Es ist magnetisch. Es ist elektrisch. Es ist photonisch. Nein, das ist kein neues Superhelden-Trio aus dem Marvel-Universum. Es geht darum, unsere wertvollen digitalen Daten zu speichern. Wir müssen sie irgendwo sicher und stabil aufbewahren, damit wir sie im Handumdrehen abrufen und ändern können. Vergessen Sie Iron Man und Thor – wir reden hier über Festplatten!
Tauchen wir also in die Anatomie der Geräte ein, die wir heute zum Speichern von Milliarden von Datenbits verwenden.
Du wirbelst mich herum, Baby
Mechanisch Festplattenspeicher (Festplattenlaufwerk, HDD) ist seit mehr als 30 Jahren der Speicherstandard für Computer auf der ganzen Welt, die Technologie dahinter ist jedoch viel älter.
IBM brachte die erste kommerzielle Festplatte auf den Markt , seine Kapazität betrug bis zu 3,75 MB. Und im Allgemeinen hat sich in all den Jahren an der Gesamtstruktur des Antriebs nicht viel geändert. Es gibt immer noch Festplatten, die Magnetisierung zum Speichern von Daten nutzen, und es gibt Geräte zum Lesen/Schreiben dieser Daten. Geändert Das Gleiche, und zwar sehr stark, ist die Datenmenge, die auf ihnen gespeichert werden kann.
1987 war es möglich für etwa 350 $; Heute Sie können 14 TB kaufen: in 700 000 mal die Lautstärke.
Wir werden uns ein Gerät ansehen, das nicht ganz die gleiche Größe hat, aber für moderne Verhältnisse ebenfalls ordentlich ist: die 3,5-Zoll-Festplatte Seagate Barracuda 3 TB, insbesondere das Modell , berüchtigt für seine и . Der Antrieb, den wir untersuchen, ist bereits tot, daher ähnelt dies eher einer Autopsie als einer Anatomiestunde.
Der Großteil der Festplatte besteht aus Gussmetall. Während des aktiven Gebrauchs können die Kräfte im Inneren des Geräts sehr groß sein, daher verhindert dickes Metall ein Verbiegen und Vibrationen des Gehäuses. Selbst winzige 1,8-Zoll-Festplatten verwenden Metall als Gehäusematerial, werden jedoch meist aus Aluminium statt aus Stahl hergestellt, da sie möglichst leicht sein müssen.
Wenn wir das Laufwerk umdrehen, sehen wir eine Leiterplatte und mehrere Anschlüsse. Der Anschluss oben auf der Platine wird für den Motor verwendet, der die Festplatten dreht, und die unteren drei (von links nach rechts) sind Jumper-Pins, mit denen Sie das Laufwerk für bestimmte Konfigurationen konfigurieren können, einen SATA-Datenanschluss (Serial ATA). und einen SATA-Stromanschluss.
Serial ATA erschien erstmals im Jahr 2000. Bei Desktop-Computern ist dies das Standardsystem, mit dem Laufwerke mit dem Rest des Computers verbunden werden. Die Formatspezifikation wurde mehrfach überarbeitet und wir verwenden derzeit Version 3.4. Bei unserer Festplattenleiche handelt es sich um eine ältere Version, der Unterschied besteht jedoch nur in einem Pin im Stromanschluss.
Bei Datenverbindungen dient es dem Empfangen und Empfangen von Daten. : Pins A+ und A- werden verwendet für Transfer Anweisungen und Daten auf die Festplatte, und Pins B sind für получения diese Signale. Durch die Verwendung gepaarter Leiter wird die Auswirkung von elektrischem Rauschen auf das Signal erheblich reduziert, sodass das Gerät schneller arbeiten kann.
Wenn wir über Strom sprechen, sehen wir, dass der Stecker über ein Kontaktpaar für jede Spannung (+3.3, +5 und +12 V) verfügt; Die meisten davon werden jedoch nicht verwendet, da Festplatten nicht viel Strom benötigen. Dieses spezielle Seagate-Modell verbraucht unter aktiver Last weniger als 10 Watt. Die mit PC gekennzeichneten Kontakte werden verwendet vorladen: Mit dieser Funktion können Sie die Festplatte entfernen und anschließen, während der Computer weiterarbeitet (dies wird als Hot-Swapping).
