하드 디스크 드라이브(HDD)는 자기 저장 방식을 사용하여 데이터를 저장하고 검색하는 전자기학적 데이터 저장 장치이다. HDD는 하나 이상의 회전하는 플래터에 자성 물질을 코팅하여 데이터를 저장하며, 이 플래터와 함께 자석 헤드가 장착된 액추에이터 암이 데이터를 읽고 쓴다. 데이터는 임의 접근 방식으로 처리되므로, 데이터를 어떤 순서로든 저장하고 검색할 수 있다. HDD는 비휘발성 저장 장치로, 전원이 꺼져도 저장된 데이터를 유지한다. 현대의 HDD는 일반적으로 작은 직사각형 박스 형태로 제작된다.
HDD는 1956년 IBM에 의해 처음 소개되었으며, 1960년대 초반부터 일반 컴퓨터의 보조 저장 장치로 주류를 차지했다. 현재는 서버와 개인용 컴퓨터에서 여전히 중요한 저장 장치로 사용되지만, 모바일폰이나 태블릿과 같은 대량 생산되는 개인용 컴퓨터 장치들은 플래시 메모리 저장 장치를 사용한다. 224개 이상의 기업이 HDD를 생산했지만, 산업의 집중화로 현재는 대부분의 HDD가 Seagate, Toshiba, Western Digital에서 제조된다. HDD는 서버용 저장 장치로 생산되는 데이터 용량(엑사바이트 단위)에서 여전히 우위를 차지한다. 하지만 SSD(솔리드 스테이트 드라이브)가 데이터 전송 속도, 저장 밀도, 신뢰성, 지연 시간과 접근 시간이 더 뛰어나면서 HDD의 판매 수익과 출하량은 감소하고 있다.
SSD의 수익은 2018년에 HDD의 수익을 초과했으며, 2017년에는 플래시 스토리지 제품의 수익이 HDD의 두 배 이상이었다. SSD는 비트당 비용이 HDD보다 4배에서 9배 더 비쌌지만, 속도, 전력 소비, 크기, 용량 및 내구성에서 중요성이 있는 응용 프로그램에서 HDD를 대체하고 있다. 2019년부터 SSD의 비트당 비용은 감소하고 있으며, HDD보다 가격 차이가 좁혀졌다.
HDD의 주요 특성은 용량과 성능이다. 용량은 1000의 거듭제곱에 해당하는 단위 접두어로 표시된다. 예를 들어, 1TB(테라바이트) 드라이브는 1000GB(기가바이트)의 용량을 갖는다. 일반적으로 HDD의 일부 용량은 파일 시스템, 운영 체제, 오류 수정 및 복구를 위한 내장된 중복성에 사용되어 사용자가 사용할 수 없다. 용량에 대한 혼동이 발생할 수 있는데, 이는 HDD 제조업체가 용량을 십진수 기가바이트(1000의 거듭제곱)로 표시하는 반면, 대부분의 운영 체제는 이진수 기가바이트(1024의 거듭제곱)로 표시하여 실제 용량이 광고된 용량보다 작게 나타날 수 있기 때문이다. 성능은 헤드를 트랙이나 실린더로 이동시키는 데 걸리는 시간(평균 접근 시간), 원하는 섹터가 헤드 아래로 이동하는 데 걸리는 시간(평균 지연 시간, 이는 물리적 회전 속도에 따라 달라짐), 그리고 데이터 전송 속도(데이터 전송률)로 측정된다.
현대의 HDD에서 가장 일반적인 폼 팩터는 데스크톱 컴퓨터용 3.5인치와 노트북용 2.5인치이다. HDD는 SATA(Serial ATA), USB, SAS(Serial Attached SCSI), PATA(Parallel ATA)와 같은 표준 인터페이스 케이블로 시스템에 연결된다.
