¿Qué es un disco duro? Todo lo que necesitas saber

En este artículo explicaré qué es un disco duro o HDD en su forma abreviada inglesa (Hard Disk Drive).

El disco duro es una pieza fundamental de un ordenador tanto portátil como sobremesa. Es el dispositivo encargado de almacenar todos los archivos (archivos de programa, fotos, videos, etc…) de forma no volátil ya que, si se desconecta la alimentación del ordenador, el disco duro retendrá la información a diferencia de lo que ocurre con la memoria RAM (memoria volátil).

El primer HDD (Hard Disk Drive) se lanzó al mercado en 1956 por IBM. Se llamaba “RAMAC I“, pesaba una tonelada y su capacidad de almacenamiento era de 5MB.

En la actualidad un disco duro (HDD) interno de 1TB pesa menos de 500 gramos…

Cómo funciona un disco duro

El mecanismo de un disco duro mecánico tradicional es bastante simple. Se compone de una serie de platos magnéticos que giran sobre un mismo eje.  Éste dispone de una serie de brazos con cabezas para leer y escribir información en código binario sobre unos sectores o clusters.

Todo el interior del disco se encuentra cerrado herméticamente para evitar la entrada de polvo y pérdida de datos.

Tipos de HDD según tecnología

En la actualidad, podemos encontrar varios tipos de tecnologías de almacenamiento, las más usuales son los discos mecánicos y los discos SSD mientras que los híbridos y multimedia son los menos usados.

Discos duros mecánicos

Primer tipo de disco duro que se puede considerar moderno lanzado al mercado. Como su nombre indica, están compuestos por partes móviles, que utilizan el magnetismo para almacenar la información.

Los platos magnéticos giran unidos a un eje, en el que un brazo porta una cabeza para leer y escribir datos. La velocidad de lectura y escritura irá ligada a la velocidad a la que estos platos giren, lo más usual 5.400 y 7.200 RPM. Algunos pueden llegar a alcanzar las 15.000 RPM.

Todo este sistema, va vinculado a una controladora que gestiona la comunicación con el resto del equipo a través del BUS correspondiente.

Discos duros SSD

Los discos duros SSD (Solid State Drive) o disco duro en estado sólido es la nueva generación de dispositivos de almacenamiento.

La parte mecánica tradicional del disco duro anterior se sustituye por una memoria NAND, parecida a las de pen drives por ejemplo,  y una controladora en el mismo PCB.

La principal ventaja de los discos SSD vs los discos duros mecánicos, es una muy superior velocidad de lectura y escritura, así como un menor consumo y ruido. Como contra encontramos que suelen tener unos volúmenes de escritura antes de fallo inferiores a los discos duros mecánicos.

Discos duros híbridos

Como su nombre indica, los discos duros híbridos o SSHD (Solid State Hibryd Drive) son un tipo de disco duro que mezcla la tecnología de almacenamiento NAND de los SSDs  con la parte mecánica de un disco duro tradicional.

En estos discos, la controladora del disco duro SSHD y el sistema operativo son los encargados de mover los archivos más utilizados a la parte de la memoria NAND para tener una mayor rapidez en el acceso.

Estas unidades están cayendo ya en desuso por el auge de los discos duros SSD cuya popularización y bajada de precio  los hacen más “interesantes” a nivel económico y funcional.

Discos duros externos

Los discos duros externos o discos duros portátiles son dispositivos de almacenamiento que podemos conectar de forma externa a nuestro equipo (normalmente vía USB o Thunderbolt).

Para su uso externo se utiliza un puente entre dos conexiones. Las más usuales son entre SATA III y USB 3.0 en el caso de los discos duros mecánicos externos y SSD externos de 2,5″ o un puente M.2 NVMe a USB / Thunderbolt para discos SSD de alto rendimiento.

Los tamaños más usuales para un disco duro externo suelen ser de 2,5″ y 3,5″ en el caso de los mecánicos y 2,5″ o M.2 2280 en el caso de las unidades externas SSD.

