 | 500.0 |
| 1960 | IBM | 1405-1 | 625.0 |
| 1964 | IBM | 2311-1 | 97.5 |
| 1966 | IBM | 2314 | 87.5 |
| 1970 | IBM | 3330-1 | 38.3 |
| 1974 | IBM | 3330-II | 38.3 |
| 1980 | IBM | 3380 | 24.3 |
| 1985 | Seagate | ST-225 | 73.3 |
| 1994 | Seagate | ST-12550N | 12.7 |
| 1995 | Conner | CP1275 (IDE) | 10.0 |
| 1996 | Kwantum | BF2500A | 15.0 |
| 2002 | Hitachi | Travelstar 80GN | 9.5 |
| 2003 | IBM | Ultrastar 146Z10 | 6.9 |
De gemiddelde toegangstijd voor moderne HDD's op de markt ligt tussen 5 ms en 10 ms. Voor krachtige HDD's voor bedrijven is deze veel korter (~2 ms).
3. rotatiesnelheid
De rotatiesnelheid of spindelsnelheid geeft aan hoe vaak de platters van de harde schijf een volledige rotatie in één minuut uitvoeren. Deze snelheid is omgekeerd evenredig met de rotatievertraging, d.w.z. een hogere rotatiesnelheid betekent een lagere vertraging.
Het toerental heeft een directe invloed op hoe snel een computer toegang heeft tot de data op de schijven. Hogere RPM-waarden betekenen over het algemeen snellere toegang tot data en betere prestaties.
Vanaf de begindagen van HDD's tot moderne schijven met hoge prestaties is er een duidelijke trend geweest naar steeds hogere spindelsnelheden. Hieronder vindt u een overzicht van deze ontwikkeling en een tabel met de belangrijkste keerpunten:
- 1956-1970s: Vroege harddiskmodellen, zoals de IBM 350, werkten met lage spindelsnelheden van 1.200 RPM.
- Jaren 1980-1990: De introductie van ontwerpen met meerdere koppen en verbeterde aandrijfmechanismen leidden tot hogere spindelsnelheden.
- Jaren 2000-2010: De standaardspilsnelheid voor consumenten-HDD's is afgevlakt op 5.400 tot 7.200 RPM.
| Jaar | Fabrikant | Model | gemiddelde Rotatie Wachttijd (ms) | Rotatiesnelheid (RPM) |
| 1956 | IBM | 350-1 | 25 | 1,200 |
| 1959 | IBM | 350-3 | 25 | 1,200 |
| 1985 | Seagate | ST-225 | 8.33 | 3,600 |
| 1986 | Seagate | ST-225 | 8.33 | 3,600 |
| 1994 | Seagate | ST-12550N | 4.17 | 7,200 |
| 2000 | Seagate | Elite 47GB | 5.00 | 6,000 |
| 2005 | Seagate | 400GB 7200.8 (ATA-150) | 4.17 | 7,200 |
| 2009 | Seagate | ST31000333AS 1TB 7200.11 | 4.17 | 7,200 |
| 2010 | Seagate | 1,5TB ST31500541AS | 5.08 | 5,900 |
| 2013 | Seagate | 4TB ST4000DM000 | 4.17 | 7,200 |
| 2017 | Seagate | 4TB Barracuda ST4000DM004 | 5.56 | 5,400 |
| 2019 | Seagate | 8TB ST8000DM004 | 5.56 | 5,400 |
| 2020 | Seagate | 8TB ST8000DM004 | 5.56 | 5,400 |
| 2021 | Seagate | 8TB ST8000DM004 | 5.56 | 5,400 |
| 2022 | Western Digital | 8TB WD80EAZZ | 5.32 | 5,640 |
| 2023 | Seagate | 8TB ST8000DM004 | 5.56 | 5,400 |
| 2024 | Seagate | 8TB NE-ST8000DM004 | 5.56 | 5,400 |
Opmerking: Er zijn harde schijven met een spindelsnelheid van 15.000 rpm (bijv. Toshiba AL14SX), maar deze worden voornamelijk gebruikt in bedrijfsomgevingen en in RAID-servers.