하드 디스크 드라이브(HDD)는 1954년 12월 24일 IBM 팀에 의해 발명되었으며, 1957년 IBM 305 RAMAC 시스템의 일부로 처음 상용화되었다. 이 초기 모델은 약 두 개의 대형 냉장고 크기였고, 52개의 디스크에 3.75메가바이트(5백만 6비트 문자)를 저장할 수 있었다. 350 모델은 하나의 암에 두 개의 읽기/쓰기 헤드를 장착하고, 플래터 사이를 수평으로 이동하며, 수직으로는 두 개의 플래터 집합 간에 헤드를 이동시켰다. 이와 같은 방식은 이후 IBM 355, IBM 7300, IBM 1405 모델로 발전했다.
1961년, IBM은 IBM 1301 디스크 저장 장치를 발표했고, 1962년부터 출하되었다. IBM 1301은 IBM 350 모델을 대체하며, 25개의 플래터를 사용하는 모듈로 구성되었다. 각 플래터는 약 3.2mm 두께에 61cm 직경을 자랑했다. 이 모델은 48개의 읽기/쓰기 헤드를 배열하여 수평으로 이동시키며, 실린더 모드의 읽기/쓰기 작업을 지원했다. 이때부터 HDD의 성능이 크게 향상되었으며, 평균 접근 시간은 약 1/4초로 단축되었다.
1962년, IBM은 1311 모델을 발표했다. 이 모델은 세탁기 크기였으며, 2백만 문자를 저장할 수 있는 탈착식 디스크 팩을 사용했다. 이후 이와 유사한 모델들이 대중화되었으며, 1980년대 초반에는 300메가바이트까지 용량이 확장되었다. 비탈착식 HDD는 "고정 디스크(fixed disk)"라고 불리었다.
1973년, IBM은 "윈체스터(Winchester)"라는 새로운 유형의 HDD를 개발했다. 이 모델은 디스크가 꺼질 때 헤드가 디스크 표면에 완전히 떨어지지 않고, 특정 영역에 착지하여 전원을 다시 켰을 때 다시 작동할 수 있도록 설계되었다. 이는 헤드 액추에이터의 비용을 크게 절감하면서, 디스크 팩을 제거하는 방식과는 달리 디스크 모듈을 탈착식으로 구성한 특징이 있다.
1974년, IBM은 스윙 암 액추에이터를 도입했다. 이 설계는 기록된 트랙에 대해 기울어진 상태에서도 잘 작동하는 헤드를 사용했으며, 이후 HDD의 대부분에서 채택되었다. 또한, 1980년대 초반까지 HDD는 개인용 컴퓨터(PC)의 고급 옵션으로 매우 비쌌지만, 1980년대 후반에는 가격이 급격히 하락하여 대부분의 컴퓨터에 기본적으로 장착되었다.
1980년대 초반, 대부분의 HDD는 외장형 부가 시스템으로 판매되었으며, 이후 내장형 HDD가 개인용 컴퓨터에 일반적으로 사용되기 시작했다. 초기의 Mac 컴퓨터는 외장형 SCSI 디스크를 통해 저장 용량을 확장했다.
1990년대 후반부터 2000년대 초반까지는 HDD의 기록 밀도가 급격히 증가했고, 2000년대와 2010년대에는 NAND 플래시 메모리가 포터블 기기나 고성능이 요구되는 애플리케이션에서 HDD를 대체하기 시작했다. 2018년, HDD의 최대 용량은 15TB였고, SSD는 100TB에 달하는 용량을 가졌다.
2011년, 태국 홍수로 인해 HDD 제조 공장이 피해를 입었고, 2019년 Western Digital은 말레이시아의 마지막 HDD 공장을 폐쇄했다. 이후, SSD 생산에 집중하기 위해 HDD 생산을 축소했다.
현대의 하드 디스크 드라이브(HDD)는 얇은 페로자성 물질로 코팅된 디스크 양면에 데이터를 기록한다. 자기화 방향의 순차적인 변화가 이진 데이터 비트를 나타낸다. 데이터를 읽는 방식은 자기화의 전환을 감지하는 방식이다. 사용자 데이터는 런 렝스 제한 인코딩(run-length limited encoding)과 같은 인코딩 방식을 사용해 자기 전환으로 표현된다.
