É magnético. É eléctrico. É fotónico. Non, este non é un novo trío de superheroes do universo Marvel. Trátase de almacenar os nosos preciosos datos dixitais. Temos que gardalas nalgún lugar, de forma segura e estable, para poder acceder a elas e cambialas nun abrir e pechar de ollos. Esquece Iron Man e Thor: estamos a falar de discos duros!
Entón, mergullámonos na anatomía dos dispositivos que usamos hoxe para almacenar miles de millóns de bits de datos.
Dasme voltas, nena
Mecánica almacenamento do disco duro (unidade de disco duro, HDD) foi o estándar de almacenamento para ordenadores de todo o mundo durante máis de 30 anos, pero a tecnoloxía que hai detrás é moito máis antiga.
IBM lanzou o primeiro disco duro comercial , a súa capacidade era de ata 3,75 MB. E en xeral, ao longo de todos estes anos a estrutura xeral da unidade non cambiou moito. Aínda ten discos que usan magnetización para almacenar datos, e hai dispositivos para ler/escribir eses datos. Cambiado O mesmo, e moi forte, é a cantidade de datos que se poden almacenar neles.
En 1987 foi posible por uns 350 dólares; Hoxe podes mercar 14 TB: en 700 000 veces o volume.
Veremos un dispositivo que non é exactamente do mesmo tamaño, pero tamén decente para os estándares modernos: o HDD de 3,5 polgadas Seagate Barracuda 3 TB, en particular, o modelo , notoria pola súa и . O disco que estamos estudando xa está morto, polo que será máis unha autopsia que unha lección de anatomía.
A maior parte do disco duro é de metal fundido. As forzas no interior do dispositivo durante o uso activo poden ser bastante graves, polo que o metal groso impide a flexión e a vibración da caixa. Incluso os pequenos discos duros de 1,8 polgadas usan metal como material de carcasa, pero normalmente están feitos de aluminio en lugar de aceiro porque teñen que ser o máis lixeiros posible.
Voltando a unidade, vemos unha placa de circuíto impreso e varios conectores. O conector da parte superior da placa úsase para o motor que xira os discos, e os tres inferiores (de esquerda a dereita) son pins de puente que permiten configurar a unidade para determinadas configuracións, un conector de datos SATA (Serial ATA). , e un conector de alimentación SATA.
Serial ATA apareceu por primeira vez en 2000. Nos ordenadores de sobremesa, este é o sistema estándar usado para conectar as unidades ao resto do ordenador. A especificación do formato sufriu moitas revisións e actualmente estamos a usar a versión 3.4. O noso cadáver do disco duro é unha versión máis antiga, pero a diferenza é só un pin no conector de alimentación.
Nas conexións de datos, úsase para recibir e recibir datos. : utilízanse os pinos A+ e A- transferencia instrucións e datos ao disco duro, e os pinos B son para recibindo estes sinais. Este uso de condutores emparellados reduce significativamente o efecto do ruído eléctrico no sinal, o que significa que o dispositivo pode funcionar máis rápido.
Se falamos de potencia, vemos que o conector ten un par de contactos de cada voltaxe (+3.3, +5 e +12V); porén, a maioría deles non se usan porque os discos duros non requiren moita enerxía. Este modelo de Seagate en particular usa menos de 10 vatios baixo carga activa. Os contactos marcados PC úsanse para precarga: Esta función permítelle eliminar e conectar o disco duro mentres o ordenador segue funcionando (a isto chámase intercambio en quente).
O contacto coa etiqueta PWDIS permite disco duro, pero esta función só é compatible coa versión SATA 3.3, polo que no meu disco só hai outra liña de alimentación de +3.3 V. E o último pin, etiquetado SSU, simplemente indica ao ordenador se o disco duro admite tecnoloxía de spin-up secuencial. xiro escalonado.
Antes de que o ordenador poida usalos, as unidades do dispositivo (que veremos en breve) deben xirar a toda velocidade. Pero se hai moitos discos duros instalados na máquina, unha solicitude de enerxía simultánea repentina pode danar o sistema. Ao xirar gradualmente os eixos elimina completamente a posibilidade de tales problemas, pero terás que esperar uns segundos antes de ter acceso total ao disco duro.
Ao eliminar a placa de circuíto, podes ver como se conecta aos compoñentes do interior do dispositivo. HDD non selado, coa excepción dos dispositivos con capacidades moi grandes - usan helio en lugar de aire porque é moito menos denso e crea menos problemas en unidades con gran número de discos. Por outra banda, non debe expor as unidades convencionais ao ambiente aberto.
