Είναι μαγνητικό. Είναι ηλεκτρικό. Είναι φωτονικό. Όχι, αυτό δεν είναι ένα νέο τρίο υπερήρωων από το σύμπαν της Marvel. Πρόκειται για την αποθήκευση των πολύτιμων ψηφιακών δεδομένων μας. Πρέπει να τα αποθηκεύσουμε κάπου, με ασφάλεια και σταθερότητα, ώστε να έχουμε πρόσβαση και να τα αλλάξουμε εν ριπή οφθαλμού. Ξεχάστε τον Iron Man και τον Thor - μιλάμε για σκληρούς δίσκους!
Ας βουτήξουμε λοιπόν στην ανατομία των συσκευών που χρησιμοποιούμε σήμερα για την αποθήκευση δισεκατομμυρίων bits δεδομένων.
Με γυρίζεις σωστά, μωρό μου
Μηχανική αποθήκευση σκληρού δίσκου (σκληρός δίσκος, HDD) είναι το πρότυπο αποθήκευσης για υπολογιστές σε όλο τον κόσμο για περισσότερα από 30 χρόνια, αλλά η τεχνολογία πίσω από αυτό είναι πολύ παλαιότερη.
Η IBM κυκλοφόρησε τον πρώτο εμπορικό σκληρό δίσκο , η χωρητικότητά του έφτανε τα 3,75 MB. Και γενικά, όλα αυτά τα χρόνια η γενική δομή του δίσκου δεν έχει αλλάξει πολύ. Εξακολουθεί να έχει δίσκους που χρησιμοποιούν μαγνήτιση για την αποθήκευση δεδομένων και υπάρχουν συσκευές για ανάγνωση/εγγραφή αυτών των δεδομένων. Άλλαξε Το ίδιο, και πολύ ισχυρό, είναι και ο όγκος των δεδομένων που μπορούν να αποθηκευτούν σε αυτά.
Το 1987 ήταν δυνατό για περίπου $350? Σήμερα μπορείτε να αγοράσετε 14 TB: in 700 000 φορές τον όγκο.
Θα δούμε μια συσκευή που δεν έχει ακριβώς το ίδιο μέγεθος, αλλά και αξιοπρεπή για τα σύγχρονα πρότυπα: τον HDD 3,5 ιντσών Seagate Barracuda 3 TB, συγκεκριμένα το μοντέλο , διαβόητο για το и . Η κίνηση που μελετάμε είναι ήδη νεκρή, οπότε αυτό θα μοιάζει περισσότερο με αυτοψία παρά με μάθημα ανατομίας.
Το μεγαλύτερο μέρος του σκληρού δίσκου είναι χυτό μέταλλο. Οι δυνάμεις στο εσωτερικό της συσκευής κατά την ενεργή χρήση μπορεί να είναι αρκετά σοβαρές, επομένως το παχύ μέταλλο αποτρέπει την κάμψη και τη δόνηση της θήκης. Ακόμη και μικροσκοπικοί σκληροί δίσκοι 1,8 ιντσών χρησιμοποιούν μέταλλο ως υλικό περιβλήματος, αλλά συνήθως κατασκευάζονται από αλουμίνιο και όχι από χάλυβα, επειδή πρέπει να είναι όσο το δυνατόν ελαφρύτεροι.
Αναποδογυρίζοντας τη μονάδα, βλέπουμε μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος και αρκετές υποδοχές. Ο σύνδεσμος στο επάνω μέρος της πλακέτας χρησιμοποιείται για τον κινητήρα που περιστρέφει τους δίσκους και οι τρεις κάτω (από αριστερά προς τα δεξιά) είναι ακροδέκτες που σας επιτρέπουν να διαμορφώσετε τη μονάδα για ορισμένες διαμορφώσεις, μια υποδοχή δεδομένων SATA (Serial ATA). και μια υποδοχή τροφοδοσίας SATA.
