Comments
Description
Transcript
デスクトップPC用ハードディスク
特 集 デスクトップPC用ハードディスク Hard Disk Drives for Desktop Personal Computers あらまし 富士通は，デスクトップパソコンの大容量，高性能の要求に応える高性能ハードディ スク（HDD）として，PicoBirdシリーズを開発している。デスクトップPCはめざましい 発展を遂げ，これに使用されるハードディスクも進展が著しい。今回このデスクトップ パソコン用として，3.5インチ磁気ディスク媒体４枚を25.4 mmの高さに納め，17.3 Gバ イトの大容量を達成したPicoBird （PB）-13，および容量18.2 Gバイトでディスク回転数 7,200 rpmとして回転待ち時間の大幅短縮を図った高性能機のPicoBird（PB）-13H（Hは 7,200 rpm機を示す） を紹介する。これらの性能は，G-MR （Giant-MR） ヘッド，EPR4ML 方式の高速リードチャネルなどにより実現した。インタフェースについては，新しい転 送方式であるUltra DMAによる66.7 Mバイト/秒の高速転送をサポートした。 Abstract The development of desktop personal computers and their hard disk drives has been -13 and PicoBird proceeding at a remarkable pace. This paper introduces Fujitsu’s PicoBird（PB） （PB）-13H high-performance, high-capacity hard disk drives（HDDs）for desktop personal computers. The PicoBird（PB）-13 is 25.4 mm thick and accommodates four 3.5-inch magnetic disks for a capacity of as high as 17.3 gigabytes. The PicoBird（PB） -13H（H indicates a 7,200 rpm product） has a capacity of 18.2 gigabytes and a latency time that has been significantly reduced by increasing the disk rotational speed to 7,200 rpm. The performance of these products is achieved by using a Giant-MR（G-MR）head and the EPR4ML high-speed read channel. For the interface, the new Ultra DMA protocol is used, and high-speed data transfer at up to 66.7 megabytes per second is supported. 八木教雄（やぎ のりお） 1978年静岡大学工学部精密工学専攻 修士課程了。同年富士通入社。以来 磁気ディスク装置の開発に従事。 磁気ディスク事業部第二技術部 28 FUJITSU.50, 1, pp.28-32 (01,1999) デスクトップPC用ハードディスク ○○○○○○○ ま え が き とされている。また，数年ごとに性能に対して一番影響 力を持つディスク媒体の回転数の高速化が求められてい PicoBird（ PB） は，富士通がデスクトップパソコン （以 る。1999年には現状の5,400 rpm版に加え，7,200 rpm版が 下，デスクトップPC）用に開発している，3.5インチハー 本格的に台頭してくると予想される。 ドディスク （以下，HDD）の開発コード名である。 （2） 耐衝撃性 デスクトップPCは，コンピュータの中でもっとも普及 HDD容量の増大による信頼性の更なる向上，およびハ しており，PicoBirdシリーズはこの分野のPCのストレー ンドリングによるデータ破壊回避のために耐衝撃性に対 ジデバイスとして使用されている。近年のPCはデファク する世代ごとの向上が要求されている。 トOS （OS：オペレーティングシステム） であるWindowsの （3） 低騒音 進化と，情報化社会への要求が相まって目覚ましい発展 家庭への普及が進んだことから低騒音に関する要求も を遂げている。これと呼応する形でデスクトップPCに使 強く，定常回転状態でのサウンドパワーが3.3 Bel （オフィ 用されるHDDもめざましい発展を遂げている。 ス環境では全く聞こえない程度） というような2.5インチ ここではデスクトップPCの動向，HDDに対する要求， HDD並の騒音も求められる場合がある。 ○○○○○○○ PicoBirdシリーズの特徴，技術動向，インタフェース動 向，課題について述べる。 デスクトップ PC の動向 デスクトップPCはWindows 95普及下の1995年∼1997年 の３年間に約１億７千万台 （出典IDC） が出荷され，かつ （4） 低価格 PCの更なる需要は買い換えに依存する状況になってき ○○○○○○○ ており，サブ1,000ドルPCに代表される低価格要求が更に エスカレートする傾向にある。 