Pevný disk (HDD): od tunového RAMACu k 44TB HAMR

Od jedné skříně k exabajtovým datacentrům

Pevný disk je jeden z nejdéle přežívajících základních principů digitální techniky. Od roku 1956 se nezměnila podstata: data se ukládají magneticky na rotující pevné plotny a hlava se přesouvá nad požadované místo. Změnilo se však téměř všechno ostatní – velikost bitu, přesnost servořízení, materiály médií, konstrukce hlavy, kódování signálu, korekce chyb, počet ploten, atmosféra uvnitř disku i způsob, jakým firmware plánuje zápisy.

První diskové zařízení vážilo přes tunu a uložilo řádově několik megabajtů. Moderní 3,5″ enterprise HDD váží kolem tří čtvrtin kilogramu a obsahuje desítky terabajtů. Kapacita tedy nevzrostla proto, že by se plotna zvětšovala – naopak se zmenšila – ale proto, že se dramaticky zvýšila plošná hustota záznamu.

1956 – IBM 350 RAMAC: začátek náhodného přístupu

Za symbolický počátek komerčního HDD se považuje IBM 350 Disk Storage Unit, součást systému IBM 305 RAMAC. IBM systém oznámila v září 1956. Uvnitř pracovalo 50 ploten o průměru 24 palců, které rotovaly přibližně 1 200 ot./min. Kapacita činila 5 milionů znaků; při dnešním přepočtu se obvykle uvádí zhruba 3,75 MB podle způsobu interpretace tehdejšího kódování.

Hodnota RAMACu nebyla jen v objemu dat. Přinesl random access: servořízené rameno mohlo přesunout dvojici hlav na požadovanou stopu bez sekvenčního převíjení média. Průměrný přístup se pohyboval kolem stovek milisekund. Dnešní HDD má přístup v jednotkách milisekund, ale princip „najdi stopu, počkej na rotaci, přečti sektor“ zůstal.

Historické zdroje uvádějí různé ceny podle konfigurace. Computer History Museum pro samotný diskový mechanismus uvádí zhruba 3 200 USD měsíčně nebo 45 000 USD kupní ceny; jiný historický záznam uvádí nižší měsíční leasing pro konkrétní konfiguraci. Proto není vhodné prezentovat jediné číslo bez kontextu.

60. a 70. léta – disk pack, servo a „Winchester“

V 60. letech se prosadily výměnné diskové svazky. Uživatel mohl celý pack ploten vyjmout a nahradit jiným – prakticky šlo o obří výměnný nosič. Konstrukce se rychle posouvala od těžkých pneumatických mechanismů k přesnějším aktuátorům a k vyšší hustotě stop.

Významným milníkem byl IBM 3340 z roku 1973, spojovaný s označením Winchester. Disk přinesl utěsněnější head-disk assembly a hlavy pracující velmi blízko povrchu. Název „Winchester“ se pak na dlouhá léta stal synonymem pevného disku v řadě zemí včetně východního bloku.

Klíčová změna probíhala uvnitř servořízení. Čím užší byly stopy, tím méně stačilo „mechanicky mířit“ podle hrubé polohy. Disk potřeboval zapisovat a číst vlastní servo informace, podle kterých reguloval polohu aktuátoru v uzavřené smyčce.

1980–1990 – miniaturizace a nástup do PC

Rok 1980 je spojen se Seagate ST-506: 5,25″ HDD s kapacitou 5 MB a cenou kolem 1 500 USD. Byl fyzicky kompatibilní s 5,25″ mechanikovou šachtou a stal se základem prvních PC pevných disků. Následné modely využívaly podobné rozhraní a kódování MFM nebo RLL.

Důležitá historická korekce: první 3,5″ HDD nepřineslo IBM v roce 1987. Computer History Museum připisuje první komerční 3,5″ disk firmě Rodime v roce 1983. V roce 1988 pak PrairieTek uvedl první 2,5″ HDD, což byl klíčový krok pro notebooky.

