És magnètic. És elèctric. És fotònic. No, aquest no és un nou trio de superherois de l'univers Marvel. Es tracta d'emmagatzemar les nostres precioses dades digitals. Hem d'emmagatzemar-los en algun lloc, de manera segura i estable, perquè puguem accedir-hi i canviar-los en un obrir i tancar d'ulls. Oblida't d'Iron Man i Thor: estem parlant de discs durs!
Per tant, endinsem-nos en l'anatomia dels dispositius que fem servir avui per emmagatzemar milers de milions de bits de dades.
Em fas girar, nena
Mecànica emmagatzematge del disc dur (unitat de disc dur, HDD) ha estat l'estàndard d'emmagatzematge per a ordinadors de tot el món durant més de 30 anys, però la tecnologia que hi ha darrere és molt més antiga.
IBM va llançar el primer HDD comercial , la seva capacitat era de 3,75 MB. I en general, durant tots aquests anys l'estructura general de la unitat no ha canviat gaire. Encara té discs que utilitzen la magnetització per emmagatzemar dades, i hi ha dispositius per llegir/escriure aquestes dades. Canviat El mateix, i molt fort, és la quantitat de dades que es poden emmagatzemar en ells.
L'any 1987 va ser possible per uns 350 dòlars; Avui pots comprar 14 TB: en 700 000 vegades el volum.
Mirarem un dispositiu que no és exactament de la mateixa mida, però també decent per als estàndards moderns: el HDD de 3,5 polzades Seagate Barracuda 3 TB, en particular, el model , conegut pel seu и . La unitat que estem estudiant ja està morta, així que serà més com una autòpsia que una lliçó d'anatomia.
La major part del disc dur és de metall fos. Les forces dins del dispositiu durant l'ús actiu poden ser força greus, de manera que el metall gruixut evita la flexió i la vibració de la caixa. Fins i tot els petits discs durs d'1,8 polzades utilitzen metall com a material de carcassa, però normalment estan fets d'alumini en lloc d'acer perquè han de ser el més lleugers possible.
Girant la unitat, veiem una placa de circuit imprès i diversos connectors. El connector de la part superior de la placa s'utilitza per al motor que gira els discs, i els tres inferiors (d'esquerra a dreta) són pins de pont que us permeten configurar la unitat per a determinades configuracions, un connector de dades SATA (Serial ATA) , i un connector d'alimentació SATA.
Serial ATA va aparèixer per primera vegada l'any 2000. En els ordinadors d'escriptori, aquest és el sistema estàndard utilitzat per connectar unitats a la resta de l'ordinador. L'especificació de format ha sofert moltes revisions i actualment estem utilitzant la versió 3.4. El nostre cadàver del disc dur és una versió anterior, però la diferència és només un pin al connector d'alimentació.
En les connexions de dades, s'utilitza per rebre i rebre dades. : S'utilitzen els pins A+ i A- transferència instruccions i dades al disc dur, i els pins B són per rebent aquests senyals. Aquest ús de conductors aparellats redueix significativament l'efecte del soroll elèctric sobre el senyal, el que significa que el dispositiu pot funcionar més ràpidament.
Si parlem de potència, veiem que el connector té un parell de contactes de cada voltatge (+3.3, +5 i +12V); tanmateix, la majoria d'ells no s'utilitzen perquè els HDD no requereixen molta potència. Aquest model de Seagate en particular utilitza menys de 10 watts amb càrrega activa. S'utilitzen els contactes marcats amb PC precàrrega: Aquesta característica us permet treure i connectar el disc dur mentre l'ordinador continua funcionant (això s'anomena intercanvi en calent).
El contacte amb l'etiqueta PWDIS permet disc dur, però aquesta funció només és compatible amb la versió SATA 3.3, de manera que a la meva unitat només hi ha una altra línia elèctrica de +3.3 V. I l'últim pin, anomenat SSU, simplement indica a l'ordinador si el disc dur admet la tecnologia de rotació seqüencial. gir esglaonat.
Abans que l'ordinador pugui utilitzar-los, les unitats dins del dispositiu (que veurem aviat) han de girar a tota velocitat. Però si hi ha molts discs durs instal·lats a la màquina, una sol·licitud d'alimentació simultània sobtada pot danyar el sistema. Fer girar progressivament els eixos elimina completament la possibilitat d'aquests problemes, però haureu d'esperar uns segons abans d'obtenir accés complet a l'HDD.
En treure la placa de circuit, podeu veure com es connecta als components de l'interior del dispositiu. disc dur no segellat, amb l'excepció dels dispositius amb capacitats molt grans: utilitzen heli en comptes d'aire perquè és molt menys dens i crea menys problemes a les unitats amb un gran nombre de discs. D'altra banda, no hauríeu d'exposar les unitats convencionals a l'entorn obert.
