Unidades de Disco Duro: Componentes del Tiempo de Acceso y la Velocidad de Transferencia de Datos

El tiempo de acceso y la velocidad de transferencia de datos son indicadores de rendimiento importantes que afectan directamente a la rapidez con la que el sistema puede recuperar y procesar datos. Para los usuarios, especialmente en entornos en los que la velocidad es fundamental, como los videojuegos, los vlogs o la TI empresarial, es esencial comprender estos dos conceptos.

• Tiempo de acceso: las unidades de disco duro tienen piezas mecánicas móviles. Después de recibir un comando de lectura/escritura, el cabezal de lectura/escritura debe desplazarse a la pista deseada y esperar a que el sector deseado gire debajo de él. El tiempo necesario para ello se denomina tiempo de acceso o tiempo de respuesta. Un tiempo de acceso más corto significa una recuperación de datos más rápida y, por lo tanto, es ideal para aplicaciones que requieren un acceso aleatorio rápido a los archivos.
• Velocidad de transferencia de datos: se refiere a la velocidad a la que se transfieren realmente los datos después del acceso. Esto afecta a la rapidez con la que se leen o se escriben los archivos en el disco duro y puede suponer una diferencia significativa en el rendimiento general del sistema, especialmente cuando se trabaja con archivos de gran tamaño.

Para comprender realmente por qué estos factores son importantes, es esencial comprender primero los componentes internos de los discos duros y su mecánica. A continuación, explicamos con más detalle lo que ocurre durante una solicitud de lectura o escritura para que pueda comprender los conceptos básicos que determinan el rendimiento.

El funcionamiento interno de un disco duro

Cuando se realiza una solicitud de lectura o escritura de datos, la unidad realiza una serie de operaciones. Estas se pueden dividir en dos fases principales:

• Acceso a los datos: en esta fase, el cabezal de lectura/escritura se desplaza a la pista correcta (tiempo de búsqueda) y espera hasta que el sector deseado gira bajo el cabezal (latencia de rotación).

• Transferencia de datos: una vez completada la fase de acceso a los datos, estos se transfieren hacia o desde el disco duro a una velocidad específica. Aquí es donde la velocidad de transferencia de datos de la unidad se vuelve crucial, ya que determina la rapidez con la que se pueden transferir los datos entre el disco duro y el sistema.

Juntas, estas dos fases determinan la eficiencia con la que su sistema puede leer o escribir en el disco duro. Sin embargo, antes de analizar las velocidades de transferencia de datos, es importante comprender primero el tiempo de acceso, ya que la unidad no puede transferir nada antes de haber encontrado el sector relevante.

Tiempo de acceso

El tiempo de acceso abarca todos los breves periodos de tiempo que intervienen en cada paso de la fase de acceso a los datos. Para los usuarios, el tiempo de acceso es una métrica importante para evaluar la rapidez con la que una unidad puede acceder a datos aleatorios. Los factores más importantes para el tiempo de acceso son el tiempo de búsqueda y la latencia de rotación. 

Es importante comprender que los fabricantes suelen calcular el tiempo de acceso de forma diferente, lo que dificulta la comparación directa de las unidades. Para comparar eficazmente las unidades, es mejor centrarse individualmente en el tiempo de búsqueda y la latencia, ya que estos son los componentes principales del tiempo de acceso.

Tiempo de búsqueda

El tiempo de búsqueda es el tiempo que tarda el cabezal de lectura/escritura en desplazarse entre las pistas del plato del disco duro. Un concepto importante que hay que comprender aquí es el rendimiento de posicionamiento. Se refiere a la capacidad de un disco duro para posicionar de forma rápida y precisa su cabezal de lectura/escritura sobre la pista correcta durante una operación de lectura o escritura.

Cuando se solicita un archivo, el disco duro debe determinar en qué pista se encuentra y, a continuación, mover físicamente el brazo actuador para alinear el cabezal de lectura/escritura con esa pista. Este movimiento mecánico provoca un retraso, especialmente si el cabezal tiene que recorrer una distancia relativamente larga a través de la superficie del disco.

La ficha técnica de un disco duro puede incluir tres tipos de tiempos de búsqueda:

1. Tiempo medio de búsqueda: el tiempo necesario para desplazarse entre pistas aleatorias, normalmente entre 8 y 10 ms.
2. Tiempo de búsqueda de pista a pista: el tiempo necesario para desplazarse entre pistas adyacentes, normalmente alrededor de 1 ms.
3. Tiempo de búsqueda de recorrido completo: el tiempo necesario para desplazarse por todo el disco duro, normalmente entre 15 y 20 ms.