Miniaturizace přinesla překvapivou výhodu: menší plotna má nižší obvodovou rychlost a nižší moment setrvačnosti, takže lze zkonstruovat kompaktnější a robustnější mechanismus. Výrobci proto postupně opouštěli 8″ a 5,25″ třídu ve prospěch 3,5″ pro desktopy/servery a 2,5″ pro mobilní zařízení.

Rozhraní: od ST-506 a SCSI k IDE, SATA a SAS

Staré disky nebyly „inteligentní zařízení“ v dnešním smyslu. Rozhraní ST-506 přenášelo nízkoúrovňové signály a velká část řadiče byla na samostatné kartě. SCSI přesunulo více inteligence do zařízení a nabídlo pokročilé příkazy, fronty a podporu více periferií.

IDE/ATA integrovalo řadič přímo do disku – odtud Integrated Drive Electronics. PATA používalo paralelní 40/80žilový kabel. Od počátku 2000s jej postupně nahradilo SATA, které zjednodušilo kabeláž, zvýšilo signalizační rychlost a přineslo funkce jako NCQ. Serverový svět používá také SAS, který navazuje na SCSI a podporuje duální porty, rozsáhlé topologie a enterprise správu.

Je důležité rozlišovat rychlost rozhraní a rychlost mechaniky. SATA 6 Gb/s teoreticky přenese mnohem více než běžný HDD dokáže sekvenčně číst. Moderní HDD je tedy většinou limitován médiem, hlavou a mechanikou, ne samotnou SATA linkou.

Anatomie moderního HDD

Plotny jsou obvykle z hliníkové nebo skleněné báze s mnoha nanesenými vrstvami: adhezní, podkladové, magnetické, ochranné a extrémně tenké mazivo. Vřeteno s fluid-dynamic bearingem drží velmi stabilní otáčky. Voice-coil actuator pohybuje rameny s hlavami podobným principem jako cívka reproduktoru.

Na konci ramene je slider s čtecím a zapisovacím prvkem. Při roztočení plotny vytváří proudící plyn aerodynamický air bearing, takže slider „letí“ nanometry nad povrchem. Předzesilovač je často přímo uvnitř HDA blízko hlav, protože signál z čtecího senzoru je velmi slabý.

Vnější PCB obsahuje řadič, paměť/cache, motor driver, rozhraní SATA/SAS a firmware. Část adaptivních dat může být specifická pro konkrétní mechaniku; proto u některých oprav nestačí jednoduše vyměnit desku za stejně vypadající kus.

Stopa, sektor, cylindr, servo a 4K sektory

Na povrchu plotny jsou soustředné stopy. Tradičně se stopa dělí na sektory. Historické disky pracovaly s fyzickými sektory 512 B. Moderní Advanced Format přešel na fyzické 4KiB sektory, protože větší blok umožňuje účinnější ECC a menší režii synchronizačních a identifikačních polí.

U disků označených 512e je fyzický sektor 4 KiB, ale rozhraní emuluje osm 512B logických sektorů kvůli kompatibilitě. 4Kn exponuje 4KiB logické sektory přímo. Nesprávné zarovnání oddílu na 4K hranici může způsobit read-modify-write penalizaci.

Moderní HDD už hostiteli neukazuje skutečné CHS souřadnice. Operační systém používá LBA. Firmware sám mapuje LBA na fyzickou geometrii, spravuje rezervní sektory, zoned bit recording, servo oblasti a korekci chyb.

Jak HDD fyzicky zapisuje a čte

Zápis

Zapisovací část hlavy je miniaturní elektromagnet. Proud ve vinutí vytváří tok v magnetickém pólu a jeho pole přepólovává malé oblasti záznamové vrstvy. Data nejsou v jednoduchém smyslu „jedna doména = jedna nula nebo jednička“; reálný kanál používá kódování přechodů, PRML/NPML a sofistikované detekční algoritmy. Pro pochopení však lze bitovou oblast vnímat jako stabilní magnetický stav.

