C'est magnétique. C'est électrique. C'est photonique. Non, il ne s’agit pas d’un nouveau trio de super-héros issu de l’univers Marvel. Il s'agit de stocker nos précieuses données numériques. Nous devons les stocker dans un endroit sûr et stable, afin de pouvoir y accéder et les modifier en un clin d’œil. Oubliez Iron Man et Thor, nous parlons de disques durs !
Examinons donc l'anatomie des appareils que nous utilisons aujourd'hui pour stocker des milliards de bits de données.
Tu me fais tourner en rond, bébé
Mécanique stockage sur disque dur (disque dur, HDD) est la norme de stockage pour les ordinateurs du monde entier depuis plus de 30 ans, mais la technologie qui la sous-tend est beaucoup plus ancienne.
IBM a lancé le premier disque dur commercial , sa capacité atteignait 3,75 Mo. Et d’une manière générale, au cours de toutes ces années, la structure générale du mouvement n’a pas beaucoup changé. Il dispose toujours de disques qui utilisent la magnétisation pour stocker les données, et il existe des périphériques pour lire/écrire ces données. Modifié La quantité de données qui peut y être stockée est la même, et elle est très importante.
En 1987, il était possible pour environ 350 $ ; Aujourd'hui vous pouvez acheter 14 To : en +700 (000)XNUMX XNUMX fois le volume.
Nous examinerons un appareil qui n'est pas exactement de la même taille, mais qui est également décent par rapport aux normes modernes : le disque dur 3,5 pouces Seagate Barracuda 3 To, en particulier le modèle , célèbre pour son и . Le lecteur que nous étudions est déjà mort, ce sera donc plus une autopsie qu'une leçon d'anatomie.
La majeure partie du disque dur est en métal moulé. Les forces à l'intérieur de l'appareil lors d'une utilisation active peuvent être assez importantes, c'est pourquoi un métal épais empêche la flexion et les vibrations du boîtier. Même les petits disques durs de 1,8 pouces utilisent du métal comme matériau de boîtier, mais ils sont généralement fabriqués en aluminium plutôt qu'en acier car ils doivent être aussi légers que possible.
En retournant le lecteur, on voit un circuit imprimé et plusieurs connecteurs. Le connecteur en haut de la carte est utilisé pour le moteur qui fait tourner les disques, et les trois du bas (de gauche à droite) sont des broches de cavalier qui vous permettent de configurer le lecteur pour certaines configurations, un connecteur de données SATA (Serial ATA). et un connecteur d'alimentation SATA.
Le Serial ATA est apparu pour la première fois en 2000. Sur les ordinateurs de bureau, il s'agit du système standard utilisé pour connecter les lecteurs au reste de l'ordinateur. La spécification du format a subi de nombreuses révisions et nous utilisons actuellement la version 3.4. Notre boîtier de disque dur est une version plus ancienne, mais la différence réside uniquement dans une broche du connecteur d’alimentation.
Dans les connexions de données, il est utilisé pour recevoir et recevoir des données. : Les broches A+ et A- sont utilisées pour transfert instructions et données sur le disque dur, et les broches B sont pour получения ces signaux. Cette utilisation de conducteurs appariés réduit considérablement l'effet du bruit électrique sur le signal, ce qui signifie que l'appareil peut fonctionner plus rapidement.
Si nous parlons de puissance, nous voyons que le connecteur possède une paire de contacts de chaque tension (+3.3, +5 et +12V) ; cependant, la plupart d’entre eux ne sont pas utilisés car les disques durs ne nécessitent pas beaucoup d’énergie. Ce modèle Seagate particulier utilise moins de 10 watts en charge active. Les contacts marqués PC sont utilisés pour précharge: Cette fonctionnalité vous permet de retirer et de connecter le disque dur pendant que l'ordinateur continue de fonctionner (c'est ce qu'on appelle échange à chaud).
Le contact avec la balise PWDIS permet disque dur, mais cette fonction n'est prise en charge qu'à partir de la version SATA 3.3, donc dans mon disque, c'est juste une autre ligne électrique +3.3 V. Et la dernière broche, étiquetée SSU, indique simplement à l'ordinateur si le disque dur prend en charge la technologie de rotation séquentielle. rotation échelonnée.
Avant que l'ordinateur puisse les utiliser, les disques à l'intérieur de l'appareil (que nous verrons bientôt) doivent tourner à pleine vitesse. Mais si de nombreux disques durs sont installés dans la machine, une demande d'alimentation soudaine et simultanée peut endommager le système. La rotation progressive des broches élimine complètement la possibilité de tels problèmes, mais vous devrez attendre quelques secondes avant d'obtenir un accès complet au disque dur.
En retirant le circuit imprimé, vous pouvez voir comment il se connecte aux composants à l'intérieur de l'appareil. Disque dur non scellé, à l'exception des appareils de très grande capacité, ils utilisent de l'hélium au lieu de l'air car il est beaucoup moins dense et crée moins de problèmes dans les disques comportant un grand nombre de disques. D’un autre côté, vous ne devez pas exposer les disques conventionnels à l’environnement ouvert.