Το Serial ATA εμφανίστηκε για πρώτη φορά το 2000. Σε επιτραπέζιους υπολογιστές, αυτό είναι το τυπικό σύστημα που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση μονάδων δίσκου με τον υπόλοιπο υπολογιστή. Η προδιαγραφή μορφής έχει υποστεί πολλές αναθεωρήσεις και αυτήν τη στιγμή χρησιμοποιούμε την έκδοση 3.4. Το πτώμα του σκληρού μας δίσκου είναι μια παλαιότερη έκδοση, αλλά η διαφορά είναι μόνο μία ακίδα στην υποδοχή τροφοδοσίας.
Στις συνδέσεις δεδομένων, χρησιμοποιείται για λήψη και λήψη δεδομένων. : Χρησιμοποιούνται οι ακίδες A+ και A- μεταφορά οδηγίες και δεδομένα στον σκληρό δίσκο και οι ακίδες B είναι για λήψη αυτά τα σήματα. Αυτή η χρήση ζευγαρωμένων αγωγών μειώνει σημαντικά την επίδραση του ηλεκτρικού θορύβου στο σήμα, πράγμα που σημαίνει ότι η συσκευή μπορεί να λειτουργεί πιο γρήγορα.
Αν μιλάμε για ρεύμα, βλέπουμε ότι ο σύνδεσμος έχει ένα ζεύγος επαφών κάθε τάσης (+3.3, +5 και +12V). Ωστόσο, τα περισσότερα από αυτά δεν χρησιμοποιούνται επειδή οι σκληροί δίσκοι δεν απαιτούν μεγάλη ισχύ. Το συγκεκριμένο μοντέλο της Seagate χρησιμοποιεί λιγότερα από 10 watt υπό ενεργό φορτίο. Οι επαφές με την ένδειξη PC χρησιμοποιούνται για προχρέωση: Αυτή η δυνατότητα σάς επιτρέπει να αφαιρέσετε και να συνδέσετε τη μονάδα σκληρού δίσκου ενώ ο υπολογιστής συνεχίζει να λειτουργεί (αυτό ονομάζεται καυτή ανταλλαγή).
Η επαφή με την ετικέτα PWDIS επιτρέπει σκληρό δίσκο, αλλά αυτή η λειτουργία υποστηρίζεται μόνο από την έκδοση SATA 3.3, επομένως στη μονάδα μου είναι απλώς μια άλλη γραμμή τροφοδοσίας +3.3 V. Και η τελευταία ακίδα, με την ένδειξη SSU, απλώς λέει στον υπολογιστή εάν ο σκληρός δίσκος υποστηρίζει τεχνολογία διαδοχικής περιστροφής. κλιμακωτή περιστροφή προς τα πάνω.
Για να μπορέσει ο υπολογιστής να τα χρησιμοποιήσει, οι μονάδες δίσκου μέσα στη συσκευή (που θα δούμε σύντομα) πρέπει να περιστρέφονται σε πλήρη ταχύτητα. Αλλά εάν υπάρχουν πολλοί σκληροί δίσκοι εγκατεστημένοι στο μηχάνημα, τότε μια ξαφνική ταυτόχρονη ζήτηση ρεύματος μπορεί να βλάψει το σύστημα. Η σταδιακή περιστροφή των αξόνων εξαλείφει εντελώς την πιθανότητα τέτοιων προβλημάτων, αλλά θα πρέπει να περιμένετε μερικά δευτερόλεπτα πριν αποκτήσετε πλήρη πρόσβαση στον σκληρό δίσκο.
Αφαιρώντας την πλακέτα κυκλώματος, μπορείτε να δείτε πώς συνδέεται με τα εξαρτήματα μέσα στη συσκευή. HDD δεν σφραγίζεται, με εξαίρεση τις συσκευές με πολύ μεγάλες χωρητικότητες - χρησιμοποιούν ήλιο αντί για αέρα γιατί είναι πολύ λιγότερο πυκνό και δημιουργεί λιγότερα προβλήματα σε δίσκους με μεγάλο αριθμό δίσκων. Από την άλλη πλευρά, δεν πρέπει να εκθέτετε τις συμβατικές μονάδες δίσκου στο ανοιχτό περιβάλλον.