Der Kontakt mit dem PWDIS-Tag ermöglicht Festplatte, aber diese Funktion wird erst ab Version SATA 3.3 unterstützt, also ist es bei meiner Festplatte nur eine weitere +3.3V-Stromleitung. Und der letzte Pin mit der Bezeichnung SSU teilt dem Computer einfach mit, ob die Festplatte die sequentielle Spin-Up-Technologie unterstützt. gestaffeltes Hochdrehen.
Bevor der Computer sie nutzen kann, müssen die Laufwerke im Gerät (was wir gleich sehen werden) auf volle Geschwindigkeit hochlaufen. Wenn jedoch viele Festplatten in der Maschine installiert sind, kann eine plötzliche gleichzeitige Stromanforderung das System beschädigen. Durch schrittweises Hochdrehen der Spindeln wird die Möglichkeit solcher Probleme vollständig ausgeschlossen, Sie müssen jedoch einige Sekunden warten, bevor Sie vollen Zugriff auf die Festplatte erhalten.
Wenn Sie die Platine entfernen, können Sie sehen, wie sie mit den Komponenten im Inneren des Geräts verbunden ist. Festplatte Nicht versiegelt, mit Ausnahme von Geräten mit sehr großen Kapazitäten – sie verwenden Helium anstelle von Luft, da es eine viel geringere Dichte hat und bei Laufwerken mit einer großen Anzahl von Festplatten weniger Probleme verursacht. Andererseits sollten Sie herkömmliche Laufwerke nicht der offenen Umgebung aussetzen.
Dank der Verwendung solcher Anschlüsse wird die Anzahl der Eintrittspunkte, durch die Schmutz und Staub in das Innere des Laufwerks gelangen können, minimiert; Im Metallgehäuse befindet sich ein Loch (der große weiße Punkt in der unteren linken Ecke des Bildes), durch das der Umgebungsdruck im Inneren verbleibt.
Nachdem die Platine nun entfernt ist, werfen wir einen Blick auf den Inhalt. Es gibt vier Hauptchips:
- LSI B64002: Hauptcontroller-Chip, der Anweisungen verarbeitet, Datenströme ein- und ausleitet, Fehler korrigiert usw.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM, getaktet mit 800 MHz, wird für das Daten-Caching verwendet
- Smooth MCKXL: steuert den Motor, der die Scheiben dreht
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB serieller Flash-Speicher zum Speichern der Firmware des Laufwerks (ein bisschen wie das BIOS eines Computers)
Die PCB-Komponenten verschiedener Festplatten können variieren. Größere Größen erfordern mehr Cache (die modernsten Monster können bis zu 256 MB DDR3 haben), und der Hauptcontroller-Chip ist möglicherweise etwas ausgefeilter in der Fehlerbehandlung, aber insgesamt sind die Unterschiede nicht so groß.
Das Öffnen des Laufwerks ist einfach: Lösen Sie einfach ein paar Torx-Schrauben und voilà! Wir sind drinnen...
Da es den größten Teil des Geräts einnimmt, wird unsere Aufmerksamkeit sofort auf den großen Metallkreis gelenkt; Es ist leicht zu verstehen, warum Laufwerke aufgerufen werden Scheibe. Es ist richtig, sie anzurufen Platten; Sie bestehen aus Glas oder Aluminium und sind mit mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien beschichtet. Dieses 3-TB-Laufwerk verfügt über drei Platten, was bedeutet, dass auf jeder Seite einer Platte 500 GB gespeichert werden sollten.
Das Bild ist ziemlich verstaubt, solche schmutzigen Platten entsprechen nicht der Präzision von Design und Fertigung, die für ihre Herstellung erforderlich ist. In unserem HDD-Beispiel ist die Aluminiumscheibe selbst 0,04 Zoll (1 mm) dick, aber so stark poliert, dass die durchschnittliche Höhe der Abweichungen auf der Oberfläche weniger als 0,000001 Zoll (ca. 30 nm) beträgt.
Die Basisschicht ist nur 0,0004 Mikrometer tief und besteht aus mehreren Materialschichten, die auf das Metall aufgetragen werden. Die Anwendung erfolgt mit gefolgt von , Vorbereitung der Festplatte für die grundlegenden magnetischen Materialien, die zum Speichern digitaler Daten verwendet werden.