PicoBird シリーズの概要 その後も年率二桁成長を維持しており，一般家庭にも確 ここでは，富士通の3.5インチHDDであるPicoBirdシ 実に浸透している。デスクトップPCを使用する用途が多 リーズについて，若干の技術的な点を含めて概説する。 様化したこと，およびアプリケーションソフトが充実し 世代ごとの媒体１枚あたりの容量推移を図-１に，世代ごと たことによって，内蔵されているHDDの容量は，最多販 の代表仕様の比較を表-１に示す。 売帯で，2.1 Gバイト→3.2 Gバイト→4.3 Gバイト（1998年 容量の増大はめざましく，年率約80％の割合で向上し 中）と増加の一途をたどり，プロセッサ性能も，200 MHz ている。 →300 MHz→450 MHz（ 1998年中）と大幅な改善が進めら ● PicoBird-13/13Hの特長 れている。 PicoBird-13/13H （PB-13/13H） は，厳しいデスクトップPC しかし，大幅な普及率で浸透してきた結果として， の要求に応えるべく開発された装置である。厚さ25.4 mm 1995年以降の年成長率は二桁を維持しているものの， にディスク媒体４枚を納め，それぞれ，17.2 G/18.4 Gバ 徐々にその比率は低下してきている。これを打開するた イト（PB-13/13H） の大容量を実現している。PB-13の機構 めには一般顧客の買い換え需要の喚起が必要であった。 部を図-２に示す。 すなわち需要を呼び起こすためには，低価格化が必須の要 最新技術のG-MRヘッドや16/17EPR4MLリードチャネ といった戦略展開がなされてきている。 こういった状況下で継続発展をしていくためには低価 ○○○○○○○ 格機から高速高性能機まで幅広く対応していくことがま すます重要となってきている。 HDD に対する要件 PicoBirdシリーズのHDDに要求される内容も年々厳しく なってきている。特徴的なものとして以下が挙げられる｡ （1） 性能 ベンチマークテストが一般的評価指標として使われて いるが，開発世代ごとに約10∼15％の向上が当然のもの FUJITSU.50, 1, (01,1999) フォーマット容量（Gバイト） 面記録密度（Gビット/平方インチ） 件となり，1997年末から1,000ドルPC，サブ1,000ドルPC 10 フォーマット容量 面記録密度 PB-13H（18.2 Gバイト） 5 4 PB-13（17.3 Gバイト） PB-12（10.2 Gバイト） 3 PB-11（6.48 Gバイト） 2 PB-10 （5.2 Gバイト）5.25 Gバイト） PB-9'（2.57 Gバイト） 1 1996 1997 1998 1999 西暦（年） 図-1 容量/媒体および面記録密度の推移 Fig.1-Capacity/platter and areal density. 29 デスクトップPC用ハードディスク 表-1 PicoBirdシリーズの仕様比較 項 目 MPB3064AT MPC3102AT MPD3173AT MPD3182AH （PB-11） （PB-12） フォーマット容量（Gバイト） 6.48 10.2 17.3 18.26 フォーマット容量/P（Gバイト） 2.16 3.24 4.32 4.56 3 3 4 4 ディスク枚数 ヘッド数 シリンダ数（ユーザ） （PB-13） （PB-13H） 6 6 8 8 9,037 11,116 13,033 12,555 161,815 209,542 243,487 269,951 トラック密度（TPI） 9,531 11,800 13,750 13,250 面記録密度 （Mビット/平方インチ） 1,542 2,473 3,348 3,577 記録密度（bpi） 5,400 回転数（rpm） 7,200 シーク時間（ms） （typical） トラック間 2.5 2 平均（Read） 10 10 9.5 9 平均（Write） 11 11 10.5 10 最大 20 20 19 18 記録方式 8/9 PR4ML 16/17 EPR4ML 25.4 26.1 装置厚さ （mm） 重量（g） 1.5 図-2 PicoBird-13 Fig.2-PicoBird-13. 1.3 500 また性能向上の一つとして，ディスク回転待ち時間を 大幅に低減して性能向上を図った7,200 rpmの装置（PB13H）の量産を開始している。 600 PCとのインタフェースは，ATA （AT attchment） が使用 消費電力（W） （typical） 動作時（Read/Write） 5.0 5.5 6.0 7.6 されているが，この転送速度も16.7 Mバイト/秒→33.3 M 定常状態（Ready） 4.5 4.2 4.2 6.3 バイト/秒→66.7 Mバイト/秒と高速化が進んでおり，PB- パワーセーブスリーブ時 0.6 0.6 0.8 0.8 13シリーズより66.7 Mバイト/秒のUltra DMAを採用し高 0.000694 0.00041 0.00024 0.00035 性能化を図っている。ATAインタフェースの詳細につい エネルギー消費効率 （W/Mバイト） ATA-3 インタフェース ATA-4 （2） 耐衝撃性 データ転送速度 ディスク （Mバイト/秒） 9.5∼16.6 12.5∼19.8 ATA（Mバイ ト/秒） 1997.09 ディスク媒体積層クランプ力，アクチュエータロック 16.7max（DMA mode 2） ベアリング耐力強化などの改善を図っている。