भंडारण की शारीरिक रचना: हार्ड ड्राइव

यह चुंबकीय है. यह इलेक्ट्रिक है. यह फोटोनिक है. नहीं, यह मार्वल ब्रह्मांड की कोई नई सुपरहीरो तिकड़ी नहीं है। यह हमारे बहुमूल्य डिजिटल डेटा को संग्रहीत करने के बारे में है। हमें उन्हें सुरक्षित और स्थिर जगह पर संग्रहीत करने की आवश्यकता है, ताकि हम पलक झपकते ही उन तक पहुंच सकें और उन्हें बदल सकें। आयरन मैन और थॉर को भूल जाइए - हम हार्ड ड्राइव के बारे में बात कर रहे हैं!

तो आइए उन उपकरणों की संरचना पर गौर करें जिनका उपयोग हम आज अरबों बिट डेटा संग्रहीत करने के लिए करते हैं।

तुम मुझे ठीक घुमाते हो, बेबी

यांत्रिक हार्ड ड्राइव भंडारण (हार्ड डिस्क ड्राइव, एचडीडी) 30 से अधिक वर्षों से दुनिया भर के कंप्यूटरों के लिए भंडारण मानक रहा है, लेकिन इसके पीछे की तकनीक बहुत पुरानी है।

IBM ने पहला व्यावसायिक HDD जारी किया 1956 वर्ष में, इसकी क्षमता 3,75 एमबी जितनी थी। और सामान्य तौर पर, इन सभी वर्षों में ड्राइव की सामान्य संरचना में ज्यादा बदलाव नहीं आया है। इसमें अभी भी डिस्क हैं जो डेटा को संग्रहीत करने के लिए चुंबकीयकरण का उपयोग करती हैं, और उस डेटा को पढ़ने/लिखने के लिए उपकरण भी हैं। बदल गया है उन पर संग्रहीत किए जा सकने वाले डेटा की मात्रा समान और बहुत मजबूत है।

1987 में यह संभव हो सका एचडीडी 20 एमबी खरीदें लगभग $350 के लिए; आज उसी पैसे के लिए आप 14 टीबी: इंच खरीद सकते हैं 700 000 मात्रा का गुना.

हम एक ऐसे उपकरण को देखेंगे जो बिल्कुल समान आकार का नहीं है, लेकिन आधुनिक मानकों के अनुसार भी सभ्य है: 3,5 इंच एचडीडी सीगेट बाराकुडा 3 टीबी, विशेष रूप से, मॉडल ST3000DM001, इसके लिए कुख्यात उच्च विफलता दर и इसके कारण होने वाली कानूनी प्रक्रियाएँ. जिस ड्राइव का हम अध्ययन कर रहे हैं वह पहले ही ख़त्म हो चुकी है, इसलिए यह शरीर रचना पाठ की तुलना में शव-परीक्षा की तरह अधिक होगा।


हार्ड ड्राइव का बड़ा हिस्सा कास्ट मेटल का है। सक्रिय उपयोग के दौरान डिवाइस के अंदर बल काफी गंभीर हो सकते हैं, इसलिए मोटी धातु केस के झुकने और कंपन को रोकती है। यहां तक ​​कि छोटे 1,8-इंच एचडीडी भी आवास सामग्री के रूप में धातु का उपयोग करते हैं, लेकिन वे आमतौर पर स्टील के बजाय एल्यूमीनियम से बने होते हैं क्योंकि उन्हें जितना संभव हो उतना हल्का होना चाहिए।

ड्राइव को पलटने पर, हमें एक मुद्रित सर्किट बोर्ड और कई कनेक्टर दिखाई देते हैं। बोर्ड के शीर्ष पर स्थित कनेक्टर का उपयोग मोटर के लिए किया जाता है जो डिस्क को घुमाता है, और नीचे के तीन (बाएं से दाएं) जम्पर पिन हैं जो आपको कुछ कॉन्फ़िगरेशन के लिए ड्राइव को कॉन्फ़िगर करने की अनुमति देते हैं, एक SATA (सीरियल एटीए) डेटा कनेक्टर , और एक SATA पावर कनेक्टर।

