Dit is magneties. Dis elektries. Dis fotonies. Nee, hierdie is nie 'n nuwe superheld-trio uit die Marvel-heelal nie. Dit gaan oor die berging van ons kosbare digitale data. Ons moet hulle iewers, veilig en stabiel, bêre sodat ons in 'n oogwink toegang tot hulle kan kry en dit kan verander. Vergeet van Iron Man en Thor – ons praat van hardeskywe!
So kom ons duik in die anatomie van die toestelle wat ons vandag gebruik om miljarde stukkies data te stoor.
Jy draai my reg rond, skat
Механический hardeskyfberging (hardeskyf, HDD) is al vir meer as 30 jaar die bergingstandaard vir rekenaars regoor die wêreld, maar die tegnologie daaragter is baie ouer.
IBM het die eerste kommersiële HDD vrygestel , sy kapasiteit was soveel as 3,75 MB. En oor die algemeen, oor al die jare het die algemene struktuur van die aandrywing nie veel verander nie. Dit het steeds skywe wat magnetisering gebruik om data te stoor, en daar is toestelle om daardie data te lees/skryf. Verander Dieselfde, en baie sterk, is die hoeveelheid data wat daarop gestoor kan word.
In 1987 was dit moontlik vir ongeveer $350; Vandag jy kan 14 TB koop: in 700 000 keer die volume.
Ons sal kyk na 'n toestel wat nie presies dieselfde grootte is nie, maar ook ordentlik volgens moderne standaarde: die 3,5-duim HDD Seagate Barracuda 3 TB, veral die model , berug vir sy и . Die rit wat ons bestudeer is reeds dood, so dit sal meer soos 'n lykskouing as 'n anatomie-les wees.
Die grootste deel van die hardeskyf is gegote metaal. Die kragte binne die toestel tydens aktiewe gebruik kan redelik ernstig wees, so dik metaal verhoed buiging en vibrasie van die omhulsel. Selfs klein 1,8-duim HDD's gebruik metaal as 'n behuisingsmateriaal, maar hulle word gewoonlik van aluminium eerder as staal gemaak omdat hulle so lig as moontlik moet wees.
As ons die aandrywer omdraai, sien ons 'n gedrukte stroombaan en verskeie verbindings. Die aansluiting aan die bokant van die bord word gebruik vir die motor wat die skywe roteer, en die onderste drie (van links na regs) is jumperpenne wat jou toelaat om die aandrywer vir sekere konfigurasies te konfigureer, 'n SATA (Serial ATA) dataverbinding , en 'n SATA-kragaansluiting.
Serial ATA het die eerste keer in 2000 verskyn. In tafelrekenaars is dit die standaardstelsel wat gebruik word om aandrywers aan die res van die rekenaar te koppel. Die formaatspesifikasie het baie hersienings ondergaan, en ons gebruik tans weergawe 3.4. Ons hardeskyf lyk is 'n ouer weergawe, maar die verskil is net een pen in die kragaansluiting.
In dataverbindings word dit gebruik om data te ontvang en te ontvang. : Penne A+ en A- word gebruik vir oordrag instruksies en data na die hardeskyf, en penne B is vir ontvang hierdie seine. Hierdie gebruik van gepaarde geleiers verminder die effek van elektriese geraas op die sein aansienlik, wat beteken dat die toestel vinniger kan werk.
As ons oor krag praat, sien ons dat die konnektor 'n paar kontakte van elke spanning het (+3.3, +5 en +12V); die meeste van hulle word egter nie gebruik nie omdat HDD's nie veel krag benodig nie. Hierdie spesifieke Seagate-model gebruik minder as 10 watt onder aktiewe las. Kontakte gemerk PC word gebruik vir voorlaai: Hierdie kenmerk laat jou toe om die hardeskyf te verwyder en te koppel terwyl die rekenaar aanhou werk (dit word genoem warm ruil).
Kontak met PWDIS tag laat toe hardeskyf, maar hierdie funksie word slegs vanaf weergawe SATA 3.3 ondersteun, so in my skyf is dit net nog 'n +3.3V kraglyn. En die laaste pen, gemerk SSU, sê eenvoudig vir die rekenaar of die hardeskyf sekwensiële spin-up tegnologie ondersteun. verspringende draai op.
Voordat die rekenaar dit kan gebruik, moet die aandrywers binne die toestel (wat ons binnekort sal sien) tot volle spoed draai. Maar as daar baie hardeskywe in die masjien geïnstalleer is, kan 'n skielike gelyktydige kragversoek die stelsel benadeel. Deur die asse geleidelik op te draai, skakel die moontlikheid van sulke probleme heeltemal uit, maar jy sal 'n paar sekondes moet wag voordat jy volle toegang tot die HDD kry.
Deur die stroombaanbord te verwyder, kan jy sien hoe dit met die komponente binne die toestel verbind word. HDD nie verseël nie, met die uitsondering van toestelle met baie groot kapasiteite - hulle gebruik helium in plaas van lug, want dit is baie minder dig en skep minder probleme in aandrywers met 'n groot aantal skywe. Aan die ander kant moet jy nie konvensionele aandrywers aan die oop omgewing blootstel nie.
