See on magnetiline. See on elektriline. See on fotooniline. Ei, see ei ole uus superkangelaste kolmik Marveli universumist. See puudutab meie väärtuslike digitaalsete andmete salvestamist. Peame neid kuskil, turvaliselt ja stabiilselt hoidma, et saaksime neile ühe silmapilguga ligi pääseda ja neid muuta. Unustage Iron Man ja Thor – me räägime kõvaketastest!
Nii et sukeldugem täna miljardite andmebittide salvestamiseks kasutatavate seadmete anatoomiasse.
Sa keerutad mind ringi, kallis
Mehaaniline kõvaketta salvestusruum (kõvaketas, HDD) on olnud arvutite salvestusstandard üle maailma üle 30 aasta, kuid selle taga olev tehnoloogia on palju vanem.
IBM andis välja esimese kaubandusliku kõvaketta , selle maht oli koguni 3,75 MB. Ja üldiselt pole kõigi nende aastate jooksul ajami üldine struktuur palju muutunud. Sellel on endiselt kettad, mis kasutavad andmete salvestamiseks magnetiseerimist, ja on seadmeid nende andmete lugemiseks/kirjutamiseks. Muudetud Sama ja väga tugev on neile salvestatavate andmete hulk.
1987. aastal oli see võimalik umbes 350 dollari eest; Täna saate osta 14 TB: sisse 700 000 korda suurem helitugevus.
Vaatleme seadet, mis pole täpselt sama suur, kuid ka tänapäevaste standardite järgi korralik: 3,5-tolline HDD Seagate Barracuda 3 TB, eriti mudel , mis on kurikuulus selle poolest и . Sõit, mida me uurime, on juba surnud, nii et see sarnaneb rohkem lahkamisele kui anatoomiatunnile.
Suurem osa kõvakettast on valatud metallist. Seadme sees olevad jõud võivad aktiivse kasutamise ajal olla üsna tõsised, nii et paks metall takistab korpuse paindumist ja vibratsiooni. Isegi väikesed 1,8-tollised kõvakettad kasutavad korpuse materjalina metalli, kuid need on tavaliselt valmistatud pigem alumiiniumist kui terasest, kuna need peavad olema võimalikult kerged.
Ajami ümber pöörates näeme trükkplaati ja mitut pistikut. Plaadi ülaosas asuvat pistikut kasutatakse kettaid pöörleva mootori jaoks ja kolm alumist (vasakult paremale) on hüppaja tihvtid, mis võimaldavad seadistada draivi teatud konfiguratsioonide jaoks, SATA (Serial ATA) andmepistik. ja SATA toitepistik.
Serial ATA ilmus esmakordselt 2000. aastal. Lauaarvutites on see standardsüsteem, mida kasutatakse draivide ühendamiseks ülejäänud arvutiga. Vorminguspetsifikatsioon on läbinud palju muudatusi ja praegu kasutame versiooni 3.4. Meie kõvaketta surnukeha on vanem versioon, kuid erinevus on ainult ühes kontaktis toitepistikus.
Andmesideühendustes kasutatakse seda andmete vastuvõtmiseks ja vastuvõtmiseks. : jaoks kasutatakse tihvte A+ ja A- transfeer juhised ja andmed kõvakettale ning kontaktid B on mõeldud vastuvõtmine need signaalid. Paaritud juhtide kasutamine vähendab oluliselt elektrilise müra mõju signaalile, mis tähendab, et seade töötab kiiremini.
Kui me räägime võimsusest, siis näeme, et pistikul on iga pinge (+3.3, +5 ja +12V) kontaktide paar; enamikku neist siiski ei kasutata, kuna kõvakettad ei vaja palju voolu. See konkreetne Seagate'i mudel kasutab aktiivsel koormusel vähem kui 10 vatti. Kasutatakse kontakte, millel on märgistus PC ettemaks: see funktsioon võimaldab teil kõvaketta eemaldada ja ühendada, kui arvuti töötab edasi (seda nimetatakse kuum vahetus).
Kontakt PWDIS-sildiga võimaldab kõvaketast, kuid seda funktsiooni toetab ainult versioon SATA 3.3, nii et minu draivis on see lihtsalt järjekordne +3.3 V toiteliin. Ja viimane tihvt, sildiga SSU, annab lihtsalt arvutile teada, kas kõvaketas toetab järjestikust keerutamistehnoloogiat. astmeline keerutamine.
Enne kui arvuti saab neid kasutada, peavad seadme sees olevad draivid (mida varsti näeme) täiskiirusel pöörlema. Kuid kui masinasse on installitud palju kõvakettaid, võib äkiline samaaegne toitetaotlus süsteemi kahjustada. Spindlite järkjärguline üleskeeramine välistab täielikult selliste probleemide tekkimise, kuid peate ootama paar sekundit, enne kui saate HDD-le täieliku juurdepääsu.