4. snelheid van dataoverdracht
Tot het begin van de jaren 80 waren de lees- en schrijfsnelheden van harde schijven erg laag en werden dataoverdrachtssnelheden gespecificeerd in kilobytes per seconde. In de jaren 1980 werden voor het eerst snelheden van meer dan 1 MB/s bereikt. Eind jaren 90 bereikten de lees- en schrijfsnelheden van harde schijven 30 MB/s. Halverwege de jaren 2000 bereikten ze 100 MB/s en ze zijn blijven stijgen. In deze periode kwam echter ook de SSD (Solid State Drive) op, die gekenmerkt wordt door aanzienlijk hogere snelheden, een langere levensduur en het ontbreken van bewegende delen.
Momenteel hebben commercieel verkrijgbare harde schijven voor thuisgebruik lees-/schrijfsnelheden van 100 MB/s tot 150 MB/s, terwijl SSD's doorgaans snelheden van 500 MB/s tot 5 GB/s hebben. Dit is een enorme toename van bijna 100.000 keer vergeleken met 1956, toen de eerste harde schijf - de IBM 350 - werd geïntroduceerd.
Deze verbeteringen zijn nog duidelijker voor eigenschappen zoals capaciteit en prijs per GB. In de volgende sectie vindt u een beknopte weergave in tabelvorm van de mate waarin de eigenschappen van harde schijven zijn verbeterd.
Uitgebreide verbetering van de eigenschappen van harde schijven in 70 jaar
Hier volgt een overzicht van hoeveel harde schijven in de loop der decennia zijn verbeterd.
| Eigenschappen | Begonnen met (jaar) | Verbeterd tot (jaar) | Verbetering |
| Capaciteit | 3,75 MB (IBM 350-1, 1956) | 32 TB (Seagate Exos M, 2025) | 9,6 miljoen op één |
| Fysiek volume | 68 kubieke voet (IBM 350-1, 1956) | 2,1 kubieke inch (2024) | 56.000:1 |
| Gewicht | 2.000 pond (IBM 350-1, 1956) | 2,2 ons (2024) | 15.000:1 |
| Gemiddelde toegangstijd | ~600 ms (IBM 350-1, 1956) | 2,5-10 ms (Seagate Exos M, 2025) | ~200 op één |
| Prijs per GB | 32.143 $ per GB (IBM 3380, 1961) | 0,031 $ per GB (2023) | ~1.034.645 tot één |
| Densiteit van data | 2.000 bits/in² (1956) | 1,4 Tb/in² (2023) | ~700-miljoen-op-een |
| Gemiddelde levensverwachting | ~2.000 uur MTBF (1956) | ~2.500.000 uur MTBF (2024) | 1.250:1 |
In de zeventig jaar sinds de introductie van de harde-schijftechnologie zijn eigenschappen zoals capaciteit, cache, kosten, toegangstijd, dataoverdrachtssnelheid en vormfactor exponentieel verbeterd. Dit is mogelijk gemaakt door uitvindingen en verbeteringen die de magnetische opslagindustrie keer op keer opnieuw hebben gedefinieerd. Enkele van deze technologische ontwikkelingen die in deze periode van bijna zeven decennia hebben plaatsgevonden, worden hieronder samengevat:
- Winchester koppen: 1970s
- Dunne-filmkoppen/MR-koppen: eind jaren 1980 tot begin jaren 1990
- GMR-koppen: midden tot eind jaren 1990
- PMR (Perpendicular Magnetic Recording): Midden jaren 2000
- Helium afdichting: jaren 2010
- Magnetische opnamen met energie-ondersteuning & magnetische opnamen met warmte-ondersteuning (EAMR & HAMR): jaren 2020