Discos duros multimedia

Los discos duros multimedia fueron muy populares hace unos años, pero con el incremento de dispositivos como Android TV, Chromecast, Apple TV o similares, han perdido mucha popularidad, hasta el punto de que es difícil encontrarlos a la venta.

Un disco duro multimedia no es más que una carcasa externa para proteger y contener al disco duro que, al mismo tiempo, nos permite poder reproducir el contenido almacenado. Esto se consigue mediante una salida HDMI o video compuesto incorporado.

La controladora del dispositivo suele contar con un pequeño firmware ligado a un control remoto para navegar por los diferentes menús y archivos dentro del dispositivo. En cuanto a conexiones de entrada y salida, es usual las salidas de video HDMI o compuesto y/o salida de sonido óptica, así como entradas USB y RJ45.

Actualmente este tipo de dispositivos han sido relegados por centros multimedia basados en Android TV. Los aventajan en funciones y enfoque a la reproducción de contenidos en streaming por ejemplo.

NAS / En red y/o WIFI

En este punto vamos a hablar muy superficialmente sobre diferentes tipos de discos con conexión a la red y sus principales diferencias. Detenerme a examinar detalladamente cada dispositivo haría este artículo Interminable (como la Historia je,je) .

NAS

El Network Attached Storage o más conocido como NAS es un sistema de almacenamiento en red dedicado a compartir almacenamiento entre los miembros de tu red u ordenadores con acceso a él a través de una conexión TPC/IP.

Suelen estar basados en sistemas Linux  y cuentan con un procesador que permite la creación de diferentes sistemas RAID, la virtualización de sistemas operativos, ejecución de aplicaciones en contenedores dockers y la gestión de acceso y privilegios a los diferentes usuarios o grupos.

Disco Duro WIFI / En red

Este tipo de disco duro, cuenta con conectividad WIFI: El disco duro es capaz de conectarse a la red WIFI que le indiquemos o  crear una red WIFI AD-HOC. También hay discos duros WIFI con conectividad Bluetooth.

Es bastante común, que los discos duros WIFI incluyan otros elementos accesorios que nos facilitan aún más la vida como: Algún tipo de batería para poder funcionar sin necesidad de conectarse al puerto USB 3.0 del ordenador o lectores de tarjetas SD o Micro SD para leer y/o copiar información de ellas.

Por ello, los discos duros WIFI o inalámbricos, suelen ser una opción más que recomendable para viajeros y amantes de la fotografía por su manejabilidad.

Tipos de conexión

En la actualidad, el conector más usado para los discos duros es el SATA o Serial ATA ( va por su tercera revisión).

Ahora te voy a enseñar los tipos de conexión entre el disco duro y el ordenador.

IDE

La conexión IDE (Integrated Device Electronics) o también conocido como ATA o PATA (Paralel ATA), ha sido la conexión estándar entre disco duro y ordenador hasta la llegada del estándar SATA.

Este conector contaba con 40 u 80 pines y admitía hasta dos discos duros por canal. Contaba con un sistema de “Maestro y Esclavo” para comunicarse con dos discos duros y determinar el disco duro principal y el secundario (o unidad óptica).

La velocidad de transferencia de la interfaz IDE es de 133 MB/s

SATA

El estándar Serial ATA o SATA (Serial Advanced Technology Attachment) fue lanzado en el año 2003 y actualmente es el estándar de conexión para discos duros sustituyendo en 2004 al desfasado IDE.

SATA proporciona mayores velocidades de lectura y escritura (hasta 600MB/s en su revisión 3.0) y menor tiempo de acceso que el bus IDE o P-ATA. Además no tiene pérdida de rendimiento cuando se conectan varios dispositivos como ocurría con el bus IDE.

A raíz del estándar SATA surgieron otras revisiones como e-SATA (versión externa) que no superó al USB 3.0 o mSATA (enfocada a portátiles y dispositivos compactos) y SATA-Express que fueron superados por el estándar M.2 NVMe PCIe.

SCSI

La interfaz SCSI (Small Computer System Interface) era la versión IDE enfocada a servidores y cluster de discos duros, que necesitaban de grandes capacidades de almacenamiento y velocidades de transferencia más elevadas.

