Magnetna je. Električno je. To je fotonski. Ne, ovo nije novi superherojski trio iz Marvelovog univerzuma. Radi se o pohranjivanju naših dragocjenih digitalnih podataka. Moramo ih negdje pohraniti, sigurno i stabilno, tako da im možemo pristupiti i mijenjati ih u tren oka. Zaboravite Iron Mana i Thora – govorimo o hard diskovima!
Zato zaronimo u anatomiju uređaja koje danas koristimo za pohranu milijardi bitova podataka.
Okrećeš me, dušo
Mehanički skladištenje na čvrstom disku (hard disk, HDD) je standard za skladištenje računara širom sveta više od 30 godina, ali tehnologija iza toga je mnogo starija.
IBM je objavio prvi komercijalni HDD , njegov kapacitet je bio čak 3,75 MB. I generalno, tokom svih ovih godina opšta struktura pogona se nije mnogo promenila. Još uvijek ima diskove koji koriste magnetizaciju za pohranjivanje podataka, a postoje i uređaji za čitanje/zapisivanje tih podataka. Promijenio Ista, i vrlo jaka, je količina podataka koja se može pohraniti na njih.
Godine 1987. to je bilo moguće za oko 350 dolara; Danas možete kupiti 14 TB: in 700 000 puta jačine zvuka.
Pogledaćemo uređaj koji nije baš iste veličine, ali i pristojan po modernim standardima: 3,5-inčni HDD Seagate Barracuda 3 TB, posebno model , ozloglašen po svom и . Pogon koji proučavamo je već mrtav, tako da će ovo više ličiti na autopsiju nego na lekciju iz anatomije.
Najveći dio tvrdog diska je liveni metal. Sile unutar uređaja tokom aktivne upotrebe mogu biti prilično ozbiljne, pa debeli metal sprečava savijanje i vibracije kućišta. Čak i sićušni HDD-ovi od 1,8 inča koriste metal kao materijal za kućište, ali su obično napravljeni od aluminija, a ne od čelika, jer moraju biti što lakši.
Okrećući pogon, vidimo štampanu ploču i nekoliko konektora. Konektor na vrhu ploče koristi se za motor koji rotira diskove, a donja tri (s lijeva na desno) su kratkospojnici koji vam omogućavaju da konfigurirate pogon za određene konfiguracije, SATA (Serial ATA) konektor za podatke i SATA konektor za napajanje.
Serial ATA se prvi put pojavio 2000. godine. U desktop računarima, ovo je standardni sistem koji se koristi za povezivanje disk jedinica sa ostatkom računara. Specifikacija formata je pretrpjela mnoge revizije, a mi trenutno koristimo verziju 3.4. Naš hard disk je starija verzija, ali razlika je samo u jednom pinu u konektoru za napajanje.
U podatkovnim vezama koristi se za primanje i primanje podataka. : Pinovi A+ i A- se koriste za prijenos uputstva i podaci na hard disk, a pinovi B su za primanje ove signale. Ova upotreba uparenih provodnika značajno smanjuje učinak električnog šuma na signal, što znači da uređaj može raditi brže.
Ako govorimo o napajanju, vidimo da konektor ima par kontakata svakog napona (+3.3, +5 i +12V); međutim, većina njih se ne koristi jer HDD-ovi ne zahtijevaju puno energije. Ovaj određeni Seagate model koristi manje od 10 vati pod aktivnim opterećenjem. Kontakti označeni PC se koriste za precharge: Ova funkcija vam omogućava da uklonite i povežete čvrsti disk dok računar nastavlja da radi (to se zove vruća zamjena).
Kontakt sa PWDIS tagom omogućava hard disk, ali ova funkcija je podržana samo od verzije SATA 3.3, tako da je u mom disku to samo još jedan +3.3V strujni vod. A poslednji pin, označen kao SSU, jednostavno govori računaru da li čvrsti disk podržava tehnologiju sekvencijalnog okretanja. stepenasto okretanje.
Prije nego što ih računar može koristiti, diskovi unutar uređaja (što ćemo uskoro vidjeti) moraju se pokrenuti do pune brzine. Ali ako je u mašini instalirano mnogo čvrstih diskova, onda iznenadni istovremeni zahtev za napajanjem može naštetiti sistemu. Postepeno okretanje vretena u potpunosti eliminira mogućnost takvih problema, ali ćete morati pričekati nekoliko sekundi prije nego što dobijete potpuni pristup HDD-u.
Uklanjanjem ploče možete vidjeti kako se povezuje s komponentama unutar uređaja. HDD nije zapečaćeno, sa izuzetkom uređaja sa veoma velikim kapacitetima - koriste helijum umesto vazduha jer je mnogo manje gustoće i stvara manje problema kod drajvova sa velikim brojem diskova. S druge strane, ne biste trebali izlagati konvencionalne diskove otvorenom okruženju.