सीरियल एटीए पहली बार 2000 में सामने आया। डेस्कटॉप कंप्यूटर में, यह मानक प्रणाली है जिसका उपयोग ड्राइव को कंप्यूटर के बाकी हिस्सों से कनेक्ट करने के लिए किया जाता है। प्रारूप विनिर्देश में कई संशोधन हुए हैं, और हम वर्तमान में संस्करण 3.4 का उपयोग कर रहे हैं। हमारी हार्ड ड्राइव लाश एक पुराना संस्करण है, लेकिन अंतर पावर कनेक्टर में केवल एक पिन का है।

डेटा कनेक्शन में, इसका उपयोग डेटा प्राप्त करने और प्राप्त करने के लिए किया जाता है। विभेदित संकेत: पिन A+ और A- का उपयोग किया जाता है स्थानांतरण हार्ड ड्राइव के लिए निर्देश और डेटा, और पिन बी के लिए हैं प्राप्त ये संकेत. युग्मित कंडक्टरों का यह उपयोग सिग्नल पर विद्युत शोर के प्रभाव को काफी कम कर देता है, जिसका अर्थ है कि डिवाइस तेजी से काम कर सकता है।

यदि हम शक्ति के बारे में बात करते हैं, तो हम देखते हैं कि कनेक्टर में प्रत्येक वोल्टेज (+3.3, +5 और +12वी) के संपर्कों की एक जोड़ी होती है; हालाँकि, उनमें से अधिकांश का उपयोग नहीं किया जाता है क्योंकि HDD को अधिक शक्ति की आवश्यकता नहीं होती है। यह विशेष सीगेट मॉडल सक्रिय लोड के तहत 10 वाट से कम का उपयोग करता है। पीसी से चिह्नित संपर्कों का उपयोग किया जाता है प्रीचार्ज: यह सुविधा आपको कंप्यूटर के चालू रहने के दौरान हार्ड ड्राइव को हटाने और कनेक्ट करने की अनुमति देती है (इसे कहा जाता है)। गर्म अदला-बदली).

PWDIS टैग के साथ संपर्क की अनुमति देता है रिमोट रीसेट हार्ड ड्राइव, लेकिन यह फ़ंक्शन केवल SATA 3.3 संस्करण से समर्थित है, इसलिए मेरी ड्राइव में यह सिर्फ एक और +3.3V पावर लाइन है। और अंतिम पिन, जिसे एसएसयू लेबल किया गया है, बस कंप्यूटर को बताता है कि हार्ड ड्राइव अनुक्रमिक स्पिन-अप तकनीक का समर्थन करता है या नहीं। कंपित स्पिन अप.

इससे पहले कि कंप्यूटर उनका उपयोग कर सके, डिवाइस के अंदर की ड्राइव (जिसे हम जल्द ही देखेंगे) को पूरी गति से घूमना होगा। लेकिन अगर मशीन में कई हार्ड ड्राइव स्थापित हैं, तो अचानक एक साथ पावर अनुरोध सिस्टम को नुकसान पहुंचा सकता है। स्पिंडल को धीरे-धीरे घुमाने से ऐसी समस्याओं की संभावना पूरी तरह समाप्त हो जाती है, लेकिन एचडीडी तक पूर्ण पहुंच प्राप्त करने से पहले आपको कुछ सेकंड इंतजार करना होगा।

