مغناطیسی است. برقی است فوتونیک است. نه، این سه ابرقهرمانی جدید از دنیای مارول نیست. این در مورد ذخیره داده های دیجیتال با ارزش ما است. ما باید آنها را در جایی امن و پایدار ذخیره کنیم تا بتوانیم در یک چشم به هم زدن به آنها دسترسی داشته باشیم و آنها را تغییر دهیم. Iron Man و Thor را فراموش کنید - ما در مورد هارد دیسک صحبت می کنیم!
بنابراین بیایید به آناتومی دستگاه‌هایی که امروزه برای ذخیره میلیاردها بیت داده استفاده می‌کنیم بپردازیم.
تو به دور من بچرخ، عزیزم
مکانیکی ذخیره سازی هارد دیسک (هارد دیسک، HDD) بیش از 30 سال است که استاندارد ذخیره سازی رایانه ها در سراسر جهان بوده است، اما فناوری پشت آن بسیار قدیمی تر است.
IBM اولین HDD تجاری را منتشر کرد ، ظرفیت آن به اندازه 3,75 مگابایت بود. و به طور کلی، در طول این سال ها ساختار کلی درایو تغییر چندانی نکرده است. هنوز هم دیسک هایی دارد که از مغناطیس برای ذخیره داده ها استفاده می کنند و دستگاه هایی برای خواندن/نوشتن آن داده ها وجود دارد. تغییر کرده همان مقدار و بسیار قوی، میزان داده ای است که می توان روی آنها ذخیره کرد.
در سال 1987 این امکان وجود داشت حدود 350 دلار؛ امروز می توانید 14 ترابایت بخرید: در 700 000 برابر حجم
ما به دستگاهی نگاه خواهیم کرد که دقیقاً هم اندازه نیست، بلکه با استانداردهای مدرن نیز مناسب است: HDD 3,5 اینچی Seagate Barracuda 3 TB، به ویژه مدل ، بدنام برای آن است и . درایوی که ما در حال مطالعه آن هستیم در حال حاضر مرده است، بنابراین این بیشتر شبیه کالبد شکافی است تا یک درس آناتومی.
قسمت عمده هارد دیسک از فلز ریخته گری شده است. نیروهای داخل دستگاه در هنگام استفاده فعال می تواند کاملا جدی باشد، بنابراین فلز ضخیم از خم شدن و لرزش کیس جلوگیری می کند. حتی هاردهای 1,8 اینچی کوچک از فلز به عنوان مواد بدنه استفاده می کنند، اما معمولاً به جای فولاد از آلومینیوم ساخته می شوند زیرا باید تا حد امکان سبک باشند.
با برگرداندن درایو، یک برد مدار چاپی و چندین کانکتور را می بینیم. کانکتور بالای برد برای موتوری که دیسک ها را می چرخاند استفاده می شود و سه پایه پایینی (از چپ به راست) پین های جامپر هستند که به شما امکان می دهند درایو را برای تنظیمات خاصی پیکربندی کنید، یک کانکتور داده SATA (Serial ATA). و یک کانکتور برق SATA.
سریال ATA اولین بار در سال 2000 ظاهر شد. در رایانه های رومیزی، این سیستم استانداردی است که برای اتصال درایوها به بقیه رایانه استفاده می شود. مشخصات قالب دستخوش اصلاحات زیادی شده است و ما در حال حاضر از نسخه 3.4 استفاده می کنیم. جسد هارد دیسک ما یک نسخه قدیمی است، اما تفاوت فقط یک پین در کانکتور برق است.
در اتصالات داده، برای دریافت و دریافت داده استفاده می شود. : از پین های A+ و A- استفاده می شود انتقال دستورالعمل ها و داده ها به هارد دیسک و پین های B برای دریافت این سیگنال ها این استفاده از هادی های جفت شده به طور قابل توجهی تأثیر نویز الکتریکی بر سیگنال را کاهش می دهد، به این معنی که دستگاه می تواند سریعتر کار کند.
اگر در مورد برق صحبت کنیم، می بینیم که کانکتور دارای یک جفت کنتاکت از هر ولتاژ (+3.3، +5 و +12V) است. با این حال، اکثر آنها استفاده نمی شوند زیرا هارد دیسک ها به برق زیادی نیاز ندارند. این مدل خاص سیگیت کمتر از 10 وات تحت بار فعال استفاده می کند. مخاطبین با علامت PC برای استفاده می شوند پیش شارژ: این ویژگی به شما امکان می دهد در حالی که رایانه همچنان به کار خود ادامه می دهد، هارد دیسک را جدا کرده و وصل کنید (به این نام می گویند مبادله داغ).
