È magnetico. È elettrico. È fotonico. No, non si tratta di un nuovo trio di supereroi dell'universo Marvel. Stiamo parlando di archiviare i nostri preziosi dati digitali. Abbiamo bisogno di un posto dove archiviarli, in modo sicuro e affidabile, in modo da poterli accedere e modificare in un batter d'occhio. Dimenticate Iron Man e Thor: stiamo parlando di hard disk!
Analizziamo quindi l'anatomia dei dispositivi che utilizziamo oggi per archiviare miliardi di bit di dati.
Mi fai girare su me stesso, tesoro
meccanico disco rigido (hard disk drive, HDD) è lo standard di archiviazione per i computer di tutto il mondo da oltre 30 anni, ma la tecnologia di base è molto più vecchia.
IBM ha lanciato il primo HDD commerciale La sua capacità era di ben 3,75 MB. E nel complesso, la struttura complessiva dell'unità non è cambiata molto nel corso degli anni. Contiene ancora dischi che utilizzano il magnetismo per archiviare i dati e dispositivi per la lettura e la scrittura di tali dati. È cambiato la stessa, e di gran lunga, quantità di dati che possono essere memorizzati su di essi.
Nel 1987 era possibile per circa $ 350 oggi Puoi acquistare 14 TB: in 700 000 volume volte maggiore.
Prenderemo in considerazione un dispositivo non proprio delle stesse dimensioni, ma comunque dignitoso per gli standard moderni: l'HDD da 3,5 pollici Seagate Barracuda 3 TB, in particolare, il modello , noto per il suo и L'accumulatore che stiamo studiando è già morto, quindi questa sarà più simile a un'autopsia che a una lezione di anatomia.
La maggior parte della massa di un disco rigido è realizzata in metallo fuso. Le forze all'interno dell'unità possono essere piuttosto significative durante un utilizzo intenso, quindi il metallo spesso impedisce flessioni e vibrazioni del case. Anche i piccoli HDD da 1,8 pollici utilizzano il metallo come materiale del case, ma in genere sono realizzati in alluminio anziché in acciaio perché devono essere il più leggeri possibile.
Capovolgendo l'unità, si scopre una scheda a circuito stampato e diversi connettori. Il connettore nella parte superiore della scheda è utilizzato per il motore che fa girare i dischi, mentre i tre inferiori (da sinistra a destra) sono pin jumper che consentono di configurare l'unità per configurazioni specifiche, un connettore dati SATA (Serial ATA) e un connettore di alimentazione SATA.
Il formato Serial ATA è apparso per la prima volta nel 2000. Nei computer desktop, è il sistema standard utilizzato per collegare le unità al resto del computer. Le specifiche del formato hanno subito numerose revisioni e attualmente utilizziamo la versione 3.4. Il nostro hard disk è una versione precedente, ma l'unica differenza è un pin nel connettore di alimentazione.
Le connessioni dati utilizzano una rete per inviare e ricevere dati. : i contatti A+ e A- sono utilizzati per trasferimento istruzioni e dati sul disco rigido, e i contatti B sono per получения Questi segnali. L'uso di conduttori accoppiati riduce significativamente l'impatto del rumore elettrico sul segnale, consentendo al dispositivo di funzionare più velocemente.
Parlando di alimentazione, vediamo che il connettore ha una coppia di contatti per ogni tensione (+3.3, +5 e +12 V); tuttavia, la maggior parte di essi non è utilizzata perché l'HDD non richiede molta energia. Questo particolare modello Seagate consuma meno di 10 W sotto carico attivo. I contatti contrassegnati con PC sono utilizzati per precarica: Questa funzione consente di rimuovere e ricollegare il disco rigido mentre il computer è ancora in funzione (questa funzione è chiamata scambio a caldo).
Il contatto con il tag PWDIS consente disco rigido, ma questa funzionalità è supportata solo a partire da SATA 3.3, quindi nel mio disco è solo un'altra linea di alimentazione a +3.3 V. E l'ultimo pin, etichettato SSU, indica semplicemente al computer se il disco rigido supporta la tecnologia di rotazione sequenziale. rotazione sfalsata.