El tiempo de búsqueda es fundamental porque incluso una ligera mejora puede aumentar significativamente el rendimiento del sistema, especialmente en entornos de servidor que ejecutan aplicaciones multiusuario.

El conjunto del actuador y el diseño del cabezal de lectura/escritura desempeñan un papel importante en la determinación del tiempo de búsqueda de un disco duro.

Por ejemplo, las unidades con actuadores de bobina móvil pueden acelerar y desacelerar el cabezal de lectura/escritura con mayor precisión que las que tienen diseños de motor paso a paso más antiguos. Además, el recorrido corto, en el que solo se utiliza una parte del disco duro para el almacenamiento con el fin de reducir la distancia recorrida, puede reducir significativamente el tiempo medio de búsqueda, pero a expensas de la capacidad de almacenamiento útil.

Una vez que el cabezal de lectura/escritura se ha alineado con la pista correcta, se requiere un movimiento adicional antes de que se puedan leer o escribir los datos. Aquí es donde entra en juego la latencia rotacional.

Latencia rotacional

Como ya se ha explicado, los datos se almacenan en círculos concéntricos en el disco, que se denominan pistas. 

Cada pista se divide en unidades más pequeñas, llamadas sectores, en las que se almacenan los datos reales. 

Cuando un ordenador solicita el acceso o la transferencia de datos, los cabezales de lectura/escritura del disco duro se desplazan a la pista correcta. El tiempo que tardan en hacerlo es, como hemos visto anteriormente, el tiempo de búsqueda. 

El plato de un disco duro gira ahora a una velocidad constante. Por lo tanto, es posible que el sector específico que contiene los datos solicitados no se encuentre directamente debajo del cabezal de lectura/escritura cuando este llega a la pista. Esto da lugar a un retraso equivalente al tiempo que tarda el plato en girar y alinear el sector correcto debajo del cabezal. Este retraso se denomina latencia rotacional.

La latencia rotacional es baja en los discos de giro rápido, es decir, cuanto mayor es la velocidad de rotación (medida en RPM), menor es la latencia rotacional. Ejemplo:

• A 5400 rpm, la latencia media es de ~5,6 ms.
• A 7200 rpm, la latencia media se reduce a ~4,2 ms.
• A 15 000 rpm, puede ser tan baja como ~2 ms.

En determinados casos en los que se exige un alto rendimiento al almacenamiento, como en los servidores, se debe elegir un disco duro con una velocidad de giro elevada para que la latencia rotacional sea baja.

El tiempo de acceso tiene otros dos componentes, pero estos son insignificantes en comparación con el tiempo de búsqueda y la latencia de rotación.

Tiempo de procesamiento de comandos

Este componente, también conocido como sobrecarga de comando, es el primer paso en la fase de acceso a los datos. Es el tiempo que tarda la electrónica interna de la unidad en interpretar un comando de lectura/escritura y, a continuación, establecer la comunicación entre el sistema y los componentes, antes de que se produzca cualquier movimiento físico. 

Este tiempo es extremadamente corto, normalmente alrededor de tres microsegundos, lo que lo hace insignificante en comparación con los retrasos mecánicos, como el tiempo de búsqueda o la latencia de rotación. Por esta razón, normalmente se ignora al medir el rendimiento de la unidad.

Tiempo de estabilización

Una vez que el cabezal de lectura/escritura ha alcanzado la pista correcta, debe estabilizarse antes de poder comenzar a leer o escribir datos. Esta breve pausa se conoce como tiempo de estabilización. En las unidades de disco duro modernas, el tiempo de estabilización es inferior a 100 microsegundos. Por lo tanto, en la mayoría de las unidades de disco duro, este tiempo se tiene en cuenta en el tiempo de búsqueda total. Por este motivo, el tiempo de estabilización no se considera un cuello de botella en el rendimiento.

Ahora que hemos tratado en detalle el tiempo de acceso, debemos analizar la rapidez con la que se transfieren los datos una vez que se han encontrado: se trata de la velocidad de transferencia de datos. Veamos qué factores influyen en la velocidad de transferencia de datos y por qué es importante.

Velocidad de transferencia de datos

Una vez que el cabezal de lectura/escritura se ha posicionado correctamente, comienza la siguiente fase: la transferencia de datos. La velocidad de transferencia de datos depende de los factores que se enumeran a continuación.

Velocidad del medio

La velocidad del medio es la velocidad a la que un disco duro puede leer bits directamente desde la superficie de un plato. Esta velocidad refleja la velocidad bruta a la que el cabezal de lectura/escritura puede detectar y procesar las transiciones magnéticas (que representan los datos) mientras el plato gira debajo de él.