تماس با تگ PWDIS اجازه می دهد هارد دیسک، اما این عملکرد فقط از نسخه SATA 3.3 پشتیبانی می شود، بنابراین در درایو من فقط یک خط برق +3.3 ولت دیگر است. و آخرین پین، با برچسب SSU، به سادگی به رایانه می گوید که آیا هارد دیسک از فناوری چرخش متوالی پشتیبانی می کند یا خیر. چرخش مبهم.
قبل از اینکه رایانه بتواند از آنها استفاده کند، درایوهای داخل دستگاه (که به زودی خواهیم دید) باید با سرعت کامل بچرخند. اما اگر تعداد زیادی هارد دیسک در دستگاه نصب شده باشد، یک درخواست برق همزمان ناگهانی می تواند به سیستم آسیب برساند. چرخش تدریجی اسپیندل ها احتمال بروز چنین مشکلاتی را کاملاً از بین می برد، اما قبل از دسترسی کامل به هارد دیسک باید چند ثانیه صبر کنید.
با برداشتن برد مدار می توانید نحوه اتصال آن به قطعات داخل دستگاه را مشاهده کنید. HDD مهر و موم نشده، به استثنای دستگاه هایی با ظرفیت های بسیار زیاد - به جای هوا از هلیوم استفاده می کنند زیرا چگالی بسیار کمتری دارد و در درایوهای با تعداد دیسک زیاد مشکلات کمتری ایجاد می کند. از طرف دیگر، شما نباید درایوهای معمولی را در معرض محیط باز قرار دهید.
به لطف استفاده از چنین کانکتورهایی، تعداد نقاط ورودی که از طریق آنها خاک و گرد و غبار می توانند به داخل درایو نفوذ کنند به حداقل می رسد. سوراخی در قاب فلزی (نقطه سفید بزرگ در گوشه سمت چپ پایین تصویر) وجود دارد که اجازه می دهد فشار محیط در داخل باقی بماند.
اکنون که PCB حذف شده است، بیایید نگاهی به داخل آن بیاندازیم. چهار تراشه اصلی وجود دارد:
- LSI B64002: تراشه کنترل کننده اصلی که دستورالعمل ها را پردازش می کند، جریان های داده را به داخل و خارج منتقل می کند، خطاها را تصحیح می کند و غیره.
- Samsung K4T51163QJ: 64 مگابایت DDR2 SDRAM با فرکانس 800 مگاهرتز، برای ذخیره اطلاعات استفاده می شود
- Smooth MCKXL: موتوری را که دیسک ها را می چرخاند کنترل می کند
- Winbond 25Q40BWS05: 500 کیلوبایت حافظه فلش سریال مورد استفاده برای ذخیره سیستم عامل درایو (کمی شبیه بایوس کامپیوتر)
اجزای PCB هاردهای مختلف ممکن است متفاوت باشد. اندازه‌های بزرگ‌تر به حافظه پنهان بیشتری نیاز دارند (مدرن‌ترین هیولاها می‌توانند تا ۲۵۶ مگابایت DDR256 داشته باشند)، و تراشه کنترل‌کننده اصلی ممکن است در رسیدگی به خطا کمی پیچیده‌تر باشد، اما در کل تفاوت‌ها چندان زیاد نیستند.
باز کردن درایو آسان است، فقط چند پیچ Torx و voila را باز کنید! ما داخل هستیم...
با توجه به اینکه بخش عمده ای از دستگاه را اشغال می کند، توجه ما بلافاصله به دایره فلزی بزرگ جلب می شود. درک دلیل نامگذاری درایوها آسان است دیسک. درست است که با آنها تماس بگیرید بشقاب ها; آنها از شیشه یا آلومینیوم ساخته شده و با چندین لایه از مواد مختلف پوشش داده شده است. این درایو 3 ترابایتی دارای سه بشقاب است، به این معنی که 500 گیگابایت باید در هر طرف یک بشقاب ذخیره شود.
تصویر کاملا گرد و خاکی است، چنین صفحات کثیفی با دقت طراحی و ساخت مورد نیاز برای ساخت آنها مطابقت ندارد. در مثال HDD ما، خود دیسک آلومینیومی 0,04 اینچ (1 میلی متر) ضخامت دارد، اما به حدی جلا داده شده است که میانگین ارتفاع انحرافات روی سطح کمتر از 0,000001 اینچ (تقریباً 30 نانومتر) است.
لایه پایه تنها 0,0004 اینچ (10 میکرون) عمق دارد و از لایه های متعددی از مواد تشکیل شده است که بر روی فلز قرار گرفته اند. درخواست با استفاده از به دنبال ، دیسک را برای مواد مغناطیسی اساسی که برای ذخیره داده های دیجیتال استفاده می شود آماده می کند.
