إنه مغناطيسي. إنها كهربائية. إنها فوتونية. لا، هذا ليس ثلاثيًا خارقًا جديدًا من عالم Marvel. يتعلق الأمر بتخزين بياناتنا الرقمية الثمينة. نحن بحاجة إلى تخزينها في مكان ما، بشكل آمن ومستقر، حتى نتمكن من الوصول إليها وتغييرها في غمضة عين. انسَ الرجل الحديدي وثور، فنحن نتحدث عن محركات الأقراص الثابتة!
لذلك دعونا نتعمق في تشريح الأجهزة التي نستخدمها اليوم لتخزين مليارات البتات من البيانات.
أنت تدور لي حول الحق ، حبيبي
ميكانيكي تخزين القرص الصلب (محرك الأقراص الثابتة، HDD) هو معيار التخزين لأجهزة الكمبيوتر في جميع أنحاء العالم لأكثر من 30 عامًا، ولكن التكنولوجيا التي تقف وراءه أقدم بكثير.
أصدرت شركة IBM أول محرك أقراص ثابتة تجاريًا وكانت سعتها تصل إلى 3,75 ميجابايت. وبشكل عام، طوال هذه السنوات، لم يتغير الهيكل العام للمحرك كثيرا. ولا يزال يحتوي على أقراص تستخدم المغنطة لتخزين البيانات، وهناك أجهزة لقراءة/كتابة تلك البيانات. تغير والشيء نفسه، والقوي جدًا، هو مقدار البيانات التي يمكن تخزينها عليها.
في عام 1987 كان ذلك ممكنا لحوالي 350 دولارًا ؛ اليوم يمكنك شراء 14 تيرابايت: في 700 000 مرات الحجم.
سننظر إلى جهاز ليس بنفس الحجم تمامًا، ولكنه أيضًا لائق وفقًا للمعايير الحديثة: محرك الأقراص الصلبة Seagate Barracuda 3,5 TB مقاس 3 بوصة، على وجه الخصوص، الطراز ، المشهورة به и . الدافع الذي ندرسه قد مات بالفعل، لذا سيكون هذا مثل تشريح الجثة أكثر من درس التشريح.
الجزء الأكبر من القرص الصلب مصنوع من المعدن. يمكن أن تكون القوى الموجودة داخل الجهاز أثناء الاستخدام النشط خطيرة جدًا، لذا فإن المعدن السميك يمنع ثني الجسم واهتزازه. حتى محركات الأقراص الصلبة الصغيرة مقاس 1,8 بوصة تستخدم المعدن كمادة هيكلية، ولكنها عادةً ما تكون مصنوعة من الألومنيوم بدلاً من الفولاذ لأنها يجب أن تكون خفيفة قدر الإمكان.
عند قلب محرك الأقراص، نرى لوحة دوائر مطبوعة والعديد من الموصلات. يتم استخدام الموصل الموجود أعلى اللوحة للمحرك الذي يقوم بتدوير الأقراص، والثلاثة السفلية (من اليسار إلى اليمين) عبارة عن دبابيس توصيل تسمح لك بتكوين محرك الأقراص لتكوينات معينة، وموصل بيانات SATA (Serial ATA) وموصل طاقة SATA.
ظهر Serial ATA لأول مرة في عام 2000. في أجهزة الكمبيوتر المكتبية، هذا هو النظام القياسي المستخدم لتوصيل محركات الأقراص ببقية أجهزة الكمبيوتر. لقد خضعت مواصفات التنسيق للعديد من المراجعات، ونحن نستخدم حاليًا الإصدار 3.4. إن هيكل القرص الصلب الخاص بنا هو إصدار أقدم، ولكن الفرق هو دبوس واحد فقط في موصل الطاقة.
