Magnetski je. Električno je. To je fotoničko. Ne, ovo nije novi superherojski trio iz Marvelovog svemira. Riječ je o pohrani naših dragocjenih digitalnih podataka. Moramo ih negdje pohraniti, sigurno i stabilno, tako da im možemo pristupiti i promijeniti ih u tren oka. Zaboravite Iron Mana i Thora - govorimo o tvrdim diskovima!
Pa zaronimo u anatomiju uređaja koje danas koristimo za pohranjivanje milijardi bitova podataka.
Vrtiš me u krug, dušo
mehanički pohrana tvrdog diska (tvrdi disk, HDD) je standard za pohranu za računala širom svijeta više od 30 godina, ali tehnologija koja stoji iza toga mnogo je starija.
IBM je izdao prvi komercijalni HDD , kapacitet mu je bio čak 3,75 MB. I općenito, tijekom svih ovih godina opća struktura pogona nije se puno promijenila. Još uvijek ima diskove koji koriste magnetizaciju za pohranu podataka, a postoje i uređaji za čitanje/pisanje tih podataka. Promijenjeno Ista, i vrlo jaka, je količina podataka koja se na njih može pohraniti.
Godine 1987. to je bilo moguće za oko 350 dolara; Danas možete kupiti 14 TB: u 700 000 puta volumen.
Pogledat ćemo uređaj koji nije baš iste veličine, ali je također pristojan prema modernim standardima: 3,5-inčni HDD Seagate Barracuda 3 TB, posebno model , ozloglašen po svom и . Pogon koji proučavamo je već mrtav, tako da će ovo biti više poput autopsije nego lekcije iz anatomije.
Najveći dio tvrdog diska je od lijevanog metala. Sile unutar uređaja tijekom aktivne upotrebe mogu biti prilično ozbiljne, tako da debeli metal sprječava savijanje i vibracije kućišta. Čak i maleni HDD-ovi od 1,8 inča koriste metal kao materijal za kućište, ali obično su izrađeni od aluminija, a ne od čelika jer moraju biti što lakši.
Okrećući pogon, vidimo tiskanu ploču i nekoliko konektora. Konektor na vrhu ploče koristi se za motor koji rotira diskove, a donja tri (s lijeva na desno) su premosne igle koje vam omogućuju konfiguraciju pogona za određene konfiguracije, SATA (Serial ATA) podatkovni konektor , i SATA konektor za napajanje.
Serial ATA se prvi put pojavio 2000. U stolnim računalima ovo je standardni sustav koji se koristi za povezivanje pogona s ostatkom računala. Specifikacija formata je prošla mnoge revizije, a trenutno koristimo verziju 3.4. Naš leš tvrdog diska je starija verzija, ali razlika je samo u jednom pinu u konektoru za napajanje.
U podatkovnim vezama koristi se za primanje i primanje podataka. : Pinovi A+ i A- se koriste za prijenos upute i podatke na tvrdi disk, a pinovi B su za primanje ove signale. Ova upotreba uparenih vodiča značajno smanjuje učinak električnog šuma na signal, što znači da uređaj može raditi brže.
Ako govorimo o snazi, vidimo da konektor ima par kontakata svakog napona (+3.3, +5 i +12V); međutim, većina ih se ne koristi jer HDD-ovi ne zahtijevaju puno energije. Ovaj model Seagatea koristi manje od 10 vata pod aktivnim opterećenjem. Kontakti označeni PC koriste se za prednapuna: Ova značajka vam omogućuje uklanjanje i spajanje tvrdog diska dok računalo nastavlja raditi (ovo se zove vruća zamjena).
Dopušta kontakt s PWDIS oznakom tvrdi disk, ali ova je funkcija podržana samo od verzije SATA 3.3, tako da je u mom disku to samo još jedan +3.3 V kabel napajanja. A posljednji pin, označen SSU, jednostavno govori računalu podržava li tvrdi disk sekvencijalnu spin-up tehnologiju. staggered spin up.
Prije nego ih računalo može koristiti, pogoni unutar uređaja (što ćemo uskoro vidjeti) moraju se vrtjeti do pune brzine. Ali ako je u stroju instalirano mnogo tvrdih diskova, iznenadni istovremeni zahtjev za napajanje može naštetiti sustavu. Postupno okretanje vretena u potpunosti eliminira mogućnost takvih problema, ali ćete morati pričekati nekoliko sekundi prije nego dobijete potpuni pristup HDD-u.
Uklanjanjem tiskane ploče možete vidjeti kako se povezuje s komponentama unutar uređaja. HDD nije zapečaćeno, s izuzetkom uređaja s vrlo velikim kapacitetima - oni koriste helij umjesto zraka jer je puno manje gustoće i stvara manje problema u pogonima s velikim brojem diskova. S druge strane, konvencionalne pogone ne biste trebali izlagati otvorenom okruženju.