Trükkplaadi eemaldamisel näete, kuidas see ühendub seadme sees olevate komponentidega. HDD pole pitseeritud, välja arvatud väga suure võimsusega seadmed - nad kasutavad õhu asemel heeliumi, kuna see on palju vähem tihe ja tekitab palju kettaid sisaldavates draivides vähem probleeme. Teisest küljest ei tohiks te tavalisi draive avatud keskkonnale kokku puutuda.
Tänu selliste pistikute kasutamisele minimeeritakse sisenemispunktide arv, mille kaudu mustus ja tolm draivi sisse pääsevad; metallkorpuses on auk (suur valge täpp pildi alumises vasakus nurgas), mis võimaldab ümbritseval rõhul püsida.
Nüüd, kui PCB on eemaldatud, vaatame, mis seal sees on. Seal on neli peamist kiipi:
- LSI B64002: Põhikontrolleri kiip, mis töötleb juhiseid, edastab andmevooge sisse ja välja, parandab vigu jne.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM, mille taktsagedus on 800 MHz, kasutatakse andmete vahemällu salvestamiseks
- Sujuv MCKXL: juhib kettaid keerutavat mootorit
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB jadavälkmälu, mida kasutatakse draivi püsivara salvestamiseks (natuke nagu arvuti BIOS)
Erinevate kõvaketaste PCB komponendid võivad erineda. Suuremad suurused nõuavad rohkem vahemälu (moodsamatel koletistel võib olla kuni 256 MB DDR3) ja põhikontrolleri kiip võib olla vigade käsitlemisel veidi keerukam, kuid üldiselt pole erinevused nii suured.
Ajami avamine on lihtne, lihtsalt keerake lahti paar Torxi polti ja voila! Oleme sees...
Arvestades, et see võtab seadmest suurema osa, juhib meie tähelepanu kohe suur metallring; on lihtne aru saada, miks draive kutsutakse kettale. Õige on neile helistada taldrikud; need on valmistatud klaasist või alumiiniumist ja kaetud mitme erineva materjali kihiga. Sellel 3 TB draivil on kolm taldrikut, mis tähendab, et ühe plaadi mõlemal küljel tuleks hoida 500 GB.
Pilt on üsna tolmune, sellised määrdunud plaadid ei vasta nende valmistamiseks vajaliku disaini ja valmistamise täpsusele. Meie HDD näites on alumiiniumketas ise 0,04 tolli (1 mm) paksune, kuid poleeritud sellisel määral, et kõrvalekallete keskmine kõrgus pinnal on alla 0,000001 tolli (ligikaudu 30 nm).
Aluskiht on vaid 0,0004 tolli (10 mikronit) sügav ja koosneb mitmest metallile kantud materjalikihist. Rakendus toimub kasutades järgneb , valmistades ketta ette põhiliste magnetiliste materjalide jaoks, mida kasutatakse digitaalsete andmete salvestamiseks.
See materjal on tavaliselt keeruline koobaltisulam ja koosneb kontsentrilistest ringidest, millest igaüks on ligikaudu 0,00001 tolli (ligikaudu 250 nm) lai ja 0,000001 tolli (25 nm) sügav. Mikrotasandil moodustavad metallisulamid veepinnal seebimullidega sarnaseid terakesi.
Igal teral on oma magnetväli, kuid seda saab teatud suunas teisendada. Selliste väljade rühmitamine annab andmebitid (0-d ja 1-d). Kui soovite selle teema kohta rohkem teada saada, lugege Yale'i ülikool. Viimased katted on kaitseks süsinikkiht ja seejärel kontakthõõrdumise vähendamiseks polümeer. Üheskoos ei ole need paksused üle 0,0000005 tolli (12 nm).
Peagi näeme, miks vahvleid tuleb toota nii rangete tolerantsidega, kuid siiski on üllatav tõdeda, et Sinust võib saada nanomeetrise täpsusega toodetud seadme uhke omanik!
Läheme aga tagasi HDD enda juurde ja vaatame, mis seal veel on.
Kollane värv näitab metallkatet, mis kinnitab plaadi kindlalt spindli ajamiga elektrimootor - elektriajam, mis pöörleb kettaid. Selles HDD-s pöörlevad need sagedusega 7200 p/min (pööret/min), kuid teistes mudelites võivad need töötada aeglasemalt. Aeglastel draividel on väiksem müra ja energiatarve, aga ka väiksem kiirus, samas kui kiirematel draividel on kiirus kuni 15 000 p/min.
Tolmu ja õhuniiskuse põhjustatud kahjustuste vähendamiseks kasutage retsirkulatsiooni filter (roheline ruut), kogudes väikseid osakesi ja hoides neid sees. Plaatide pöörlemisel liigutatav õhk tagab pideva voolu läbi filtri. Ketaste kohal ja filtri kõrval on üks kolmest plaatide eraldajad: aitab vähendada vibratsiooni ja säilitada võimalikult ühtlase õhuvoolu.
Pildi vasakus ülanurgas tähistab sinine ruut ühte kahest püsivardamagnetist. Need pakuvad punasega tähistatud komponendi liigutamiseks vajalikku magnetvälja. Eraldame need detailid, et neid paremini näha.
