Ён магнітны. Ён электрычны. Ён фатонны. Не, гэтае не новае супергеройскае трыо з сусвету Marvel. Гаворка ідзе аб захоўванні нашых каштоўных лічбавых дадзеных. Нам трэба недзе іх захоўваць, надзейна і стабільна, каб мы маглі мець да іх доступ і змяняць за імгненне вока. Забудзьцеся пра Жалезнага чалавека і Тору - мы гаворым пра жорсткія дыскі!
Такім чынам, давайце акунемся ў вывучэнні анатоміі прылад, якія мы сёння выкарыстоўваем для захоўвання мільярдаў бітаў дадзеных.
You spin me right round, мяне
механічны назапашвальнік на цвёрдых дысках (hard disk drive, HDD) быў стандартам сістэм захоўвання для кампутараў па ўсім свеце на працягу больш за 30 гадоў, але якія ляжаць у яго аснове тэхналогіі нашмат старэй.
Першы камерцыйны HDD кампанія IBM выпусціла , Яго ёмістасць складала ажно 3,75 МБ. І ў цэлым, за ўсе гэтыя гады агульная структура назапашвальніка не моцна змянілася. У ім па-ранейшаму ёсць дыскі, якія выкарыстоўваюць для захоўвання дадзеных намагнічанасць, і ёсць прылады для чытання/запісы гэтых дадзеных. Змяніўся ж, і вельмі моцна, аб'ём дадзеных, які можна на іх захоўваць.
У 1987 годзе можна было прыкладна за 350 долараў; сёння можна купіць 14 ТБ: у 700 000 разоў большы аб'ём.
Мы разгледзім прыладу не зусім такога памеру, але таксама годнае па сучасных мерках: 3,5-цалевы HDD Seagate Barracuda 3 TB, у прыватнасці, мадэль , сумна вядомую сваім и . Які вывучаецца намі назапашвальнік ужо мёртвы, таму гэта будзе больш падобна на аўтапсію, чым на ўрок анатоміі.
Асноўную масу цвёрдай кружэлкі складае літы метал. Сілы ўсярэдзіне прылад пры актыўным выкарыстанні могуць быць даволі сур'ёзнымі, таму тоўсты метал перашкаджае выгінанню і вібрацыям корпуса. Нават у малюсенькіх 1,8-цалевых HDD у якасці матэрыялу корпуса выкарыстоўваюцца метал, аднак звычайна яны робяцца не са сталі, а з алюмінія, таму што павінны быць як мага лягчэйшымі.
Перавярнуўшы назапашвальнік, мы бачым друкаваны поплатак і некалькі раздымаў. Раз'ём у верхняй частцы платы выкарыстоўваецца для рухавіка, які круціць дыскі, а ніжнія тры (злева направа) - гэта кантакты пад перамычкі, якія дазваляюць наладжваць назапашвальнік пад пэўныя канфігурацыі, раз'ём дадзеных SATA (Serial ATA) і раз'ём харчавання SATA.
Serial ATA упершыню з'явіўся ў 2000 году. У настольных кампутарах гэта стандартная сістэма, якая выкарыстоўваецца для падлучэння прывадаў да астатняй часткі кампутара. Спецыфікацыя фармату зведала мноства рэвізій, і зараз мы карыстаемся версіяй 3.4. Наш труп жорсткага дыска мае больш старую версію, але адрозненне заключаецца толькі ў адным кантакце ў раздыме харчавання.
У падлучэннях перадачы дадзеных для прыёму і атрыманні дадзеных выкарыстоўваецца : кантакты A+ і A- выкарыстоўваюцца для перадачы інструкцый і дадзеных у цвёрды дыск, а кантакты B - для атрымання гэтых сігналаў. Падобнае выкарыстанне спараных правадыроў значна змяншае ўплыў на сігнал электрычнага шуму, гэта значыць прылада можа працаваць хутчэй.
Калі казаць пра сілкаванне, то мы бачым, што ў раздыме ёсць па пары кантактаў кожнай напругі (+3.3, +5 і +12V); аднак большасць з іх не выкарыстоўваецца, таму што HDD не патрабуецца шмат харчавання. Гэтая канкрэтная мадэль Seagate пры актыўнай нагрузцы выкарыстоўвае менш за 10 Вт. Кантакты, пазначаныя як PC, выкарыстоўваюцца для папярэдняя зарадка: гэтая функцыя дазваляе выцягваць і падлучаць жорсткі дыск, пакуль кампутар працягвае працаваць (гэта называецца гарачай заменай (hot swapping)).