PB-13シリー 66.6max（Ultra DMA mode 3/4） G-MR 1998.05 ズにおいては２ms衝撃で200 G以上の耐衝撃性を達成して いる。今後は300 Gを目標にさらに耐衝撃性を改善する。 512 MR FCS時期 21.4∼34.6 力，媒体面間，アーム形状の最適化，スピンドルモータの 256 ヘッド種類 14.5∼26.1 16.7max（PIO mode 4） 33.3max（Ultra DMA mode 0/1/2） データバッファサイズ（Kバイト） ては，後述する。 1998.12 1999.01 （3） 低騒音 ダンピングプレートおよびダンピングフォームの適 用，ベアリング精度の改善で5,400 rpm，３枚媒体装置に ルにより記録密度を向上させ，大容量化を達成している。 おいて定常回転時3.5 Bel （約30 dBA）を実現している。こ その他の特徴は以下のとおりである。 れはオフィス環境では全く気にならないレベルであり， 非常に騒音の低い装置を実現している。今後も更なる改 （1） 性能 PicoBirdシリーズとして，世代に応じた転送の高速 化，バッファ容量の増加，キャッシュ制御の最適化， 善に向けて流体軸受なども視野に入れて検討を行う。 （4） 低価格化 シークタイムの改善を図ってきている。PB-13において LSIのシュリンク （HDCとMPU） ，部品点数削減，機構 は，WinBench 99（Windows 98対応のベンチマークテスト） 部品の簡素化などを中心に対応している。 の次の項目で， ● ATAインタフェース Business Disk ： 2,500 kバイト/秒 現在のPC環境で標準的な磁気ディスク装置のインタ High End Disk： 9,200 kバイト/秒 フェースとして採用されているATA （AT Attachment） イン の世界最高性能を実現している。 30 タフェースは，もともとはIBM社のパソコンに端を発し FUJITSU.50, 1, (01,1999) デスクトップPC用ハードディスク 表-2 ATA コマンド一覧 READ SECTOR（S） READ MULTIPLE READ DMA READ VERIFY SECTOR（S） WRITE MULTIPLE WRITE DMA WRITE VERIFY WRITE SECTOR（S） RECALIBRATE SEEK INITIALIZE DEVICE PARAMETERS IDENTIFY DEVICE IDENTIFY DEVICE DMA IDENTIFY COMPONENT SET FEATURE SET MULTIPLE MODE EXECUTE DEVICE DIAGNOSTIC READ LONG WRITE LONG READ BUFFER WRITE BUFFER IDLE IDLE IMMEDIATE STANDBY STANDBY IMMEDIATE SLEEP CHECK POWER MODE SMART FLUSH CACHE SECURITY SET PASSWORD SECURITY UNLOCK SECURITY ERASE PREPARE SECURITY ERASE UNIT SECURITY FREEZE LOCK SECURITY DISABLE PASSWORD SET MAX ADDRESS READ NATIVE MAX ADDRESS 表-3 ATAとSCSIインタフェースの主要機能比較 ATA SCSI プロトコル 比較的単純 複雑 コントローラ構成 比較的単純 複雑 データ転送速度 最大33.3 Mバイト/秒（ATA4） 最大 80 Mバイト/秒（Ultra-2） 最大66.7 Mバイト/秒（ATA5） 最大160 Mバイト/秒（Ultra-3） ケーブル長 最大 46 cm デバイス接続台数 4台（プライマリ2台） （セカンダリ2台） 最大 15台 表-4 ATA3，ATA4とATA5の主要相違点 ATA5 ATA4 最大データ 66.7 Mバイト/秒 33.3 Mバイト/秒 転送速度 （Ultra DMA 66） （Ultra DMA 33） 追加機能 ている。同社のパソコンは，PC，PC-XT，そしてPC-AT 最大 25 m SMART 追加機能 ATA3 16.7 Mバイト/秒 （DMA） Command Queuing エンハンスを 検討中 Offline data collection Online data collection と発展してきた。このP C - A T に採用されていたH D C （Hard Disk Controller） 部分をHDD側に持たせたものが， ATAインタフェースの原型である。 ある。このUDMA33によるデータ転送速度の高速化によ そしてWestern Digital社とCompaq Computer社によっ り，PCの高性能化を達成することができた。また高速転 て作成されたIDE（Intelligent Drive Electronics） インタ 送データの信頼性を確保するため，PCとHDDで転送デー フェースをもとに米国の標準化委員会であるA N S I タのCRC （Cyclic Redundancy Check）を計算し，双方の値 （American National Standard Institute） が1988年に規格化 をHDD側で比較する。このデータエラー検出により，転 したインタフェースである。ATAは，PCシステムのホス 送するデータの信頼性を確保することができるように トプロセッサとHDDとの間のインタフェースを定義して なった。 