Χάρη στη χρήση τέτοιων βυσμάτων, ελαχιστοποιείται ο αριθμός των σημείων εισόδου μέσω των οποίων η βρωμιά και η σκόνη μπορούν να εισχωρήσουν στο εσωτερικό της μονάδας. υπάρχει μια τρύπα στη μεταλλική θήκη (η μεγάλη λευκή κουκκίδα στην κάτω αριστερή γωνία της εικόνας) που επιτρέπει την πίεση του περιβάλλοντος να παραμένει μέσα.
Τώρα που αφαιρέθηκε το PCB, ας ρίξουμε μια ματιά στο τι υπάρχει μέσα. Υπάρχουν τέσσερις κύριες μάρκες:
- LSI B64002: Κύριο τσιπ ελεγκτή που επεξεργάζεται οδηγίες, μεταφέρει ροές δεδομένων μέσα και έξω, διορθώνει σφάλματα κ.λπ.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM χρονισμένο στα 800 MHz, που χρησιμοποιείται για προσωρινή αποθήκευση δεδομένων
- Smooth MCKXL: ελέγχει τον κινητήρα που περιστρέφει τους δίσκους
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB σειριακής μνήμης flash που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση του υλικολογισμικού της μονάδας δίσκου (λίγο σαν το BIOS ενός υπολογιστή)
Τα εξαρτήματα PCB διαφορετικών σκληρών δίσκων ενδέχεται να διαφέρουν. Τα μεγαλύτερα μεγέθη απαιτούν περισσότερη κρυφή μνήμη (τα πιο σύγχρονα τέρατα μπορούν να έχουν έως και 256 MB DDR3) και το τσιπ του κύριου ελεγκτή μπορεί να είναι λίγο πιο περίπλοκο στον χειρισμό σφαλμάτων, αλλά συνολικά οι διαφορές δεν είναι τόσο μεγάλες.
Το άνοιγμα της μονάδας είναι εύκολο, απλά ξεβιδώστε μερικά μπουλόνια Torx και voila! Είμαστε μέσα...
Δεδομένου ότι καταλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος της συσκευής, η προσοχή μας στρέφεται αμέσως στον μεγάλο μεταλλικό κύκλο. είναι εύκολο να καταλάβουμε γιατί ονομάζονται οι μονάδες δίσκου δίσκος. Είναι σωστό να τους καλέσετε πιάτα; είναι κατασκευασμένα από γυαλί ή αλουμίνιο και επικαλυμμένα με πολλές στρώσεις διαφορετικών υλικών. Αυτή η μονάδα 3 TB έχει τρεις πιατέλες, που σημαίνει ότι θα πρέπει να αποθηκεύονται 500 GB σε κάθε πλευρά μιας πιατέλας.
Η εικόνα είναι αρκετά σκονισμένη, τέτοιες βρώμικες πλάκες δεν ταιριάζουν με την ακρίβεια σχεδιασμού και κατασκευής που απαιτείται για την κατασκευή τους. Στο παράδειγμά μας σκληρού δίσκου, ο ίδιος ο δίσκος αλουμινίου έχει πάχος 0,04 ίντσες (1 mm), αλλά γυαλισμένο σε τέτοιο βαθμό ώστε το μέσο ύψος των αποκλίσεων στην επιφάνεια να είναι μικρότερο από 0,000001 ίντσα (περίπου 30 nm).
Το βασικό στρώμα έχει βάθος μόνο 0,0004 ίντσες (10 μικρά) και αποτελείται από πολλαπλά στρώματα υλικών που εναποτίθενται πάνω στο μέταλλο. Η εφαρμογή γίνεται χρησιμοποιώντας ακολουθούμενη από , προετοιμάζοντας το δίσκο για τα βασικά μαγνητικά υλικά που χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση ψηφιακών δεδομένων.