Dieses Material ist typischerweise eine komplexe Kobaltlegierung und besteht aus konzentrischen Kreisen mit einer Breite von jeweils etwa 0,00001 Zoll (ungefähr 250 nm) und einer Tiefe von 0,000001 Zoll (25 nm). Auf der Mikroebene bilden Metalllegierungen auf der Wasseroberfläche seifenblasenähnliche Körner.
Jedes Korn hat sein eigenes Magnetfeld, es kann jedoch in eine bestimmte Richtung umgewandelt werden. Das Gruppieren solcher Felder führt zu Datenbits (0 und 1). Wenn Sie mehr über dieses Thema erfahren möchten, dann lesen Sie Yale Universität. Die abschließenden Beschichtungen bestehen aus einer Kohlenstoffschicht zum Schutz und anschließend aus einem Polymer zur Reduzierung der Kontaktreibung. Zusammen sind sie nicht dicker als 0,0000005 Zoll (12 nm).
Wir werden bald sehen, warum die Wafer mit so engen Toleranzen hergestellt werden müssen, aber es ist trotzdem überraschend, das zu erkennen Werden Sie stolzer Besitzer eines mit Nanometerpräzision gefertigten Geräts!
Gehen wir jedoch zurück zur Festplatte selbst und sehen, was sich sonst noch darin befindet.
Die gelbe Farbe zeigt die Metallabdeckung, mit der die Platte sicher befestigt ist Spindelantrieb-Elektromotor - ein elektrischer Antrieb, der die Scheiben dreht. Bei dieser Festplatte rotieren sie mit einer Frequenz von 7200 U/min (Umdrehungen/Minute), bei anderen Modellen können sie jedoch langsamer arbeiten. Langsame Laufwerke haben einen geringeren Geräusch- und Stromverbrauch, aber auch eine geringere Drehzahl, während schnellere Laufwerke Drehzahlen von 15 U/min erreichen können.
Um Schäden durch Staub und Luftfeuchtigkeit zu reduzieren, verwenden Sie Umluftfilter (grünes Quadrat), sammelt kleine Partikel und hält sie im Inneren fest. Durch die Rotation der Platten bewegte Luft sorgt für einen konstanten Durchfluss durch den Filter. Über den Scheiben und neben dem Filter befindet sich einer von dreien Plattenseparatoren: Trägt dazu bei, Vibrationen zu reduzieren und den Luftstrom so gleichmäßig wie möglich aufrechtzuerhalten.
Im oberen linken Teil des Bildes markiert das blaue Quadrat einen der beiden permanenten Stabmagnete. Sie stellen das Magnetfeld bereit, das zum Bewegen der rot markierten Komponente erforderlich ist. Lassen Sie uns diese Details trennen, um sie besser sehen zu können.
Was wie ein weißer Fleck aussieht, ist ein weiterer Filter, nur dass dieser Partikel und Gase herausfiltert, die von außen durch das Loch, das wir oben gesehen haben, eindringen. Metallspikes sind Hebel zur Kopfbewegung, auf dem sie sich befinden Lese-/Schreibköpfe Festplatte. Sie bewegen sich mit enormer Geschwindigkeit entlang der Oberfläche der Platten (oben und unten).
Sehen Sie sich dieses Video an, das von erstellt wurde Um zu sehen, wie schnell sie sind:
Das Design verwendet nichts dergleichen ; Um die Hebel zu bewegen, wird ein elektrischer Strom durch einen Magneten an der Basis der Hebel geleitet.
Im Allgemeinen heißen sie , weil sie das gleiche Prinzip verwenden, das auch bei Lautsprechern und Mikrofonen zum Bewegen von Membranen verwendet wird. Der Strom erzeugt um sie herum ein Magnetfeld, das auf das von den permanenten Stabmagneten erzeugte Feld reagiert.
Vergessen Sie nicht, dass Daten verfolgt werden winzigDaher muss die Positionierung der Arme wie alles andere im Antrieb äußerst präzise sein. Einige Festplatten verfügen über mehrstufige Hebel, die kleine Richtungsänderungen nur eines Teils des gesamten Hebels vornehmen.
Einige Festplatten verfügen über einander überlappende Datenspuren. Diese Technologie heißt (geschindelte magnetische Aufzeichnung) und die Anforderungen an Genauigkeit und Positionierung (das heißt, ständig einen Punkt zu treffen) sind noch strenger.
