È magnetico. È elettrico. È fotonico. No, questo non è un nuovo trio di supereroi dell'universo Marvel. Si tratta di archiviare i nostri preziosi dati digitali. Dobbiamo conservarli da qualche parte, in modo sicuro e stabile, in modo da poterli accedere e modificare in un batter d'occhio. Dimentica Iron Man e Thor: stiamo parlando di dischi rigidi!
Immergiamoci quindi nell'anatomia dei dispositivi che utilizziamo oggi per archiviare miliardi di bit di dati.
Mi fai girare in tondo, piccola
meccanico archiviazione del disco rigido (unità disco rigido, HDD) è lo standard di archiviazione per i computer di tutto il mondo da oltre 30 anni, ma la tecnologia alla base è molto più antica.
IBM ha rilasciato il primo HDD commerciale , la sua capacità era pari a 3,75 MB. E in generale, in tutti questi anni la struttura generale della pulsione non è cambiata molto. Ha ancora dischi che utilizzano la magnetizzazione per archiviare i dati e ci sono dispositivi per leggere/scrivere tali dati. È cambiato La stessa, e molto forte, è la quantità di dati che possono essere archiviati su di essi.
Nel 1987 era possibile per circa $ 350; Oggi puoi acquistare 14 TB: in 700/000 volte il volume.
Considereremo un dispositivo che non è esattamente delle stesse dimensioni, ma anche decente per gli standard moderni: l'HDD da 3,5 pollici Seagate Barracuda 3 TB, in particolare, il modello , noto per il suo и . L'unità che stiamo studiando è già morta, quindi sarà più simile a un'autopsia che a una lezione di anatomia.
La maggior parte del disco rigido è in metallo fuso. Le forze all'interno del dispositivo durante l'uso attivo possono essere piuttosto gravi, quindi il metallo spesso impedisce la flessione e la vibrazione del case. Anche i più piccoli HDD da 1,8 pollici utilizzano il metallo come materiale dell'alloggiamento, ma di solito sono realizzati in alluminio anziché in acciaio perché devono essere il più leggeri possibile.
Capovolgendo l'unità, vediamo un circuito stampato e diversi connettori. Il connettore nella parte superiore della scheda viene utilizzato per il motore che fa ruotare i dischi, mentre i tre inferiori (da sinistra a destra) sono pin di ponticello che consentono di configurare l'unità per determinate configurazioni, un connettore dati SATA (Serial ATA) e un connettore di alimentazione SATA.
Serial ATA è apparso per la prima volta nel 2000. Nei computer desktop, questo è il sistema standard utilizzato per collegare le unità al resto del computer. La specifica del formato ha subito molte revisioni e attualmente utilizziamo la versione 3.4. Il nostro corpo del disco rigido è una versione precedente, ma la differenza è solo un pin nel connettore di alimentazione.
Nelle connessioni dati, viene utilizzato per ricevere e ricevere dati. : Vengono utilizzati i pin A+ e A- trasferimento istruzioni e dati sul disco rigido e i pin B servono получения questi segnali. Questo utilizzo di conduttori accoppiati riduce significativamente l'effetto del rumore elettrico sul segnale, il che significa che il dispositivo può funzionare più velocemente.
Se parliamo di alimentazione, vediamo che il connettore ha una coppia di contatti per ciascuna tensione (+3.3, +5 e +12V); tuttavia, la maggior parte di essi non viene utilizzata perché gli HDD non richiedono molta energia. Questo particolare modello di Seagate utilizza meno di 10 watt sotto carico attivo. Vengono utilizzati i contatti contrassegnati come PC precarica: questa funzione consente di rimuovere e collegare il disco rigido mentre il computer continua a funzionare (questo è chiamato scambio a caldo).
Il contatto con il tag PWDIS consente disco rigido, ma questa funzione è supportata solo dalla versione SATA 3.3, quindi nel mio disco è solo un'altra linea di alimentazione da +3.3 V. E l'ultimo pin, etichettato SSU, dice semplicemente al computer se il disco rigido supporta la tecnologia di spin-up sequenziale. rotazione sfalsata.
Prima che il computer possa utilizzarli, le unità all'interno del dispositivo (che vedremo tra poco) devono girare alla massima velocità. Ma se nella macchina sono installati molti dischi rigidi, un'improvvisa richiesta di alimentazione simultanea può danneggiare il sistema. La rotazione graduale dei perni elimina completamente la possibilità di tali problemi, ma dovrai attendere alcuni secondi prima di ottenere l'accesso completo all'HDD.
Rimuovendo il circuito stampato è possibile vedere come si collega ai componenti all'interno del dispositivo. HDD non sigillato, ad eccezione dei dispositivi con capacità molto grandi, utilizzano l'elio invece dell'aria perché è molto meno denso e crea meno problemi nelle unità con un numero elevato di dischi. D’altra parte, non dovresti esporre le unità convenzionali all’ambiente aperto.
