Det er magnetisk. Den er elektrisk. Det er fotonisk. Nej, dette er ikke en ny superheltetrio fra Marvel-universet. Det handler om at opbevare vores dyrebare digitale data. Vi skal opbevare dem et sted, sikkert og stabilt, så vi kan få adgang til og ændre dem på et øjeblik. Glem Iron Man og Thor – vi taler om harddiske!
Så lad os dykke ned i anatomien af de enheder, vi bruger i dag til at lagre milliarder af databit.
Du drejer mig lige rundt, skat
mekanisk harddisk opbevaring (harddisk, HDD) har været lagringsstandarden for computere over hele verden i mere end 30 år, men teknologien bag er meget ældre.
IBM udgav den første kommercielle HDD , dens kapacitet var så meget som 3,75 MB. Og generelt har den generelle struktur af drevet i alle disse år ikke ændret sig meget. Det har stadig diske, der bruger magnetisering til at gemme data, og der er enheder til at læse/skrive disse data. Ændret Det samme, og meget stærkt, er mængden af data, der kan gemmes på dem.
I 1987 var det muligt for omkring $350; I dag du kan købe 14 TB: i 700 000 gange lydstyrken.
Vi vil se på en enhed, der ikke er nøjagtig den samme størrelse, men også anstændig efter moderne standarder: 3,5-tommer HDD Seagate Barracuda 3 TB, især modellen , berygtet for sin и . Det drev, vi studerer, er allerede dødt, så det vil være mere som en obduktion end en anatomi-lektion.
Hovedparten af harddisken er støbt metal. Kræfterne inde i enheden under aktiv brug kan være ret alvorlige, så tykt metal forhindrer bøjning og vibration af kabinettet. Selv små 1,8-tommer HDD'er bruger metal som husmateriale, men de er normalt lavet af aluminium i stedet for stål, fordi de skal være så lette som muligt.
Når vi vender drevet om, ser vi et printkort og flere stik. Konnektoren øverst på kortet bruges til motoren, der roterer diskene, og de nederste tre (fra venstre mod højre) er jumperben, der giver dig mulighed for at konfigurere drevet til bestemte konfigurationer, et SATA (Serial ATA) datastik , og et SATA-strømstik.
Serial ATA dukkede første gang op i 2000. På stationære computere er dette standardsystemet, der bruges til at forbinde drev til resten af computeren. Formatspecifikationen har gennemgået mange revisioner, og vi bruger i øjeblikket version 3.4. Vores harddisk lig er en ældre version, men forskellen er kun en pin i strømstikket.
I dataforbindelser bruges det til at modtage og modtage data. : Ben A+ og A- bruges til overførsel instruktioner og data til harddisken, og ben B er til modtager disse signaler. Denne brug af parrede ledere reducerer betydeligt effekten af elektrisk støj på signalet, hvilket betyder, at enheden kan fungere hurtigere.
Hvis vi taler om strøm, ser vi, at stikket har et par kontakter af hver spænding (+3.3, +5 og +12V); de fleste af dem bruges dog ikke, fordi HDD'er ikke kræver meget strøm. Denne særlige Seagate-model bruger mindre end 10 watt under aktiv belastning. Kontakter mærket PC bruges til foropladning: Denne funktion giver dig mulighed for at fjerne og tilslutte harddisken, mens computeren fortsætter med at arbejde (dette kaldes hot swapping).
Kontakt med PWDIS tag tillader harddisk, men denne funktion understøttes kun fra version SATA 3.3, så i mit drev er det bare endnu en +3.3V strømledning. Og den sidste pin, mærket SSU, fortæller simpelthen computeren, om harddisken understøtter sekventiel spin-up-teknologi. forskudt spin op.
Før computeren kan bruge dem, skal drevene inde i enheden (som vi snart vil se) dreje op til fuld hastighed. Men hvis der er mange harddiske installeret i maskinen, kan en pludselig samtidig strømanmodning skade systemet. Gradvist opskruning af spindlerne eliminerer fuldstændig muligheden for sådanne problemer, men du bliver nødt til at vente et par sekunder, før du får fuld adgang til HDD'en.
Ved at fjerne printkortet kan du se, hvordan det forbindes til komponenterne inde i enheden. HDD ikke forseglet, med undtagelse af enheder med meget stor kapacitet - de bruger helium i stedet for luft, fordi det er meget mindre tæt og skaber færre problemer i drev med et stort antal diske. På den anden side bør du ikke udsætte konventionelle drev for det åbne miljø.