전형적인 HDD 디자인은 플래터라 불리는 원형 디스크들이 고정된 스핀들로 구성된다. 플래터는 비자성 재료로, 주로 알루미늄 합금, 유리 또는 세라믹으로 만들어진다.
현대의 HDD 플래터는 4,200rpm부터 고성능 서버용 15,000rpm까지 다양한 속도로 회전한다. 초기 HDD는 1,200rpm으로 회전했으며, 한동안 3,600rpm이 일반적이었다. 2019년 11월 기준, 대부분의 소비자용 HDD는 5,400rpm 또는 7,200rpm으로 회전한다.
정보는 플래터가 회전하면서 그 위를 지나가는 읽기/쓰기 헤드를 통해 기록되고 읽힌다. 이 헤드는 자기 표면 바로 위에서 매우 가까운 거리에서 작동하며, 비행 높이는 종종 수십 나노미터에 달한다. 읽기/쓰기 헤드는 지나가는 자성 물질의 자기화 상태를 감지하고 수정하는 데 사용된다.
현대의 드라이브에서는 각 플래터 표면마다 하나의 헤드가 있으며, 이들은 공통의 암에 장착되어 있다. 액추에이터 암(또는 접근 암)은 플래터가 회전하면서 헤드를 아크(대체로 반경 방향)로 이동시켜 각 헤드가 플래터 표면의 거의 모든 부분에 접근할 수 있도록 한다. 이 암은 보이스 코일 액추에이터 또는 일부 구형 디자인에서는 스테퍼 모터를 사용하여 이동된다. 초기 HDD는 일정한 초당 비트 수로 데이터를 기록하여 모든 트랙에 동일한 양의 데이터가 저장되었으나, 현대의 드라이브는 구역 비트 기록(zone bit recording)을 사용하여 내부 트랙에서 외부 트랙으로 갈수록 더 많은 데이터를 기록할 수 있다.
현대의 드라이브에서 자성 영역의 크기가 작아짐에 따라 열 효과로 인해 자기화 상태가 손실될 위험이 있다. 이를 "초자성 한계(superparamagnetic limit)"라고 부른다. 이를 해결하기 위해 플래터는 비자성 원소인 루테늄을 3개의 원자로 분리한 두 개의 자성 층으로 코팅되며, 두 자성 층은 반대 방향으로 자화되어 서로를 보강한다. 또한, 열 효과를 극복하고 더 높은 기록 밀도를 가능하게 하는 기술로는 수직 기록(PMR)이 있다. 수직 기록은 2005년에 처음 출시되었고, 2007년부터 일부 HDD에 사용되기 시작했다.
2004년에는 결합된 부드러운 자성층과 강한 자성층으로 구성된 고밀도 기록 미디어가 도입되었다. 이 기술은 기록을 돕는 부드러운 층의 특성 덕분에 좋은 쓰기 성능을 보인다. 하지만 열 안정성은 강한 자성층에 의해 결정된다.
플럭스 제어 MAMR(FC-MAMR)은 새로운 하드 디스크 플래터 재료를 사용하지 않고도 기록 용량을 증가시킬 수 있는 기술이다. MAMR 하드 드라이브는 읽기/쓰기 헤드에 마이크로파를 생성하는 스핀 토크 생성기(STO)를 장착하여 더 작은 크기의 비트를 플래터에 기록할 수 있게 해준다. 일반적으로 HDD의 기록 헤드는 메인 폴(main pole)이라 불리는 기둥을 사용하여 데이터를 기록하며, 이 기둥 옆에는 공기 간격과 차폐막이 있다. STO 장치는 공기 간격에 위치하여 기둥이 생성하는 자기장의 강도를 증가시킨다. FC-MAMR은 기술적으로 마이크로파를 사용하지 않지만, MAMR에서 사용되는 기술을 응용한 것이다. STO에는 자기장을 생성하는 필드 생성층(FGL)과 스핀 주입층(SIL)이 있으며, FGL은 SIL에서 발생하는 스핀 편향 전자를 사용하여 자기장을 생성한다.
