Това е магнетично. Електрически е. Това е фотонно. Не, това не е ново трио супергерой от вселената на Marvel. Става дума за съхраняване на нашите ценни цифрови данни. Трябва да ги съхраняваме някъде, сигурно и стабилно, така че да имаме достъп и да ги променим мигновено. Забравете Железния човек и Тор – говорим за твърди дискове!
Така че нека се потопим в анатомията на устройствата, които използваме днес, за да съхраняваме милиарди битове данни.
Завърташ ме направо, скъпа
механичен съхранение на твърд диск (твърд диск, HDD) е стандартът за съхранение на компютри по света от повече от 30 години, но технологията зад него е много по-стара.
IBM пусна първия комерсиален твърд диск , капацитетът му беше цели 3,75 MB. И като цяло през всичките тези години общата структура на задвижването не се е променила много. Все още има дискове, които използват намагнитване за съхраняване на данни и има устройства за четене/запис на тези данни. Променен Същото и много силно е количеството данни, което може да се съхранява на тях.
През 1987 г. беше възможно за около $350; Днес можете да закупите 14 TB: в 700 000 пъти обема.
Ще разгледаме устройство, което не е точно със същия размер, но също е прилично според съвременните стандарти: 3,5-инчовият HDD Seagate Barracuda 3 TB, по-специално моделът , известен със своята и . Устройството, което изучаваме, вече е мъртво, така че това ще прилича повече на аутопсия, отколкото на урок по анатомия.
По-голямата част от твърдия диск е лят метал. Силите вътре в устройството по време на активна употреба могат да бъдат доста сериозни, така че дебелият метал предотвратява огъване и вибрации на кутията. Дори малките 1,8-инчови твърди дискове използват метал като материал за корпус, но те обикновено са направени от алуминий, а не от стомана, защото трябва да бъдат възможно най-леки.
Обръщайки устройството, виждаме печатна платка и няколко конектора. Конекторът в горната част на платката се използва за мотора, който върти дисковете, а долните три (от ляво на дясно) са щифтове, които ви позволяват да конфигурирате устройството за определени конфигурации, SATA (Serial ATA) конектор за данни и SATA конектор за захранване.
Serial ATA се появява за първи път през 2000 г. В настолните компютри това е стандартната система, използвана за свързване на устройства към останалата част от компютъра. Спецификацията на формата е претърпяла много ревизии и в момента използваме версия 3.4. Нашият корпус на твърдия диск е по-стара версия, но разликата е само в един щифт в захранващия конектор.
При връзките за данни се използва за получаване и получаване на данни. : Пинове A+ и A- се използват за прехвърляне инструкции и данни към твърдия диск, а щифтове B са за получаване тези сигнали. Това използване на сдвоени проводници значително намалява ефекта на електрическия шум върху сигнала, което означава, че устройството може да работи по-бързо.
Ако говорим за мощност, виждаме, че конекторът има чифт контакти за всяко напрежение (+3.3, +5 и +12V); повечето от тях обаче не се използват, защото твърдите дискове не изискват много енергия. Този конкретен модел на Seagate използва по-малко от 10 вата при активно натоварване. Използват се контактите, отбелязани с PC предварително зареждане: Тази функция ви позволява да премахнете и свържете твърдия диск, докато компютърът продължава да работи (това се нарича гореща смяна).
Контактът с PWDIS етикет позволява твърд диск, но тази функция се поддържа само от версия SATA 3.3, така че в моето устройство това е просто друга захранваща линия +3.3 V. И последният щифт, означен като SSU, просто казва на компютъра дали твърдият диск поддържа технологията за последователно завъртане. шахматно въртене нагоре.
Преди компютърът да може да ги използва, устройствата вътре в устройството (което ще видим скоро) трябва да се въртят на пълна скорост. Но ако в машината са инсталирани много твърди дискове, тогава внезапна едновременна заявка за захранване може да навреди на системата. Постепенното завъртане на вретената напълно елиминира възможността за подобни проблеми, но ще трябва да изчакате няколко секунди, преди да получите пълен достъп до HDD.
Като премахнете печатната платка, можете да видите как тя се свързва с компонентите вътре в устройството. HDD не е запечатано, с изключение на устройства с много голям капацитет - те използват хелий вместо въздух, защото е много по-малко плътен и създава по-малко проблеми при устройства с голям брой дискове. От друга страна, не трябва да излагате конвенционалните устройства на отворена среда.