See, mis näeb välja nagu valge laik, on teine filter, ainult see filtreerib välja osakesed ja gaasid, mis sisenevad väljastpoolt ülaltoodud augu kaudu. Metallist naelu on pea liikumise hoovad, millel need asuvad lugemis-kirjutamispead kõvaketas. Nad liiguvad tohutu kiirusega piki plaatide pinda (ülemine ja alumine).
Vaadake seda videot, mille on loonud et näha, kui kiired nad on:
Disain ei kasuta midagi sellist ; Kangide liigutamiseks juhitakse elektrivool läbi kangide põhjas oleva solenoidi.
Üldiselt nimetatakse neid , sest nad kasutavad membraanide liigutamiseks sama põhimõtet, mida kõlarites ja mikrofonides. Vooluvool tekitab nende ümber magnetvälja, mis reageerib püsivarraste magnetite tekitatud väljale.
Ärge unustage, et andmed jälgivad tilluke, seega peab käte asend olema ülitäpne, nagu ka kõik muu ajamis. Mõnel kõvakettal on mitmeastmelised hoovad, mis teevad väikeseid muudatusi kogu kangi ühe osa suunas.
Mõnel kõvakettal on andmerajad, mis kattuvad üksteisega. Seda tehnoloogiat nimetatakse (sindliga magnetsalvestus) ning selle nõuded täpsusele ja positsioneerimisele (st pidevalt ühte punkti tabada) on veelgi karmimad.
Käte päris otsas on väga tundlikud lugemis-kirjutuspead. Meie HDD sisaldab 3 vaagnat ja 6 pead ning igaüks neist ujub ketta kohal, kui see pöörleb. Selle saavutamiseks riputatakse pead üliõhukestele metallribadele.
Ja siin näeme, miks meie anatoomiline isend suri - vähemalt üks peadest läks lahti ja mis iganes esialgse kahjustuse põhjustas, painutas ka ühte käsi. Kogu peakomponent on nii väike, et nagu allpool näha, on sellest tavakaameraga väga raske head pilti saada.
Siiski saame üksikud osad lahti võtta. Hall plokk on spetsiaalselt valmistatud osa nn "liugur": Kui ketas selle all pöörleb, tekitab õhuvool tõusu, tõstes pea pinnalt. Ja kui me ütleme "liftid", peame silmas tühimikku, mis on vaid 0,0000002 tolli lai või väiksem kui 5 nm.
Edasi ja pead ei suuda tuvastada muutusi raja magnetväljades; kui pead lebaksid pinnal, siis nad lihtsalt kriimustaksid katet. Seetõttu peate draivi korpuse sees olevat õhku filtreerima: draivi pinnal olev tolm ja niiskus murravad lihtsalt pead.
Pisike metallist "varras" pea otsas aitab parandada üldist aerodünaamikat. Kuid lugemise ja kirjutamise osade nägemiseks vajame paremat fotot.
Sellel teise kõvaketta pildil on lugemis-/kirjutusseadmed kõigi elektriühenduste all. Salvestamise teostab süsteem (õhukese kile induktsioon, TFI) ja lugemine - seade (tunnelmagnetoresistiivne seade, TMR).
TMR-i tekitatud signaalid on väga nõrgad ja enne saatmist tuleb need läbi võimendi juhtida, et tasemeid tõsta. Selle eest vastutav kiip asub alloleval pildil hoobade aluse lähedal.
Nagu artikli sissejuhatuses öeldud, on kõvaketta mehaanilised komponendid ja tööpõhimõte aastate jooksul vähe muutunud. Eelkõige täiustati magnetradade ja lugemis-kirjutuspeade tehnoloogiat, luues järjest kitsamaid ja tihedamaid radu, mis lõppkokkuvõttes tõi kaasa salvestatava teabe hulga suurenemise.
Mehaanilistel kõvaketastel on aga ilmsed kiiruspiirangud. Kangide soovitud asendisse viimine võtab aega ja kui andmed on erinevatel taldrikutel erinevate radade vahel laiali, kulub draivil bittide otsimisele päris mitu mikrosekundit.
Enne teist tüüpi draivi juurde liikumist näitame tüüpilise kõvaketta ligikaudset kiirust. Kasutasime võrdlusalust kõvaketta hindamiseks :
Esimesed kaks rida näitavad MB arvu sekundis järjestikuse (pikk pidev loend) ja juhusliku (üleminekud kogu draivi ulatuses) lugemise ja kirjutamise korral. Järgmine rida näitab IOPS-i väärtust, mis on igas sekundis sooritatavate I/O-toimingute arv. Viimane rida näitab keskmist latentsust (aeg mikrosekundites) lugemis- või kirjutamistoimingu edastamise ja andmeväärtuste vastuvõtmise vahel.
Üldiselt püüame tagada, et kolme esimese rea väärtused oleksid võimalikult suured ja viimases reas võimalikult väikesed. Ärge muretsege numbrite endi pärast, me kasutame neid lihtsalt võrdluseks, kui vaatame teist tüüpi draivi: pooljuhtketast.
Allikas: www.habr.com