하드 디스크 드라이브(HDD)는 두 개의 전기 모터를 갖춘다. 하나는 디스크를 회전시키는 스핀들 모터이고, 다른 하나는 읽기/쓰기 헤드 어셈블리를 회전하는 디스크 위로 이동시키는 액추에이터 모터이다. 디스크 모터에는 외부 로터가 디스크에 부착되어 있고, 스테이터 권선은 고정되어 있다. 액추에이터의 끝에는 읽기/쓰기 헤드가 있으며, 이 헤드는 얇은 인쇄 회로 기판으로 연결되어 증폭기 전자 장치와 연결된다. 헤드 지원 암은 매우 가볍지만 강직하며, 현대의 드라이브에서는 헤드가 최대 550g의 가속을 경험한다.
액추에이터는 영구 자석과 이동 코일 모터로 구성되어 헤드를 원하는 위치로 이동시킨다. 금속판은 고속 자석인 네오디뮴-철-붕소(NIB) 자석을 지지하고, 그 아래에는 이동 코일이 있으며 이는 액추에이터 허브에 부착된다. 코일은 스피커의 코일에 비유되며, 코일의 양쪽은 자석의 자기장과 상호작용하여 힘을 생성한다. 코일의 상단과 하단은 회전력이 아닌 방사형 힘을 생성한다.
HDD의 전자 장치는 액추에이터의 움직임과 디스크 회전을 제어하고, 데이터를 디스크 컨트롤러로 전송한다. 피드백은 서보 피드백을 위한 특별한 디스크 구역을 통해 이루어진다. 서보 피드백은 GMR 센서의 신호 대 잡음비를 최적화하고, 최신 서보 시스템은 마이크로 또는 밀리 액추에이터를 사용하여 읽기/쓰기 헤드를 더 정확하게 위치시킨다. 디스크 회전은 유체 베어링 스핀들 모터를 사용하여 이루어지고, 최신 펌웨어는 효율적으로 읽기 및 쓰기 작업을 스케줄링하며, 고장난 섹터를 재매핑한다.
현대의 드라이브는 오류 수정 코드(ECC)를 광범위하게 사용한다. 이 기술은 각 데이터 블록에 추가 비트를 저장하여 많은 오류를 자동으로 수정할 수 있도록 한다. 추가된 비트는 HDD에 공간을 차지하지만, 이를 통해 더 높은 기록 밀도를 사용하면서도 수정 불가능한 오류를 방지할 수 있어 저장 용량이 크게 증가한다. 예를 들어, 1TB HDD는 약 93GB의 추가 용량을 ECC 데이터에 할당한다.
최근 드라이브에서는 리드-솔로몬 오류 수정 대신 저밀도 패리티 검사 코드(LDPC)가 사용되고 있다. LDPC는 샤논 한계에 근접한 성능을 제공하며, 가장 높은 저장 밀도를 가능하게 한다. 드라이브는 오류가 발생한 물리적 섹터를 스페어 섹터 풀로 리맵하여 데이터를 복구하고, S.M.A.R.T(자기 모니터링, 분석 및 보고 기술)는 ECC로 수정된 오류의 수와 섹터 리맵핑 횟수를 기록한다.
하드 디스크 드라이브의 밀도 발전은 2009년까지는 모어의 법칙에 맞게 발전했으며, 2010년 이후로 발전 속도가 크게 둔화되었다. 기록 밀도를 높이기 위한 다양한 기술들이 연구되고 있으며, 세이게이트는 자기 기록 기술 중 하나인 셰이글드 자기 기록(SMR)을 도입했다. 또한, 헬륨을 채운 드라이브는 공기보다 더 작은 트랙 너비를 사용하여 더 높은 기록 밀도를 달성할 수 있다.