Ganz am Ende der Arme befinden sich sehr empfindliche Lese-/Schreibköpfe. Unsere Festplatte enthält 3 Platten und 6 Köpfe, und zwar jeweils schwimmt über der Scheibe, während diese rotiert. Um dies zu erreichen, werden die Köpfe an hauchdünnen Metallstreifen aufgehängt.
Und hier können wir sehen, warum unser anatomisches Präparat gestorben ist – mindestens einer der Köpfe hat sich gelöst, und was auch immer den anfänglichen Schaden verursacht hat, hat auch einen der Arme verbogen. Die gesamte Kopfkomponente ist so klein, dass es, wie Sie unten sehen können, mit einer normalen Kamera sehr schwierig ist, ein gutes Bild davon zu machen.
Wir können die einzelnen Teile jedoch auseinander nehmen. Der graue Block ist ein speziell hergestelltes Teil namens "Schieberegler": Wenn sich die Scheibe darunter dreht, erzeugt der Luftstrom Auftrieb und hebt den Kopf von der Oberfläche ab. Und wenn wir „Aufzüge“ sagen, meinen wir einen Spalt, der nur 0,0000002 Zoll breit ist, also weniger als 5 nm.
Noch weiter, und die Köpfe werden nicht in der Lage sein, Änderungen in den Magnetfeldern der Spur zu erkennen; Würden die Köpfe auf der Oberfläche liegen, würden sie lediglich die Beschichtung zerkratzen. Aus diesem Grund müssen Sie die Luft im Inneren des Laufwerksgehäuses filtern: Staub und Feuchtigkeit auf der Oberfläche des Laufwerks führen einfach zum Bruch der Köpfe.
Eine winzige Metallstange am Ende des Kopfes trägt zur allgemeinen Aerodynamik bei. Um jedoch die Teile zu sehen, die das Lesen und Schreiben übernehmen, benötigen wir ein besseres Foto.
In diesem Bild einer anderen Festplatte befinden sich die Lese-/Schreibgeräte unter allen elektrischen Anschlüssen. Die Aufzeichnung erfolgt durch das System (Dünnschichtinduktion, TFI) und Lesen - Gerät (Tunneling Magnetoresistive Device, TMR).
Die von TMR erzeugten Signale sind sehr schwach und müssen vor dem Senden durch einen Verstärker geleitet werden, um den Pegel zu erhöhen. Der dafür verantwortliche Chip befindet sich im Bild unten nahe der Basis der Hebel.
Wie in der Einleitung des Artikels erwähnt, haben sich die mechanischen Komponenten und das Funktionsprinzip einer Festplatte im Laufe der Jahre kaum verändert. Vor allem die Technologie der Magnetspuren und Schreib-Lese-Köpfe wurde verbessert, wodurch immer schmalere und dichtere Spuren entstanden, was letztendlich zu einer Vergrößerung der Menge der gespeicherten Informationen führte.
Allerdings unterliegen mechanische Festplatten offensichtlichen Geschwindigkeitsbeschränkungen. Es braucht Zeit, die Hebel in die gewünschte Position zu bringen, und wenn die Daten über verschiedene Spuren auf verschiedenen Platten verteilt sind, verbringt das Laufwerk einige Mikrosekunden damit, nach Bits zu suchen.
Bevor wir zu einem anderen Laufwerkstyp übergehen, geben wir die ungefähre Geschwindigkeit einer typischen Festplatte an. Wir haben den Benchmark verwendet um die Festplatte zu bewerten :
Die ersten beiden Zeilen geben die Anzahl der MB pro Sekunde an, wenn sequentielle (lange, fortlaufende Liste) und zufällige (Übergänge über das gesamte Laufwerk) Lese- und Schreibvorgänge ausgeführt werden. Die nächste Zeile zeigt den IOPS-Wert, also die Anzahl der pro Sekunde durchgeführten E/A-Vorgänge. Die letzte Zeile zeigt die durchschnittliche Latenz (Zeit in Mikrosekunden) zwischen der Übertragung eines Lese- oder Schreibvorgangs und dem Empfang der Datenwerte.
Generell streben wir danach, dass die Werte in den ersten drei Zeilen möglichst groß und in der letzten Zeile so klein wie möglich sind. Machen Sie sich keine Sorgen über die Zahlen selbst, wir verwenden sie nur zum Vergleich, wenn wir uns einen anderen Laufwerkstyp ansehen: das Solid-State-Laufwerk.
Source: habr.com