Zahvaljujući upotrebi takvih konektora, minimizira se broj ulaznih tačaka kroz koje prljavština i prašina mogu ući u pogon; postoji rupa u metalnom kućištu (velika bela tačka u donjem levom uglu slike) koja omogućava da ambijentalni pritisak ostane unutra.
Sada kada je PCB uklonjen, pogledajmo šta je unutra. Postoje četiri glavna čipa:
- LSI B64002: Čip glavnog kontrolera koji obrađuje instrukcije, prenosi tokove podataka unutra i van, ispravlja greške itd.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM na 800 MHz, koristi se za keširanje podataka
- Smooth MCKXL: kontrolira motor koji okreće diskove
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB serijske fleš memorije koja se koristi za pohranjivanje firmvera disk jedinice (malo kao BIOS računara)
PCB komponente različitih tvrdih diskova mogu se razlikovati. Veće veličine zahtijevaju više keš memorije (najmodernija čudovišta mogu imati do 256 MB DDR3), a glavni čip kontrolera može biti malo sofisticiraniji u rukovanju greškama, ali generalno razlike nisu velike.
Otvaranje pogona je jednostavno, samo odvrnite nekoliko Torx vijaka i voila! unutra smo...
S obzirom da zauzima najveći deo uređaja, našu pažnju odmah privlači veliki metalni krug; lako je razumjeti zašto se diskovi pozivaju disk. Ispravno je nazvati ih ploče; izrađeni su od stakla ili aluminija i presvučeni s više slojeva različitih materijala. Ovaj disk od 3TB ima tri ploče, što znači da 500 GB treba biti pohranjeno na svakoj strani jedne ploče.
Slika je prilično prašnjava, tako prljave ploče ne odgovaraju preciznosti dizajna i izrade potrebne za njihovu izradu. U našem primjeru HDD-a, sam aluminijski disk je debeo 0,04 inča (1 mm), ali je poliran do te mjere da je prosječna visina devijacija na površini manja od 0,000001 inča (približno 30 nm).
Osnovni sloj je dubok samo 0,0004 inča (10 mikrona) i sastoji se od više slojeva materijala nanesenih na metal. Aplikacija se vrši korišćenjem praćeno , priprema diska za osnovne magnetne materijale koji se koriste za pohranjivanje digitalnih podataka.
Ovaj materijal je tipično složena legura kobalta i sastoji se od koncentričnih krugova, svaki širok oko 0,00001 inča (otprilike 250 nm) i dubok 0,000001 inča (25 nm). Na mikro nivou, metalne legure formiraju zrna slična mjehurićima sapuna na površini vode.
Svako zrno ima svoje magnetsko polje, ali se može transformisati u datom pravcu. Grupisanje takvih polja rezultira bitovima podataka (0s i 1s). Ako želite saznati više o ovoj temi, pročitajte Yale University. Završni premazi su sloj ugljika za zaštitu, a zatim polimer za smanjenje kontaktnog trenja. Zajedno nisu deblji od 0,0000005 inča (12 nm).
Uskoro ćemo vidjeti zašto se napolitanke moraju proizvoditi s tako uskim tolerancijama, ali je i dalje iznenađujuće shvatiti da Možete postati ponosni vlasnik uređaja proizvedenog s nanometarskom preciznošću!
Međutim, vratimo se na sam HDD i vidimo šta se još nalazi u njemu.
Žuta boja pokazuje metalni poklopac koji čvrsto pričvršćuje ploču na vretenasti elektromotor - električni pogon koji rotira diskove. U ovom HDD-u se rotiraju na frekvenciji od 7200 o/min (o/min), ali u drugim modelima mogu raditi sporije. Spori pogoni imaju manju buku i potrošnju energije, ali i manju brzinu, dok brži pogoni mogu dostići brzinu od 15 o/min.
Da biste smanjili štetu uzrokovanu prašinom i vlagom iz zraka, koristite recirkulacijski filter (zeleni kvadrat), skupljajući male čestice i zadržavajući ih unutra. Zrak koji se pokreće rotacijom ploča osigurava stalan protok kroz filter. Iznad diskova i pored filtera nalazi se jedan od tri separatori ploča: pomaže u smanjenju vibracija i održavanju protoka zraka što je ravnomjernije moguće.
U gornjem lijevom dijelu slike, plavi kvadrat označava jedan od dva trajna magneta. Oni pružaju magnetsko polje potrebno za pomicanje komponente označene crvenom bojom. Odvojimo ove detalje da ih bolje vidimo.
