Je to magnetické. Je to elektrické. Je to fotonické. Ne, nejedná se o nové superhrdinské trio z univerza Marvel. Jde o ukládání našich cenných digitálních dat. Musíme je někde bezpečně a stabilně uložit, abychom k nim měli přístup a mohli je měnit v mžiku oka. Zapomeňte na Iron Mana a Thora – mluvíme o pevných discích!
Pojďme se tedy ponořit do anatomie zařízení, která dnes používáme k ukládání miliard bitů dat.
Točíš mě pořádně, zlato
Mechanické úložiště na pevném disku (pevný disk, HDD) je standardem úložiště pro počítače po celém světě již více než 30 let, ale technologie za ním je mnohem starší.
IBM vydala první komerční HDD , jeho kapacita byla celých 3,75 MB. A obecně se za všechna ta léta obecná struktura pohonu příliš nezměnila. Stále má disky, které používají magnetizaci k ukládání dat, a existují zařízení pro čtení/zápis těchto dat. Změnila Stejné a velmi silné je množství dat, které na ně lze uložit.
V roce 1987 to bylo možné za přibližně 350 $; Dnes můžete zakoupit 14 TB: in 700 000 násobek hlasitosti.
Podíváme se na zařízení, které není úplně stejně velké, ale na moderní standardy také slušné: 3,5palcový HDD Seagate Barracuda 3 TB, konkrétně model , proslulý svým и . Jednotka, kterou studujeme, je již mrtvá, takže to bude spíše pitva než hodina anatomie.
Převážná část pevného disku je litá. Síly uvnitř zařízení při aktivním používání mohou být docela vážné, takže tlustý kov zabraňuje ohýbání a vibracím pouzdra. Dokonce i malé 1,8palcové HDD používají kov jako materiál krytu, ale obvykle jsou vyrobeny z hliníku spíše než z oceli, protože musí být co nejlehčí.
Po otočení mechaniky vidíme desku plošných spojů a několik konektorů. Konektor v horní části desky se používá pro motor, který otáčí disky, a spodní tři (zleva doprava) jsou propojky, které umožňují konfigurovat jednotku pro určité konfigurace, datový konektor SATA (Serial ATA) a napájecí konektor SATA.
Serial ATA se poprvé objevilo v roce 2000. Ve stolních počítačích se jedná o standardní systém používaný k připojení jednotek ke zbytku počítače. Specifikace formátu prošla mnoha revizemi a v současné době používáme verzi 3.4. Naše mrtvola pevného disku je starší verze, ale rozdíl je pouze v jednom pinu v napájecím konektoru.
V datových spojeních slouží k příjmu a příjmu dat. : Piny A+ a A- se používají pro převod pokyny a data na pevný disk a kolíky B jsou určeny přijímání tyto signály. Toto použití párových vodičů výrazně snižuje vliv elektrického šumu na signál, což znamená, že zařízení může pracovat rychleji.
Pokud mluvíme o napájení, vidíme, že konektor má pár kontaktů každého napětí (+3.3, +5 a +12V); většina z nich se však nepoužívá, protože HDD nevyžadují mnoho energie. Tento konkrétní model Seagate spotřebuje méně než 10 wattů při aktivní zátěži. Kontakty označené PC slouží pro příplatek: Tato funkce umožňuje vyjmout a připojit pevný disk, zatímco počítač pokračuje v práci (tzv hot swapování).
Kontakt se značkou PWDIS umožňuje pevný disk, ale tato funkce je podporována pouze od verze SATA 3.3, takže v mém disku je to jen další +3.3V napájecí vedení. A poslední pin, označený SSU, jednoduše říká počítači, zda pevný disk podporuje technologii sekvenčního roztáčení. stupňovité roztočení.
Než je bude moci počítač používat, musí se disky uvnitř zařízení (které brzy uvidíme) roztočit na plné otáčky. Pokud je však ve stroji nainstalováno mnoho pevných disků, může náhlý současný požadavek na napájení poškodit systém. Postupné roztáčení vřeten zcela eliminuje možnost takových problémů, ale budete muset počkat několik sekund, než získáte plný přístup k HDD.
Po odstranění desky plošných spojů můžete vidět, jak se připojuje k součástem uvnitř zařízení. HDD není zapečetěno, s výjimkou zařízení s velmi velkými kapacitami - používají helium místo vzduchu, protože je mnohem méně husté a vytváří méně problémů v jednotkách s velkým počtem disků. Na druhou stranu byste neměli konvenční disky vystavovat otevřenému prostředí.