Prima che il computer possa utilizzarli, le unità all'interno del dispositivo (che vedremo presto) devono girare alla massima velocità. Tuttavia, se il computer ha più dischi rigidi, una richiesta di energia improvvisa e simultanea può danneggiare il sistema. Aumentare gradualmente la velocità dei dischi elimina completamente la possibilità di tali problemi, ma sarà necessario attendere alcuni secondi prima di poter accedere completamente all'HDD.
Rimuovendo il circuito stampato, è possibile vedere come si collega ai componenti all'interno dell'HDD. non ermeticamente sigillato, ad eccezione dei dispositivi di capacità molto elevata, che utilizzano l'elio al posto dell'aria perché è molto meno denso e crea meno problemi nelle unità con un gran numero di dischi. D'altra parte, le unità normali non dovrebbero essere esposte agli agenti atmosferici.
L'utilizzo di questi connettori riduce al minimo il numero di punti di ingresso attraverso i quali polvere e sporco possono entrare nell'unità; l'involucro metallico presenta un foro (il grande punto bianco nell'angolo inferiore sinistro dell'immagine) che aiuta a mantenere la pressione ambiente all'interno.
Ora che il circuito stampato è stato rimosso, diamo un'occhiata al suo interno. Ci sono quattro chip principali:
- LSI B64002: il chip controller principale che elabora le istruzioni, trasferisce flussi di dati in entrata e in uscita, corregge gli errori, ecc.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM a 800 MHz utilizzati 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 memorizzare il firmware dell'unità (un po' come il BIOS di un computer)
I componenti PCB dei diversi HDD possono differire. Le unità più grandi richiedono più cache (i mostri più moderni possono avere fino a 256 MB di DDR3) e il chip del controller principale potrebbe essere leggermente più sofisticato nella gestione degli errori, ma nel complesso le differenze non sono così significative.
Aprire l'unità è semplicissimo: basta svitare qualche vite Torx e voilà! Siamo dentro...
Considerando che occupa la maggior parte del dispositivo, la nostra attenzione è immediatamente attratta dal grande cerchio metallico; non è difficile capire perché le unità siano chiamate discoÈ corretto chiamarli piattiSono realizzati in vetro o alluminio e rivestiti con diversi strati di materiali diversi. Questa unità da 3 TB ha tre piatti, il che significa che ogni piatto può contenere 500 GB.
L'immagine è piuttosto polverosa; piatti così sporchi non sono compatibili con la precisione di progettazione e produzione richiesta per la loro produzione. Nel nostro esempio di HDD, il piatto in alluminio ha uno spessore di 0,04 pollici (1 mm), ma è lucidato a tal punto che l'altezza media della deviazione superficiale è inferiore a 0,000001 pollici (circa 30 nm).
Lo strato di base ha uno spessore di soli 0,0004 pollici (10 micron) ed è costituito da diversi strati di materiali applicati al metallo. L'applicazione viene eseguita utilizzando seguito da , preparando il disco per i materiali magnetici di base utilizzati per memorizzare i dati digitali.
Questo materiale è tipicamente una complessa lega di cobalto composta da cerchi concentrici, ciascuno largo circa 0,00001 pollici (circa 250 nm) e profondo 0,000001 pollici (25 nm). A livello microscopico, le leghe metalliche formano grani simili a bolle di sapone sulla superficie dell'acqua.
Ogni granello ha il suo campo magnetico, ma può essere trasformato in una determinata direzione. Il raggruppamento di questi campi si traduce nella creazione di bit di dati (0 e 1). Per saperne di più su questo argomento, leggi Università di Yale. I rivestimenti finali sono costituiti da uno strato di carbonio per la protezione, seguito da un polimero per ridurre l'attrito da contatto. Complessivamente, il loro spessore non supera i 12 nm (0,0000005 pollici).
Presto scopriremo perché le piastre devono essere prodotte con tolleranze così strette, ma è comunque sorprendente rendersi conto che Puoi diventare l'orgoglioso proprietario di un dispositivo prodotto con precisione nanometrica!
Ma torniamo all'HDD e vediamo cos'altro contiene.