Gràcies a l'ús d'aquests connectors, es redueix al mínim el nombre de punts d'entrada a través dels quals la brutícia i la pols poden entrar dins de la unitat; hi ha un forat a la caixa metàl·lica (el punt blanc gran a la cantonada inferior esquerra de la imatge) que permet que la pressió ambiental es mantingui a l'interior.
Ara que s'ha eliminat el PCB, fem una ullada al que hi ha dins. Hi ha quatre fitxes principals:
- LSI B64002: xip controlador principal que processa instruccions, transfereix fluxos de dades d'entrada i sortida, corregeix errors, etc.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM a 800 MHz, utilitzat per a la memòria cau de dades
- Smooth MCKXL: controla el motor que fa girar els discos
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB de memòria flash sèrie utilitzada per emmagatzemar el microprogramari de la unitat (una mica com la BIOS d'un ordinador)
Els components de PCB dels diferents HDD poden variar. Les mides més grans requereixen més memòria cau (els monstres més moderns poden tenir fins a 256 MB de DDR3) i el xip del controlador principal pot ser una mica més sofisticat en la gestió d'errors, però en general les diferències no són tan grans.
Obrir la unitat és fàcil, només cal que desenrosqueu uns quants cargols Torx i voilà! Estem dins...
Atès que ocupa la major part del dispositiu, la nostra atenció es crida immediatament pel gran cercle metàl·lic; és fàcil entendre per què es diuen les unitats disc. És correcte cridar-los plaques; estan fets de vidre o alumini i recoberts amb diverses capes de diferents materials. Aquesta unitat de 3 TB té tres plats, el que significa que s'han d'emmagatzemar 500 GB a cada costat d'un plat.
La imatge és força polsegosa, aquestes plaques brutes no coincideixen amb la precisió de disseny i fabricació necessària per fer-les. En el nostre exemple de HDD, el propi disc d'alumini té 0,04 polzades (1 mm) de gruix, però polit fins a tal punt que l'alçada mitjana de les desviacions a la superfície és inferior a 0,000001 polzades (aproximadament 30 nm).
La capa base té només 0,0004 polzades (10 micres) de profunditat i consta de múltiples capes de materials dipositats sobre el metall. L'aplicació es fa utilitzant Seguit per , preparant el disc per als materials magnètics bàsics utilitzats per emmagatzemar dades digitals.
Aquest material és típicament un aliatge de cobalt complex i es compon de cercles concèntrics, cadascun d'aproximadament 0,00001 polzades (aproximadament 250 nm) d'ample i 0,000001 polzades (25 nm) de profunditat. A nivell micro, els aliatges metàl·lics formen grans semblants a les bombolles de sabó a la superfície de l'aigua.
Cada gra té el seu propi camp magnètic, però es pot transformar en una direcció determinada. L'agrupació d'aquests camps dóna com a resultat bits de dades (0 i 1). Si voleu aprendre més sobre aquest tema, llegiu Universitat de Yale. Els recobriments finals són una capa de carboni per a la protecció, i després un polímer per reduir la fricció de contacte. Junts no tenen més de 0,0000005 polzades (12 nm) de gruix.
Aviat veurem per què les hòsties s'han de fabricar amb toleràncies tan estretes, però encara és sorprenent adonar-nos que Pots convertir-te en l'orgullós propietari d'un dispositiu fabricat amb precisió nanomètrica!
Tanmateix, tornem al propi HDD i veiem què hi ha més.
El color groc mostra la coberta metàl·lica que subjecta de manera segura la placa al motor elèctric d'accionament del cargol - un accionament elèctric que fa girar els discos. En aquest HDD giren a una freqüència de 7200 rpm (revolucions/min), però en altres models poden funcionar més lentament. Les unitats lentes tenen menys soroll i consum d'energia, però també menor velocitat, mentre que les unitats més ràpides poden assolir velocitats de 15 rpm.
Per reduir els danys causats per la pols i la humitat de l'aire, feu servir filtre de recirculació (quadrat verd), recollint petites partícules i mantenint-les dins. L'aire mogut per la rotació de les plaques assegura un flux constant a través del filtre. A sobre dels discos i al costat del filtre hi ha un de tres separadors de plaques: ajuda a reduir les vibracions i a mantenir el flux d'aire el més uniforme possible.
A la part superior esquerra de la imatge, el quadrat blau indica un dels dos imants de barra permanents. Proporcionen el camp magnètic necessari per moure el component indicat en vermell. Separem aquests detalls per veure'ls millor.