いる。富士通のATA磁気ディスク装置がサポートしてい 現在ANSIでは最高転送レートを66.7 Mバイト/秒へ高 るコマンドを表-２に示す。 速化したUltra DMA66（UDMA66）を含めたATA5の規格化 （1） ATAインタフェースの特長 作業が開始されている。この66.7 Mバイト/秒の高速デー ATAインタフェースを使用したPCシステムにおいては， タ転送レートを実現するにあたって互換性を維持するた ホストプロセッサにブリッジIC経由でHDDを直接接続す め，インタフェースコネクタは変更せずに，ケーブルの ることができるため，SCSI（ Small Computer System みを既存の40線から80線のものに変更することになって Interface） のインタフェースと比較してコスト的なメリッ いる。これによってデータ転送速度が高速化しても，イ トが大きく，ほとんどのPCシステムにATAインタフェー ンタフェース信号の品質を劣化させることなく，より信 スが採用されている。ATAインタフェースとSCSIについ 頼性の高いデータ転送を可能にしている。 ての主要な項目の比較を表-３に示す。 （2） ATAインタフェースの進展 （4） SMART機能 また，ATA規格ではHDDの高性能化と合わせて信頼性 その後，HDDの高容量化と高性能化やPCシステムの高 の向上を図っている。この手段の一つとしてS M A R T 性能化に合わせて，ATA規格もATA2，ATA3と規格が改定 （Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology）機 されてきた。そして，1998年にはATA4が規格化された。 能があり，富士通製HDDもこれをサポートしている。 ATA3とATA4，および現在規格化作業が進められている SMARTはHDD内部で，リードエラー，シークエラー， ATA5の主要な相違点を表-４に示す。 稼働時間などを監視し，徐々に進行するような障害を予 （3） ATA4，ATA5インタフェース 測し，PCシステムに事前に通知することにより，重大障 ATA4の最大の特徴は，PCとのデータ転送速度を既存 害の発生によるデータ喪失を未然に防ぐ機能である。富士 の16.7 Mバイト/秒から，Ultra DMA33 （UDMA33） として 通製HDDで対応している主要なSMARTコマンドを表-５に 33.3 Mバイト/秒のデータ転送レートに引き上げたことで 示す。 FUJITSU.50, 1, (01,1999) 31 デスクトップPC用ハードディスク 表-5 SMART コマンド サポートサブコマンド SMART READ DATA SMART READ ATTRIBUTE THRESHOLDS SMART ENABLE/DISABLE ATTRIBUTE AUTOSAVE SMART SAVE ATTRIBUTE VALUES SMART EXECUTE OFF-LINE IMMEDIATE SMART ENABLE OPERATIONS SMART DISABLE OPERATIONS SMART RETURN STATUS SMART ENABLE/DISABLE AUTOMATIC OFF-LINE 密度化に伴う位置決め精度の改善など。 （2） 高性能化に対して 高速転送化に伴うLSI消費電力の低減，高速回転および 高速シークタイム下での低騒音実現，高速シークタイム に対応のメカ開発。 （3） 特性改善など インタフェースの項目でも述べたようにATAインタ アトリビュート（属性値） フェースは，1999年前半から対ホスト転送性能として ID-No. 1 -Read Error Rate 2 -Throughput Performance 3 -Spin Up Time 4 -Start/Stop Count 5 -Re-allocated Sector Count 7 -Seek Error Rate 8 -Seek Time Performance 9 -Power-On Hours Count 10 -Spin Retry Count 12 -Drive Power Cycle Count 199 -Ultra ATA CRC Error Rate 200 -Write Error Rate 33.3 Mバイト/秒から66.7 Mバイト/秒に移行するため， ○○○○○○○ PB シリーズの課題 ○○○○○○○ 高速化対応をしていく。 む す び デスクトップPC用途においてHDDに要求されるのは前 述したように，高性能・高耐衝撃・低騒音・低価格と いった課題に対する開発装置ごとの改善である。すなわ ち，低価格と高性能の両立である。 また，新規のビジネス分野としてはディジタル録画の 大容量化対応もあり，この分野ではPCとは異なる要求 （リトライ制限など） も加味されてくる状況にある。 デスクトップPCのHDDに対する性能，容量などの要求 したがって今後の開発にあたっては多様化する顧客要 に対応していく上で，富士通として今後取り組んでいく 求に対するきめ細かな分析対応およびHDD自体の技術進 べき技術的課題には以下のような項目がある。 化とのマッチングをいかに図っていくかが最大の課題で （1） 大容量化に対して ヘッドの低浮上化に対する信頼度の確保，高トラック 32 あり，この目的の実現に向けてたゆまぬ努力をしていく 所存である。 FUJITSU.50, 1, (01,1999)