Кантакт з пазнакай PWDIS дазваляе цвёрдая кружэлка, але гэтая функцыя падтрымліваецца толькі з версіі SATA 3.3, таму ў маёй кружэлцы гэта проста яшчэ адна лінія сілкавання +3.3V. А апошні кантакт, пазначаны як SSU, проста паведамляе кампутару, ці падтрымлівае цвёрдая кружэлка тэхналогію паслядоўнай раскруткі шпіндзеляў. staggered spin up.
Перад тым, як кампутар зможа іх выкарыстоўваць, дыскі ўсярэдзіне прылад (якія мы хутка ўбачым), павінны раскруціцца да поўнай хуткасці. Але калі ў машыне ўсталявана шмат цвёрдых дыскаў, то раптоўны адначасовы запыт харчавання можа нашкодзіць сістэме. Паступовая раскрутка шпіндзеляў цалкам ухіляе магчымасць такіх праблем, але пры гэтым перад атрыманнем поўнага доступу да HDD прыйдзецца пачакаць некалькі секунд.
Зняўшы друкаваны поплатак, можна ўбачыць, як яна злучаецца з кампанентамі ўсярэдзіне прылад. HDD не герметычныя, за выключэннем прылад з вельмі вялікімі ёмістасцямі - у іх замест паветра выкарыстоўваецца гелій, таму што ён нашмат менш шчыльны і стварае менш праблем у назапашвальніках з вялікай колькасцю дыскаў. З іншага боку, не варта і падвяргаць звычайныя назапашвальнікі адчыненаму ўздзеянню навакольнага асяроддзя.
Дзякуючы выкарыстанню такіх раздымаў мінімізуецца колькасць уваходных кропак, праз якія ўнутр назапашвальніка могуць патрапіць бруд і пыл; у металічным корпусе ёсць адтуліна (вялікая белая кропка ў левым ніжнім куце малюнка), якое дазваляе захоўваць усярэдзіне ціску навакольнага асяроддзя.
Цяпер, калі друкаваная плата знята, давайце паглядзім, што знаходзіцца ўнутры. Тут ёсць чатыры асноўных чыпа:
- LSI B64002: чып асноўнага кантролера, які апрацоўвае інструкцыі, які перадае струмені дадзеных унутр і вонкі, які карэктуе памылкі і да т.п.
- Samsung K4T51163QJ: 64 МБ DDR2 SDRAM з тактавай частатой 800 Мгц, якія выкарыстоўваюцца для кэшавання дадзеных
- Smooth MCKXL: кіруе рухавіком, які круціць дыскі
- Winbond 25Q40BWS05: 500 КБ паслядоўнай флэш-памяці, выкарыстоўванай для захоўвання ўбудаванага ПА назапашвальніка (крыху падобнага на BIOS кампутара)
Кампаненты друкаванай платы розных HDD могуць адрознівацца. Для вялікіх аб'ёмаў патрабуецца больш кэша (у самых сучасных монстрах можа быць да 256 МБ DDR3), а чып асноўнага кантролера можа быць крыху больш выдасканаленым у апрацоўцы памылак, але ў цэлым адрозненні не так вялікія.
Адкрыць назапашвальнік проста, дастаткова адкруціць некалькі нітаў Torx і вуаля! Мы ўнутры...
Улічваючы, што ён займае асноўную частку прылады, нашу ўвагу адразу прыцягвае вялікі металічны круг; нескладана зразумець, чаму назапашвальнікі называюцца дыскавымі. Правільна іх называць пласцінамі; яны вырабляюцца са шкла ці алюмінія і пакрываюцца некалькімі пластамі розных матэрыялаў. Гэты назапашвальнік на 3 ТБ мае тры пласціны, гэта значыць на кожным боку адной пласціны павінна захоўвацца 500 ГБ.
Выява даволі пыльная, такія брудныя пласціны не адпавядаюць дакладнасці праектавання і вытворчасці, неабходнага для іх выраба. У нашым прыкладзе HDD сам алюмініевая кружэлка мае таўшчыню 0,04 цалі (1 мм), але адпаліраваны да такой ступені, што сярэдняя вышыня адхіленняў на паверхні менш 0,000001 цалі (прыкладна 30 нм).
