Cakram keras

Cakram keras atau piringan keras (Inggris: hard disk drive) adalah sebuah komponen perangkat keras untuk penyimpanan 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 dengan kapasitas penyimpanan 4,4 MB. Cakram keras zaman sekarang sudah ada yang hanya selebar 0,6 cm dengan kapasitas 750 GB. Kapasitas terbesar diska keras saat ini mencapai 22 TB dengan ukuran standar 3,5 inci.^[1]

Jika dibuka, terlihat mata cakram keras pada ujung lengan bertuas yang menempel pada piringan yang dapat berputar

Data yang disimpan dalam cakram keras tidak akan hilang ketika tidak diberi tegan listrik, yakni bersifat "non-volatil". 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 mudah pecah.

Sejarah

Cakram keras ditemukan pada tahun 1956 sebagai media penyimpan data untuk perangkat pengolah transaksi IBM dan dibuat untuk penggunaan umum pada komputer bingkai utama 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, tetapi 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 mengubah 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

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).

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 di bawah 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, analisis 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.