Una controladora SCSI puede trabajar con hasta 16 discos y su velocidad de transferencia era de 20MB/s.

A raíz de esta interfaz, se desarrollaría la interfaz de puerto paralelo (Ultra SCSI) o FireWire entre otros.

SAS

Con el lanzamiento de la interfaz y discos SATA, apareció en el mercado SAS (Serial Attached SCSI), evolución de la interfaz SCSI anterior. Como su antecesora SCSI, permite la conexión en serie de hasta 16 discos duros (con conector SAS o Serial ATA).

Los discos SAS no son compatibles con una controladora SATA, pero si al contrario.

En estos momentos, SAS se encuentra en su versión SAS-4, la cual ofrece hasta 22.5 Gbit/s.

Los principales impulsores de esta tecnología son: Adaptec, HP, Intel, LSI, Maxtor, Seagate, Fujitsu, Hitachi, IBM, Western Digital, NEC, Dell y Texas Instruments

PCI-E / NVMe

Son las unidades de almacenamiento más rápidas que podemos encontrar : Son discos SSD basados en PCI-e o NVMe.

Con la evolución del bus PCI-Express y la popularización de este tipo de discos, la velocidad de lectura y escritura de datos crecieron de una forma increíble al tiempo que se reducía el tiempo de acceso a los datos. Esta reducción se produce al estar el bus PCI-Express conectado directamente a la CPU.

El principal problema de los discos PCI-Express era la necesidad de un firmware y controladora específica para el disco duro SSD, de esta manera no se exprime todo su potencial. Fruto de esta necesidad, años más tarde se crearía el protocolo NVMe (Non-Volatile Memory Express), que optimiza todo lo anterior y  estandarizar los tamaños de los discos a formato M.2.

Factor de forma

Con el acceso de la Informática a las grandes masas y el aumento de nuevos fabricantes de componentes, la industria optó por estandarizar el tamaño y formas de sus componentes.  En este punto nace “formfactors” con la finalidad de facilitar la fabricación de componentes, conectores y posibilitar la conexión y reemplazo de dispositivos.

En el caso de los discos duros, actualmente tenemos tres factores de forma en uso:

3.5 pulgadas (3.5″)

El formato de 3,5″ (pulgadas) es el de los discos duros mecánicos tradicionales. Deben tener unas medidas máximas de 146.99 x 101.85 x 26.11 mm exceptuando la versión de bajo perfil de 1″ de altura.

Se usan principalmente para almacenamiento secundario en ordenadores, servidores, NAS y discos duros externos. La capacidad máxima actual es de 18 TB por disco (Noviembre de 2020). Se espera el lanzamiento hacia 2021 de discos duros de 20TB mientras que, Seagate quiere tener unidades de hasta  50TB hacia 2026.

2.5 pulgadas (2.5″)

Los discos duros de 2,5″ (pulgadas) tienen unas medidas máximas de 100 x 69.87 (largo x ancho) y una altura variable, siendo las más usuales de 5, 7 y 9.5 mm.  Varían en función del número de platos (en caso de ser mecánico) o si es SSD.

Este estándar se usa en los discos duros SSD SATA y discos duros para portátil.

Por su menor tamaño, un disco duro de 2,5″ tendrá una capacidad máxima de 5 TB en el caso de ser mecánico, y de hasta 8 TB en caso de ser SSD.

M.2

El último factor de forma lanzado al mercado es  el M.2: Evoluciona de la especificación NGFF (Next Generation Form Factor). Sustituye a la interfaz mSATA, utilizando el bus PCI Express x4, compatible tanto en su revisión 3.0 como 4.0.  Al igual que su antecesora, no requiere de alimentación externa más allá de la proporcionada por el puerto M.2. M.2 es compatible con discos duros SATA y NVME.

El tamaño de los discos duros M.2 varía en ancho y largo, siendo el tamaño más usual 22 mm de ancho y 80 mm de largo:

Los discos en formato M.2 utilizan chips de memoria Nand, a más longitud, más chips podrán albergar y por tanto, más capacidad.