सर्किट बोर्ड को हटाकर, आप देख सकते हैं कि यह डिवाइस के अंदर के घटकों से कैसे जुड़ता है। एचडीडी सील नहीं किया गया, बहुत बड़ी क्षमता वाले उपकरणों के अपवाद के साथ - वे हवा के बजाय हीलियम का उपयोग करते हैं क्योंकि यह बहुत कम घना होता है और बड़ी संख्या में डिस्क वाले ड्राइव में कम समस्याएं पैदा करता है। दूसरी ओर, आपको पारंपरिक ड्राइव को खुले वातावरण में नहीं रखना चाहिए।

ऐसे कनेक्टर्स के उपयोग के लिए धन्यवाद, प्रवेश बिंदुओं की संख्या जिसके माध्यम से ड्राइव के अंदर गंदगी और धूल जा सकती है, कम हो जाती है; धातु के मामले में एक छेद है (छवि के निचले बाएं कोने में बड़ा सफेद बिंदु) जो परिवेश के दबाव को अंदर रहने की अनुमति देता है।

अब जब पीसीबी हटा दिया गया है, तो आइए देखें कि अंदर क्या है। चार मुख्य चिप्स हैं:

• एलएसआई बी64002: मुख्य नियंत्रक चिप जो निर्देशों को संसाधित करती है, डेटा स्ट्रीम को अंदर और बाहर स्थानांतरित करती है, त्रुटियों को ठीक करती है, आदि।
• सैमसंग K4T51163QJ: 64 एमबी DDR2 SDRAM 800 मेगाहर्ट्ज पर क्लॉक किया गया, डेटा कैशिंग के लिए उपयोग किया जाता है
• स्मूथ MCKXL: डिस्क को घुमाने वाली मोटर को नियंत्रित करता है
• Winbond 25Q40BWS05: ड्राइव के फ़र्मवेयर को संग्रहीत करने के लिए 500 KB की सीरियल फ़्लैश मेमोरी का उपयोग किया जाता है (कंप्यूटर के BIOS की तरह)

विभिन्न एचडीडी के पीसीबी घटक भिन्न हो सकते हैं। बड़े आकार के लिए अधिक कैश की आवश्यकता होती है (सबसे आधुनिक राक्षसों में 256 एमबी तक DDR3 हो सकता है), और मुख्य नियंत्रक चिप त्रुटि प्रबंधन में थोड़ा अधिक परिष्कृत हो सकता है, लेकिन कुल मिलाकर अंतर उतना बड़ा नहीं है।

ड्राइव को खोलना आसान है, बस कुछ टॉर्क्स बोल्ट खोल दें और वोइला! हम अंदर हैं...

यह देखते हुए कि यह डिवाइस का बड़ा हिस्सा लेता है, हमारा ध्यान तुरंत बड़े धातु सर्कल की ओर आकर्षित होता है; यह समझना आसान है कि ड्राइव को क्यों कहा जाता है डिस्क. उन्हें बुलाना सही है प्लेटें; वे कांच या एल्यूमीनियम से बने होते हैं और विभिन्न सामग्रियों की कई परतों से लेपित होते हैं। इस 3TB ड्राइव में तीन प्लेटर हैं, जिसका अर्थ है कि एक प्लेट के प्रत्येक तरफ 500GB संग्रहित किया जाना चाहिए।

छवि काफी धूल भरी है, ऐसी गंदी प्लेटें उन्हें बनाने के लिए आवश्यक डिजाइन और विनिर्माण की सटीकता से मेल नहीं खाती हैं। हमारे एचडीडी उदाहरण में, एल्यूमीनियम डिस्क स्वयं 0,04 इंच (1 मिमी) मोटी है, लेकिन इस हद तक पॉलिश की गई है कि सतह पर विचलन की औसत ऊंचाई 0,000001 इंच (लगभग 30 एनएम) से कम है।

आधार परत केवल 0,0004 इंच (10 माइक्रोन) गहरी है और इसमें धातु पर जमा सामग्री की कई परतें होती हैं। का उपयोग करके आवेदन किया जाता है इलेक्ट्रोलेस निकल चढ़ाना के बाद निर्वात निक्षेपण, डिजिटल डेटा को संग्रहीत करने के लिए उपयोग की जाने वाली बुनियादी चुंबकीय सामग्री के लिए डिस्क तैयार करना।