Řadič → write channel → proud v zapisovací cívce → magnetický tok v pólu → změna magnetizace média

Čtení

Čtecí senzor využívá magnetorezistenci. Okolní magnetické pole mění elektrický odpor vícevrstvé struktury; předzesilovač a read channel převádějí velmi malé analogové změny na digitální symboly. Následuje ekvalizace, detekce a ECC.

Magnetické přechody → MR/GMR/TMR senzor → změna odporu → analogový signál → read channel → ECC → data

Proto moderní hlava ve skutečnosti obsahuje oddělený zapisovací a čtecí prvek: optimální fyzika pro generování silného pole je jiná než fyzika pro citlivé měření slabého pole.

MR, GMR a TMR – revoluce čtecích hlav

Indukční čtecí hlavy přestávaly při rostoucí hustotě stačit. Magnetorezistivní senzory umožnily číst menší a slabší magnetické oblasti. V druhé polovině 90. let se v HDD prosadila GMR – Giant Magnetoresistance. IBM patřilo k prvním, kdo GMR dostal do masové výroby HDD kolem roku 1997.

GMR využívá více tenkých magnetických a nemagnetických vrstev, jejichž odpor závisí na relativním uspořádání magnetizace. Za základní objev GMR dostali Albert Fert a Peter Grünberg Nobelovu cenu za fyziku v roce 2007. Komerční význam byl obrovský: citlivější hlava dovolila zmenšit čtenou stopu a prudce zvýšit plošnou hustotu.

Dalším krokem je TMR – Tunnel Magnetoresistance, kde proud tuneluje přes velmi tenkou izolační bariéru. TMR dnes tvoří základ extrémně citlivých čtecích elementů moderních HDD.

Superparamagnetický limit a magnetická „trilema“

Kapacitu nelze zvyšovat pouhým zmenšováním magnetických zrn donekonečna. Příliš malý magnetický objem má nízkou energetickou bariéru a tepelný pohyb může časem obrátit magnetizaci. To je superparamagnetický problém.

Vývojáři řeší tři protichůdné požadavky: tepelná stabilita vyžaduje vysokou magnetickou anizotropii; zapisovatelnost vyžaduje, aby dostupné pole hlavy dokázalo médium přepólovat; čitelnost/SNR zase vyžaduje dostatečně silný a čistý signál. Z této trilemy přímo vyrůstají PMR, HAMR i MAMR.

PMR – kolmý magnetický zápis

Starší LMR zapisoval magnetizaci převážně v rovině plotny. PMR (Perpendicular Magnetic Recording) orientuje magnetizaci převážně kolmo k povrchu a používá měkkou magnetickou podkladovou vrstvu, která uzavírá magnetický tok zapisovacího pólu. Výsledkem je silnější lokální pole a lepší stabilita menších bitů.

Toshiba oznámila první produkty s PMR na 1,8″ platformě pro rok 2005. Během několika let se PMR stal standardem prakticky všech vysokokapacitních HDD. V běžné terminologii se dnes často používá označení CMR pro konvenční nezávislé stopy a odlišení od SMR; fyzicky však moderní CMR disky stále využívají kolmý zápis.

Helium – proč výrobci uzavřeli disk jako tlakovou nádobu

S více plotnami roste aerodynamické tření a turbulence. Helium je výrazně řidší než vzduch, takže rotující plotny kladou menší odpor. To snižuje příkon motoru, zahřívání i nežádoucí síly působící na slider a plotny.

HGST komercializovala technologii HelioSeal v enterprise discích v roce 2013. Hermetické pouzdro umožnilo vměstnat více tenčích ploten do stejné 3,5″ výšky. Helium se postupně stalo běžnou součástí high-capacity nearline disků.