این ماده معمولاً یک آلیاژ کبالت پیچیده است و از دایره های متحدالمرکز تشکیل شده است که هر کدام تقریباً 0,00001 اینچ (تقریباً 250 نانومتر) عرض و 0,000001 اینچ (25 نانومتر) عمق دارند. در سطح میکرو، آلیاژهای فلزی دانه هایی شبیه حباب های صابون روی سطح آب تشکیل می دهند.
هر دانه میدان مغناطیسی خاص خود را دارد، اما می تواند در یک جهت معین تبدیل شود. گروه بندی چنین فیلدهایی منجر به بیت های داده (0 و 1) می شود. اگر می خواهید در مورد این موضوع بیشتر بدانید، بخوانید دانشگاه ییل. پوشش های نهایی یک لایه کربن برای محافظت و سپس یک پلیمر برای کاهش اصطکاک تماسی هستند. آنها با هم بیش از 0,0000005 اینچ (12 نانومتر) ضخامت ندارند.
ما به زودی خواهیم دید که چرا ویفرها باید با چنین تلورانس های سختی تولید شوند، اما هنوز هم تعجب آور است که متوجه شویم می توانید صاحب مفتخر دستگاهی شوید که با دقت نانومتری ساخته شده است!
با این حال، اجازه دهید به خود HDD برگردیم و ببینیم چه چیز دیگری در آن وجود دارد.
رنگ زرد پوشش فلزی را نشان می دهد که به طور ایمن صفحه را به آن می چسباند موتور الکتریکی اسپیندل درایو - یک درایو الکتریکی که دیسک ها را می چرخاند. در این HDD آنها با فرکانس 7200 دور در دقیقه (دور بر دقیقه) می چرخند، اما در مدل های دیگر ممکن است کندتر کار کنند. درایوهای آهسته نویز و مصرف انرژی کمتری دارند، اما سرعت کمتری نیز دارند، در حالی که درایوهای سریعتر می توانند به سرعت 15 دور در دقیقه برسند.
برای کاهش آسیب های ناشی از گرد و غبار و رطوبت هوا، استفاده کنید فیلتر چرخش (مربع سبز)، جمع آوری ذرات کوچک و نگه داشتن آنها در داخل. هوای حرکت داده شده توسط چرخش صفحات، جریان ثابتی را در فیلتر تضمین می کند. در بالای دیسک ها و در کنار فیلتر یکی از سه مورد وجود دارد جداکننده های صفحه: کمک به کاهش ارتعاشات و حفظ جریان هوا تا حد امکان.
در قسمت سمت چپ بالای تصویر، مربع آبی یکی از دو آهنربای میله ای دائمی را نشان می دهد. آنها میدان مغناطیسی مورد نیاز برای جابجایی جزء نشان داده شده با رنگ قرمز را فراهم می کنند. بیایید این جزئیات را از هم جدا کنیم تا بهتر ببینیم.
چیزی که شبیه یک لکه سفید به نظر می رسد فیلتر دیگری است، فقط این فیلتر ذرات و گازهایی را که از بیرون از سوراخی که در بالا دیدیم وارد می شود، فیلتر می کند. میخ های فلزی هستند اهرم های حرکت سر، که در آن قرار دارند سرهای خواندن و نوشتن هارد دیسک آنها با سرعت فوق العاده ای در امتداد سطح صفحات (بالا و پایین) حرکت می کنند.
تماشای این ویدیو ایجاد شده توسط برای دیدن سرعت آنها:
طراحی از چیزی شبیه به آن استفاده نمی کند ; برای حرکت دادن اهرم ها، جریان الکتریکی از شیر برقی در پایه اهرم ها عبور می کند.
به طور کلی آنها نامیده می شوند ، زیرا آنها از همان اصل استفاده شده در بلندگوها و میکروفون ها برای حرکت ممبران استفاده می کنند. جریان یک میدان مغناطیسی در اطراف آنها ایجاد می کند که به میدان ایجاد شده توسط آهنرباهای میله ای دائمی واکنش نشان می دهد.
فراموش نکنید که داده ها ردیابی می شوند کوچک، بنابراین موقعیت بازوها باید بسیار دقیق باشد، درست مانند هر چیز دیگری در درایو. برخی از هارد دیسک ها دارای اهرم های چند مرحله ای هستند که تنها در جهت یک قسمت از کل اهرم تغییرات کوچکی ایجاد می کنند.