La velocidad del soporte es la base del rendimiento interno de una unidad. Indica la rapidez con la que la unidad puede recuperar datos de su soporte físico antes de que se produzca el almacenamiento en búfer o la transferencia relacionada con la interfaz. Por este motivo, el rendimiento puede variar incluso entre unidades con la misma velocidad de rotación, dependiendo de la densidad de área y el diseño interno.

Tiempo de sobrecarga del sector

Para entenderlo, necesitamos comprender un poco más cómo funciona un sector. 

Cada sector contiene no solo datos, sino también información adicional que ayuda al disco duro a gestionar y proteger esos datos. Por lo tanto, cuando un cabezal de lectura/escritura accede a un sector, el disco duro realiza muchas tareas. 

Algunas de estas tareas incluyen la gestión de la organización y el flujo de datos, garantizar que los datos que se leen o escriben sean precisos y no contengan errores, y manejar otros procesos internos que son esenciales para mantener la fiabilidad de la unidad. 

El tiempo de sobrecarga del sector es la pequeña cantidad de tiempo adicional que necesita el disco duro para gestionar y procesar la información que rodea a los datos almacenados en un sector. Solo representa una parte muy pequeña del tiempo total necesario para la transferencia de datos. 

Por lo general, es mucho menor que el tiempo de búsqueda explicado anteriormente.

Tiempo de cambio de cabezal

Para comprender el tiempo de cambio de cabezal, primero debemos comprender el significado de un cilindro. 

Un disco duro suele constar de varios platos. Un cilindro se crea apilando una serie de pistas verticalmente a lo largo de varios platos (véase la figura siguiente).

Cada plato tiene su propio cabezal de lectura/escritura. 

Ahora imagine una operación secuencial de lectura o escritura. La unidad intenta leer o escribir todas las pistas de un cilindro antes de pasar al siguiente. Esto se hace para ahorrar tiempo. 

Para acceder a los datos de otra pista del mismo cilindro situada en otro plato, la unidad debe, por supuesto, desplazarse de un cabezal a otro. Aunque se trata de un proceso electrónico y no de un movimiento mecánico, sigue requiriendo cierto tiempo, conocido como tiempo de cambio de cabezal. 

Este tiempo suele oscilar entre 1 y 2 milisegundos. 

El tiempo de conmutación del cabezal es un factor crucial para la velocidad de transferencia de datos, ya que los cambios de cabezal suelen producirse durante operaciones secuenciales de lectura o escritura de gran tamaño que abarcan varias pistas. 

El tiempo de conmutación del cabezal viene determinado principalmente por el controlador interno del disco duro y no varía significativamente entre los distintos modelos o fabricantes de discos duros.

Tiempo de cambio de cilindro

Comprender el tiempo de búsqueda del cabezal simplifica el concepto de tiempo de búsqueda del cilindro. Es el tiempo que tarda el disco duro en desplazarse de un cilindro al siguiente. 

Este tiempo cobra relevancia cuando la unidad tiene que leer todas las pistas de un cilindro y luego cambiar de cilindro. Este tiempo es más largo que el tiempo de conmutación del cabezal porque se trata de un proceso mecánico: el actuador tiene que desplazarse de un cilindro al siguiente. El tiempo de conmutación del cilindro suele oscilar entre 2 y 3 milisegundos.

Conclusión

El tiempo de acceso y la velocidad de transferencia de datos son dos de los parámetros más importantes de un disco duro.

• En el caso de los discos duros internos con una velocidad de 7200 rpm, el tiempo de acceso medio oscila entre 12 y 13 milisegundos, especialmente en modelos populares como WD Blue (WD10EZEX) o Seagate Barracuda. 
• En el caso de los discos duros externos con 5400 rpm, el tiempo de acceso puede oscilar entre 15 y 17 milisegundos, como es el caso, por ejemplo, del WD My Passport o el Toshiba Canvio.
• Normalmente, la velocidad de transferencia de datos de las unidades de PC de consumo oscila entre 140 y 280 MB/s, como en el caso de Toshiba P300 o WD Blue. 
• Existen discos duros de alto rendimiento, como el WD Black Performance Mobile o el Toshiba N300 NAS, en los que la velocidad de transferencia de datos puede oscilar entre 227 y 248 MB/s. 
• En el caso de las unidades externas conectadas a través de USB 3.2, la velocidad de transferencia puede alcanzar teóricamente los 625 MB/s, aunque las velocidades reales son inferiores.

Tenga en cuenta que los tiempos de acceso y las velocidades de transferencia de datos son importantes, pero solo son una parte del panorama general. Por lo tanto, antes de realizar una compra, también debe tener en cuenta otras especificaciones de los discos duros, como la densidad de área, el consumo de energía, la fiabilidad y otros factores.