यह सामग्री आम तौर पर एक जटिल कोबाल्ट मिश्र धातु है और संकेंद्रित वृत्तों से बनी होती है, प्रत्येक लगभग 0,00001 इंच (लगभग 250 एनएम) चौड़ा और 0,000001 इंच (25 एनएम) गहरा होता है। सूक्ष्म स्तर पर, धातु मिश्र धातुएँ पानी की सतह पर साबुन के बुलबुले के समान दाने बनाती हैं।

प्रत्येक दाने का अपना चुंबकीय क्षेत्र होता है, लेकिन इसे एक निश्चित दिशा में रूपांतरित किया जा सकता है। ऐसे फ़ील्ड को समूहीकृत करने से डेटा बिट्स (0s और 1s) प्राप्त होते हैं। यदि आप इस विषय के बारे में अधिक जानना चाहते हैं तो पढ़ें इस दस्तावेज़ येल विश्वविद्यालय। अंतिम कोटिंग सुरक्षा के लिए कार्बन की एक परत होती है, और फिर संपर्क घर्षण को कम करने के लिए एक बहुलक होती है। कुल मिलाकर वे 0,0000005 इंच (12 एनएम) से अधिक मोटे नहीं हैं।

हम जल्द ही देखेंगे कि वेफर्स का निर्माण इतनी सख्त सहनशीलता के साथ क्यों किया जाना चाहिए, लेकिन यह महसूस करना अभी भी आश्चर्यजनक है केवल 15 डॉलर के लिए आप नैनोमीटर परिशुद्धता से निर्मित डिवाइस के गौरवान्वित मालिक बन सकते हैं!

हालाँकि, आइए एचडीडी पर वापस जाएँ और देखें कि इसमें और क्या है।

पीला रंग धातु के आवरण को दर्शाता है जो प्लेट को सुरक्षित रूप से बांधता है स्पिंडल ड्राइव इलेक्ट्रिक मोटर - एक इलेक्ट्रिक ड्राइव जो डिस्क को घुमाती है। इस एचडीडी में वे 7200 आरपीएम (क्रांतियां/मिनट) की आवृत्ति पर घूमते हैं, लेकिन अन्य मॉडलों में वे धीमी गति से काम कर सकते हैं। धीमी ड्राइव में शोर और बिजली की खपत कम होती है, लेकिन गति भी कम होती है, जबकि तेज ड्राइव 15 आरपीएम की गति तक पहुंच सकती है।

धूल और हवा की नमी से होने वाले नुकसान को कम करने के लिए उपयोग करें पुनरावर्तन फ़िल्टर (हरा वर्ग), छोटे कणों को इकट्ठा करना और उन्हें अंदर रखना। प्लेटों के घूमने से चलने वाली हवा फिल्टर के माध्यम से निरंतर प्रवाह सुनिश्चित करती है। डिस्क के ऊपर और फ़िल्टर के बगल में तीन में से एक है प्लेट विभाजक: कंपन को कम करने और वायु प्रवाह को यथासंभव समान बनाए रखने में मदद करना।

छवि के ऊपरी बाएँ भाग में, नीला वर्ग दो स्थायी बार चुम्बकों में से एक को इंगित करता है। वे लाल रंग में दर्शाए गए घटक को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक चुंबकीय क्षेत्र प्रदान करते हैं। आइए इन विवरणों को बेहतर ढंग से देखने के लिए इन्हें अलग करें।