برخی از هارد دیسک ها دارای مسیرهای داده ای هستند که روی یکدیگر همپوشانی دارند. این فناوری نام دارد (ضبط مغناطیسی شینگل)، و الزامات آن برای دقت و موقعیت (یعنی ضربه زدن مداوم به یک نقطه) حتی سخت تر است.
در انتهای بازوها سرهای بسیار حساس خواندن و نوشتن وجود دارد. هارد دیسک ما شامل 3 بشقاب و 6 هد و هر کدام است شناور بالای دیسک همانطور که می چرخد. برای رسیدن به این هدف، سرها بر روی نوارهای فلزی بسیار نازک آویزان می شوند.
و در اینجا می‌توانیم ببینیم که چرا نمونه آناتومیک ما مرده است - حداقل یکی از سرها شل شد، و هر چیزی که باعث آسیب اولیه شد، یکی از بازوها را نیز خم کرد. کل اجزای هد آنقدر کوچک است که همانطور که در زیر می بینید، گرفتن یک عکس خوب از آن با یک دوربین معمولی بسیار دشوار است.
با این حال، می توانیم تک تک قطعات را جدا کنیم. بلوک خاکستری قطعه ای است که به طور خاص ساخته شده است "لغزنده": هنگامی که دیسک در زیر آن می چرخد، جریان هوا باعث بالا رفتن می شود و سر را از روی سطح بلند می کند. و وقتی می گوییم "بالابرها"، منظور ما شکافی است که عرض آن تنها 0,0000002 اینچ یا کمتر از 5 نانومتر است.
هر چه بیشتر، و سرها قادر به تشخیص تغییرات در میدان های مغناطیسی مسیر نخواهند بود. اگر سرها روی سطح قرار می گرفتند، به سادگی پوشش را خراش می دادند. به همین دلیل است که باید هوای داخل محفظه درایو را فیلتر کنید: گرد و غبار و رطوبت روی سطح درایو به سادگی سرها را می شکند.
یک "قطب" فلزی کوچک در انتهای سر به آئرودینامیک کلی کمک می کند. با این حال، برای دیدن قسمت هایی که خواندن و نوشتن را انجام می دهند، به عکس بهتری نیاز داریم.
در این تصویر از یک هارد دیسک دیگر، دستگاه های خواندن/نوشتن در زیر تمام اتصالات الکتریکی قرار دارند. ضبط توسط سیستم انجام می شود (القای لایه نازک، TFI)، و خواندن - دستگاه (دستگاه مغناطیسی مقاومت تونلی، TMR).
سیگنال های تولید شده توسط TMR بسیار ضعیف هستند و برای افزایش سطح قبل از ارسال باید از یک تقویت کننده عبور داده شوند. تراشه مسئول این امر در نزدیکی پایه اهرم ها در تصویر زیر قرار دارد.
همانطور که در مقدمه مقاله بیان شد، اجزای مکانیکی و اصل عملکرد یک هارد دیسک در طول سال ها تغییر چندانی نکرده است. بیشتر از همه، فن آوری مسیرهای مغناطیسی و هدهای خواندن-نوشتن بهبود یافت و مسیرهای باریک و متراکم فزاینده ای ایجاد کرد که در نهایت منجر به افزایش مقدار اطلاعات ذخیره شده شد.
با این حال، هارد دیسک های مکانیکی محدودیت های سرعت آشکاری دارند. حرکت دادن اهرم ها به موقعیت مورد نظر زمان می برد و اگر داده ها در مسیرهای مختلف روی صفحات مختلف پراکنده شوند، درایو چند میکروثانیه را صرف جستجوی بیت ها می کند.
قبل از رفتن به نوع دیگری از درایو، اجازه دهید سرعت تقریبی یک هارد دیسک معمولی را نشان دهیم. ما از معیار استفاده کردیم برای ارزیابی هارد دیسک :
دو خط اول تعداد مگابایت در ثانیه را هنگام انجام خواندن و نوشتن متوالی (فهرست طولانی و پیوسته) و تصادفی (انتقال در کل درایو) نشان می دهد. خط بعدی مقدار IOPS را نشان می دهد که تعداد عملیات I/O انجام شده در هر ثانیه است. خط آخر میانگین تأخیر (زمان بر حسب میکروثانیه) بین ارسال عملیات خواندن یا نوشتن و دریافت مقادیر داده را نشان می دهد.
به طور کلی، ما سعی می کنیم اطمینان حاصل کنیم که مقادیر در سه خط اول تا حد امکان بزرگ و در خط آخر تا حد امکان کوچک باشد. نگران خود اعداد نباشید، وقتی به نوع دیگری از درایو نگاه می کنیم: درایو حالت جامد، فقط از آنها برای مقایسه استفاده می کنیم.
منبع: www.habr.com