Базавы пласт мае глыбіню ўсяго 0,0004 цалі (10 мікронаў) і складаецца з некалькіх пластоў матэрыялаў, нанесеных на метал. Нанясенне выконваецца пры дапамозе з наступным , якія падрыхтоўваюць дыск для асноўных магнітных матэрыялаў, якія выкарыстоўваюцца для захоўвання лічбавых дадзеных.
Гэты матэрыял звычайна з'яўляецца складаным кобальтавым сплавам і складзены з канцэнтрычных колаў, кожны з якіх прыкладна 0,00001 цалі (прыкладна 250 нм) у шырыню і 0,000001 цалі (25 нм) у глыбіню. На мікраўзроўні сплавы металаў утвараюць зерні, падобныя на мыльныя бурбалкі на паверхні вады.
Кожнае зерне валодае ўласным магнітным полем, але яго можна пераўтварыць у зададзеным напрамку. Групаванне такіх палёў прыводзіць да ўзнікнення бітаў дадзеных (0 і 1). Калі вы хочаце больш падрабязна даведацца аб гэтай тэме, то прачытайце Ельскага ўніверсітэта. Апошнімі пакрыццямі становяцца пласт вугляроду для абароны, а потым палімер для зніжэння кантактнага трэння. Разам іх таўшчыня складае не больш за 0,0000005 цалі (12 нм).
Хутка мы ўбачым, чаму пласціны павінны вырабляцца з такімі строгімі допускамі, але ўсё ж такі дзіўна ўсведамляць, што можна стаць ганарлівым уладальнікам прылады, вырабленага з нанаметровай дакладнасцю!
Аднак давайце зноў вернемся да самога HDD і паглядзім, што ж у ім ёсць яшчэ.
Жоўтым колерам паказана металічнае вечка, надзейна якая мацуе пласціну да электрарухавіку прывада шпіндзеля - Электравокны, які верціць дыскі. У гэтым HDD яны круцяцца з частатой 7200 rpm (абаротаў/мін), але ў іншых мадэлях могуць працаваць павольней. Павольныя назапашвальнікі маюць паніжаны шум і энергаспажыванне, але і меншую хуткасць, а хутчэйшыя назапашвальнікі могуць дасягаць хуткасці 15 000 rpm.
Каб знізіць страты, які наносіцца пылам і вільгаццю паветра, выкарыстоўваецца фільтр рэцыркуляцыі (зялёны квадрат), які збірае дробныя часціцы і ўтрымлівальны іх усярэдзіне. Паветра, які перамяшчаецца кручэннем пласцін, забяспечвае пастаянны паток праз фільтр. Над дыскамі і побач з фільтрам ёсць адзін з трох падзельнікаў пласцін: якія дапамагаюць зніжаць вібрацыі і падтрымліваць як мага больш раўнамерны паток паветра.
У левай верхняй частцы выявы сінім квадратам паказаны адзін з двух пастаянных стрыжневых магнітаў. Яны забяспечваюць магнітнае поле, неабходнае для перасоўвання кампанента, паказанага чырвоным колерам. Давайце аддзелім гэтыя дэталі, каб бачыць іх лепш.
Тое, што выглядае як белы пластыр - гэта яшчэ адзін фільтр, толькі ён чысціць часціцы і газы, якія трапляюць звонку праз адтуліну, якое мы бачылі вышэй. Металічныя шыпы - гэта рычагі перамяшчэння галовак, на якіх знаходзяцца галоўкі чытання-запісы цвёрдага дыска. Яны з вялікай хуткасцю рухаюцца па паверхні пласцін (верхняй і ніжняй).
Паглядзіце гэта відэа, створанае , каб убачыць, наколькі яны хуткія:
У канструкцыі не выкарыстоўваецца чагосьці накшталт ; для перасоўвання рычагоў па саленоідзе ў падставе рычагоў праводзіцца электрычны ток.
Абагульнена іх называюць , таму што яны выкарыстоўваюць той жа прынцып, які прымяняецца ў дынаміках і мікрафонах для перамяшчэння мембран. Ток генеруе вакол іх магнітнае поле, якое рэагуе на поле, створанае стрыжневымі сталымі магнітамі.
Не забывайце, што дарожкі дадзеных малюсенькія, таму пазіцыянаванне рычагоў павінна быць надзвычай дакладным, як і ўсё астатняе ў назапашвальніку. У некаторых цвёрдых дыскаў ёсць шматступенныя рычагі, якія ўносяць невялікія змены ў кірунак толькі адной часткі цэлага рычага.