Grâce à l'utilisation de tels connecteurs, le nombre de points d'entrée par lesquels la saleté et la poussière peuvent pénétrer à l'intérieur du variateur est minimisé ; il y a un trou dans le boîtier métallique (le gros point blanc dans le coin inférieur gauche de l'image) qui permet à la pression ambiante de rester à l'intérieur.
Maintenant que le PCB est retiré, jetons un œil à ce qu'il y a à l'intérieur. Il existe quatre puces principales :
- LSI B64002 : Puce de contrôleur principale qui traite les instructions, transfère les flux de données entrants et sortants, corrige les erreurs, etc.
- Samsung K4T51163QJ : 64 Mo de SDRAM DDR2 cadencés à 800 MHz, utilisés pour la mise en cache des données
- Smooth MCKXL : contrôle le moteur qui fait tourner les disques
- Winbond 25Q40BWS05 : 500 Ko de mémoire flash série utilisée pour stocker le firmware du lecteur (un peu comme le BIOS d'un ordinateur)
Les composants PCB des différents disques durs peuvent varier. Les tailles plus grandes nécessitent plus de cache (les monstres les plus modernes peuvent avoir jusqu'à 256 Mo de DDR3) et la puce du contrôleur principal est peut-être un peu plus sophistiquée dans la gestion des erreurs, mais dans l'ensemble, les différences ne sont pas si grandes.
L'ouverture du variateur est simple, il suffit de dévisser quelques boulons Torx et le tour est joué ! Nous sommes à l'intérieur...
Etant donné qu'il occupe l'essentiel de l'appareil, notre attention est immédiatement attirée sur le grand cercle métallique ; il est facile de comprendre pourquoi les lecteurs sont appelés disque. C'est correct de les appeler assiettes; ils sont en verre ou en aluminium et recouverts de plusieurs couches de matériaux différents. Ce disque de 3 To comporte trois plateaux, ce qui signifie que 500 Go doivent être stockés de chaque côté d'un plateau.
L’image est assez poussiéreuse, de telles plaques sales ne correspondent pas à la précision de conception et de fabrication requise pour les réaliser. Dans notre exemple de disque dur, le disque en aluminium lui-même a une épaisseur de 0,04 pouce (1 mm), mais est tellement poli que la hauteur moyenne des écarts sur la surface est inférieure à 0,000001 pouce (environ 30 nm).
La couche de base n'a qu'une profondeur de 0,0004 pouces (10 microns) et est constituée de plusieurs couches de matériaux déposées sur le métal. L'application se fait à l'aide suivie par , préparant le disque pour les matériaux magnétiques de base utilisés pour stocker les données numériques.
Ce matériau est généralement un alliage de cobalt complexe et est composé de cercles concentriques mesurant chacun environ 0,00001 pouce (environ 250 nm) de largeur et 0,000001 pouce (25 nm) de profondeur. Au niveau micro, les alliages métalliques forment des grains semblables à des bulles de savon à la surface de l’eau.
Chaque grain possède son propre champ magnétique, mais celui-ci peut se transformer dans une direction donnée. Le regroupement de ces champs donne lieu à des bits de données (0 et 1). Si vous souhaitez en savoir plus sur ce sujet, lisez Université de Yale. Les revêtements finaux sont une couche de carbone pour la protection, puis un polymère pour réduire la friction de contact. Ensemble, ils n’ont pas plus de 0,0000005 pouces (12 nm) d’épaisseur.
Nous verrons bientôt pourquoi les plaquettes doivent être fabriquées selon des tolérances aussi strictes, mais il est quand même surprenant de réaliser que Vous pouvez devenir l’heureux propriétaire d’un appareil fabriqué avec une précision nanométrique !
Cependant, revenons au disque dur lui-même et voyons ce qu'il contient d'autre.
La couleur jaune montre le couvercle métallique qui fixe solidement la plaque au moteur électrique d'entraînement de broche - un entraînement électrique qui fait tourner les disques. Dans ce disque dur, ils tournent à une fréquence de 7200 15 tr/min (tours/min), mais dans d'autres modèles, ils peuvent fonctionner plus lentement. Les disques lents ont moins de bruit et de consommation d'énergie, mais également une vitesse plus faible, tandis que les disques plus rapides peuvent atteindre des vitesses de 000 XNUMX tr/min.
Pour réduire les dommages causés par la poussière et l'humidité de l'air, utilisez filtre de recirculation (carré vert), collectant les petites particules et les retenant à l'intérieur. L'air déplacé par la rotation des plaques assure un débit constant à travers le filtre. Au-dessus des disques et à côté du filtre se trouve l'un des trois séparateurs à plaques: aidant à réduire les vibrations et à maintenir le flux d'air aussi uniforme que possible.
Dans la partie supérieure gauche de l’image, le carré bleu indique l’un des deux barres aimantées permanentes. Ils fournissent le champ magnétique nécessaire au déplacement du composant indiqué en rouge. Séparons ces détails pour mieux les voir.
