HDD 해부 — 유리 기판부터 디스크 헤드까지
케이스→암·헤드→플래터(기판+자성층)→스핀들 순으로 분해해 보여주고, 읽기 한 번의 지연을 시크·회전 대기·전송으로 해부해 '지연의 99%는 기계'임을 실측 산수로 보여준다.
먼지 한 톨이 치명적이라 내부는 밀폐(헬륨 충전 모델도)
단계 목록 · 키보드 ←/→ 이동, Space 재생
HDD는 자기 턴테이블이다 — 데이터의 실체는 플래터 자성층의 자화 방향이고, 지연의 실체는 팔이 움직이고(시크) 원판이 돌아오길 기다리는(회전) 기계의 시간이다.
왜 헷갈리는가
'디스크가 느리다'는 말이 뭉뚱그려져 있다 — 느린 것은 읽기 자체(전송 0.05ms)가 아니라 접근(시크+회전 ≈ 12.7ms)이다. 이 구분을 못 하면 순차 I/O가 임의 I/O보다 100배 빠른 이유도, DB·파일시스템 설계의 절반도 설명이 안 된다.
분해가 보여주는 것
플래터는 유리(또는 알루미늄) 기판에 자성 합금을 입힌 원판 — 매끈함이 기록 밀도를 정하므로 고밀도 디스크가 유리 기판을 쓴다. 헤드는 플래터 위 수 나노미터를 공기 흐름으로 '날며'(담배 연기 입자보다 낮은 고도) 자화를 읽고 쓴다 — 접촉이 곧 헤드 크래시라 내부는 밀폐되고, 고용량 모델은 헬륨을 채워 부양을 안정시킨다.
읽기 한 번의 산수: 시크(평균 8.5ms) + 회전 대기(7200RPM 반 바퀴 = 4.17ms) + 전송(0.05ms). 기계가 99%다. RPM이 디스크의 등급(5400/7200/15000)인 이유, 그리고 '한 번 자리 잡으면 연속으로 읽는' 순차 접근이 왕인 이유가 이 한 줄에 있다.
이 물리가 낳은 소프트웨어
OS의 I/O 스케줄러(엘리베이터처럼 헤드 이동 방향으로 요청 정렬), 파일시스템의 연속 할당 노력과 조각모음, DB의 B-트리(큰 노드로 시크 횟수 최소화)와 LSM 트리·WAL(임의 쓰기를 순차 쓰기로 변환), Kafka가 디스크로도 빠른 이유(순차 추가 전용 로그) — 전부 시크를 피하려는 발명품이다. SSD 시대에도 이 설계들이 남아 있는 것은 관성만이 아니라, 순차가 SSD에서도 여전히 유리하기 때문이다.
기억할 것
- 데이터의 실체 = 자성층의 자화 방향, 지연의 실체 = 기계의 이동 시간.
- 지연 = 시크 + 회전 + 전송 — 앞의 둘(기계)이 99%.
- 순차 I/O가 왕인 이유: 시크·회전을 한 번만 낸다.
- B-트리·LSM·엘리베이터 스케줄러 — 시크 회피가 낳은 소프트웨어들.