Αυτό το υλικό είναι συνήθως ένα σύνθετο κράμα κοβαλτίου και αποτελείται από ομόκεντρους κύκλους, ο καθένας περίπου 0,00001 ίντσες (περίπου 250 nm) πλάτος και 0,000001 ίντσες (25 nm) βάθος. Σε μικροεπίπεδο, τα κράματα μετάλλων σχηματίζουν κόκκους παρόμοιους με σαπουνόφουσκες στην επιφάνεια του νερού.
Κάθε κόκκος έχει το δικό του μαγνητικό πεδίο, αλλά μπορεί να μετασχηματιστεί προς μια δεδομένη κατεύθυνση. Η ομαδοποίηση τέτοιων πεδίων έχει ως αποτέλεσμα bit δεδομένων (0s και 1s). Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα για αυτό το θέμα, τότε διαβάστε Πανεπιστήμιο Yale. Οι τελικές επικαλύψεις είναι ένα στρώμα άνθρακα για προστασία, και στη συνέχεια ένα πολυμερές για τη μείωση της τριβής επαφής. Μαζί δεν έχουν πάχος περισσότερο από 0,0000005 ίντσες (12 nm).
Σύντομα θα δούμε γιατί οι γκοφρέτες πρέπει να κατασκευάζονται με τόσο αυστηρές ανοχές, αλλά εξακολουθεί να προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι Μπορείτε να γίνετε περήφανοι κάτοχοι μιας συσκευής που κατασκευάζεται με ακρίβεια νανομέτρων!
Ωστόσο, ας επιστρέψουμε στον ίδιο τον σκληρό δίσκο και ας δούμε τι άλλο περιέχει.
Το κίτρινο χρώμα δείχνει το μεταλλικό κάλυμμα που στερεώνει με ασφάλεια την πλάκα στο ηλεκτροκινητήρας κίνησης ατράκτου - μια ηλεκτρική κίνηση που περιστρέφει τους δίσκους. Σε αυτόν τον σκληρό δίσκο περιστρέφονται με συχνότητα 7200 rpm (στροφές/λεπτό), αλλά σε άλλα μοντέλα μπορεί να λειτουργούν πιο αργά. Οι αργοί δίσκοι έχουν χαμηλότερο θόρυβο και κατανάλωση ενέργειας, αλλά και χαμηλότερες στροφές, ενώ οι πιο γρήγοροι μπορούν να φτάσουν ταχύτητες 15 σ.α.λ.
Για να μειώσετε τη ζημιά που προκαλείται από τη σκόνη και την υγρασία του αέρα, χρησιμοποιήστε φίλτρο ανακυκλοφορίας (πράσινο τετράγωνο), συλλέγοντας μικρά σωματίδια και κρατώντας τα μέσα. Ο αέρας που κινείται από την περιστροφή των πλακών εξασφαλίζει σταθερή ροή μέσω του φίλτρου. Πάνω από τους δίσκους και δίπλα στο φίλτρο υπάρχει ένας από τους τρεις διαχωριστές πλακών: συμβάλλει στη μείωση των κραδασμών και στη διατήρηση της ροής του αέρα όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφη.
Στο επάνω αριστερό μέρος της εικόνας, το μπλε τετράγωνο υποδεικνύει έναν από τους δύο μόνιμους μαγνήτες ράβδων. Παρέχουν το μαγνητικό πεδίο που απαιτείται για τη μετακίνηση του στοιχείου που υποδεικνύεται με κόκκινο χρώμα. Ας διαχωρίσουμε αυτές τις λεπτομέρειες για να τις δούμε καλύτερα.
Αυτό που μοιάζει με λευκό έμπλαστρο είναι ένα άλλο φίλτρο, μόνο που αυτό φιλτράρει τα σωματίδια και τα αέρια που εισέρχονται από το εξωτερικό μέσα από την τρύπα που είδαμε παραπάνω. Οι μεταλλικές αιχμές είναι μοχλοί κίνησης κεφαλιού, στο οποίο βρίσκονται κεφαλές ανάγνωσης-εγγραφής σκληρός δίσκος. Κινούνται με τρομερή ταχύτητα κατά μήκος της επιφάνειας των πλακών (πάνω και κάτω).