Ce qui ressemble à une tache blanche est un autre filtre, seul celui-ci filtre les particules et les gaz qui entrent de l'extérieur par le trou que nous avons vu ci-dessus. Les pointes métalliques sont leviers de mouvement de la tête, sur lequel ils se trouvent têtes de lecture-écriture disque dur. Ils se déplacent à une vitesse énorme le long de la surface des plaques (supérieure et inférieure).
Regardez cette vidéo créée par pour voir à quelle vitesse ils vont :
La conception n'utilise rien de tel ; Pour déplacer les leviers, un courant électrique passe à travers un solénoïde situé à la base des leviers.
En général, on les appelle , car ils utilisent le même principe que celui utilisé dans les haut-parleurs et les microphones pour déplacer les membranes. Le courant génère autour d’eux un champ magnétique qui réagit au champ créé par les barres magnétiques permanentes.
N'oubliez pas que les données suivent minuscule, le positionnement des bras doit donc être extrêmement précis, comme tout le reste de l'entraînement. Certains disques durs sont dotés de leviers à plusieurs étages qui effectuent de petits changements dans la direction d'une seule partie de l'ensemble du levier.
Certains disques durs ont des pistes de données qui se chevauchent. Cette technologie est appelée (enregistrement magnétique en bardeaux), et ses exigences en matière de précision et de positionnement (c'est-à-dire atteindre constamment un point) sont encore plus strictes.
Tout au bout des bras se trouvent des têtes de lecture-écriture très sensibles. Notre disque dur contient 3 plateaux et 6 têtes, et chacun d'eux nage au-dessus du disque lors de sa rotation. Pour y parvenir, les têtes sont suspendues sur des bandes de métal ultra fines.
Et ici, nous pouvons voir pourquoi notre spécimen anatomique est mort : au moins une des têtes s'est détachée, et ce qui a causé les dommages initiaux a également plié l'un des bras. L'ensemble de la tête est si petit que, comme vous pouvez le voir ci-dessous, il est très difficile d'en obtenir une bonne image avec un appareil photo ordinaire.
Cependant, nous pouvons démonter les différentes pièces. Le bloc gris est une pièce spécialement fabriquée appelée "glissière": Lorsque le disque tourne en dessous, le flux d'air crée une portance, soulevant la tête de la surface. Et lorsque nous disons « ascenseurs », nous entendons un écart qui ne mesure que 0,0000002 pouces de large, soit moins de 5 nm.
Plus loin, les têtes ne seront plus en mesure de reconnaître les changements dans les champs magnétiques de la piste ; si les têtes reposaient sur la surface, elles rayeraient simplement le revêtement. C'est pourquoi vous devez filtrer l'air à l'intérieur du boîtier du lecteur : la poussière et l'humidité à la surface du lecteur briseront simplement les têtes.
Un petit « poteau » métallique à l’extrémité de la tête contribue à l’aérodynamisme global. Cependant, pour voir les parties qui font la lecture et l’écriture, nous avons besoin d’une meilleure photo.
Dans cette image d'un autre disque dur, les périphériques de lecture/écriture se trouvent sous toutes les connexions électriques. L'enregistrement est effectué par le système (induction en couche mince, TFI), et lecture - dispositif (dispositif magnétorésistif à effet tunnel, TMR).
Les signaux produits par TMR sont très faibles et doivent passer par un amplificateur pour augmenter les niveaux avant d'être envoyés. La puce responsable de cela est située près de la base des leviers dans l'image ci-dessous.
Comme indiqué en introduction de l’article, les composants mécaniques et le principe de fonctionnement d’un disque dur ont peu évolué au fil des années. Surtout, la technologie des pistes magnétiques et des têtes de lecture-écriture a été améliorée, créant des pistes de plus en plus étroites et denses, ce qui a finalement conduit à une augmentation de la quantité d'informations stockées.
Cependant, les disques durs mécaniques ont des limitations de vitesse évidentes. Il faut du temps pour déplacer les leviers vers la position souhaitée, et si les données sont dispersées sur différentes pistes sur différents plateaux, le lecteur passera plusieurs microsecondes à rechercher des bits.
Avant de passer à un autre type de disque, indiquons la vitesse approximative d'un disque dur typique. Nous avons utilisé le benchmark pour évaluer le disque dur :
Les deux premières lignes indiquent le nombre de Mo par seconde lors de l'exécution de lectures et d'écritures séquentielles (liste longue et continue) et aléatoires (transitions sur l'ensemble du lecteur). La ligne suivante affiche la valeur IOPS, qui correspond au nombre d'opérations d'E/S effectuées chaque seconde. La dernière ligne indique la latence moyenne (durée en microsecondes) entre la transmission d'une opération de lecture ou d'écriture et la réception des valeurs de données.
En général, nous nous efforçons de faire en sorte que les valeurs des trois premières lignes soient aussi grandes que possible et que celles de la dernière ligne soient aussi petites que possible. Ne vous inquiétez pas des chiffres eux-mêmes, nous les utiliserons simplement à des fins de comparaison lorsque nous examinerons un autre type de disque : le disque SSD.
Source: habr.com