У некаторых цвёрдых дысках дарожкі дадзеных накладваюцца сябар на сябра. Гэтая тэхналогія называецца (shingled magnetic recording), і яе патрабаванні да дакладнасці і пазіцыянаванні (гэта значыць да траплення ўвесь час у адну кропку) яшчэ стражэй.
На самым канцы рычагоў ёсць вельмі адчувальныя галоўкі чытання-запісы. У нашым HDD змяшчаецца 3 пласціны і 6 галовак, і кожная з іх плавае над дыскам пры ім кручэнні. Для гэтага галоўкі падвешаны на звыштонкіх палосках металу.
І тут мы можам убачыць, чаму памёр наш анатамічны ўзор прынамсі адна з галовак разбоўталася, і што б ні выклікала першапачатковы пашкоджанне, яно таксама пагнула адзін з рычагоў. Увесь кампанент галоўкі настолькі малы, што, як відаць ніжэй, вельмі складана атрымаць яе якасны здымак звычайнай камерай.
Аднак мы можам разабраць асобныя часткі. Шэры блок - гэта спецыяльна вырабленая дэталь пад назвай «слайдэр»: калі дыск круціцца пад ім, паток паветра стварае пад'ёмную сілу, паднімаючы галоўку ад паверхні. І калі мы кажам «паднімае», то маем на ўвазе зазор шырынёй усяго 0,0000002 цалі ці менш за 5 нм.
Крыху далей, і галоўкі не змогуць распазнаваць змены магнітных палёў дарожкі; калі б галоўкі ляжалі на паверхні, то проста падрапалі б пакрыццё. Менавіта таму трэба фільтраваць паветра ўсярэдзіне карпусоў назапашвальніка: пыл і вільгаць на паверхні дыска проста зламаюць галоўкі.
Малюсенькі металічны тычка на канцы галоўкі дапамагае з агульнай аэрадынамікай. Аднак каб убачыць часткі, якія выконваюць чытанне і запіс, нам патрэбная фатаграфія лепей.
На гэтай выяве іншай цвёрдай кружэлкі прылады чытання і запісы знаходзяцца пад усімі электрычнымі злучэннямі. Запіс выконваецца сістэмай (thin film induction, TFI), а чытанне - прыладай (tunneling magnetoresistive device, TMR).
Ствараныя TMR сігналы вельмі слабыя і перад адпраўкай павінны праходзіць праз узмацняльнік для падвышэння ўзроўняў. Які адказвае за гэта чып знаходзіцца побач з падставай рычагоў на малюнку ніжэй.
Як сказана ва ўводзінах да артыкула, механічныя кампаненты і прынцып працы цвёрдай кружэлкі амаль не змяніліся за шматлікія гады. Больш за ўсё ўдасканальвалася тэхналогія магнітных дарожак і галовак чытання-запісы, ствараючы ўсё вузейшыя і шчыльныя дарожкі, што ў канчатковым выніку прыводзіла да павелічэння аб'ёму захоўваемай інфармацыі.
Аднак механічныя цвёрдыя кружэлкі маюць відавочныя абмежаванні хуткасці. На перасоўванне рычагоў у патрэбнае становішча патрабуецца час, а калі дадзеныя раскіданыя па розных дарожках на розных пласцінах, то на пошукі бітаў назапашвальнік будзе марнаваць даволі шмат мікрасекунд.
Перш чым пераходзіць да іншага тыпу назапашвальнікаў, давайце пакажам арыентыровачныя паказчыкі хуткасці тыповага HDD. Мы выкарыстоўвалі бенчмарк для ацэнкі жорсткага дыска :
У першых двух радках паказана колькасць МБ у секунду пры выкананні паслядоўных (доўгі, бесперапынны спіс) і выпадковых (пераходы па ўсім назапашвальніку) чытанні і запісы. У наступным радку паказана значэнне IOPS, гэта значыць колькасць аперацый уводу-высновы, якія выконваюцца кожную секунду. У апошнім радку паказана сярэдняя затрымка (час у мікрасекундах) паміж перадачай аперацыі чытання ці запісы і атрыманнем значэнняў дадзеных.
У агульным выпадку мы імкнемся да таго, каб значэння ў першых трох радках былі як мага больш, а ў апошнім радку - як мага менш. Не турбуйцеся аб саміх ліках, мы проста выкарыстоўваем іх для параўнання, калі будзем разглядаць іншы тып назапашвальніка: цвёрдацельны назапашвальнік.
Крыніца: habr.com