Takket være brugen af sådanne stik minimeres antallet af indgangspunkter, hvorigennem snavs og støv kan komme ind i drevet; der er et hul i metalhuset (den store hvide prik i nederste venstre hjørne af billedet), der gør det muligt at forblive omgivende tryk indeni.
Nu hvor printkortet er fjernet, lad os tage et kig på, hvad der er indeni. Der er fire hovedchips:
- LSI B64002: Hovedcontroller-chip, der behandler instruktioner, overfører datastrømme ind og ud, retter fejl mv.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM clocket til 800 MHz, brugt til datacache
- Smooth MCKXL: styrer motoren, der roterer skiverne
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB seriel flashhukommelse brugt til at gemme drevets firmware (lidt ligesom en computers BIOS)
PCB-komponenterne på forskellige HDD'er kan variere. Større størrelser kræver mere cache (de mest moderne monstre kan have op til 256 MB DDR3), og den primære controller-chip kan være lidt mere sofistikeret i fejlhåndtering, men generelt er forskellene ikke så store.
Det er nemt at åbne drevet, bare skru et par Torx-bolte af og voila! Vi er inde...
I betragtning af at det fylder hovedparten af enheden, henledes vores opmærksomhed straks på den store metalcirkel; det er let at forstå, hvorfor drev kaldes disk. Det er korrekt at ringe til dem plader; de er lavet af glas eller aluminium og belagt med flere lag af forskellige materialer. Dette 3TB-drev har tre plader, hvilket betyder, at 500 GB skal opbevares på hver side af en tallerken.
Billedet er ret støvet, sådanne snavsede plader matcher ikke præcisionen af design og fremstilling, der kræves for at lave dem. I vores HDD-eksempel er selve aluminiumsskiven 0,04 tomme (1 mm) tyk, men poleret i en sådan grad, at den gennemsnitlige højde af afvigelserne på overfladen er mindre end 0,000001 tomme (ca. 30 nm).
Basislaget er kun 0,0004 tommer (10 mikron) dybt og består af flere lag af materialer aflejret på metallet. Ansøgning udføres vha efterfulgt af , forbereder disken til de grundlæggende magnetiske materialer, der bruges til at lagre digitale data.
Dette materiale er typisk en kompleks koboltlegering og er sammensat af koncentriske cirkler, hver ca. 0,00001 tommer (ca. 250 nm) bred og 0,000001 tommer (25 nm) dyb. På mikroniveau danner metallegeringer korn, der ligner sæbebobler på overfladen af vand.
Hvert korn har sit eget magnetfelt, men det kan transformeres i en given retning. Gruppering af sådanne felter resulterer i databits (0'er og 1'er). Hvis du vil lære mere om dette emne, så læs Yale Universitet. De endelige belægninger er et lag af kulstof til beskyttelse, og derefter en polymer for at reducere kontaktfriktion. Tilsammen er de ikke mere end 0,0000005 tommer (12 nm) tykke.
Vi vil snart se, hvorfor waflerne skal fremstilles til så snævre tolerancer, men det er stadig overraskende at indse, at Du kan blive den stolte ejer af en enhed fremstillet med nanometerpræcision!
Lad os dog gå tilbage til selve harddisken og se, hvad der ellers er i den.
Den gule farve viser metaldækslet, der fastgør pladen sikkert til spindeldrevet elmotor - et elektrisk drev, der roterer skiverne. I denne HDD roterer de med en frekvens på 7200 rpm (omdrejninger/min), men i andre modeller kan de arbejde langsommere. Langsomme drev har lavere støj og strømforbrug, men også lavere hastighed, mens hurtigere drev kan nå hastigheder på 15 o/min.
For at reducere skader forårsaget af støv og luftfugtighed, brug recirkulationsfilter (grøn firkant), opsamler små partikler og holder dem inde. Luft, der bevæges af pladernes rotation, sikrer en konstant strøm gennem filteret. Over skiverne og ved siden af filteret er der en af tre pladeskillere: hjælper med at reducere vibrationer og opretholde luftstrømmen så jævn som muligt.
I den øverste venstre del af billedet angiver den blå firkant en af de to permanente stangmagneter. De giver det magnetiske felt, der er nødvendigt for at flytte komponenten angivet med rødt. Lad os adskille disse detaljer for at se dem bedre.
Det, der ligner en hvid plet, er et andet filter, kun dette filtrerer partikler og gasser fra, der kommer ind udefra gennem hullet, vi så ovenfor. Metal pigge er hovedbevægelseshåndtag, hvorpå de er placeret læse-skrive hoveder harddisk. De bevæger sig med enorm hastighed langs overfladen af pladerne (øvre og nedre).
