[하드웨어 뜯어보기] 저장장치 #31 - 저장장치의 원리(HDD)

회전하는 기억의 도서관 - LP판처럼 회전하는 플래터 위에 바늘(헤드)이 정보를 읽는 구조

핵심요약
HDD는 자성 패턴을 회전하는 디스크(플래터)에 저장하는 장치입니다.
헤드는 LP판 바늘처럼 움직이며 데이터를 읽고 쓰되, 실제로는 디스크에 닿지 않습니다.
데이터를 저장하기 위해 트랙, 섹터 구조를 사용하며, 이 구조가 성능, 단편화, 수명에 영향을 줍니다.

 

저장장치의 원리

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1. HDD란 무엇인가?

핵심 문장: HDD는 회전하는 금속 디스크 위에 자기 신호를 기록하고 읽는 아날로그/디지털 혼합 기술의 결정체다.

 

HDD(Hard Disk Drive)는 저장장치 중 가장 오래된 기술 계보를 가진 장치입니다. 오늘날 SSD가 대세가 되었지만, 대용량 저장이라는 영역에서는 여전히 HDD가 주력 기술입니다. 왜냐하면, 단가 대비 매우 높은 용량 확대성을 가진다는 점입니다.

 

HDD의 핵심 구성요소는 다음과 같습니다.

• 플래터(Platter): 데이터를 저장하는 금속 디스크
• 스핀들 모터(Spindle Motor): 플래터를 초당 수천 번 회전시키는 모터
• 헤드(Read/Write Head): 데이터를 읽고 쓰는 미세한 센서
• 액추에이터 암(Actuator Arm): 헤드를 트랙 위치로 이동시키는 팔
• 프리앰프, 컨트롤러 칩: 아날로그 신호를 디지털로 변환하고 제어하는 회로

HDD는 겉으로 보면 단순한 회전 장치처럼 보이지만, 실제로는 정밀 기계, 자기 공학, 신호처리 기술이 모두 합쳐진 놀라운 기술입니다.

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2. HDD의 핵심 구조 - “LP판과 바늘, 도서관의 서고를 동시에 닮은 구조”

2-1. 플래터: 회전하는 금속 음반

요약: 플래터는 자기 물질로 코팅된 초정밀 금속 디스크다.

 

플래터는 5,400 RPM에서 10,000 RPM까지 다양한 속도로 회전합니다. 플래터 표면은 나노 단위로 균일하게 설계되어 있으며, 이 영역에 “미세한 자기 방향”이 기록되어 0과 1이 표현됩니다.

 

PMR(Perpendicular Magnetic Recording, 수직 자기 기록) 방식에서는 자성 패턴이 수직 방향으로 배치되어 기록 밀도를 매우 높일 수 있습니다.

2-2. 헤드: 바늘이지만 절대 닿지 않는다

요약: 헤드는 플래터 위에서 ‘공기층 하나만큼’ 떠서 비행한다.

 

HDD의 헤드는 LP 바늘처럼 보이지만 실제로는 플래터와 3~5nm 거리만을 두고 떠 있습니다. 이는 플래터 회전 속도로 발생하는 공기 압력(에어 베어링) 덕분입니다.

 

만약 헤드가 닿으면?

• 플래터 스크래치
• 데이터 손실
• 헤드 크래시(head crash) 발생
• 즉시 사용 불가

헤드는 저장장치 기술 중 가장 정교한 부품 중 하나입니다.

2-3. 액추에이터: 서고 사이를 이동하는 사서

헤드가 데이터를 읽기 위해서는 정확히 해당 트랙 위에 위치해야 합니다. 액추에이터는 전기적 자력(VCM, Voice Coil Motor)을 이용해 이 움직임을 정밀하게 제어합니다.

 

이 과정은 마치 “사서가 특정 책장의 위치로 정확히 걸어가는 동작”과 비슷합니다.

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3. HDD의 데이터 구조 - 트랙, 섹터, 클러스터

3-1. 트랙(Track): 동심원의 길

요약: 트랙은 플래터 위에 겹겹이 쌓인 원형 정보 경로다.

 

플래터 표면은 수천 개 이상의 동심원으로 나뉘어 있으며, 각 동심원 하나가 곧 ‘트랙’입니다.

3-2. 섹터(Sector): 데이터를 저장하는 최소 단위

전통적인 HDD 섹터는 512바이트지만, 최근 제조사들은 4KB 단위의 Advanced Format을 사용합니다. 섹터는 HDD 성능, 수명, 오류 정정(ECC)에 모두 영향을 미치는 핵심 단위입니다.