Ono što izgleda kao bijela mrlja je još jedan filter, samo što ovaj filtrira čestice i plinove koji ulaze izvana kroz rupu koju smo vidjeli iznad. Metalni šiljci su poluge za kretanje glave, na kojoj se nalaze glave za čitanje i pisanje tvrdi disk. Kreću se ogromnom brzinom duž površine ploča (gornje i donje).
Pogledajte ovaj video koji je kreirao da vidite koliko su brzi:
Dizajn ne koristi ništa slično ; Za pomicanje poluga, električna struja prolazi kroz solenoid na dnu poluga.
Uopšteno se zovu , jer koriste isti princip koji se koristi u zvučnicima i mikrofonima za pomicanje membrana. Struja stvara magnetsko polje oko njih, koje reaguje na polje koje stvaraju trajni magneti.
Ne zaboravite na tragove podataka tiny, tako da pozicioniranje krakova mora biti izuzetno precizno, kao i sve ostalo u pogonu. Neki tvrdi diskovi imaju višestepene poluge koje prave male promjene u smjeru samo jednog dijela cijele poluge.
Neki tvrdi diskovi imaju staze podataka koje se međusobno preklapaju. Ova tehnologija se zove (magnetni zapis sa šindrom), a njegovi zahtjevi za preciznost i pozicioniranje (tj. stalno udaranje u jednu tačku) su još stroži.
Na samom kraju krakova nalaze se veoma osetljive glave za čitanje i pisanje. Naš HDD sadrži 3 ploče i 6 glava, i svaka od njih pliva iznad diska dok se rotira. Da bi se to postiglo, glave su okačene na ultra tanke metalne trake.
I ovdje možemo vidjeti zašto je naš anatomski primjerak umro - barem se jedna glava olabavila, a ono što je izazvalo početno oštećenje savijalo je i jednu od ruku. Cijela komponenta glave je toliko mala da je, kao što možete vidjeti u nastavku, vrlo teško dobiti dobru sliku o njoj običnom kamerom.
Međutim, pojedine dijelove možemo rastaviti. Sivi blok je posebno proizvedeni dio tzv "klizač": Kako se disk rotira ispod sebe, protok zraka stvara podizanje, podižući glavu s površine. A kada kažemo „podizanje“, mislimo na jaz koji je širok samo 0,0000002 inča ili manji od 5 nm.
Dalje, i glave neće moći prepoznati promjene u magnetnim poljima staze; da su glave ležale na površini, jednostavno bi ogrebale premaz. Zbog toga morate filtrirati zrak unutar kućišta pogona: prašina i vlaga na površini pogona jednostavno će razbiti glave.
Sićušni metalni "šip" na kraju glave pomaže u ukupnoj aerodinamici. Međutim, da bismo vidjeli dijelove koji čitaju i pišu, potrebna nam je bolja fotografija.
Na ovoj slici drugog tvrdog diska, uređaji za čitanje/upisivanje nalaze se ispod svih električnih priključaka. Snimanje vrši sistem (indukcija tankog filma, TFI) i čitanje - uređaj (tunelski magnetootporni uređaj, TMR).
Signali koje proizvodi TMR su vrlo slabi i moraju se proći kroz pojačalo da bi se povećali nivoi prije slanja. Čip odgovoran za ovo nalazi se blizu baze poluga na slici ispod.
Kao što je navedeno u uvodu članka, mehaničke komponente i princip rada tvrdog diska su se malo promijenili tokom godina. Najviše od svega, poboljšana je tehnologija magnetnih staza i glava za čitanje-upisivanje, stvarajući sve uže i gušće staze, što je u konačnici dovelo do povećanja količine pohranjenih informacija.
Međutim, mehanički čvrsti diskovi imaju očigledna ograničenja brzine. Potrebno je vrijeme da se poluge pomaknu u željeni položaj, a ako su podaci razbacani po različitim stazama na različitim pločama, tada će pogon potrošiti dosta mikrosekundi tražeći bitove.
Prije nego pređemo na drugu vrstu pogona, naznačimo približnu brzinu tipičnog HDD-a. Koristili smo benchmark za procjenu tvrdog diska :
Prva dva reda označavaju broj MB u sekundi pri izvođenju sekvencijalnog (duga, kontinuirana lista) i nasumičnih (prijelazi kroz cijeli pogon) čitanja i pisanja. Sljedeći red prikazuje IOPS vrijednost, što je broj I/O operacija koje se izvode svake sekunde. Posljednji red prikazuje prosječnu latenciju (vrijeme u mikrosekundama) između prijenosa operacije čitanja ili pisanja i primanja vrijednosti podataka.
Općenito, nastojimo osigurati da vrijednosti u prva tri reda budu što veće, a u posljednjem redu što manje. Ne brinite o samim brojevima, samo ćemo ih koristiti za poređenje kada pogledamo drugu vrstu disk jedinice: SSD uređaj.
izvor: www.habr.com