Благодарение на използването на такива съединители броят на входните точки, през които мръсотията и прахът могат да попаднат вътре в устройството, е сведен до минимум; има дупка в металния корпус (голямата бяла точка в долния ляв ъгъл на изображението), която позволява на околното налягане да остане вътре.
След като печатната платка е премахната, нека да погледнем какво има вътре. Има четири основни чипа:
- LSI B64002: Главен контролен чип, който обработва инструкции, прехвърля потоци от данни навътре и навън, коригира грешки и т.н.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM с тактова честота 800 MHz, използва се за кеширане на данни
- Smooth MCKXL: управлява двигателя, който върти дисковете
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB серийна флаш памет, използвана за съхраняване на фърмуера на устройството (малко като BIOS на компютър)
PCB компонентите на различните HDD могат да се различават. По-големите размери изискват повече кеш (най-модерните чудовища могат да имат до 256 MB DDR3), а основният чип на контролера може да е малко по-сложен в обработката на грешки, но като цяло разликите не са толкова големи.
Отварянето на устройството е лесно, просто развийте няколко Torx болта и готово! Вътре сме...
Като се има предвид, че заема по-голямата част от устройството, вниманието ни веднага се насочва към големия метален кръг; лесно е да разберете защо дисковете се наричат диск. Правилно е да ги наричаме чинии; изработени са от стъкло или алуминий и са покрити с няколко слоя от различни материали. Този 3TB диск има три плочи, което означава, че 500GB трябва да се съхраняват от всяка страна на една плоча.
Изображението е доста прашно, такива мръсни чинии не отговарят на прецизността на дизайна и производството, необходими за направата им. В нашия пример с твърд диск самият алуминиев диск е с дебелина 0,04 инча (1 мм), но е полиран до такава степен, че средната височина на отклоненията на повърхността е по-малка от 0,000001 инча (приблизително 30 nm).
Основният слой е дълбок само 0,0004 инча (10 микрона) и се състои от множество слоеве материали, отложени върху метала. Приложението се извършва с помощта на следван от , подготвяйки диска за основните магнитни материали, използвани за съхраняване на цифрови данни.
Този материал обикновено е сложна кобалтова сплав и се състои от концентрични кръгове, всеки с приблизително 0,00001 инча (приблизително 250 nm) широк и 0,000001 инча (25 nm) дълбок. На микро ниво металните сплави образуват зърна, подобни на сапунени мехурчета на повърхността на водата.
Всяко зърно има свое собствено магнитно поле, но то може да се трансформира в дадена посока. Групирането на такива полета води до битове данни (0 и 1). Ако искате да научите повече по тази тема, прочетете Йейлския университет. Крайните покрития са слой от карбон за защита и след това полимер за намаляване на контактното триене. Заедно те са с дебелина не повече от 0,0000005 инча (12 nm).
Скоро ще видим защо вафлите трябва да се произвеждат с толкова строги допуски, но все пак е изненадващо да осъзнаем, че Можете да станете горд собственик на устройство, произведено с нанометрова точност!
Нека обаче се върнем на самия HDD и да видим какво още има в него.
Жълтият цвят показва металния капак, който здраво закрепва плочата към електрически мотор за задвижване на шпиндела - електрическо задвижване, което върти дисковете. В този HDD те се въртят с честота 7200 rpm (обороти/мин), но в други модели може да работят по-бавно. Бавните дискове имат по-нисък шум и консумация на енергия, но също така и по-ниска скорост, докато по-бързите дискове могат да достигнат скорости от 15 000 rpm.
За да намалите щетите, причинени от прах и влага във въздуха, използвайте рециркулационен филтър (зелен квадрат), като събира малки частици и ги задържа вътре. Въздухът, движен от въртенето на плочите, осигурява постоянен поток през филтъра. Над дисковете и до филтъра има един от трите пластинчати сепаратори: спомага за намаляване на вибрациите и поддържа въздушния поток възможно най-равномерен.
В горната лява част на изображението синият квадрат показва един от двата постоянни лентови магнита. Те осигуряват необходимото магнитно поле за движение на компонента, означен в червено. Нека разделим тези детайли, за да ги видим по-добре.