El que sembla un pegat blanc és un altre filtre, només aquest filtra les partícules i els gasos que entren des de l'exterior pel forat que hem vist més amunt. Les puntes metàl·liques són palanques de moviment del cap, sobre la qual es troben capçals de lectura-escriptura disc dur. Es mouen a una velocitat enorme per la superfície de les plaques (superior i inferior).
Mira aquest vídeo creat per per veure a quina velocitat són:
El disseny no utilitza res semblant ; Per moure les palanques, es fa passar un corrent elèctric a través d'un solenoide a la base de les palanques.
En general s'anomenen , perquè utilitzen el mateix principi utilitzat en altaveus i micròfons per moure les membranes. El corrent genera un camp magnètic al seu voltant, que reacciona al camp creat pels imants de barra permanents.
No us oblideu que les pistes de dades petit, per la qual cosa el posicionament dels braços ha de ser extremadament precís, igual que tota la resta de la unitat. Alguns discs durs tenen palanques de diverses etapes que fan petits canvis en la direcció d'una part de tota la palanca.
Alguns discs durs tenen pistes de dades que se superposen entre si. Aquesta tecnologia es diu (enregistrament magnètic amb teules) i els seus requisits de precisió i posicionament (és a dir, per colpejar constantment un punt) són encara més estrictes.
Al final dels braços hi ha capçals de lectura i escriptura molt sensibles. El nostre disc dur conté 3 plats i 6 capçals, i cadascun d'ells neda per sobre del disc mentre gira. Per aconseguir-ho, els caps estan suspesos sobre tires de metall ultra fines.
I aquí podem veure per què va morir el nostre exemplar anatòmic: almenys un dels caps es va soltar, i el que va causar el dany inicial també va doblegar un dels braços. Tot el component del cap és tan petit que, com podeu veure a continuació, és molt difícil fer-ne una bona imatge amb una càmera normal.
Tanmateix, podem separar les parts individuals. El bloc gris és una peça fabricada especialment anomenada "lliscador": A mesura que el disc gira per sota, el flux d'aire crea elevació, aixecant el cap de la superfície. I quan diem "ascensors", ens referim a un buit que només té 0,0000002 polzades d'ample, o menys de 5 nm.
Més enllà, i els caps no podran reconèixer els canvis en els camps magnètics de la pista; si els caps estiguessin a la superfície, simplement rascarien el recobriment. És per això que cal filtrar l'aire dins de la caixa de la unitat: la pols i la humitat a la superfície de la unitat simplement trencaran els capçals.
Un petit "pal" metàl·lic a l'extrem del cap ajuda amb l'aerodinàmica general. Tanmateix, per veure les parts que fan la lectura i l'escriptura, necessitem una millor foto.
En aquesta imatge d'un altre disc dur, els dispositius de lectura/escriptura es troben a sota de totes les connexions elèctriques. La gravació la realitza el sistema (inducció de pel·lícula fina, TFI) i lectura - dispositiu (dispositiu magnetoresistiu de túnel, TMR).
Els senyals produïts per TMR són molt febles i s'han de passar per un amplificador per augmentar els nivells abans de ser enviats. El xip responsable d'això es troba prop de la base de les palanques de la imatge següent.
Com s'indica a la introducció de l'article, els components mecànics i el principi de funcionament d'un disc dur han canviat poc al llarg dels anys. Sobretot, es va millorar la tecnologia de pistes magnètiques i capçals de lectura-escriptura, creant pistes cada cop més estretes i denses, la qual cosa, finalment, va provocar un augment de la quantitat d'informació emmagatzemada.
Tanmateix, els discs durs mecànics tenen limitacions de velocitat evidents. Es necessita temps per moure les palanques a la posició desitjada i, si les dades es troben disperses per diferents pistes en plats diferents, la unitat passarà uns quants microsegons buscant bits.
Abans de passar a un altre tipus de disc, indiquem la velocitat aproximada d'un HDD típic. Hem utilitzat el punt de referència per avaluar el disc dur :
Les dues primeres línies indiquen el nombre de MB per segon quan es realitzen lectures i escriptures seqüencials (llista llarga i contínua) i aleatòries (transicions a tota la unitat). La línia següent mostra el valor IOPS, que és el nombre d'operacions d'E/S realitzades cada segon. L'última línia mostra la latència mitjana (temps en microsegons) entre la transmissió d'una operació de lectura o escriptura i la recepció dels valors de les dades.
En general, ens esforcem perquè els valors de les tres primeres línies siguin tan grans com sigui possible i, a l'última, el més petit possible. No us preocupeu pels números en si, només els farem servir per comparar quan mirem un altre tipus de unitat: la unitat d'estat sòlid.
Font: www.habr.com