3-3. 클러스터(Cluster): 파일 단위의 저장 칸

운영체제는 여러 섹터를 묶어 클러스터라는 논리적 단위로 관리합니다. 이 단위로 인해 작은 파일도 클러스터 전체를 차지하며, 단편화(fragmentation)가 발생하면 성능이 저하됩니다.

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4. HDD가 데이터를 읽는 과정 - “움직임 + 회전 = 속도의 본질”

핵심 문장: HDD 성능의 본질은 ‘헤드가 움직이는 시간’과 ‘플래터가 돌아가는 시간’이다.

 

읽기 과정은 다음과 같습니다.

 

1. OS가 파일의 논리 주소를 요청
2. HDD 컨트롤러가 이를 트랙, 섹터 번호로 변환
3. 액추에이터가 해당 트랙으로 헤드를 이동
4. 플래터가 회전하며 해당 섹터가 헤드 아래 올 때까지 대기
5. 자기 신호를 감지하고 디지털 데이터로 변환
6. 컨트롤러를 통해 CPU, 메모리로 전달

 

두 가지 지연의 본질

• Seek Time(탐색 시간): 헤드 이동 시간
• Rotational Latency(회전 지연): 플래터가 원하는 위치로 돌아올 때까지의 시간

이 두 요소는 SSD에는 없는 HDD 특유의 물리적 한계입니다.

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5. HDD 읽기/쓰기의 실제 동작 - “아날로그 신호를 디지털로 해석하는 두뇌”

헤드는 자기 패턴을 읽을 때 아날로그 신호를 감지합니다. 이 신호는 ‘영역의 자성이 북쪽을 향하느냐 남쪽을 향하느냐’에 따라 미약하게 달라집니다.

 

컨트롤러는 이를 실시간으로 해석하고, 노이즈를 제거하고, PRML(Partial Response Maximum Likelihood) 같은 알고리즘을 사용해 0과 1을 최종 결정합니다. HDD의 발전은 결국
더 작은 자기 패턴을 더 정확하게 읽는 알고리즘의 발전과도 직접적으로 연결됩니다.

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6. 사람 비유 - “도서관 사서가 회전 책장을 관리하다”

HDD는 여러 비유가 복합적으로 어울립니다.

• 플래터 = 수천 개의 서가가 원형으로 배치된 회전 책장
• 액추에이터 = 서가 사이를 빠르게 이동하는 사서
• 헤드 = 서가의 정보를 읽는 눈
• 섹터 = 책의 페이지
• 클러스터 = 책 한 권 분량
• 회전 지연 = 페이지가 눈앞으로 돌아올 때까지 기다리는 시간

이 비유를 통해서 HDD의 병목 지점이 명확하게 드러납니다. HDD는 “움직여야만 읽을 수 있는” 저장 장치입니다.

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7. 기술 발전 과정 - 자기 기술의 혁신 60년

핵심 문장: HDD는 기록 밀도를 끊임없이 끌어올리며 생존해 왔다.

• 1956 IBM RAMAC: 5MB 용량, 냉장고 2개 크기
• 1990년대 PRML 등장 → 더 작은 자기 신호 판독
• 2000년대 PMR(수직 자기 기록) 도입
• 2010년대 SMR/HAMR 연구
  • SMR(Shingled Magnetic Recording): 겹쳐 쓰기
  • HAMR(Heat-Assisted Magnetic Recording): 레이저 열 보조 기록

이 모든 기술은 하나의 목표를 갖습니다. “같은 면적에 더 많은 비트를 기록하라.”

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8. 오늘날 활용 - “데이터 홍수 시대의 필수 저장 공간”

SSD가 빠르지만 용량 단가에서는 HDD를 이길 수 없습니다.

• 클라우드 백업
• 데이터 센터 콜드 스토리지
• 대규모 로그 저장
• CCTV 녹화
• NAS 저장소
• 아카이브 서버

몇 TB 단위의 저장 용량을 가장 경제적으로 제공하는 기술은 아직도 HDD입니다.

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9. 요약

• HDD는 회전 디스크 + 자기 신호 기반의 저장장치
• 헤드의 이동과 플래터의 회전이 성능의 본질
• 트랙, 섹터 구조는 저장 효율과 단편화에 영향을 미침
• 알고리즘, 기계, 자기 기술의 집합체
• 대용량 저장에서는 여전히 핵심 기술

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10. 다음 편 예고

다음 글에서는 NAND 셀과 SSD 컨트롤러가 어떻게 데이터를 관리하는지 파고들 예정입니다.

 

다음 글 : [컴퓨터 과학] - [하드웨어 뜯어보기] 저장장치 #32 - SSD의 내부 구조

[하드웨어 뜯어보기] 저장장치 #32 - SSD의 내부 구조