Es magnético. Es eléctrico. Es fotónico. No, este no es un nuevo trío de superhéroes del universo Marvel. Se trata de almacenar nuestros valiosos datos digitales. Necesitamos almacenarlos en algún lugar, de forma segura y estable, para que podamos acceder a ellos y cambiarlos en un abrir y cerrar de ojos. Olvídese de Iron Man y Thor: ¡estamos hablando de discos duros!
Así que profundicemos en la anatomía de los dispositivos que utilizamos hoy para almacenar miles de millones de bits de datos.
Me haces girar a la derecha, bebé
Mecánica almacenamiento en disco duro (unidad de disco duro, HDD) ha sido el estándar de almacenamiento para computadoras en todo el mundo durante más de 30 años, pero la tecnología detrás de él es mucho más antigua.
IBM lanzó el primer disco duro comercial , su capacidad era de hasta 3,75 MB. Y en general, a lo largo de todos estos años la estructura general de la campaña no ha cambiado mucho. Todavía tiene discos que usan magnetización para almacenar datos y hay dispositivos para leer/escribir esos datos. Ha cambiado Lo mismo, y muy fuerte, es la cantidad de datos que se pueden almacenar en ellos.
En 1987 fue posible por unos 350 dólares; Hoy puedes comprar 14 TB: en 700 000 veces el volumen.
Veremos un dispositivo que no tiene exactamente el mismo tamaño, pero que también es decente para los estándares modernos: el disco duro Seagate Barracuda de 3,5 pulgadas y 3 TB, en particular el modelo , conocido por su и . La unidad que estamos estudiando ya está muerta, por lo que esto se parecerá más a una autopsia que a una lección de anatomía.
La mayor parte del disco duro es de metal fundido. Las fuerzas dentro del dispositivo durante el uso activo pueden ser bastante graves, por lo que el metal grueso evita que la carcasa se doble y vibre. Incluso los discos duros más pequeños de 1,8 pulgadas utilizan metal como material de carcasa, pero normalmente están hechos de aluminio en lugar de acero porque deben ser lo más livianos posible.
Al darle la vuelta al disco, vemos una placa de circuito impreso y varios conectores. El conector en la parte superior de la placa se usa para el motor que hace girar los discos, y los tres inferiores (de izquierda a derecha) son pines de puente que le permiten configurar la unidad para ciertas configuraciones, un conector de datos SATA (Serial ATA) y un conector de alimentación SATA.
Serial ATA apareció por primera vez en 2000. En las computadoras de escritorio, este es el sistema estándar que se utiliza para conectar las unidades al resto de la computadora. La especificación de formato ha pasado por muchas revisiones y actualmente utilizamos la versión 3.4. Nuestro cadáver de disco duro es una versión anterior, pero la diferencia es solo un pin en el conector de alimentación.
En las conexiones de datos, se utiliza para recibir y recibir datos. : Los pines A+ y A- se utilizan para transferencia instrucciones y datos al disco duro, y los pines B son para obtener estas señales. Este uso de conductores emparejados reduce significativamente el efecto del ruido eléctrico en la señal, lo que significa que el dispositivo puede funcionar más rápido.
Si hablamos de potencia, vemos que el conector tiene un par de contactos de cada voltaje (+3.3, +5 y +12V); sin embargo, la mayoría de ellos no se utilizan porque los HDD no requieren mucha energía. Este modelo particular de Seagate utiliza menos de 10 vatios bajo carga activa. Los contactos marcados como PC se utilizan para precarga: Esta función le permite extraer y conectar el disco duro mientras la computadora continúa funcionando (esto se llama intercambio en caliente).
El contacto con la etiqueta PWDIS permite disco duro, pero esta función solo es compatible con la versión SATA 3.3, por lo que en mi disco es solo otra línea de alimentación de +3.3V. Y el último pin, etiquetado como SSU, simplemente le dice a la computadora si el disco duro admite la tecnología de giro secuencial. giro escalonado.
Antes de que la computadora pueda usarlos, las unidades dentro del dispositivo (que veremos pronto) deben girar a máxima velocidad. Pero si hay muchos discos duros instalados en la máquina, una solicitud repentina y simultánea de energía puede dañar el sistema. Girar gradualmente los ejes elimina por completo la posibilidad de que se produzcan tales problemas, pero tendrá que esperar unos segundos antes de obtener acceso completo al disco duro.
Al quitar la placa de circuito, puede ver cómo se conecta a los componentes dentro del dispositivo. disco duro no ajustado, a excepción de los dispositivos con capacidades muy grandes, utilizan helio en lugar de aire porque es mucho menos denso y crea menos problemas en unidades con una gran cantidad de discos. Por otro lado, no deberías exponer las unidades convencionales al entorno abierto.