وفي اتصالات البيانات، يتم استخدامه لاستقبال البيانات واستقبالها. : يتم استخدام الدبابيس A+ و A- نقل التعليمات والبيانات إلى القرص الصلب، والدبابيس B مخصصة لذلك получения هذه الإشارات. يؤدي هذا الاستخدام للموصلات المقترنة إلى تقليل تأثير الضوضاء الكهربائية على الإشارة بشكل كبير، مما يعني أن الجهاز يمكن أن يعمل بشكل أسرع.
إذا تحدثنا عن الطاقة، نرى أن الموصل يحتوي على زوج من جهات الاتصال لكل جهد (+3.3، +5 و+12V)؛ ومع ذلك، لا يتم استخدام معظمها لأن محركات الأقراص الثابتة لا تتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة. يستخدم طراز Seagate هذا أقل من 10 واط تحت الحمل النشط. يتم استخدام جهات الاتصال التي تم وضع علامة PC عليها الشحن المسبق: تتيح لك هذه الميزة إزالة القرص الصلب وتوصيله أثناء استمرار الكمبيوتر في العمل (وهذا ما يسمى تبادل الساخنة).
يسمح الاتصال بعلامة PWDIS القرص الصلب، ولكن هذه الوظيفة مدعومة فقط من الإصدار SATA 3.3، لذا فهو في محرك الأقراص الخاص بي مجرد خط طاقة +3.3 فولت آخر. أما الدبوس الأخير، المسمى SSU، فيخبر الكمبيوتر ببساطة ما إذا كان القرص الصلب يدعم تقنية الدوران التسلسلي. تدور متداخلة.
وقبل أن يتمكن الكمبيوتر من استخدامها، يجب أن تدور محركات الأقراص الموجودة داخل الجهاز (وهو ما سنراه قريبًا) بأقصى سرعة. ولكن إذا كان هناك العديد من محركات الأقراص الثابتة المثبتة في الجهاز، فقد يؤدي طلب الطاقة المتزامن المفاجئ إلى الإضرار بالنظام. يؤدي تدوير المغازل تدريجيًا إلى القضاء تمامًا على احتمال حدوث مثل هذه المشكلات، ولكن سيتعين عليك الانتظار بضع ثوانٍ قبل الوصول الكامل إلى محرك الأقراص الثابتة.
ومن خلال إزالة لوحة الدائرة، يمكنك رؤية كيفية اتصالها بالمكونات الموجودة داخل الجهاز. الأقراص الصلبة غير مختومةباستثناء الأجهزة ذات السعات الكبيرة جدًا - فهي تستخدم الهيليوم بدلاً من الهواء لأنه أقل كثافة بكثير ويخلق مشاكل أقل في محركات الأقراص التي تحتوي على عدد كبير من الأقراص. ومن ناحية أخرى، يجب ألا تعرض محركات الأقراص التقليدية للبيئة المفتوحة.
بفضل استخدام هذه الموصلات، يتم تقليل عدد نقاط الدخول التي يمكن من خلالها دخول الأوساخ والغبار إلى داخل محرك الأقراص؛ يوجد ثقب في العلبة المعدنية (النقطة البيضاء الكبيرة في الزاوية اليسرى السفلية من الصورة) يسمح ببقاء الضغط المحيط بالداخل.
الآن بعد أن تمت إزالة ثنائي الفينيل متعدد الكلور، دعونا نلقي نظرة على ما هو في الداخل. هناك أربع شرائح رئيسية:
- LSI B64002: شريحة التحكم الرئيسية التي تعالج التعليمات، وتنقل تدفقات البيانات من وإلى الداخل، وتصحح الأخطاء، وما إلى ذلك.