Danksy die gebruik van sulke verbindings word die aantal toegangspunte waardeur vuilheid en stof binne die aandrywer kan kom, geminimaliseer; daar is 'n gat in die metaalomhulsel (die groot wit kolletjie in die onderste linkerhoek van die prent) wat toelaat dat omringende druk binne bly.
Noudat die PCB verwyder is, kom ons kyk na wat binne is. Daar is vier hoofskyfies:
- LSI B64002: Hoofbeheerskyfie wat instruksies verwerk, datastrome in en uit oordra, foute regstel, ens.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM geklok op 800 MHz, gebruik vir datakas
- Gladde MCKXL: beheer die motor wat die skywe laat draai
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB seriële flitsgeheue wat gebruik word om die skyf se firmware te stoor ('n bietjie soos 'n rekenaar se BIOS)
Die PCB-komponente van verskillende HDD's kan verskil. Groter groottes vereis meer kas (die mees moderne monsters kan tot 256 MB DDR3 hê), en die hoofbeheerskyfie is dalk 'n bietjie meer gesofistikeerd in fouthantering, maar oor die algemeen is die verskille nie so groot nie.
Dit is maklik om die aandrywer oop te maak, skroef net 'n paar Torx-boute uit en voila! Ons is binne...
Aangesien dit die grootste deel van die toestel opneem, word ons aandag dadelik gevestig op die groot metaalsirkel; dit is maklik om te verstaan hoekom aandrywers genoem word skyf. Dit is korrek om hulle te bel plate; hulle is gemaak van glas of aluminium en bedek met verskeie lae van verskillende materiale. Hierdie 3TB-skyf het drie plate, wat beteken dat 500 GB aan elke kant van een bord gestoor moet word.
Die beeld is redelik stowwerig, sulke vuil plate stem nie ooreen met die akkuraatheid van ontwerp en vervaardiging wat nodig is om dit te maak nie. In ons HDD-voorbeeld is die aluminiumskyf self 0,04 duim (1 mm) dik, maar tot so 'n mate gepoleer dat die gemiddelde hoogte van die afwykings op die oppervlak minder as 0,000001 duim (ongeveer 30 nm) is.
Die basislaag is slegs 0,0004 duim (10 mikron) diep en bestaan uit veelvuldige lae materiaal wat op die metaal neergelê is. Toepassing word gedoen met behulp van gevolg deur , berei die skyf voor vir die basiese magnetiese materiale wat gebruik word om digitale data te stoor.
Hierdie materiaal is tipies 'n komplekse kobaltlegering en bestaan uit konsentriese sirkels, elk ongeveer 0,00001 duim (ongeveer 250 nm) breed en 0,000001 duim (25 nm) diep. Op die mikrovlak vorm metaallegerings korrels soortgelyk aan seepborrels op die oppervlak van water.
Elke korrel het sy eie magnetiese veld, maar dit kan in 'n gegewe rigting getransformeer word. Groepering van sulke velde lei tot databisse (0'e en 1'e). As jy meer oor hierdie onderwerp wil leer, lees dan Yale Universiteit. Die finale bedekkings is 'n laag koolstof vir beskerming, en dan 'n polimeer om kontakwrywing te verminder. Saam is hulle nie meer as 0,0000005 duim (12 nm) dik nie.
Ons sal binnekort sien hoekom die wafers volgens sulke streng toleransies vervaardig moet word, maar dit is steeds verbasend om te besef dat Jy kan die trotse eienaar word van 'n toestel wat met nanometer-presisie vervaardig word!
Kom ons gaan egter terug na die HDD self en kyk wat nog daarin is.
Die geel kleur wys die metaalbedekking wat die plaat stewig aan die spil aangedryf elektriese motor - 'n elektriese aandrywer wat die skywe roteer. In hierdie HDD draai hulle teen 'n frekwensie van 7200 rpm (omwentelinge/min), maar in ander modelle kan hulle stadiger werk. Stadige dryf het laer geraas en kragverbruik, maar ook laer spoed, terwyl vinniger dryf spoed van 15 000 rpm kan bereik.
Om skade veroorsaak deur stof en lugvog te verminder, gebruik hersirkulasie filter (groen vierkant), versamel klein deeltjies en hou dit binne. Lug wat deur die rotasie van die plate beweeg word, verseker 'n konstante vloei deur die filter. Bo die skywe en langs die filter is daar een van drie plaat skeiers: help om vibrasies te verminder en lugvloei so ewe moontlik te handhaaf.
In die boonste linkerdeel van die prent dui die blou vierkant een van die twee permanente staafmagnete aan. Hulle verskaf die magnetiese veld wat nodig is om die komponent wat in rooi aangedui word, te beweeg. Kom ons skei hierdie besonderhede om hulle beter te sien.
Wat soos 'n wit kol lyk is nog 'n filter, net hierdie een filtreer deeltjies en gasse uit wat van buite af inkom deur die gat wat ons hierbo gesien het. Metaal spykers is kopbeweging hefbome, waarop hulle geleë is lees-skryf koppe hardeskyf. Hulle beweeg teen 'n geweldige spoed langs die oppervlak van die plate (bo en onder).