Grazas ao uso deste tipo de conectores, o número de puntos de entrada polos que a sucidade e o po poden entrar na unidade redúcese ao mínimo; hai un burato na caixa metálica (o gran punto branco na esquina inferior esquerda da imaxe) que permite que a presión ambiental permaneza no interior.
Agora que se elimina o PCB, vexamos o que hai dentro. Hai catro fichas principais:
- LSI B64002: chip controlador principal que procesa instrucións, transfire fluxos de datos de entrada e saída, corrixe erros, etc.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM a 800 MHz, usado para almacenar datos en caché
- Smooth MCKXL: controla o motor que fai xirar os discos
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB de memoria flash en serie utilizada para almacenar o firmware da unidade (un pouco como a BIOS dunha computadora)
Os compoñentes da PCB dos distintos discos duros poden variar. Os tamaños máis grandes requiren máis caché (os monstros máis modernos poden ter ata 256 MB de DDR3) e o chip controlador principal pode ser un pouco máis sofisticado no manexo de erros, pero en xeral as diferenzas non son tan grandes.
Abrir a unidade é doado, só tes que desaparafusar algúns parafusos Torx e listo! Estamos dentro...
Dado que ocupa a maior parte do dispositivo, chamamos inmediatamente a atención o gran círculo metálico; é doado entender por que se chaman as unidades disco. É correcto chamalos placas; están feitos de vidro ou aluminio e revestidos con varias capas de diferentes materiais. Esta unidade de 3 TB ten tres pratos, o que significa que deberían almacenarse 500 GB a cada lado dun prato.
A imaxe é bastante poeirenta, tales placas sucias non coinciden coa precisión de deseño e fabricación necesaria para fabricalas. No noso exemplo de HDD, o propio disco de aluminio ten 0,04 polgadas (1 mm) de espesor, pero pulido ata tal punto que a altura media das desviacións na superficie é inferior a 0,000001 polgadas (aproximadamente 30 nm).
A capa base ten só 0,0004 polgadas (10 micras) de profundidade e consta de varias capas de materiais depositadas sobre o metal. A aplicación faise usando seguido por , preparando o disco para os materiais magnéticos básicos utilizados para almacenar datos dixitais.
Este material é normalmente unha complexa aliaxe de cobalto e está composto por círculos concéntricos, cada un de aproximadamente 0,00001 polgadas (aproximadamente 250 nm) de ancho e 0,000001 polgadas (25 nm) de profundidade. A nivel micro, as aliaxes metálicas forman grans similares ás burbullas de xabón na superficie da auga.
Cada gran ten o seu propio campo magnético, pero pódese transformar nunha dirección determinada. A agrupación destes campos dá como resultado bits de datos (0s e 1s). Se queres saber máis sobre este tema, le Universidade de Yale. Os revestimentos finais son unha capa de carbono para protección, e despois un polímero para reducir a fricción de contacto. Xuntos non teñen máis de 0,0000005 polgadas (12 nm) de espesor.
Pronto veremos por que as obleas deben fabricarse con tolerancias tan estreitas, pero aínda é sorprendente darse conta de que Podes converterte no orgulloso propietario dun dispositivo fabricado con precisión nanométrica.
Non obstante, volvamos ao propio disco duro e vexamos que máis hai nel.
A cor amarela mostra a tapa metálica que fixa firmemente a placa ao motor eléctrico de accionamento do fuso - un accionamento eléctrico que fai xirar os discos. Neste HDD xiran a unha frecuencia de 7200 rpm (revolucións/min), pero noutros modelos poden funcionar máis lentamente. As unidades lentas teñen menor ruído e consumo de enerxía, pero tamén menor velocidade, mentres que as unidades máis rápidas poden alcanzar velocidades de 15 rpm.
Para reducir os danos causados polo po e a humidade do aire, use filtro de recirculación (cadrado verde), recollendo pequenas partículas e mantenlas dentro. O aire movido pola rotación das placas garante un fluxo constante a través do filtro. Enriba dos discos e xunto ao filtro hai un dos tres separadores de placas: axuda a reducir as vibracións e a manter o fluxo de aire o máis uniforme posible.
Na parte superior esquerda da imaxe, o cadrado azul indica un dos dous imáns permanentes. Proporcionan o campo magnético necesario para mover o compoñente indicado en vermello. Imos separar estes detalles para velos mellor.
