データ消去の重要性を理解するための技術講座の２回目になります。
前回はHDDの歴史やマーケットシェアをご紹介しました。
～データ消去の重要性について～ ハードディスクドライブ（HDD）技術講座【第1回】
今回は、HDDの動作や構造をご説明します。
グリットアーツ技術顧問
鈴木 寿人
1980年 山形富士通株式会社入社、HDDの設計・開発・製造に従事。データ消去・データリカバリビジネス立ち上げ、日本初（世界２番目）米NSA認定データ消去装置の開発を行う。以降都築電気株式会社を経て、2021年にグリットアーツ技術顧問に就任。
内部構造のおさらい
HDDとは補助記憶装置の一種。
磁性体をスパッタリング（蒸着）したプラッタを高速回転させ、磁気ヘッドによりプラッタ表面にデータの読み書きを行うデータ記憶装置です。
それでは一つ一つ機能と動作を見ていきましょう。
プラッタ（磁気ディスク）
ディスク表面は、磁気記録層でデータを記録します。（0/1：N⇔S）
単位はビット。（最小ビット：20~30nm）
磁気記録媒体用基板は、アルミ基板とガラス基板の2種類です。
最新の基板枚数は10枚の実装（1インチハイト）が可能です。
プラッタの回転数は、4200～15,000 RPM（回転数非公開もあります）
磁気ヘッド
データの書き込み、読み込み（W/R）を行うが、書き込み、読み込みしないときは、ディスク外周へ退避します。
また、磁気ヘッドは磁気ディスク上を浮上しており、その浮上量は数nm~10nmとなり、HDI(ﾍｯﾄﾞｸﾗｯｼｭ)を回避するため、精密なDFH制御（Dynamic Flying Height Control）が行われてます。
また、Write/Read時は熱アクチュエータに通電することで、熱膨張で素子部を突き出します。
その為Write/Read/Seek時で、それぞれ浮上量が異なります。
- 書き込み(Write)は、ライトヘッドのコイルに電流を流し、漏れ磁束によりディスクを磁化します。
- 読み込み(Read)は、リードヘッド(MR素子）がディスク表面の磁束をセンスします。
記録方式には、水平磁気記録方式と垂直磁気記録方式があり、昨今では垂直磁気記録方式が主流となっております。
アクチュエータ
ヘッド位置決め精度(半径方向）は、媒体上の位置決め情報に基づき、nmレベルを要求されます。
基本は、VCM(Voice Coil Motor)で制御するが、更にDSA（Dual Stage Actuator）にてFine tuningを行います。さらに最新HDDでは、TSA（Triple Stage Actuator）を採用した製品も出てきております。
また、ヘッド制御のバラツキ要因としては、ディスク速度（周速5-60ｍ/ｓ）ディスク表面のうねり・振動、振動外乱等が挙げられます。
スピンドルモーター
磁気ディスクの振動低減のため、2002年頃から軸受けの主流はBB(ボールベアリング)からFDB(流体軸受け)へ変わっています。
インターフェイス
現在HDDのインターフェイスは、Serial ATA（SATA）とSerial Attached SCSIが主流となり各インターフェイスの違いは下記の通りです。
| Serial ATA (SATA3.0) | Serial Attached SCSI (SAS3.0) * | |
|---|---|---|
| 帯域幅 | △ 6,000 Mbit/s | 〇 12,000 Mbit/s |
| 最大転送速度 | △ 600 MByte/s | 〇 1,200 MByte/s |
| ケーブル長 | ✕ 1ｍ | 〇 10ｍ |
| 接続台数** | ✕ 1台 （15台）*1 | 〇 128台（16384台）*2 |
| 信頼性（Err Rate） | △ 1*10^13 | 〇 1*10^14 |
| コスト | 〇 安価 | × 高価 |
*現時点でSAS4.0は制定されているが、HDDは未発売であるためSAS3.0で記載
**チャンネル当たりの最大接続台数
*1ポートマルチプライヤを使用した場合の規格上最大接続台数
*2 SAS Expanderを使用した際の規格上最大接続台数
Workload
近年HDDメーカーのスペックシートに記載されているWorkloadですが、HDDの信頼性（MTBF, AFR)を確保するため規定されてます。
*MTBF…Mean Time Between Failure平均故障間隔
*AFR…Annual Failure Rate年間故障率
Workloadは、年間の総読み書きのデータ量で表記されます。
- 60TB/ｙ、180TB/ｙ、550TB/ｙ
実際のデータは、ＳＭＡＲＴ情報にて取得が可能です。
ヘリウムガス封入ＨＤＤ
大容量のＨＤＤにヘリウムガスを封入したモデルが出てきておりますが、主な目的は以下になります。
- ディスクの振動低減による、「ヘッド位置精度向上」と「ヘッド浮上量の安定化」
- ヘッド/ディスク間の空気抵抗低減による、「発熱低減」（低消費電力）
そのためディスクの多実装には必須になっております。
また、密閉（溶接）して製造されるため、スタンダード製品より製造や修理が課題になります。
CMRとSMR
CMR＝Conventional Magnetic Recording（従来型磁気記録方式）
SMR＝Shingled Magnetic Recording（瓦書き磁気記録方式、シングル磁気記録方式）
SMRは、従来型磁気記録方式に比べTrack間Gapのdead spaceの有効利用ができ、～20％程度の記録密度の向上につながってます。
ただし、Random Write性能は低下するデメリットがあります。
（Sequential W/Rは、問題なし)
さて、性能対策として、”CMR+SMR MIX”を採用ディスクのOuter Zone（外周）にCMRを採用しキャッシュ領域として使用、Middle/Inner ZoneをSMRにして容量を確保する方式にすることにより、従来通りの性能を実現しつつ高密度化で容量単価を抑えたHDDとなっています。
ただし、ＲＡＩＤやキャッシュ領域を使い切るなどの使用方法では、性能が落ちますので使用用途に応じて選択する必要性があります。
◆ ◆ ◆
HDD編は以上となります。如何でしたか？
これからも、様々な最新技術を投入し大容量化に進んでいくHDD、容量が大きくなることは、それだけデータが多くなってきていることの証でもあります。
その為、データ消去の重要性について考えませんと、大変な事態を招く恐れがございます。
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