- Samsung K4T51163QJ: ذاكرة DDR64 SDRAM بسعة 2 ميجابايت بسرعة 800 ميجاهرتز، تُستخدم للتخزين المؤقت للبيانات
- Smooth MCKXL: يتحكم في المحرك الذي يقوم بتدوير الأقراص
- Winbond 25Q40BWS05: 500 كيلو بايت من ذاكرة الفلاش التسلسلية المستخدمة لتخزين البرامج الثابتة لمحرك الأقراص (يشبه إلى حد ما BIOS الخاص بالكمبيوتر)
قد تختلف مكونات ثنائي الفينيل متعدد الكلور لمحركات الأقراص الصلبة المختلفة. تتطلب الأحجام الأكبر ذاكرة تخزين مؤقت أكبر (يمكن أن تحتوي أحدث الوحوش على ما يصل إلى 256 ميجابايت من ذاكرة DDR3)، وقد تكون شريحة التحكم الرئيسية أكثر تعقيدًا قليلاً في معالجة الأخطاء، لكن الاختلافات بشكل عام ليست كبيرة.
يعد فتح محرك الأقراص أمرًا سهلاً، فقط قم بفك عدد قليل من براغي Torx وفويلا! نحن في الداخل...
نظرًا لأنها تشغل الجزء الأكبر من الجهاز، يتم جذب انتباهنا على الفور إلى الدائرة المعدنية الكبيرة؛ من السهل أن نفهم سبب استدعاء محركات الأقراص القرص. الصحيح أن نسميهم لوحات; فهي مصنوعة من الزجاج أو الألومنيوم ومغطاة بعدة طبقات من مواد مختلفة. يحتوي محرك الأقراص سعة 3 تيرابايت هذا على ثلاثة أطباق، مما يعني أنه يجب تخزين 500 جيجابايت على كل جانب من طبق واحد.
الصورة مليئة بالأتربة، مثل هذه اللوحات المتسخة لا تتناسب مع دقة التصميم والتصنيع المطلوب لتصنيعها. في مثال محرك الأقراص الثابتة الخاص بنا، يبلغ سمك قرص الألومنيوم نفسه 0,04 بوصة (1 مم)، ولكنه مصقول إلى حد أن متوسط ارتفاع الانحرافات على السطح أقل من 0,000001 بوصة (حوالي 30 نانومتر).
يبلغ عمق الطبقة الأساسية 0,0004 بوصة (10 ميكرون) فقط وتتكون من طبقات متعددة من المواد المترسبة على المعدن. يتم التطبيق باستخدام تليها تحضير القرص للمواد المغناطيسية الأساسية المستخدمة لتخزين البيانات الرقمية.
هذه المادة عادة ما تكون عبارة عن سبيكة كوبالت معقدة وتتكون من دوائر متحدة المركز، يبلغ عرض كل منها حوالي 0,00001 بوصة (حوالي 250 نانومتر) وعمقها 0,000001 بوصة (25 نانومتر). وعلى المستوى الجزئي، تشكل السبائك المعدنية حبيبات تشبه فقاعات الصابون على سطح الماء.
ولكل حبة مجالها المغناطيسي الخاص، ولكن يمكن تحويلها في اتجاه معين. يؤدي تجميع هذه الحقول إلى الحصول على بتات البيانات (0 و1). إذا كنت تريد معرفة المزيد حول هذا الموضوع، ثم اقرأ جامعة ييل. الطلاء النهائي عبارة عن طبقة من الكربون للحماية، ثم طبقة بوليمر لتقليل احتكاك التلامس. لا يزيد سمكهما معًا عن 0,0000005 بوصة (12 نانومتر).
سنرى قريبًا لماذا يجب تصنيع الرقائق بمثل هذه التفاوتات الصارمة، ولكن لا يزال من المفاجئ أن ندرك ذلك يمكنك أن تصبح المالك الفخور لجهاز تم تصنيعه بدقة نانومترية!
ومع ذلك، دعونا نعود إلى القرص الصلب نفسه ونرى ما هو موجود فيه.