Kyk hierdie video geskep deur om te sien hoe vinnig hulle is:
Die ontwerp gebruik niks soos ; Om die hefbome te beweeg, word 'n elektriese stroom deur 'n solenoïde aan die basis van die hefbome gevoer.
Oor die algemeen word hulle genoem , want hulle gebruik dieselfde beginsel wat in luidsprekers en mikrofone gebruik word om membrane te beweeg. Die stroom genereer 'n magnetiese veld rondom hulle, wat reageer op die veld wat deur die permanente staafmagnete geskep word.
Moenie vergeet dat data spore nie klein, so die posisionering van die arms moet uiters presies wees, net soos alles anders in die ry. Sommige hardeskywe het multi-stadium hefbome wat klein veranderinge maak in die rigting van net een deel van die hele hefboom.
Sommige hardeskywe het dataspore wat mekaar oorvleuel. Hierdie tegnologie word genoem (shingled magnetic recording), en sy vereistes vir akkuraatheid en posisionering (dit wil sê om voortdurend een punt te tref) is selfs strenger.
Heel aan die einde van die arms is daar baie sensitiewe lees-skryfkoppe. Ons HDD bevat 3 plate en 6 koppe, en elkeen van hulle dryf bokant die skyf soos dit draai. Om dit te bereik, word die koppe op ultra-dun stroke metaal gehang.
En hier kan ons sien hoekom ons anatomiese monster dood is - ten minste een van die koppe het los geraak, en wat ook al die aanvanklike skade veroorsaak het, het ook een van die arms gebuig. Die hele kopkomponent is so klein dat dit, soos jy hieronder kan sien, baie moeilik is om 'n goeie foto daarvan met 'n gewone kamera te kry.
Ons kan egter die individuele dele uitmekaar haal. Die grys blok is 'n spesiaal vervaardigde deel genoem "glyer": Soos die skyf daaronder roteer, skep die lugvloei lig, wat die kop van die oppervlak af lig. En wanneer ons sê "hysers", bedoel ons 'n gaping wat slegs 0,0000002 duim breed is, of minder as 5 nm.
Enige verder, en die koppe sal nie veranderinge in die magnetiese velde van die baan kan herken nie; as die koppe op die oppervlak gelê het, sou hulle bloot die laag gekrap het. Dit is hoekom jy die lug in die dryfkas moet filtreer: stof en vog op die oppervlak van die dryfkrag sal eenvoudig die koppe breek.
'n Klein metaal "paal" aan die einde van die kop help met algehele aerodinamika. Om egter die dele te sien wat die lees en skryf doen, het ons 'n beter foto nodig.
In hierdie prent van 'n ander hardeskyf is die lees-/skryftoestelle onder al die elektriese verbindings. Opname word deur die stelsel uitgevoer (dun film induksie, TFI), en lees - toestel (tonneling magnetoresistiewe toestel, TMR).
Die seine wat deur TMR geproduseer word, is baie swak en moet deur 'n versterker gestuur word om vlakke te verhoog voordat dit gestuur word. Die skyfie wat hiervoor verantwoordelik is, is naby die basis van die hefbome in die prent hieronder geleë.
Soos in die inleiding tot die artikel gesê is, het die meganiese komponente en bedryfsbeginsel van 'n hardeskyf oor die jare min verander. Bowenal is die tegnologie van magnetiese spore en lees-skryfkoppe verbeter, wat al hoe nouer en digter spore geskep het, wat uiteindelik gelei het tot 'n toename in die hoeveelheid gestoor inligting.
Meganiese hardeskywe het egter ooglopende spoedbeperkings. Dit neem tyd om die hefbome na die verlangde posisie te skuif, en as die data oor verskillende snitte op verskillende plate versprei is, sal die aandrywer 'n hele paar mikrosekondes spandeer om na stukkies te soek.
Laat ons die benaderde spoed van 'n tipiese HDD aandui voordat ons na 'n ander tipe aandrywer beweeg. Ons het die maatstaf gebruik om die hardeskyf te evalueer :
Die eerste twee reëls dui die aantal MB per sekonde aan wanneer opeenvolgende (lang, aaneenlopende lys) en ewekansige (oorgange deur die hele skyf) lees en skryf uitgevoer word. Die volgende reël wys die IOPS-waarde, wat die aantal I/O-bewerkings is wat elke sekonde uitgevoer word. Die laaste reël toon die gemiddelde latensie (tyd in mikrosekondes) tussen die oordrag van 'n lees- of skryfbewerking en die ontvangs van die datawaardes.
Oor die algemeen streef ons daarna om te verseker dat die waardes in die eerste drie reëls so groot as moontlik is, en in die laaste reël so klein as moontlik. Moenie bekommerd wees oor die getalle self nie, ons sal dit net vir vergelyking gebruik wanneer ons na 'n ander soort aandrywing kyk: die vastestofaandrywing.
Bron: will.com