जो सफ़ेद पैच जैसा दिखता है वह एक और फ़िल्टर है, केवल यह उन कणों और गैसों को फ़िल्टर करता है जो ऊपर देखे गए छेद के माध्यम से बाहर से प्रवेश करते हैं। धातु की कीलें हैं सिर आंदोलन लीवर, जिस पर वे स्थित हैं पढ़ने-लिखने वाले प्रमुख हार्ड ड्राइव। वे प्लेटों की सतह (ऊपरी और निचली) पर जबरदस्त गति से चलते हैं।

द्वारा बनाया गया यह वीडियो देखें धीमी मो दोस्तोंयह देखने के लिए कि वे कितने तेज़ हैं:

डिज़ाइन में ऐसा कुछ भी उपयोग नहीं किया गया है स्टेपर मोटर; लीवर को स्थानांतरित करने के लिए, लीवर के आधार पर एक सोलनॉइड के माध्यम से विद्युत प्रवाह पारित किया जाता है।

सामान्य तौर पर इन्हें कहा जाता है आवाज कुंडलियाँ, क्योंकि वे झिल्लियों को स्थानांतरित करने के लिए उसी सिद्धांत का उपयोग करते हैं जो स्पीकर और माइक्रोफ़ोन में उपयोग किया जाता है। करंट उनके चारों ओर एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है, जो स्थायी बार मैग्नेट द्वारा बनाए गए क्षेत्र पर प्रतिक्रिया करता है।

यह मत भूलिए कि डेटा ट्रैक करता है छोटा, इसलिए ड्राइव में बाकी सभी चीजों की तरह, हथियारों की स्थिति बेहद सटीक होनी चाहिए। कुछ हार्ड ड्राइव में मल्टी-स्टेज लीवर होते हैं जो पूरे लीवर के सिर्फ एक हिस्से की दिशा में छोटे बदलाव करते हैं।

कुछ हार्ड ड्राइव में डेटा ट्रैक होते हैं जो एक दूसरे को ओवरलैप करते हैं। इस तकनीक को कहा जाता है टाइल वाली चुंबकीय रिकॉर्डिंग (शिंगल चुंबकीय रिकॉर्डिंग), और सटीकता और स्थिति के लिए इसकी आवश्यकताएं (यानी, लगातार एक बिंदु पर हिट करना) और भी सख्त हैं।

भुजाओं के बिल्कुल अंत में बहुत संवेदनशील पढ़ने-लिखने वाले शीर्ष होते हैं। हमारे एचडीडी में 3 प्लेटर और 6 हेड हैं, और उनमें से प्रत्येक तैरता जैसे ही डिस्क घूमती है उसके ऊपर। इसे प्राप्त करने के लिए, सिरों को धातु की अति पतली पट्टियों पर लटकाया जाता है।

और यहां हम देख सकते हैं कि हमारा शारीरिक नमूना क्यों मर गया - कम से कम एक सिर ढीला हो गया, और जो भी प्रारंभिक क्षति हुई, उसने एक हाथ भी मोड़ दिया। संपूर्ण हेड कंपोनेंट इतना छोटा है कि, जैसा कि आप नीचे देख सकते हैं, एक नियमित कैमरे से इसकी अच्छी तस्वीर प्राप्त करना बहुत मुश्किल है।

हालाँकि, हम अलग-अलग हिस्सों को अलग कर सकते हैं। ग्रे ब्लॉक एक विशेष रूप से निर्मित भाग कहलाता है "स्लाइडर": जैसे ही डिस्क इसके नीचे घूमती है, हवा का प्रवाह लिफ्ट बनाता है, जिससे सिर सतह से ऊपर उठ जाता है। और जब हम कहते हैं "लिफ्ट्स", तो हमारा मतलब एक अंतर है जो केवल 0,0000002 इंच चौड़ा है, या 5 एनएम से कम है।

इससे आगे, और प्रमुख ट्रैक के चुंबकीय क्षेत्र में परिवर्तन को पहचानने में सक्षम नहीं होंगे; यदि सिर सतह पर पड़े होते, तो वे आसानी से लेप को खरोंच देते। यही कारण है कि आपको ड्राइव केस के अंदर हवा को फ़िल्टर करने की आवश्यकता है: ड्राइव की सतह पर धूल और नमी आसानी से सिर तोड़ देगी।