يُظهر اللون الأصفر الغطاء المعدني الذي يثبت اللوحة بشكل آمن محرك كهربائي المغزل - محرك كهربائي يقوم بتدوير الأقراص. في محرك الأقراص الثابتة هذا، تدور بتردد 7200 دورة في الدقيقة (دورات/دقيقة)، ولكن في الطرز الأخرى قد تعمل بشكل أبطأ. تتميز محركات الأقراص البطيئة بضوضاء أقل واستهلاك طاقة أقل، ولكنها أيضًا أقل سرعة، بينما يمكن أن تصل محركات الأقراص الأسرع إلى سرعات تصل إلى 15 دورة في الدقيقة.
لتقليل الأضرار الناجمة عن الغبار ورطوبة الهواء، استخدم مرشح إعادة التدوير (المربع الأخضر)، وجمع الجزيئات الصغيرة والاحتفاظ بها في الداخل. ويضمن الهواء المتحرك عن طريق دوران الصفائح تدفقًا مستمرًا عبر الفلتر. فوق الأقراص وبجوار الفلتر يوجد واحد من ثلاثة فواصل اللوحة: يساعد على تقليل الاهتزازات والحفاظ على تدفق الهواء قدر الإمكان.
في الجزء العلوي الأيسر من الصورة، يشير المربع الأزرق إلى أحد المغناطيسين الدائمين. أنها توفر المجال المغناطيسي اللازم لتحريك المكون المشار إليه باللون الأحمر. دعونا نفصل هذه التفاصيل لرؤيتها بشكل أفضل.
وما يشبه البقعة البيضاء هو مرشح آخر، هذا فقط يقوم بتصفية الجزيئات والغازات التي تدخل من الخارج عبر الفتحة التي رأيناها أعلاه. المسامير المعدنية هي أذرع حركة الرأس، التي تقع عليها رؤوس القراءة والكتابة قرص صلب. تتحرك بسرعة هائلة على طول سطح الصفائح (العلوية والسفلى).
شاهد هذا الفيديو الذي أنشأه لنرى مدى سرعتهم:
التصميم لا يستخدم أي شيء من هذا القبيل ; لتحريك الروافع، يتم تمرير تيار كهربائي عبر ملف لولبي موجود في قاعدة الروافع.
بشكل عام يطلق عليهم لأنها تستخدم نفس المبدأ المستخدم في مكبرات الصوت والميكروفونات لتحريك الأغشية. يولد التيار مجالًا مغناطيسيًا حولها، والذي يتفاعل مع المجال الناتج عن المغناطيس الدائم.
لا تنس أن مسارات البيانات صغير الحجم، لذلك يجب أن يكون موضع الأذرع دقيقًا للغاية، تمامًا مثل أي شيء آخر في محرك الأقراص. تحتوي بعض محركات الأقراص الثابتة على رافعات متعددة المراحل تقوم بإجراء تغييرات صغيرة في اتجاه جزء واحد فقط من الرافعة بأكملها.
تحتوي بعض محركات الأقراص الثابتة على مسارات بيانات تتداخل مع بعضها البعض. تسمى هذه التقنية (التسجيل المغناطيسي المختلط)، ومتطلباته من حيث الدقة وتحديد الموقع (أي الوصول إلى نقطة واحدة باستمرار) أكثر صرامة.
في نهاية الذراعين توجد رؤوس قراءة وكتابة حساسة للغاية. يحتوي القرص الصلب الخاص بنا على 3 أطباق و6 رؤوس، وكل منها يطفو فوق القرص أثناء دورانه. ولتحقيق ذلك، يتم تعليق الرؤوس على شرائح معدنية رفيعة للغاية.
وهنا يمكننا أن نرى لماذا ماتت عينتنا التشريحية - على الأقل أصبح أحد الرؤوس مفككًا، وأيًا كان سبب الضرر الأولي فقد أدى أيضًا إلى ثني إحدى الذراعين. مكون الرأس بأكمله صغير جدًا، كما ترون أدناه، من الصعب جدًا الحصول على صورة جيدة له باستخدام كاميرا عادية.