Gracias al uso de dichos conectores, se minimiza la cantidad de puntos de entrada a través de los cuales la suciedad y el polvo pueden ingresar al variador; Hay un agujero en la caja de metal (el gran punto blanco en la esquina inferior izquierda de la imagen) que permite que la presión ambiental permanezca en el interior.
Ahora que se quitó la PCB, echemos un vistazo a lo que hay dentro. Hay cuatro chips principales:
- LSI B64002: chip controlador principal que procesa instrucciones, transfiere flujos de datos hacia adentro y hacia afuera, corrige errores, etc.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM con frecuencia de 800 MHz, utilizada para almacenamiento en caché de datos
- Smooth MCKXL: controla el motor que hace girar los discos
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB de memoria flash serie utilizada para almacenar el firmware de la unidad (un poco como el BIOS de una computadora)
Los componentes de PCB de diferentes HDD pueden variar. Los tamaños más grandes requieren más caché (los monstruos más modernos pueden tener hasta 256 MB de DDR3) y el chip controlador principal puede ser un poco más sofisticado en el manejo de errores, pero en general las diferencias no son tan grandes.
Abrir la unidad es fácil, simplemente desatornilla algunos tornillos Torx y ¡listo! Estamos dentro...
Dado que ocupa la mayor parte del dispositivo, nuestra atención se centra inmediatamente en el gran círculo metálico; es fácil entender por qué se llaman las unidades disco. es correcto llamarlos platos; Están fabricados en vidrio o aluminio y revestidos con varias capas de diferentes materiales. Esta unidad de 3 TB tiene tres platos, lo que significa que se deben almacenar 500 GB en cada lado de un plato.
La imagen está bastante polvorienta, placas tan sucias no coinciden con la precisión de diseño y fabricación requerida para realizarlas. En nuestro ejemplo de HDD, el disco de aluminio tiene un grosor de 0,04 mm (1 pulgadas), pero está pulido hasta tal punto que la altura promedio de las desviaciones en la superficie es inferior a 0,000001 pulgadas (aproximadamente 30 nm).
La capa base tiene solo 0,0004 pulgadas (10 micrones) de profundidad y consta de múltiples capas de materiales depositados sobre el metal. La aplicación se realiza utilizando seguido de , preparando el disco para los materiales magnéticos básicos utilizados para almacenar datos digitales.
Este material es típicamente una aleación de cobalto compleja y está compuesto de círculos concéntricos, cada uno de aproximadamente 0,00001 pulgadas (aproximadamente 250 nm) de ancho y 0,000001 pulgadas (25 nm) de profundidad. A nivel micro, las aleaciones metálicas forman granos similares a pompas de jabón en la superficie del agua.
Cada grano tiene su propio campo magnético, pero puede transformarse en una dirección determinada. La agrupación de dichos campos da como resultado bits de datos (0 y 1). Si quieres aprender más sobre este tema, entonces lee Universidad de Yale. Los recubrimientos finales son una capa de carbono para protección y luego un polímero para reducir la fricción de contacto. Juntos no tienen más de 0,0000005 pulgadas (12 nm) de espesor.
Pronto veremos por qué las obleas deben fabricarse con tolerancias tan estrictas, pero sigue siendo sorprendente darse cuenta de que ¡Puedes convertirte en el orgulloso propietario de un dispositivo fabricado con precisión nanométrica!
Sin embargo, volvamos al disco duro y veamos qué más contiene.
El color amarillo muestra la cubierta metálica que sujeta firmemente la placa al motor eléctrico de accionamiento por husillo - un accionamiento eléctrico que hace girar los discos. En este HDD giran a una frecuencia de 7200 rpm (revoluciones/min), pero en otros modelos pueden funcionar más lento. Las unidades lentas tienen menos ruido y consumo de energía, pero también menor velocidad, mientras que las unidades más rápidas pueden alcanzar velocidades de 15 rpm.
Para reducir el daño causado por el polvo y la humedad del aire, utilice filtro de recirculación (cuadrado verde), recogiendo pequeñas partículas y manteniéndolas en su interior. El aire movido por la rotación de las placas asegura un flujo constante a través del filtro. Encima de los discos y al lado del filtro hay uno de tres separadores de placas: ayudando a reducir las vibraciones y mantener el flujo de aire lo más uniforme posible.
En la parte superior izquierda de la imagen, el cuadrado azul indica una de las dos barras magnéticas permanentes. Proporcionan el campo magnético necesario para mover el componente indicado en rojo. Separemos estos detalles para verlos mejor.