새로운 기록 기술인 열보조 자기 기록(HAMR)은 새로운 미디어와 읽기/쓰기 헤드를 필요로 하며, 2024년 상용화가 예정되어 있다. HAMR의 후속 기술인 비트 패턴 기록(BPR)은 세이게이트와 웨스턴디지털에서 계획에서 제외되었다. 웨스턴디지털의 마이크로파 보조 자기 기록(MAMR)은 2020년에 첫 제품이 출시되었고, 이 기술은 에너지 보조 자기 기록(EAMR)으로도 불린다.
2025년 현재 상용화된 가장 큰 용량의 하드 디스크 드라이브(HDD)는 32TB이다. 하드 디스크 드라이브의 용량은 운영 체제에서 사용자에게 보고되는 용량이 제조사가 명시한 용량보다 작다. 그 이유는 운영 체제가 일부 공간을 사용하고, 데이터 중복성을 위해 일부 공간이 사용되며, 파일 시스템 구조를 위한 공간도 필요하기 때문이다. 또한 십진수 접두어와 이진수 접두어의 혼동으로 인해 오류가 발생할 수 있다.
현대의 하드 디스크 드라이브는 호스트 컨트롤러에 대해 연속적인 논리 블록 세트로 나타나며, 총 용량은 블록 수에 블록 크기를 곱하여 계산된다. 이 정보는 제조사의 제품 사양서와 운영 체제의 저수준 드라이브 명령을 통해 확인할 수 있다. 오래된 IBM 호환 드라이브와 같은 경우, 기록 형식이 변동 길이 기록을 사용하여 용량 계산 시 기록의 특성을 고려해야 한다.
최대 용량 계산은 구형 섹터 지향 HDD에서 기록 영역의 실린더 수, 섹터당 바이트 수(대부분 512바이트) 및 드라이브의 영역 수를 곱하는 방식으로 이루어진다. 현대의 SATA 드라이브는 실린더-헤드-섹터(C/H/S) 용량을 보고하기도 하지만, 이는 물리적 매개변수가 아니라 역사적인 운영 체제 인터페이스에 의해 제한된 값이다. C/H/S 방식은 논리 블록 주소 지정(LBA) 방식으로 대체되었으며, 이는 블록을 정수 인덱스로 지정하는 간단한 주소 지정 방식이다. 현대 HDD에서는 결함 관리용 여유 용량을 포함하지 않지만, 초기 HDD는 일부 섹터를 여유 섹터로 예약하여 운영 체제가 사용할 수 있는 용량을 줄였다. 또한 많은 HDD는 사용자에게 접근할 수 없는 예약된 서비스 영역에 펌웨어를 저장하고 있으며, 이는 용량 계산에 포함되지 않는다.
RAID 시스템에서는 데이터 무결성 및 장애 허용 요구 사항으로 인해 실용 용량이 줄어든다. 예를 들어, RAID 1 배열은 데이터 미러링으로 인해 전체 용량의 절반만 사용할 수 있으며, RAID 5 배열은 n개의 드라이브 중 하나의 용량을 패리티 정보 저장에 사용한다. 일부 시스템은 시스템 복구를 위해 숨겨진 파티션을 사용하여, 사용자에게는 용량이 줄어든 것처럼 보인다.
하드 디스크는 논리 블록 시리즈에 데이터를 저장하며, 각 블록은 시작과 끝을 나타내는 표시자, 오류 감지 및 수정 정보, 블록 간 간격 등을 포함한다. 이 블록은 보통 512바이트 크기였으나, 드라이브 밀도가 증가함에 따라 '고급 포맷'을 통해 블록 크기가 4096바이트로 확장되었다. 이로 인해 블록 헤더, 오류 검사 데이터 및 간격에 사용되는 디스크 공간이 크게 줄어들었다.
디스크 초기화는 저수준 포맷이라 불리며, 이는 보통 공장에서 수행되고 현장에서 변경되지 않는다. 고수준 포맷은 운영 체제가 데이터를 조직하기 위해 사용하는 데이터 구조를 디스크에 작성하는 과정이다. 예를 들어, 디렉터리 및 파일 이름 목록, 특정 파일과 연관된 논리 블록을 저장하는 데 일부 디스크 공간이 사용된다. 파티션 매핑 방식으로는 마스터 부트 레코드(MBR)와 GUID 파티션 테이블(GPT) 등이 있다.