Heliový HDD není „naplněn jednou a navždy bez možnosti úniku“ v absolutním smyslu; výrobce musí navrhnout extrémně nízkou permeaci spojů a průchodek. Některé modely mají i diagnostický atribut spojený se stavem helia, ale jeho interpretace je vendor-specific.

SMR a UltraSMR – šindelový zápis

Zapisovací pól je širší než čtecí senzor. SMR toho využívá: nová stopa částečně překryje okraj předchozí stopy, podobně jako střešní tašky. Čtecí hlava stále přečte úzký nezakrytý pruh, takže lze zvýšit počet stop na palec.

Cena za tuto hustotu je write amplification. Pokud je třeba změnit stopu uprostřed šindelové zóny, nelze ji prostě přepsat, protože by zápis poškodil následné překryté stopy. Firmware musí data seskupit a přepsat větší celek.

Tři hlavní modely SMR

• Drive-managed SMR: hostitel vidí běžný blokový disk; složitost skrývá firmware a media cache.
• Host-aware SMR: disk zvládá běžné příkazy, ale host může optimalizovat zápis podle zón.
• Host-managed SMR: software musí respektovat sekvenční pravidla zón; vhodné pro specializované cloudové systémy.

U spotřebitelského drive-managed SMR může sekvenční kopírování na prázdný disk vypadat zcela normálně. Problém se projeví po zaplnění CMR cache nebo při náhodných přepisech, kdy propustnost může spadnout o řád až dva. Proto je typ záznamu důležitý při výběru disku pro RAID rebuild, databázi nebo aktivní pracovní dataset.

UltraSMR Western Digital kombinuje velmi těsný track pitch, ePMR, pokročilou korekci chyb, firmware a další techniky. WD v roce 2024 uvedla 32TB UltraSMR enterprise disk s 11 plotnami a vedle něj 26TB CMR/ePMR variantu. V roce 2026 uváděla 40TB UltraSMR ePMR jako kvalifikační roadmapu, nikoli široce dostupný mainstream.

HAMR – Heat-Assisted Magnetic Recording

HAMR řeší trilemu tím, že používá médium s vysokou magnetickou anizotropií, které je za běžné teploty velmi stabilní, ale během zápisu je na okamžik lokálně zahřáto. Koercivita prudce klesne a dostupné pole zapisovací hlavy může bit přepólovat. Po ochlazení se vysoká stabilita vrátí.

Do hlavy je integrován laser a NFT – near-field transducer, který soustředí optickou energii do oblasti řádově desítek nanometrů. Teplota zápisové oblasti dosahuje řádově stovek °C, často se uvádí kolem 400–500 °C, ale zahřátý objem je extrémně malý a doba v nanosekundové oblasti.

Technologicky náročné části HAMR nejsou jen „laser vydrží či nevydrží“. Řeší se životnost NFT, tribologie ochranného povrchu, opakovatelnost teplotního profilu, přesnost polohy tepelného hotspotu vůči zapisovacímu pólu, materiálová struktura média i interakce sousedních stop.

V roce 2026 Seagate oznámil produkční kvalifikaci druhé generace platformy Mozaic 4+ s více než 4 TB na plotnu a kapacitami do 44 TB u hyperscale zákazníků. To je důležitý bod: HAMR už není pouze laboratorní demonstrace, ale výrobní technologie.

MAMR, ePMR a cesta Western Digital

MAMR – Microwave-Assisted Magnetic Recording používá vysokofrekvenční buzení magnetického systému, aby se snížilo potřebné zapisovací pole. Klasický koncept využívá spin-torque oscillator, který vytváří mikrovlnné pole v GHz oblasti a rozkmitá magnetické momenty média.

Vývoj trhu je ale složitější než jednoduché dělení „Seagate = HAMR, WD = MAMR“. Western Digital zavedl ePMR – energy-assisted PMR, u kterého elektrický proud v hlavě pomáhá zlepšit zapisovací proces. ePMR je použit v dnešních CMR i UltraSMR produktech. MAMR zůstává součástí širšího výzkumného a technologického portfolia.