Grazie all'utilizzo di tali connettori, il numero di punti di ingresso attraverso i quali sporco e polvere possono entrare all'interno dell'azionamento è ridotto al minimo; c'è un foro nella custodia metallica (il grande punto bianco nell'angolo in basso a sinistra dell'immagine) che consente alla pressione ambientale di rimanere all'interno.
Ora che il PCB è stato rimosso, diamo un'occhiata a cosa c'è dentro. Ci sono quattro chip principali:
- LSI B64002: chip controller principale che elabora istruzioni, trasferisce flussi di dati in entrata e in uscita, corregge errori, ecc.
- Samsung K4T51163QJ: SDRAM DDR64 da 2 MB con clock a 800 MHz, utilizzata per la memorizzazione nella cache dei dati
- Smooth MCKXL: controlla il motore che fa girare i dischi
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB di memoria flash seriale utilizzata per archiviare il firmware dell'unità (un po' come il BIOS di un computer)
I componenti PCB dei diversi HDD possono variare. Dimensioni maggiori richiedono più cache (i mostri più moderni possono avere fino a 256 MB di DDR3) e il chip del controller principale potrebbe essere un po' più sofisticato nella gestione degli errori, ma nel complesso le differenze non sono così grandi.
Aprire l'unità è semplice, basta svitare alcuni bulloni Torx e voilà! Siamo dentro...
Dato che occupa l'ingombro del dispositivo, la nostra attenzione viene subito attirata dal grande cerchio metallico; è facile capire perché vengono chiamate le unità disco. È corretto chiamarli piatti; sono realizzati in vetro o alluminio e rivestiti con più strati di materiali diversi. Questa unità da 3 TB ha tre piatti, il che significa che dovrebbero essere archiviati 500 GB su ciascun lato di un piatto.
L'immagine è piuttosto polverosa, tali lastre sporche non corrispondono alla precisione di progettazione e produzione richiesta per realizzarle. Nel nostro esempio di HDD, il disco di alluminio stesso ha uno spessore di 0,04 pollici (1 mm), ma è lucidato a tal punto che l'altezza media delle deviazioni sulla superficie è inferiore a 0,000001 pollici (circa 30 nm).
Lo strato di base è profondo solo 0,0004 pollici (10 micron) ed è costituito da più strati di materiali depositati sul metallo. L'applicazione viene eseguita utilizzando seguito da , preparando il disco per i materiali magnetici di base utilizzati per archiviare i dati digitali.
Questo materiale è tipicamente una lega di cobalto complessa ed è composto da cerchi concentrici, ciascuno largo circa 0,00001 pollici (circa 250 nm) e profondo 0,000001 pollici (25 nm). A livello micro, le leghe metalliche formano grani simili a bolle di sapone sulla superficie dell'acqua.
Ogni granello ha il proprio campo magnetico, ma può essere trasformato in una determinata direzione. Il raggruppamento di tali campi produce bit di dati (0 e 1). Se vuoi saperne di più su questo argomento, allora leggi Università di Yale. I rivestimenti finali sono uno strato di carbonio per la protezione e poi un polimero per ridurre l'attrito da contatto. Insieme non hanno uno spessore superiore a 0,0000005 pollici (12 nm).
Vedremo presto perché i wafer devono essere prodotti con tolleranze così strette, ma è comunque sorprendente rendersi conto che Puoi diventare l'orgoglioso proprietario di un dispositivo realizzato con precisione nanometrica!
Tuttavia, torniamo all'HDD stesso e vediamo cos'altro c'è dentro.
Il colore giallo evidenzia la copertura metallica che fissa saldamente la piastra al motore elettrico di azionamento del mandrino - un azionamento elettrico che fa ruotare i dischi. In questo HDD ruotano ad una frequenza di 7200 giri/min (giri/min), ma in altri modelli potrebbero funzionare più lentamente. Le unità lente hanno un rumore e un consumo energetico inferiori, ma anche una velocità inferiore, mentre le unità più veloci possono raggiungere velocità di 15 giri al minuto.
Per ridurre i danni causati dalla polvere e dall'umidità dell'aria, utilizzare filtro di ricircolo (quadrato verde), raccogliendo piccole particelle e trattenendole all'interno. L'aria mossa dalla rotazione delle piastre garantisce un flusso costante attraverso il filtro. Sopra i dischi e accanto al filtro ce n'è uno dei tre separatori a piastre: aiuta a ridurre le vibrazioni e a mantenere il flusso d'aria il più uniforme possibile.
Nella parte in alto a sinistra dell'immagine, il quadrato blu indica una delle due barre magnetiche permanenti. Forniscono il campo magnetico necessario per muovere il componente indicato in rosso. Separiamo questi dettagli per vederli meglio.
Quella che sembra una macchia bianca è un altro filtro, solo che questo filtra le particelle e i gas che entrano dall'esterno attraverso il foro che abbiamo visto sopra. Le punte di metallo lo sono leve di movimento della testa, su cui si trovano testine di lettura-scrittura disco rigido. Si muovono a una velocità enorme lungo la superficie delle piastre (superiore e inferiore).