सिर के अंत में एक छोटा धातु "पोल" समग्र वायुगतिकी में मदद करता है। हालाँकि, पढ़ने और लिखने वाले हिस्सों को देखने के लिए हमें एक बेहतर फोटो की आवश्यकता है।

एक अन्य हार्ड ड्राइव की इस छवि में, पढ़ने/लिखने वाले उपकरण सभी विद्युत कनेक्शनों के नीचे हैं। रिकॉर्डिंग सिस्टम द्वारा की जाती है पतली फिल्म अधिष्ठापन (पतली फिल्म प्रेरण, टीएफआई), और पढ़ना - सुरंग चुम्बकप्रतिरोधक डिवाइस (टनलिंग मैग्नेटोरेसिस्टिव डिवाइस, टीएमआर)।

टीएमआर द्वारा उत्पादित सिग्नल बहुत कमजोर होते हैं और भेजे जाने से पहले स्तर बढ़ाने के लिए इन्हें एक एम्पलीफायर के माध्यम से पारित किया जाना चाहिए। इसके लिए जिम्मेदार चिप नीचे दी गई छवि में लीवर के आधार के पास स्थित है।

जैसा कि लेख के परिचय में कहा गया है, पिछले कुछ वर्षों में हार्ड ड्राइव के यांत्रिक घटकों और संचालन सिद्धांत में थोड़ा बदलाव आया है। सबसे बढ़कर, चुंबकीय ट्रैक और रीड-राइट हेड्स की तकनीक में सुधार किया गया, जिससे तेजी से संकीर्ण और घने ट्रैक बने, जिससे अंततः संग्रहीत जानकारी की मात्रा में वृद्धि हुई।

हालाँकि, यांत्रिक हार्ड ड्राइव में स्पष्ट गति सीमाएँ होती हैं। लीवर को वांछित स्थिति में ले जाने में समय लगता है, और यदि डेटा अलग-अलग प्लेटों पर अलग-अलग ट्रैक पर बिखरा हुआ है, तो ड्राइव बिट्स की खोज में काफी कुछ माइक्रोसेकंड खर्च करेगा।

किसी अन्य प्रकार की ड्राइव पर जाने से पहले, आइए एक सामान्य HDD की अनुमानित गति का संकेत दें। हमने बेंचमार्क का उपयोग किया CrystalDiskMark हार्ड ड्राइव का मूल्यांकन करने के लिए डब्ल्यूडी 3.5" 5400 आरपीएम 2 टीबी:

पहली दो पंक्तियाँ अनुक्रमिक (लंबी, निरंतर सूची) और यादृच्छिक (संपूर्ण ड्राइव में संक्रमण) पढ़ते और लिखते समय प्रति सेकंड एमबी की संख्या दर्शाती हैं। अगली पंक्ति IOPS मान दिखाती है, जो हर सेकंड निष्पादित I/O संचालन की संख्या है। अंतिम पंक्ति पढ़ने या लिखने के ऑपरेशन को प्रसारित करने और डेटा मान प्राप्त करने के बीच औसत विलंबता (माइक्रोसेकंड में समय) दिखाती है।

सामान्य तौर पर, हम यह सुनिश्चित करने का प्रयास करते हैं कि पहली तीन पंक्तियों में मान जितना संभव हो उतना बड़ा हो, और अंतिम पंक्ति में जितना संभव हो उतना छोटा हो। संख्याओं के बारे में चिंता न करें, जब हम किसी अन्य प्रकार की ड्राइव को देखेंगे तो हम केवल तुलना के लिए उनका उपयोग करेंगे: सॉलिड-स्टेट ड्राइव।

स्रोत: www.habr.com