Δείτε αυτό το βίντεο που δημιουργήθηκε από για να δείτε πόσο γρήγοροι είναι:
Ο σχεδιασμός δεν χρησιμοποιεί κάτι παρόμοιο ; Για να μετακινήσετε τους μοχλούς, διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα μέσω μιας ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας στη βάση των μοχλών.
Γενικά λέγονται , επειδή χρησιμοποιούν την ίδια αρχή που χρησιμοποιείται στα ηχεία και τα μικρόφωνα για τη μετακίνηση των μεμβρανών. Το ρεύμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο γύρω τους, το οποίο αντιδρά στο πεδίο που δημιουργείται από τους μόνιμους μαγνήτες ράβδων.
Μην ξεχνάτε ότι τα δεδομένα παρακολουθούνται μικροσκοπικός, επομένως η τοποθέτηση των βραχιόνων πρέπει να είναι εξαιρετικά ακριβής, όπως όλα τα άλλα στη μονάδα κίνησης. Ορισμένοι σκληροί δίσκοι διαθέτουν μοχλούς πολλαπλών σταδίων που κάνουν μικρές αλλαγές προς την κατεύθυνση ενός μόνο τμήματος ολόκληρου του μοχλού.
Ορισμένοι σκληροί δίσκοι έχουν ίχνη δεδομένων που αλληλοεπικαλύπτονται. Αυτή η τεχνολογία ονομάζεται (βότσαλα μαγνητική εγγραφή), και οι απαιτήσεις του για ακρίβεια και τοποθέτηση (δηλαδή να χτυπάς συνεχώς ένα σημείο) είναι ακόμα πιο αυστηρές.
Στο τέλος των βραχιόνων υπάρχουν πολύ ευαίσθητες κεφαλές ανάγνωσης-εγγραφής. Ο σκληρός μας δίσκος περιέχει 3 πιατέλες και 6 κεφαλές, και το καθένα από αυτά επιπλέει πάνω από το δίσκο καθώς περιστρέφεται. Για να επιτευχθεί αυτό, οι κεφαλές αναρτώνται σε εξαιρετικά λεπτές λωρίδες μετάλλου.
Και εδώ μπορούμε να δούμε γιατί το ανατομικό μας δείγμα πέθανε - τουλάχιστον ένα από τα κεφάλια χάλασε, και ό,τι προκάλεσε την αρχική ζημιά λύγισε επίσης ένα από τα χέρια. Ολόκληρο το εξάρτημα της κεφαλής είναι τόσο μικρό που, όπως μπορείτε να δείτε παρακάτω, είναι πολύ δύσκολο να αποκτήσετε μια καλή εικόνα του με μια κανονική κάμερα.
Ωστόσο, μπορούμε να χωρίσουμε τα επιμέρους μέρη. Το γκρι μπλοκ είναι ένα ειδικά κατασκευασμένο εξάρτημα που ονομάζεται "ολισθητής": Καθώς ο δίσκος περιστρέφεται από κάτω του, η ροή του αέρα δημιουργεί ανύψωση, σηκώνοντας το κεφάλι από την επιφάνεια. Και όταν λέμε "ανυψώσεις", εννοούμε ένα κενό πλάτους μόνο 0,0000002 ιντσών ή μικρότερο από 5 nm.
Επιπλέον, και οι κεφαλές δεν θα μπορούν να αναγνωρίσουν αλλαγές στα μαγνητικά πεδία της πίστας. αν τα κεφάλια ήταν ξαπλωμένα στην επιφάνεια, απλά θα γρατζουνούσαν την επίστρωση. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο πρέπει να φιλτράρετε τον αέρα μέσα στο περίβλημα της μονάδας: η σκόνη και η υγρασία στην επιφάνεια της μονάδας απλώς θα σπάσουν τις κεφαλές.