ومع ذلك، يمكننا تفكيك الأجزاء الفردية. الكتلة الرمادية هي جزء مصنوع خصيصًا يسمى "المنزلق": أثناء دوران القرص تحته، يخلق تدفق الهواء قوة رفع، مما يرفع الرأس عن السطح. وعندما نقول "يرفع"، فإننا نعني فجوة يبلغ عرضها 0,0000002 بوصة فقط، أو أقل من 5 نانومتر.
أبعد من ذلك، ولن تتمكن الرؤوس من التعرف على التغيرات في المجالات المغناطيسية للمسار؛ إذا كانت الرؤوس مستلقية على السطح، فإنها ببساطة ستخدش الطلاء. لهذا السبب تحتاج إلى تصفية الهواء داخل علبة محرك الأقراص: فالغبار والرطوبة الموجودة على سطح محرك الأقراص ستؤدي ببساطة إلى كسر الرؤوس.
يساعد "عمود" معدني صغير في نهاية الرأس في الديناميكا الهوائية الشاملة. ومع ذلك، لرؤية الأجزاء التي تقوم بالقراءة والكتابة، نحتاج إلى صورة أفضل.
في هذه الصورة لمحرك أقراص ثابت آخر، توجد أجهزة القراءة/الكتابة أسفل جميع التوصيلات الكهربائية. يتم التسجيل بواسطة النظام (تحريض الأفلام الرقيقة، TFI)، والقراءة - جهاز (جهاز المقاومة المغناطيسية النفقية، TMR).
الإشارات التي تنتجها TMR ضعيفة جدًا ويجب تمريرها عبر مكبر للصوت لزيادة مستوياتها قبل إرسالها. تقع الشريحة المسؤولة عن ذلك بالقرب من قاعدة الروافع في الصورة أدناه.
كما هو مذكور في مقدمة المقال، فإن المكونات الميكانيكية ومبدأ تشغيل القرص الصلب لم تتغير إلا قليلاً على مر السنين. والأهم من ذلك كله، هو أنه تم تحسين تكنولوجيا المسارات المغناطيسية ورؤوس القراءة والكتابة، مما أدى إلى إنشاء مسارات ضيقة وكثيفة بشكل متزايد، مما أدى في النهاية إلى زيادة كمية المعلومات المخزنة.
ومع ذلك، فإن محركات الأقراص الصلبة الميكانيكية لها حدود واضحة للسرعة. يستغرق الأمر وقتًا لتحريك الأذرع إلى الموضع المطلوب، وإذا كانت البيانات متناثرة عبر مسارات مختلفة على أطباق مختلفة، فسيقضي محرك الأقراص عددًا لا بأس به من الميكروثانية في البحث عن البتات.
قبل الانتقال إلى نوع آخر من محركات الأقراص، دعنا نشير إلى السرعة التقريبية لمحرك الأقراص الثابتة النموذجي. استخدمنا المعيار لتقييم القرص الصلب :
يشير السطران الأولان إلى عدد الميغابايت في الثانية عند إجراء عمليات القراءة والكتابة المتسلسلة (القائمة الطويلة والمستمرة) والعشوائية (الانتقالات عبر محرك الأقراص بأكمله). يعرض السطر التالي قيمة IOPS، وهو عدد عمليات الإدخال/الإخراج التي يتم إجراؤها في كل ثانية. يُظهر السطر الأخير متوسط زمن الوصول (الوقت بالميكروثانية) بين إرسال عملية القراءة أو الكتابة واستقبال قيم البيانات.
بشكل عام، نسعى جاهدين للتأكد من أن القيم الموجودة في الأسطر الثلاثة الأولى تكون كبيرة قدر الإمكان، وفي السطر الأخير صغيرة قدر الإمكان. لا تقلق بشأن الأرقام نفسها، فسنستخدمها فقط للمقارنة عندما ننظر إلى نوع آخر من محركات الأقراص: محرك الأقراص ذو الحالة الصلبة.
المصدر: www.habr.com