Zahvaljujući upotrebi takvih konektora, broj ulaznih točaka kroz koje prljavština i prašina mogu ući u pogon je sveden na minimum; postoji rupa u metalnom kućištu (velika bijela točka u donjem lijevom kutu slike) koja omogućuje da ambijentalni pritisak ostane unutra.
Sada kada je PCB uklonjen, pogledajmo što je unutra. Postoje četiri glavna čipa:
- LSI B64002: Glavni upravljački čip koji obrađuje upute, prenosi tokove podataka unutra i van, ispravlja pogreške itd.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM na 800 MHz, koristi se za predmemoriju podataka
- Smooth MCKXL: upravlja motorom koji vrti diskove
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB serijske flash memorije koja se koristi za pohranjivanje firmwarea pogona (pomalo poput BIOS-a računala)
PCB komponente različitih tvrdih diskova mogu se razlikovati. Veće veličine zahtijevaju više predmemorije (najmodernija čudovišta mogu imati do 256 MB DDR3), a glavni upravljački čip može biti malo sofisticiraniji u rukovanju pogreškama, ali općenito razlike nisu tako velike.
Otvaranje pogona je jednostavno, samo odvrnite nekoliko Torx vijaka i voila! Unutra smo...
S obzirom na to da zauzima najveći dio uređaja, pozornost nam odmah privlači veliki metalni krug; lako je razumjeti zašto se pogoni zovu disk. Ispravno ih je nazvati ploče; izrađeni su od stakla ili aluminija i obloženi s više slojeva različitih materijala. Ovaj disk od 3 TB ima tri ploče, što znači da bi 500 GB trebalo biti pohranjeno na svakoj strani jedne ploče.
Slika je prilično prašnjava, takvi prljavi tanjuri ne odgovaraju preciznosti dizajna i proizvodnje koja je potrebna za njihovu izradu. U našem primjeru HDD-a, sam aluminijski disk je debeo 0,04 inča (1 mm), ali je poliran do te mjere da je prosječna visina odstupanja na površini manja od 0,000001 inča (približno 30 nm).
Osnovni sloj dubok je samo 0,0004 inča (10 mikrona) i sastoji se od više slojeva materijala nanesenih na metal. Primjena se vrši pomoću slijedi , priprema diska za osnovne magnetske materijale koji se koriste za pohranu digitalnih podataka.
Ovaj materijal je obično složena legura kobalta i sastoji se od koncentričnih krugova, svaki širok približno 0,00001 inča (približno 250 nm) i dubok 0,000001 inča (25 nm). Na mikrorazini metalne legure tvore zrnca slična mjehurićima sapunice na površini vode.
Svako zrno ima svoje magnetsko polje, ali se može transformirati u određenom smjeru. Grupiranje takvih polja rezultira bitovima podataka (0 i 1). Ako želite saznati više o ovoj temi, pročitajte Sveučilište Yale. Završni premazi su sloj karbona za zaštitu, a zatim polimer za smanjenje kontaktnog trenja. Zajedno nisu deblji od 0,0000005 inča (12 nm).
Uskoro ćemo vidjeti zašto se vafli moraju proizvoditi uz tako stroge tolerancije, ali ipak je iznenađujuće shvatiti da Možete postati ponosni vlasnik uređaja proizvedenog nanometarskom preciznošću!
Ipak, vratimo se na sam HDD i vidimo što se još u njemu nalazi.
Žuta boja prikazuje metalni poklopac koji sigurno pričvršćuje ploču na elektromotor pogonskog vretena - električni pogon koji rotira diskove. U ovom HDD-u oni se vrte na frekvenciji od 7200 okretaja u minuti (okretaja/min), ali u drugim modelima mogu raditi sporije. Spori pogoni imaju manju buku i potrošnju energije, ali i manju brzinu, dok brži pogoni mogu doseći brzine od 15 okretaja u minuti.
Kako biste smanjili štetu uzrokovanu prašinom i vlagom iz zraka, koristite recirkulacijski filter (zeleni kvadrat), skupljajući male čestice i zadržavajući ih unutra. Zrak koji se pokreće rotacijom ploča osigurava stalan protok kroz filter. Iznad diskova i pored filtera nalazi se jedan od tri pločasti separatori: pomaže smanjiti vibracije i održava protok zraka što je moguće ravnomjernijim.
U gornjem lijevom dijelu slike, plavi kvadrat označava jedan od dva trajna šipkasta magneta. Oni osiguravaju magnetsko polje potrebno za pomicanje komponente označene crvenom bojom. Razdvojimo ove detalje da ih bolje vidimo.