Otros formatos obsoletos

A lo largo del tiempo han existido otros factores de forma para los discos duros, que han variado desde las 8 pulgadas (8″) hasta las 0,85 pulgadas (0.85″), pasando por los 5,25, 1,3 y 1 pulgadas.

Y por supuesto, todos estos factores de forma han tenido el mismo final: Retazos del pasado en algún museo. Obsoletos, descontinuados.

Estructura lógica de un disco duro

Una vez desarrollada ( y más que desarrollada) la parte física, lo tangible de los discos duros, vamos a indagar en su parte lógica, cómo se organizan los archivos dentro de él.

La división lógica de un disco duro se basa en:

Sector de arranque: Conocido popularmente como MBR (Master Boot Record). Primer sector de un disco duro encargado de almacenar las tablas de particiones, identificar los discos y configurar el “Master Boot”, así el ordenador sabrá donde se encuentra instalado nuestro sistema operativo. En este momento, los sectores de arranque pueden ser MBR ó GPT en BIOS UEFI

Particiones de disco: La partición de disco duro es la división lógica del espacio de almacenamiento donde se alojarán los archivos. Pueden crearse una o varias particiones de archivos (hasta 4 particiones en MBR y 128 particiones en GPT por disco duro físico). Dentro de una partición de disco se reserva un espacio para la tabla de archivos, que guarda la ubicación de los ficheros dentro del disco duro.

Las particiones pueden tener diferentes formatos en función del sistema operativo que estemos utilizando, las más famosas son (FAT, FAT32, NTFS, EXT, EXT-FAT…)

Espacio sin particionar: Básicamente espacio desaprovechado, ya que hasta que no lo incluyamos en una partición no podremos usarlo.

Sistema de archivos

El sistema de archivos o sistema de ficheros se encarga de administrar y facilitar el acceso de lectura y escritura de los datos, así como la gestión del espacio disponible en las diferentes particiones de un disco duro.

El sistema de archivos varía en función del sistema operativo que estemos usando:

FAT

FAT (File Allocation Table) es un sistema de organización de archivos fue empleado por Microsoft hace mucho tiempo (ni me acuerdo…) y popularizado en la época de los disquetes. Está basado en una tabla de particiones donde indica la ubicación de los diferentes clústers utilizados por cada archivo.

Este sistema de archivos está en desuso por sus muchas limitaciones:

FAT32

FAT32 fue la evolución del sistema de archivos FAT y sigue usándose bastante en unidades de almacenamiento externo por su gran compatibilidad con muchos sistemas operativos y diferentes dispositivos.

Entre las desventajas de FAT32 podemos encontrar:

exFAT

exFAT (Extend File Allocation Table) es la versión FAT32 mejorada para memorias flash ya que amplía los limites de su su antecesor. En la actualidad es un formato muy utilizado en dispositivos electrónicos como TV, cámaras de fotos, smartphones…

NTFS

El sistema de archivos NTFS fue introducido por Microsoft en Windows XP. Elimina todas las limitaciones de tamaño de archivos y particiones y añade seguridad, permitiendo el cifrado de archivos y la introducción de permisos de escritura, lectura y acceso a los ficheros.

El principal problema de NTFS es la compatibilidad con sistemas operativos MacOS y Linux antiguos.

HFS

El sistema de archivos HFS (Hierarchical File System) divide el  volumen en bloques lógicos de 512 bytes que se agrupan en bloques de asignación y éste, a su vez, agrupa uno o más bloques lógicos. Ya ha sido sustituído por APFS desde MacOS Sierra.

EXT

El sistema de archivos EXT o extendido (Extended File System) fue creado específicamente para sistemas operativos Linux.

Cuentan los fanboys de Linux que es el mejor sistema de archivos en cuanto a rendimiento, fragmentación de datos y seguridad, y razón no les falta.

En estos momentos se encuentra en su revisión EXT4.

Texto redactado por José Antonio Martínez Pérez y revisado por Elena María Fernández Laveda