Díky použití takových konektorů je minimalizován počet vstupních bodů, kterými se mohou nečistoty a prach dostat dovnitř jednotky; v kovovém pouzdře je otvor (velký bílý bod v levém dolním rohu obrázku), který umožňuje, aby uvnitř zůstal okolní tlak.
Nyní, když je deska plošných spojů odstraněna, pojďme se podívat na to, co je uvnitř. Existují čtyři hlavní čipy:
- LSI B64002: Hlavní řídicí čip, který zpracovává instrukce, přenáší datové toky dovnitř a ven, opravuje chyby atd.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM s frekvencí 800 MHz, používá se pro ukládání dat do mezipaměti
- Smooth MCKXL: ovládá motor, který otáčí disky
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB sériové flash paměti používané k uložení firmwaru disku (trochu jako BIOS počítače)
Součásti PCB různých pevných disků se mohou lišit. Větší velikosti vyžadují více mezipaměti (nejmodernější monstra mohou mít až 256 MB DDR3) a čip hlavního řadiče může být o něco sofistikovanější ve zpracování chyb, ale celkově rozdíly nejsou tak velké.
Otevření disku je snadné, stačí odšroubovat několik šroubů Torx a voila! Jsme uvnitř...
Vzhledem k tomu, že zabírá většinu zařízení, naši pozornost okamžitě upoutá velký kovový kruh; je snadné pochopit, proč se disky nazývají disk. Je správné jim říkat desky; jsou vyrobeny ze skla nebo hliníku a potaženy několika vrstvami různých materiálů. Tento 3TB disk má tři plotny, což znamená, že na každé straně jednoho talíře by mělo být uloženo 500 GB.
Obraz je dost zaprášený, takto špinavé desky neodpovídají preciznosti provedení a výroby potřebné k jejich zhotovení. V našem příkladu HDD je samotný hliníkový disk 0,04 palce (1 mm) tlustý, ale leštěný do takové míry, že průměrná výška odchylek na povrchu je menší než 0,000001 palce (přibližně 30 nm).
Základní vrstva je pouze 0,0004 palce (10 mikronů) hluboká a skládá se z několika vrstev materiálů nanesených na kov. Aplikace se provádí pomocí následován , příprava disku pro základní magnetické materiály používané k ukládání digitálních dat.
Tento materiál je typicky komplexní slitina kobaltu a je složen ze soustředných kruhů, z nichž každý je přibližně 0,00001 palce (přibližně 250 nm) široký a 0,000001 palce (25 nm) hluboký. Na mikroúrovni tvoří slitiny kovů na povrchu vody zrna podobná mýdlovým bublinám.
Každé zrno má své vlastní magnetické pole, ale může být transformováno v daném směru. Výsledkem seskupení takových polí jsou datové bity (0s a 1s). Pokud se chcete o tomto tématu dozvědět více, čtěte Univerzita Yale. Konečné povlaky jsou vrstvou uhlíku pro ochranu a poté polymerem pro snížení kontaktního tření. Dohromady nemají tloušťku větší než 0,0000005 palce (12 nm).
Brzy uvidíme, proč musí být destičky vyráběny s tak těsnými tolerancemi, ale je stále překvapivé, když si uvědomíme, že Můžete se stát hrdým majitelem zařízení vyrobeného s nanometrovou přesností!
Vraťme se však k samotnému HDD a podívejme se, co dalšího v něm je.
Žlutá barva znázorňuje kovový kryt, který bezpečně připevňuje desku k desce elektromotor pohonu vřetena - elektrický pohon, který otáčí disky. V tomto HDD se točí frekvencí 7200 ot/min (ot./min), ale u jiných modelů mohou pracovat pomaleji. Pomalé disky mají nižší hlučnost a spotřebu, ale také nižší rychlost, zatímco rychlejší disky mohou dosahovat rychlosti 15 000 otáček za minutu.
Pro snížení škod způsobených prachem a vzdušnou vlhkostí použijte recirkulační filtr (zelený čtverec), sbírání malých částic a držení je uvnitř. Vzduch pohybovaný rotací desek zajišťuje konstantní průtok filtrem. Nad kotouči a vedle filtru je jeden ze tří deskové separátory: pomáhá snižovat vibrace a udržovat proudění vzduchu co nejrovnoměrněji.
V levé horní části obrázku označuje modrý čtverec jeden ze dvou permanentních tyčových magnetů. Poskytují magnetické pole potřebné k pohybu součásti označené červeně. Pojďme tyto detaily oddělit, abychom je lépe viděli.
To, co vypadá jako bílá skvrna, je další filtr, jen tento filtruje částice a plyny, které vstupují zvenčí otvorem, který jsme viděli nahoře. Kovové hroty jsou páky pohybu hlavy, na kterém jsou umístěny čtecí a zapisovací hlavy pevný disk. Pohybují se obrovskou rychlostí po povrchu desek (horní i spodní).