Proto je vhodné u konkrétního disku číst datasheet, nikoli odvozovat fyziku z marketingové generace celé značky.

Kapacitní milníky: jak se několik MB změnilo v desítky TB

Vývoj po jednotlivých letech 1980–2026

ČSSR a Česká republika – dostupnost a ceny

Přímé srovnání cen v ČSSR a ČR je obtížnější než světová technologická osa. Před rokem 1989 neexistoval otevřený maloobchodní trh západních PC komponent. Disky se objevovaly v podnicích, výzkumu, výpočetních střediscích a dovážených systémech; cena samostatného HDD proto často nebyla „cenou pro občana“.

Po roce 1990 se situace mění velmi rychle. V prvních letech mohl HDD představovat významnou část ceny celého PC. Během 90. let cena za MB prudce klesala, zatímco kapacita rostla z desítek MB na stovky MB a jednotky GB. Na přelomu tisíciletí se běžným standardem stávají desítky GB, v polovině 2000s stovky GB a od konce dekády terabajty.

U předrevolučních cen v Kčs není pro řadu let dostupný dostatečně konzistentní maloobchodní ceník. Přesná čísla jsou proto uváděna pouze tam, kde je lze opřít o konkrétní dobový nebo archivní zdroj; ostatní údaje slouží jako historický kontext.

2011 – thajské povodně a globální šok trhu HDD

Thajsko bylo jedním z nejdůležitějších center výroby HDD a jejich komponent. Povodně v druhé polovině roku 2011 zaplavily průmyslové zóny, přerušily výrobu disků, motorů, hlav, komponent aktuátorů i dodavatelské řetězce. Výsledkem byl prudký propad nabídky a skok maloobchodních i OEM cen.

Je však nepřesné tvrdit, že povodně samy „způsobily vznik velké trojky“. Konsolidace už probíhala: Western Digital oznámil převzetí HGST a Seagate převzetí HDD divize Samsungu v roce 2011 ještě v rámci dlouhodobého spojování trhu. Povodně však krizi nabídky zesílily a ukázaly zranitelnost geograficky koncentrovaného řetězce.

Dlouhodobé následky

• OEM výrobci začali více řešit dlouhodobé kontrakty a diverzifikaci dodávek.
• Na několik čtvrtletí se dramaticky zhoršil poměr cena/GB HDD.
• SSD se relativně přiblížilo cenou a v noteboocích se urychlil přesun k flash úložišti.
• Výrobci více diferencovali řady podle workloadu: desktop, NAS, surveillance, enterprise nearline.

Jak z desítek výrobců zůstala „velká trojka“

Historie HDD je také historií konsolidace. IBM prodalo diskovou divizi Hitachi, z ní vzniklo HGST a tu později koupil Western Digital. Seagate postupně získal Maxtor a HDD aktivity Samsungu. Toshiba převzala část HDD byznysu Fujitsu a další aktiva. Řada značek jako Quantum, Conner, Micropolis, Miniscribe, Rodime či Maxtor zanikla nebo byla pohlcena.

V roce 2026 tvoří výrobu klasických HDD především Seagate, Western Digital a Toshiba. To neznamená, že každý prodávaný externí disk má jednu z těchto značek na krabici – řada OEM produktů používá uvnitř mechaniku jednoho z těchto výrobců.

Spolehlivost: MTBF, AFR, URE a fyzické mechanismy selhání

MTBF u enterprise HDD může být 2 až 2,5 milionu hodin, ale není to předpověď, že jeden disk poběží 250 let. Je to populační parametr pro model spolehlivosti za definovaných podmínek. Pro praktické plánování je zajímavější AFR, ale i ten je závislý na modelu, stáří a provozním prostředí.