하드 디스크의 용량은 제조사가 사용하는 십진수 접두어와 운영 체제가 사용하는 이진수 접두어 해석에 따라 다르게 보고된다. 예를 들어, 1TB 드라이브는 제조사에서 1,000,000,000,000 바이트로 정의하지만, Windows에서는 931GB로 보고된다. 이는 십진수와 이진수 접두어 해석 차이로 인한 것이다. 이로 인해 소비자 혼란이 발생했으며, 일부는 이를 이유로 하드 디스크 제조사를 상대로 집단소송을 제기하기도 했다. 2020년, 캘리포니아 법원은 십진수 접두어 사용이 소비자를 오해시키지 않았다고 판결했다.
하드 디스크 드라이브(HDD)의 폼 팩터는 시간이 지나면서 변화해 왔다. IBM의 첫 번째 HDD인 IBM 350은 50개의 24인치 플래터를 사용해 3.75MB의 데이터를 저장할 수 있었으며, 크기는 두 대의 큰 냉장고만큼 컸다. 1962년 IBM은 14인치(명목상의 크기) 플래터 6개를 사용한 1311 디스크 모델을 출시했으며, 이 드라이브는 세탁기 크기와 비슷했다. 이 크기는 이후 몇 년간 많은 제조업체에서 표준으로 사용되었다.
1970년대에는 19인치 랙에 장착할 수 있는 드라이브가 등장했으며, 초기 디지털 제품은 14인치 플래터를 사용한 디스크였다. 1980년대 후반, 10.5인치 플래터를 사용한 후지쓰 이글 모델이 인기를 끌었다.
마이크로컴퓨터의 플로피 디스크 드라이브(FDD)가 내장되면서, FDD 마운트에 맞는 크기의 HDD가 인기를 끌었다. 처음에는 8인치, 5.25인치, 3.5인치 플로피 디스크 드라이브 크기에 맞춘 HDD 폼 팩터가 등장했으며, 이후 2.5인치 드라이브(실제 크기 2.75인치)가 산업 표준으로 발전했다.
2019년 현재 2.5인치와 3.5인치 HDD가 가장 많이 사용되고 있으며, 2009년 이후 1.3인치, 1인치, 0.85인치 폼 팩터는 플래시 메모리 가격이 떨어짐에 따라 새로운 제품 개발이 중단되었다.
HDD의 성능을 결정하는 주요 요소는 기계적인 특성에 의존한다. 데이터에 접근하는 시간은 디스크가 회전하고 헤드가 이동하는 방식 때문에 영향을 받는다. 이때 중요한 요소로는 헤드가 데이터를 찾는 데 걸리는 시간인 '탐색 시간'과, 데이터를 전송하는데 걸리는 시간인 '회전 대기 시간'이 있다.
디스크 성능을 향상시키기 위해서는 회전 속도를 높이거나, 탐색 시간을 줄이는 방법이 있다. 또한, 밀도 밀도를 높여 데이터를 더 많이 저장하고, 하나의 헤드로 더 많은 데이터를 읽을 수 있도록 하면 성능이 향상된다.
하드 디스크는 여러 가지 인터페이스를 통해 컴퓨터와 연결된다. 대표적인 인터페이스로는 Parallel ATA, Serial ATA, SCSI, SAS, Fibre Channel 등이 있으며, 외장 드라이브는 IEEE 1394나 USB를 사용할 수도 있다. 이러한 인터페이스는 디지털 신호를 사용하며, 디스크 내부의 아날로그 신호는 디지털 신호 처리기(DSP)가 처리한다.
SCSI는 서버와 워크스테이션에서 주로 사용되던 인터페이스로, 이후 Serial Attached SCSI(SAS)가 등장했다. SATA는 주로 데스크탑에서 사용되는 인터페이스로, 고속 데이터 전송을 지원하며 SAS와 호환된다.