Това, което изглежда като бяло петно, е друг филтър, само че този филтрира частици и газове, които влизат отвън през дупката, която видяхме по-горе. Метални шипове са лостове за движение на главата, на който се намират глави за четене и запис харддиск. Те се движат с огромна скорост по повърхността на плочите (горна и долна).
Гледайте това видео, създадено от за да видите колко са бързи:
Дизайнът не използва нищо подобно ; За да задвижите лостовете, електрически ток преминава през соленоид в основата на лостовете.
Най-общо се наричат , тъй като те използват същия принцип, използван в високоговорителите и микрофоните за преместване на мембрани. Токът генерира около тях магнитно поле, което реагира на полето, създадено от постоянните пръчковидни магнити.
Не забравяйте, че данните се проследяват мъничък, така че позиционирането на рамената трябва да бъде изключително прецизно, както всичко останало в задвижването. Някои твърди дискове имат многостепенни лостове, които правят малки промени в посоката само на една част от целия лост.
Някои твърди дискове имат записи с данни, които се припокриват. Тази технология се нарича (шиплен магнитен запис), а изискванията му за точност и позициониране (тоест постоянно да удря една точка) са още по-строги.
В самия край на рамената има много чувствителни глави за четене и запис. Нашият HDD съдържа 3 плочи и 6 глави и всяка от тях плувки над диска, докато се върти. За да се постигне това, главите са окачени на ултратънки метални ленти.
И тук можем да видим защо нашият анатомичен екземпляр умря - поне една от главите се разхлаби и каквото и да причини първоначалната повреда, също огъна една от ръцете. Целият компонент на главата е толкова малък, че, както можете да видите по-долу, е много трудно да се направи добра снимка с обикновена камера.
Въпреки това можем да разделим отделните части. Сивият блок е специално произведена част, наречена "плъзгач": Докато дискът се върти под него, въздушният поток създава повдигане, повдигайки главата от повърхността. И когато казваме „повдигачи“, имаме предвид празнина, която е широка само 0,0000002 инча или по-малко от 5 nm.
По-нататък и главите няма да могат да разпознаят промените в магнитните полета на пистата; ако главите лежаха на повърхността, те просто щяха да надраскат покритието. Ето защо трябва да филтрирате въздуха в кутията на устройството: прахът и влагата по повърхността на устройството просто ще счупят главите.
Малък метален "полюс" в края на главата помага за цялостната аеродинамика. Въпреки това, за да видим частите, които извършват четене и писане, ни трябва по-добра снимка.
В това изображение на друг твърд диск устройствата за четене/запис са под всички електрически връзки. Записът се извършва от системата (индукция на тънък филм, TFI) и четене - устройство (тунелно магниторезистивно устройство, TMR).
Сигналите, произведени от TMR, са много слаби и трябва да бъдат прекарани през усилвател, за да се увеличат нивата, преди да бъдат изпратени. Чипът, отговорен за това, се намира близо до основата на лостовете на изображението по-долу.
Както е посочено във въведението към статията, механичните компоненти и принципът на работа на твърдия диск са се променили малко през годините. Най-вече технологията на магнитните писти и главите за четене и запис беше подобрена, създавайки все по-тесни и плътни писти, което в крайна сметка доведе до увеличаване на количеството съхранявана информация.
Механичните твърди дискове обаче имат очевидни ограничения на скоростта. Отнема време, за да преместите лостовете в желаната позиция и ако данните са разпръснати в различни песни на различни плочи, тогава устройството ще прекара доста микросекунди в търсене на битове.
Преди да преминем към друг тип устройство, нека посочим приблизителната скорост на типичен твърд диск. Използвахме бенчмарка за оценка на твърдия диск :
Първите два реда показват броя на MB в секунда при извършване на последователни (дълъг, непрекъснат списък) и произволни (преходи през цялото устройство) четения и записи. Следващият ред показва стойността на IOPS, която е броят I/O операции, изпълнявани всяка секунда. Последният ред показва средната латентност (време в микросекунди) между предаването на операция за четене или запис и получаването на стойностите на данните.
Като цяло, ние се стремим да гарантираме, че стойностите в първите три реда са възможно най-големи, а в последния ред възможно най-малки. Не се притеснявайте за самите числа, ние просто ще ги използваме за сравнение, когато разглеждаме друг тип устройство: SSD устройството.
Източник: www.habr.com