Backblaze ve statistikách Q2 2026 pracoval se stovkami tisíc datových HDD; agregovaný lifetime AFR sledované populace byl zhruba 1,4 %, ale mezi modely existovaly velké rozdíly. Takový fleet údaj nelze mechanicky převést na domácí disk.

Typické fyzické a systémové příčiny

• vadné nebo degradující sektory a selhávání ECC rezervy,
• head crash nebo degradace čtecí/zapisovací hlavy,
• ložisko/motor a problémy se spin-up,
• vibrace a servo tracking errors,
• selhání PCB, napájení nebo preampu,
• chyby SATA/SAS linky – často kabel nebo backplane, nikoli plotna,
• firmware/translation layer a interní metadata,
• u moderních energeticky asistovaných technologií navíc nové komponenty a materiálová rozhraní.

Veřejně dostupná data zatím neumožňují poctivě tvrdit univerzální „HAMR AFR = x %“ proti „PMR AFR = y %“. Instalovaná HAMR populace je mladší, více soustředěná u hyperscalerů a data jednotlivých výrobců nejsou přímo srovnatelná s Backblaze. V článku proto oddělujeme laboratorní/produktové specifikace od reálných fleet statistik.

HDD vs. SSD v roce 2026

Moderní datacentrum proto často nepoužívá „HDD nebo SSD“, ale hierarchii: flash drží hot data, HDD drží masivní nearline/retention vrstvu a páska může zůstat v nejchladnějším archivu.

Budoucnost HDD: více TB na plotnu, více hlav a chytřejší firmware

Další růst nemusí přijít jen z jedné technologie. HAMR zvyšuje bitovou hustotu, více ploten zvyšuje fyzickou plochu, SMR/UltraSMR zmenšuje track pitch a pokročilé ECC dovoluje pracovat s horším SNR. Výrobci zároveň vyvíjejí multi-actuator architektury, které mohou zvýšit IOPS a sekvenční agregovaný výkon bez zdvojnásobení celé mechaniky.

HDD tak pravděpodobně nezmizí náhle. Spíše se bude dále přesouvat z notebooků a běžných pracovních PC do NAS, backupu, surveillance, cloudových datacenter a exabajtových úložišť, kde je ekonomika terabajtu důležitější než mikrosekundová latence.

Od historie k praxi: DiskCloner, DiskAdmin a recovery nástroje

Technologický vývoj HDD dává smysl i prakticky: jinak se pracuje se zdravým diskem při migraci a jinak s médiem, které už hlásí čtecí chyby. Na tento technicko-historický článek proto navazuje samostatný praktický návod v sekci Aplikační články, návody a recenze: S.M.A.R.T. diagnostika, bezpečný recovery workflow a návaznost na vlastní software z portfolia BazookaWEB.

• DiskCloner QT – RAW klonování disk↔disk a disk↔image, SMART NTFS kopie, tvorba a obnova image, boot média a verifikace.
• DiskAdmin QT – přehled a správa fyzických disků, partitions, formátování, drive letters, Storage Spaces a export reportů.
• GNU ddrescue – specializovaná sektorová záchrana vadných médií s mapfile; používá se před opravami filesystemu, pokud je disk fyzicky nestabilní.

Přejít na praktické srovnání DiskCloner / DiskAdmin / GNU ddrescue →

Zdroje a další čtení

• Computer History Museum – IBM 350 RAMAC
• IBM – RAMAC history
• ASME – IBM 350 engineering landmark
• Computer History Museum – ST-506 a Rodime 3,5″
• Computer History Museum – PrairieTek 2,5″
• Toshiba – první PMR produkty
• Western Digital – 32TB UltraSMR / 26TB CMR ePMR
• Western Digital – 2026 roadmap 32TB / 40TB qualification
• Seagate – Mozaic 4+ / 44 TB
• Backblaze – Drive Stats Q2 2026
• Backblaze – veřejná HDD data ke stažení
• Archiv českého PC ceníku 1995
• Dobový český přehled cen HDD 2004