Ένας μικροσκοπικός μεταλλικός «πόλος» στο τέλος της κεφαλής βοηθά στη συνολική αεροδυναμική. Ωστόσο, για να δούμε τα μέρη που κάνουν την ανάγνωση και τη γραφή, χρειαζόμαστε μια καλύτερη φωτογραφία.
Σε αυτήν την εικόνα ενός άλλου σκληρού δίσκου, οι συσκευές ανάγνωσης/εγγραφής βρίσκονται κάτω από όλες τις ηλεκτρικές συνδέσεις. Η εγγραφή πραγματοποιείται από το σύστημα (επαγωγή λεπτής μεμβράνης, TFI) και ανάγνωση - συσκευή (συσκευή μαγνητοαντίστασης σήραγγας, TMR).
Τα σήματα που παράγονται από το TMR είναι πολύ αδύναμα και πρέπει να περάσουν από έναν ενισχυτή για να αυξηθούν τα επίπεδα πριν σταλούν. Το τσιπ που είναι υπεύθυνο για αυτό βρίσκεται κοντά στη βάση των μοχλών στην παρακάτω εικόνα.
Όπως αναφέρθηκε στην εισαγωγή του άρθρου, τα μηχανικά εξαρτήματα και η αρχή λειτουργίας ενός σκληρού δίσκου έχουν αλλάξει ελάχιστα με τα χρόνια. Κυρίως, η τεχνολογία των μαγνητικών κομματιών και των κεφαλών ανάγνωσης-εγγραφής βελτιώθηκε, δημιουργώντας όλο και πιο στενά και πυκνά κομμάτια, τα οποία τελικά οδήγησαν σε αύξηση της ποσότητας των αποθηκευμένων πληροφοριών.
Ωστόσο, οι μηχανικοί σκληροί δίσκοι έχουν προφανείς περιορισμούς ταχύτητας. Χρειάζεται χρόνος για να μετακινήσετε τους μοχλούς στην επιθυμητή θέση και εάν τα δεδομένα είναι διασκορπισμένα σε διαφορετικά κομμάτια σε διαφορετικές πλάκες, τότε η μονάδα θα αφιερώσει αρκετά μικροδευτερόλεπτα αναζητώντας bits.
Πριν προχωρήσουμε σε άλλο τύπο μονάδας δίσκου, ας υποδείξουμε την κατά προσέγγιση ταχύτητα ενός τυπικού σκληρού δίσκου. Χρησιμοποιήσαμε το σημείο αναφοράς για την αξιολόγηση του σκληρού δίσκου :
Οι δύο πρώτες γραμμές υποδεικνύουν τον αριθμό των MB ανά δευτερόλεπτο κατά την εκτέλεση διαδοχικών (μεγάλη, συνεχής λίστα) και τυχαίας (μεταβάσεις σε ολόκληρη τη μονάδα δίσκου) ανάγνωση και εγγραφή. Η επόμενη γραμμή δείχνει την τιμή IOPS, η οποία είναι ο αριθμός των λειτουργιών I/O που εκτελούνται κάθε δευτερόλεπτο. Η τελευταία γραμμή δείχνει τη μέση καθυστέρηση (χρόνος σε μικροδευτερόλεπτα) μεταξύ της μετάδοσης μιας λειτουργίας ανάγνωσης ή εγγραφής και της λήψης των τιμών δεδομένων.
Γενικά, προσπαθούμε να διασφαλίσουμε ότι οι τιμές στις τρεις πρώτες γραμμές είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερες και στην τελευταία γραμμή όσο το δυνατόν μικρότερες. Μην ανησυχείτε για τους ίδιους τους αριθμούς, θα τους χρησιμοποιήσουμε απλώς για σύγκριση όταν εξετάζουμε έναν άλλο τύπο δίσκου: τη μονάδα SSD.
Πηγή: www.habr.com