Podívejte se na toto video vytvořené uživatelem abyste viděli, jak jsou rychlé:
Design nic podobného nepoužívá ; K pohybu pák prochází elektrický proud přes solenoid na základně pák.
Obecně se nazývají , protože používají stejný princip jako v reproduktorech a mikrofonech k pohybu membrán. Proud kolem nich vytváří magnetické pole, které reaguje na pole vytvořené permanentními tyčovými magnety.
Nezapomeňte na datové stopy drobný, takže umístění ramen musí být extrémně přesné, stejně jako všechno ostatní v pohonu. Některé pevné disky mají vícestupňové páčky, které provádějí malé změny ve směru pouze jedné části celé páčky.
Některé pevné disky mají datové stopy, které se navzájem překrývají. Tato technologie se nazývá (šindelový magnetický záznam), a jeho požadavky na přesnost a polohování (tedy neustále se trefovat do jednoho bodu) jsou ještě přísnější.
Na samém konci ramen jsou velmi citlivé čtecí a zapisovací hlavy. Náš HDD obsahuje 3 plotny a 6 hlav a každou z nich plave nad diskem, když se otáčí. Aby toho bylo dosaženo, jsou hlavy zavěšeny na ultratenkých pásech kovu.
A tady vidíme, proč náš anatomický exemplář zemřel - minimálně jedna z hlav se uvolnila a cokoli způsobilo počáteční poškození, také ohnulo jednu z paží. Celá součást hlavy je tak malá, že, jak můžete vidět níže, je velmi obtížné získat její dobrý obrázek s běžným fotoaparátem.
Jednotlivé díly však můžeme rozebrat. Šedý blok je speciálně vyrobený díl tzv "jezdec": Jak se kotouč otáčí pod ním, proud vzduchu vytváří vztlak a zvedá hlavu z povrchu. A když říkáme „výtahy“, máme na mysli mezeru, která je široká pouze 0,0000002 palce, tedy méně než 5 nm.
Jakkoli dále, hlavy nebudou schopny rozpoznat změny v magnetických polích dráhy; pokud by hlavy ležely na povrchu, jednoduše by poškrábaly povlak. To je důvod, proč musíte filtrovat vzduch uvnitř pouzdra disku: prach a vlhkost na povrchu disku jednoduše rozbijí hlavy.
K celkové aerodynamice pomáhá malinká kovová "tyč" na konci hlavy. Abychom však viděli části, které provádějí čtení a zápis, potřebujeme lepší fotografii.
Na tomto obrázku jiného pevného disku jsou zařízení pro čtení/zápis pod všemi elektrickými spoji. Nahrávání provádí systém (indukce tenkým filmem, TFI) a čtení - zařízení (tunelovací magnetorezistivní zařízení, TMR).
Signály produkované TMR jsou velmi slabé a musí před odesláním projít zesilovačem, aby se zvýšila úroveň. Čip, který je za to zodpovědný, se nachází poblíž základny pák na obrázku níže.
Jak je uvedeno v úvodu článku, mechanické součásti a princip fungování pevného disku se v průběhu let změnily jen málo. Především se zlepšila technologie magnetických stop a čtecích a zapisovacích hlav, čímž se vytvářely stále užší a hustší stopy, což v konečném důsledku vedlo ke zvýšení množství ukládaných informací.
Mechanické pevné disky však mají zjevná omezení rychlosti. Přesunutí pák do požadované polohy nějakou dobu trvá, a pokud jsou data rozptýlena po různých stopách na různých plotnách, pak disk stráví hledáním bitů pěkných pár mikrosekund.
Než přejdeme k jinému typu disku, uveďte přibližnou rychlost typického HDD. Použili jsme benchmark vyhodnotit pevný disk :
První dva řádky udávají počet MB za sekundu při provádění sekvenčního (dlouhý, nepřetržitý seznam) a náhodného (přechody v rámci celé jednotky) čtení a zápisu. Na dalším řádku je uvedena hodnota IOPS, což je počet I/O operací provedených každou sekundu. Poslední řádek ukazuje průměrnou latenci (čas v mikrosekundách) mezi odesláním operace čtení nebo zápisu a přijetím datových hodnot.
Obecně se snažíme zajistit, aby hodnoty v prvních třech řádcích byly co největší a na posledním řádku co nejmenší. Nebojte se samotných čísel, použijeme je pouze pro srovnání, když se podíváme na jiný typ disku: SSD.
Zdroj: www.habr.com