Lo que parece una mancha blanca es otro filtro, solo que este filtra partículas y gases que entran desde el exterior por el agujero que vimos arriba. Los picos de metal son palancas de movimiento de la cabeza, en el que se encuentran cabezas de lectura y escritura disco duro. Se mueven a tremenda velocidad a lo largo de la superficie de las placas (superior e inferior).
Mira este vídeo creado por para ver qué tan rápido son:
El diseño no utiliza nada como ; Para mover las palancas, se pasa una corriente eléctrica a través de un solenoide en la base de las palancas.
En general se les llama , porque utilizan el mismo principio que se utiliza en altavoces y micrófonos para mover membranas. La corriente genera un campo magnético a su alrededor, que reacciona al campo creado por las barras magnéticas permanentes.
No olvides que los datos rastrean diminuto, por lo que el posicionamiento de los brazos debe ser extremadamente preciso, como todo lo demás en la conducción. Algunos discos duros tienen palancas de varias etapas que realizan pequeños cambios en la dirección de solo una parte de toda la palanca.
Algunos discos duros tienen pistas de datos que se superponen entre sí. Esta tecnología se llama (grabación magnética en tejas), y sus requisitos de precisión y posicionamiento (es decir, alcanzar constantemente un punto) son aún más estrictos.
Al final de los brazos hay cabezales de lectura y escritura muy sensibles. Nuestro HDD contiene 3 platos y 6 cabezales, y cada uno de ellos esta nadando encima del disco a medida que gira. Para ello, las cabezas están suspendidas sobre tiras de metal ultrafinas.
Y aquí podemos ver por qué murió nuestro espécimen anatómico: al menos una de las cabezas se soltó y lo que causó el daño inicial también dobló uno de los brazos. Todo el componente de la cabeza es tan pequeño que, como puede ver a continuación, es muy difícil obtener una buena fotografía con una cámara normal.
Sin embargo, podemos separar las partes individuales. El bloque gris es una pieza especialmente fabricada llamada "control deslizante": A medida que el disco gira debajo, el flujo de aire crea elevación, levantando la cabeza de la superficie. Y cuando decimos "se eleva", nos referimos a un espacio de sólo 0,0000002 pulgadas de ancho, o menos de 5 nm.
Más adelante, las cabezas no podrán reconocer cambios en los campos magnéticos de la pista; si las cabezas estuvieran sobre la superficie, simplemente rayarían el revestimiento. Por eso es necesario filtrar el aire dentro de la caja de la unidad: el polvo y la humedad en la superficie de la unidad simplemente romperán los cabezales.
Un pequeño "poste" de metal al final de la cabeza ayuda con la aerodinámica general. Sin embargo, para ver las partes que realizan la lectura y escritura, necesitamos una foto mejor.
En esta imagen de otro disco duro, los dispositivos de lectura/escritura están debajo de todas las conexiones eléctricas. La grabación la realiza el sistema. (inducción de película delgada, TFI) y lectura - dispositivo (dispositivo magnetorresistivo de túnel, TMR).
Las señales producidas por TMR son muy débiles y deben pasar por un amplificador para aumentar los niveles antes de ser enviadas. El chip responsable de esto se encuentra cerca de la base de las palancas en la imagen de abajo.
Como se indica en la introducción del artículo, los componentes mecánicos y el principio de funcionamiento de un disco duro han cambiado poco a lo largo de los años. Sobre todo, se mejoró la tecnología de las pistas magnéticas y los cabezales de lectura y escritura, creando pistas cada vez más estrechas y densas, lo que finalmente condujo a un aumento en la cantidad de información almacenada.
Sin embargo, los discos duros mecánicos tienen limitaciones de velocidad obvias. Se necesita tiempo para mover las palancas a la posición deseada, y si los datos están dispersos en diferentes pistas en diferentes platos, la unidad tardará bastantes microsegundos en buscar bits.
Antes de pasar a otro tipo de unidad, indiquemos la velocidad aproximada de un disco duro típico. Usamos el punto de referencia para evaluar el disco duro :
Las dos primeras líneas indican la cantidad de MB por segundo cuando se realizan lecturas y escrituras secuenciales (lista larga y continua) y aleatorias (transiciones a lo largo de todo el disco). La siguiente línea muestra el valor de IOPS, que es el número de operaciones de E/S realizadas cada segundo. La última línea muestra la latencia promedio (tiempo en microsegundos) entre la transmisión de una operación de lectura o escritura y la recepción de los valores de datos.
En general, nos esforzamos por garantizar que los valores en las primeras tres líneas sean lo más grandes posible y en la última línea lo más pequeños posible. No se preocupe por los números en sí, solo los usaremos para comparar cuando analicemos otro tipo de unidad: la unidad de estado sólido.
Fuente: habr.com