Se denne video skabt af for at se, hvor hurtige de er:
Designet bruger ikke noget lignende ; For at flytte håndtagene føres en elektrisk strøm gennem en solenoide i bunden af håndtagene.
Generelt kaldes de , fordi de bruger det samme princip, som bruges i højttalere og mikrofoner til at flytte membraner. Strømmen genererer et magnetfelt omkring dem, som reagerer på det felt, der skabes af de permanente stangmagneter.
Glem ikke, at data sporer lille bitte, så positioneringen af armene skal være ekstremt præcis, ligesom alt andet i drevet. Nogle harddiske har flertrinshåndtag, der laver små ændringer i retning af kun en del af hele håndtaget.
Nogle harddiske har dataspor, der overlapper hinanden. Denne teknologi kaldes (shingled magnetic recording), og dens krav til nøjagtighed og positionering (det vil sige konstant at ramme ét punkt) er endnu strengere.
Helt for enden af armene er der meget følsomme læse-skrivehoveder. Vores HDD indeholder 3 plader og 6 hoveder, og hver af dem svømmer over disken, når den roterer. For at opnå dette er hovederne ophængt på ultratynde metalstrimler.
Og her kan vi se, hvorfor vores anatomiske eksemplar døde - i det mindste et af hovederne blev løst, og uanset hvad der forårsagede den første skade bøjede også den ene af armene. Hele hovedkomponenten er så lille, at det, som du kan se nedenfor, er meget svært at få et godt billede af det med et almindeligt kamera.
Vi kan dog skille de enkelte dele ad. Den grå blok er en specialfremstillet del kaldet "skyder": Når skiven roterer nedenunder den, skaber luftstrømmen løft og løfter hovedet fra overfladen. Og når vi siger "løft", mener vi et mellemrum, der kun er 0,0000002 tommer bredt eller mindre end 5 nm.
Yderligere, og hovederne vil ikke være i stand til at genkende ændringer i sporets magnetiske felter; hvis hovederne lå på overfladen, ville de simpelthen ridse belægningen. Det er derfor, du skal filtrere luften inde i drevhuset: støv og fugt på overfladen af drevet vil simpelthen knække hovederne.
En lille metal "stang" for enden af hovedet hjælper med den generelle aerodynamik. Men for at se de dele, der gør læsning og skrivning, har vi brug for et bedre billede.
På dette billede af en anden harddisk er læse/skrive-enhederne under alle de elektriske forbindelser. Optagelse udføres af systemet (tyndfilm induktion, TFI) og læsning - enhed (tunneling magnetoresistiv enhed, TMR).
Signalerne produceret af TMR er meget svage og skal sendes gennem en forstærker for at øge niveauerne, før de sendes. Chippen, der er ansvarlig for dette, er placeret nær bunden af håndtagene på billedet nedenfor.
Som det fremgår af indledningen til artiklen, har de mekaniske komponenter og driftsprincippet for en harddisk ændret sig lidt gennem årene. Mest af alt blev teknologien til magnetiske spor og læse-skrivehoveder forbedret, hvilket skabte stadig mere smalle og tætte spor, hvilket i sidste ende førte til en stigning i mængden af lagret information.
Men mekaniske harddiske har indlysende hastighedsbegrænsninger. Det tager tid at flytte håndtagene til den ønskede position, og hvis dataene er spredt ud over forskellige spor på forskellige plader, så vil drevet bruge en del mikrosekunder på at søge efter bits.
Inden vi går videre til en anden type drev, lad os angive den omtrentlige hastighed på en typisk harddisk. Vi brugte benchmark for at evaluere harddisken :
De første to linjer angiver antallet af MB pr. sekund, når der udføres sekventiel (lang, kontinuerlig liste) og tilfældig (overgange gennem hele drevet) læser og skriver. Den næste linje viser IOPS-værdien, som er antallet af I/O-operationer, der udføres hvert sekund. Den sidste linje viser den gennemsnitlige latenstid (tid i mikrosekunder) mellem afsendelse af en læse- eller skriveoperation og modtagelse af dataværdierne.
Generelt bestræber vi os på at sikre, at værdierne i de første tre linjer er så store som muligt, og i den sidste linje så små som muligt. Du skal ikke bekymre dig om selve tallene, vi vil bare bruge dem til sammenligning, når vi ser på en anden type drev: solid-state-drevet.
Kilde: www.habr.com