Ono što izgleda kao bijela mrlja još je jedan filter, samo što ovaj filtrira čestice i plinove koji ulaze izvana kroz rupu koju smo vidjeli gore. Metalni šiljci su poluge za kretanje glave, na kojem se nalaze glave za čitanje i pisanje tvrdi disk. Kreću se ogromnom brzinom duž površine ploča (gornje i donje).
Pogledajte ovaj video koji je izradio da vidite koliko su brzi:
Dizajn ne koristi ništa slično ; Za pomicanje poluga, električna struja prolazi kroz solenoid na dnu poluga.
Općenito se nazivaju , jer koriste isti princip koji se koristi u zvučnicima i mikrofonima za pomicanje membrana. Struja oko njih stvara magnetsko polje, koje reagira na polje koje stvaraju trajni šipkasti magneti.
Ne zaboravite da tragovi podataka sitan, pa pozicioniranje krakova mora biti krajnje precizno, kao i sve ostalo u pogonu. Neki tvrdi diskovi imaju višestupanjske poluge koje čine male promjene u smjeru samo jednog dijela cijele poluge.
Neki tvrdi diskovi imaju zapise podataka koji se međusobno preklapaju. Ova tehnologija se zove (magnetsko snimanje u obliku šindre), a njegovi su zahtjevi za točnost i pozicioniranje (odnosno, stalno pogađanje jedne točke) još stroži.
Na samom kraju krakova nalaze se vrlo osjetljive glave za čitanje i pisanje. Naš HDD sadrži 3 ploče i 6 glava, a svaka od njih pliva iznad diska dok se okreće. Da bi se to postiglo, glave su obješene na ultratanke metalne trake.
I ovdje možemo vidjeti zašto je naš anatomski uzorak uginuo - barem jedna od glava se olabavila, a ono što je uzrokovalo početnu štetu također je savijalo jednu od ruku. Cijela komponenta glave je toliko mala da je, kao što vidite dolje, vrlo teško dobiti dobru sliku običnom kamerom.
Međutim, možemo rastaviti pojedinačne dijelove. Sivi blok je posebno proizveden dio tzv "klizač": Dok se disk okreće ispod sebe, strujanje zraka stvara podizanje, podižući glavu s površine. A kad kažemo "podiže", mislimo na razmak koji je širok samo 0,0000002 inča ili manji od 5 nm.
Dalje, glave neće moći prepoznati promjene u magnetskim poljima staze; ako bi glave ležale na površini, jednostavno bi ogrebale premaz. Zbog toga morate filtrirati zrak unutar kućišta pogona: prašina i vlaga na površini pogona jednostavno će razbiti glave.
Mali metalni "pol" na kraju glave pomaže u ukupnoj aerodinamičnosti. Međutim, da bismo vidjeli dijelove koji čitaju i pišu, potrebna nam je bolja fotografija.
Na ovoj slici drugog tvrdog diska uređaji za čitanje/pisanje nalaze se ispod svih električnih priključaka. Snimanje provodi sustav (indukcija tankog filma, TFI), i čitanje - uređaj (tunelski magnetoresistivni uređaj, TMR).
Signali koje proizvodi TMR vrlo su slabi i prije slanja moraju se provući kroz pojačalo kako bi se povećala razina. Čip odgovoran za to nalazi se u blizini baze poluga na slici ispod.
Kao što je navedeno u uvodu članka, mehaničke komponente i princip rada tvrdog diska malo su se promijenili tijekom godina. Prije svega, poboljšana je tehnologija magnetskih staza i glava za čitanje i pisanje, stvarajući sve uže i gušće staze, što je u konačnici dovelo do povećanja količine pohranjenih informacija.
Međutim, mehanički tvrdi diskovi imaju očita ograničenja brzine. Potrebno je vrijeme da se poluge pomaknu u željeni položaj, a ako su podaci razbacani po različitim stazama na različitim pločama, pogon će potrošiti dosta mikrosekundi tražeći bitove.
Prije nego prijeđemo na drugu vrstu pogona, naznačimo približnu brzinu tipičnog HDD-a. Koristili smo mjerilo za procjenu tvrdog diska :
Prva dva retka označavaju broj MB u sekundi pri izvođenju sekvencijalnog (dug, kontinuirani popis) i nasumičnog (prijelazi kroz cijeli pogon) čitanja i pisanja. Sljedeći red prikazuje vrijednost IOPS, što je broj I/O operacija izvedenih svake sekunde. Posljednji redak prikazuje prosječnu latenciju (vrijeme u mikrosekundama) između prijenosa operacije čitanja ili pisanja i primanja vrijednosti podataka.
Općenito, nastojimo osigurati da vrijednosti u prva tri retka budu što veće, a u posljednjem retku što manje. Ne brinite o samim brojevima, koristit ćemo ih samo za usporedbu kada budemo gledali drugu vrstu pogona: SSD disk.
Izvor: www.habr.com