O que parece unha mancha branca é outro filtro, só este filtra as partículas e os gases que entran dende fóra polo burato que vimos arriba. As puntas metálicas son palancas de movemento da cabeza, na que se atopan cabezas de lectura-escritura disco duro. Móvense a unha velocidade tremenda pola superficie das placas (superior e inferior).
Mira este vídeo creado por para ver o rápido que van:
O deseño non usa nada semellante ; Para mover as pancas, faise pasar unha corrente eléctrica a través dun solenoide situado na base das pancas.
En xeral chámanse , porque usan o mesmo principio usado nos altofalantes e micrófonos para mover as membranas. A corrente xera un campo magnético ao seu redor, que reacciona ao campo creado polos imáns de barra permanentes.
Non esquezas que as pistas de datos pequeniño, polo que o posicionamento dos brazos debe ser extremadamente preciso, como todo o demais na unidade. Algúns discos duros teñen pancas de varias etapas que fan pequenos cambios na dirección dunha parte de toda a panca.
Algúns discos duros teñen pistas de datos que se solapan entre si. Esta tecnoloxía chámase (gravación magnética shingled), e os seus requisitos de precisión e posicionamento (é dicir, acadar constantemente un punto) son aínda máis estritos.
Ao final dos brazos hai cabezas de lectura e escritura moi sensibles. O noso disco duro contén 3 pratos e 6 cabezas, e cada un deles flota por riba do disco mentres xira. Para conseguilo, as cabezas están suspendidas en tiras de metal ultrafinas.
E aquí podemos ver por que morreu o noso espécime anatómico: polo menos unha das cabezas quedou solta, e o que causou o dano inicial tamén dobrau un dos brazos. Todo o compoñente da cabeza é tan pequeno que, como podes ver a continuación, é moi difícil obter unha boa imaxe dela cunha cámara normal.
Non obstante, podemos separar as partes individuais. O bloque gris é unha peza especialmente fabricada chamada "deslizante": A medida que o disco xira debaixo del, o fluxo de aire crea elevación, levantando a cabeza da superficie. E cando dicimos "ascensores", queremos dicir un espazo que ten só 0,0000002 polgadas de ancho, ou menos de 5 nm.
Máis aínda, e os xefes non poderán recoñecer os cambios nos campos magnéticos da pista; se as cabezas estivesen deitadas na superficie, simplemente rascarían o revestimento. É por iso que cómpre filtrar o aire dentro da caixa da unidade: o po e a humidade na superficie da unidade simplemente romperán as cabezas.
Un pequeno "polo" de metal ao final da cabeza axuda coa aerodinámica xeral. Porén, para ver as partes que fan a lectura e a escritura, necesitamos unha foto mellor.
Nesta imaxe doutro disco duro, os dispositivos de lectura/escritura están debaixo de todas as conexións eléctricas. A gravación é realizada polo sistema (indución de película fina, TFI) e lectura - dispositivo (dispositivo magnetoresistivo de túnel, TMR).
Os sinais producidos por TMR son moi débiles e deben pasarse por un amplificador para aumentar os niveis antes de ser enviados. O chip responsable diso está situado preto da base das pancas na imaxe de abaixo.
Como se indica na introdución do artigo, os compoñentes mecánicos e o principio de funcionamento dun disco duro cambiaron pouco ao longo dos anos. Sobre todo, mellorouse a tecnoloxía das pistas magnéticas e das cabezas de lectura-escritura, creando pistas cada vez máis estreitas e densas, o que finalmente levou a un aumento da cantidade de información almacenada.
Non obstante, os discos duros mecánicos teñen limitacións de velocidade obvias. Leva tempo mover as palancas á posición desexada e, se os datos están espallados por diferentes pistas en diferentes pratos, a unidade pasará uns poucos microsegundos buscando bits.
Antes de pasar a outro tipo de unidade, indiquemos a velocidade aproximada dun HDD típico. Usamos o benchmark para avaliar o disco duro :
As dúas primeiras liñas indican o número de MB por segundo cando se realizan lecturas e escrituras secuenciais (lista longa e continua) e aleatorias (transicións ao longo de toda a unidade). A seguinte liña mostra o valor IOPS, que é o número de operacións de E/S realizadas cada segundo. A última liña mostra a latencia media (tempo en microsegundos) entre a transmisión dunha operación de lectura ou escritura e a recepción dos valores de datos.
En xeral, esforzámonos por garantir que os valores das tres primeiras liñas sexan o máis grandes posibles e na última liña o máis pequenos posible. Non te preocupes polos números en si, só os usaremos para comparar cando vexamos outro tipo de unidade: a unidade de estado sólido.
Fonte: www.habr.com