Guarda questo video creato da per vedere quanto sono veloci:
Il design non utilizza nulla di simile ; Per muovere le leve, la corrente elettrica viene fatta passare attraverso un solenoide alla base delle leve.
In generale si chiamano , perché utilizzano lo stesso principio utilizzato negli altoparlanti e nei microfoni per muovere le membrane. La corrente genera attorno a loro un campo magnetico, che reagisce al campo creato dalle barre magnetiche permanenti.
Non dimenticare che i dati vengono tracciati minuscolo, quindi il posizionamento dei bracci deve essere estremamente preciso, proprio come tutto il resto della trasmissione. Alcuni dischi rigidi sono dotati di leve a più stadi che apportano piccole modifiche nella direzione di solo una parte dell'intera leva.
Alcuni dischi rigidi hanno tracce di dati che si sovrappongono l'una all'altra. Questa tecnologia si chiama (registrazione magnetica a strati) e i suoi requisiti di precisione e posizionamento (ovvero, per colpire costantemente un punto) sono ancora più severi.
All'estremità dei bracci ci sono testine di lettura-scrittura molto sensibili. Il nostro HDD contiene 3 piatti e 6 testine, e ciascuno di essi galleggianti sopra il disco mentre ruota. Per raggiungere questo obiettivo, le teste sono sospese su strisce di metallo ultrasottili.
E qui possiamo capire perché il nostro campione anatomico è morto: almeno una delle teste si è staccata e qualunque cosa abbia causato il danno iniziale ha piegato anche una delle braccia. L'intero componente della testa è così piccolo che, come puoi vedere di seguito, è molto difficile ottenerne una buona foto con una normale fotocamera.
Possiamo però smontare le singole parti. Il blocco grigio è una parte appositamente prodotta chiamata "cursore": Mentre il disco ruota sotto di esso, il flusso d'aria crea portanza, sollevando la testa dalla superficie. E quando diciamo "sollevamenti", intendiamo uno spazio largo solo 0,0000002 pollici, o meno di 5 nm.
Inoltre, le teste non saranno in grado di riconoscere i cambiamenti nei campi magnetici della pista; se le teste fossero appoggiate sulla superficie, semplicemente graffierebbero il rivestimento. Questo è il motivo per cui è necessario filtrare l'aria all'interno della custodia dell'unità: la polvere e l'umidità sulla superficie dell'unità semplicemente romperanno le testine.
Un minuscolo "palo" di metallo all'estremità della testa aiuta con l'aerodinamica generale. Tuttavia, per vedere le parti che eseguono la lettura e la scrittura, abbiamo bisogno di una foto migliore.
In questa immagine di un altro disco rigido, i dispositivi di lettura/scrittura si trovano sotto tutti i collegamenti elettrici. La registrazione viene eseguita dal sistema (induzione a film sottile, TFI) e lettura - dispositivo (dispositivo magnetoresistivo tunneling, TMR).
I segnali prodotti dalla TMR sono molto deboli e devono essere fatti passare attraverso un amplificatore per aumentarne i livelli prima di essere inviati. Il chip responsabile di ciò si trova vicino alla base delle leve nell'immagine seguente.
Come affermato nell'introduzione all'articolo, i componenti meccanici e il principio di funzionamento di un disco rigido sono cambiati poco nel corso degli anni. Soprattutto, è stata migliorata la tecnologia delle tracce magnetiche e delle testine di lettura-scrittura, creando tracce sempre più strette e dense, che alla fine hanno portato ad un aumento della quantità di informazioni archiviate.
Tuttavia, i dischi rigidi meccanici presentano evidenti limiti di velocità. Ci vuole tempo per spostare le leve nella posizione desiderata e, se i dati sono sparsi su tracce diverse su piatti diversi, l'unità impiegherà parecchi microsecondi alla ricerca dei bit.
Prima di passare a un altro tipo di unità, indichiamo la velocità approssimativa di un tipico HDD. Abbiamo utilizzato il benchmark per valutare il disco rigido :
Le prime due righe indicano il numero di MB al secondo durante l'esecuzione di letture e scritture sequenziali (elenco lungo e continuo) e casuali (transizioni nell'intera unità). La riga successiva mostra il valore IOPS, ovvero il numero di operazioni I/O eseguite ogni secondo. L'ultima riga mostra la latenza media (tempo in microsecondi) tra la trasmissione di un'operazione di lettura o scrittura e la ricezione dei valori dei dati.
In generale, ci sforziamo di garantire che i valori nelle prime tre righe siano i più grandi possibile e nell'ultima riga i più piccoli possibile. Non preoccuparti dei numeri in sé, li useremo semplicemente per un confronto quando esamineremo un altro tipo di unità: l'unità a stato solido.
Fonte: habr.com