La copertura metallica che fissa saldamente la piastra alla piastra è mostrata in giallo. motore elettrico di azionamento del mandrino — il motore elettrico che fa girare i dischi. In questo HDD, la velocità di rotazione è di 7200 giri al minuto (giri al minuto), ma altri modelli potrebbero funzionare a una velocità inferiore. Le unità più lente hanno un rumore e un consumo energetico inferiori, ma anche una velocità inferiore, mentre le unità più veloci possono raggiungere velocità di 15.000 giri al minuto.
Per ridurre i danni causati dalla polvere e dall'umidità nell'aria, filtro di ricircolo (quadrato verde), che raccoglie le particelle più piccole e le trattiene al suo interno. L'aria, mossa dalle piastre rotanti, assicura un flusso costante attraverso il filtro. Sopra i dischi e accanto al filtro si trova uno dei tre separatori a piastre: aiutando a ridurre le vibrazioni e a mantenere un flusso d'aria il più uniforme possibile.
In alto a sinistra dell'immagine, il quadrato blu indica uno dei due magneti a barra permanenti. Questi forniscono il campo magnetico necessario per muovere il componente mostrato in rosso. Separiamo queste parti per una migliore visualizzazione.
Ciò che sembra una macchia bianca è un altro filtro, questo filtra particelle e gas provenienti dall'esterno attraverso il foro che abbiamo visto sopra. Le punte metalliche sono leve di movimento della testa, su cui si trovano testine di lettura-scrittura disco rigido. Si muovono a velocità incredibile sulla superficie dei piatti (superiore e inferiore).
Guarda questo video creato da per vedere quanto sono veloci:
Il design non utilizza nulla di simile ; per muovere le leve, una corrente elettrica viene fatta passare attraverso un solenoide alla base delle leve.
Sono generalmente chiamati , perché sfruttano lo stesso principio utilizzato negli altoparlanti e nei microfoni per muovere le membrane. La corrente genera un campo magnetico attorno a loro, che reagisce al campo creato dai magneti permanenti a barra.
Non dimenticare che i dati tracciano minuscolo, quindi il posizionamento delle leve, come di ogni altro componente dell'unità, deve essere estremamente preciso. Alcuni hard disk sono dotati di leve multistadio che apportano piccole modifiche alla direzione di una sola parte dell'intera leva.
In alcuni dischi rigidi, le tracce di dati sono sovrapposte. Questa tecnologia è chiamata (registrazione magnetica a scandole) e i suoi requisiti di precisione e posizionamento (ovvero, colpire sempre lo stesso punto) sono ancora più rigorosi.
All'estremità delle leve ci sono delle testine di lettura/scrittura molto sensibili. Il nostro HDD contiene 3 piatti e 6 testine, e ciascuna di esse galleggianti sopra il disco mentre ruota. Per ottenere questo risultato, le testine sono sospese su sottilissime strisce di metallo.
E qui possiamo vedere perché il nostro esemplare anatomico è morto: almeno una delle teste si era allentata, e qualunque cosa abbia causato il danno iniziale ha anche piegato una delle leve. L'intera componente della testa è così piccola che, come potete vedere qui sotto, è molto difficile ottenere una buona immagine con una normale macchina fotografica.
Tuttavia, possiamo smontare le singole parti. Il blocco grigio è una parte realizzata appositamente chiamata cursoreQuando il disco ruota sotto, il flusso d'aria crea una portanza, sollevando la testina dalla superficie. E quando parliamo di "portanza", parliamo di uno spazio di soli 0,0000002 pollici di larghezza, ovvero meno di 5 nm.
Oltrepassando questa distanza, le testine non saranno in grado di rilevare variazioni nel campo magnetico della traccia; se fossero appoggiate orizzontalmente sulla superficie, non farebbero altro che graffiare il rivestimento. Ecco perché è importante filtrare l'aria all'interno dell'alloggiamento dell'unità: polvere e umidità sulla superficie del disco danneggerebbero semplicemente le testine.
Il piccolo "palo" metallico all'estremità della testina contribuisce all'aerodinamica complessiva. Tuttavia, per vedere le parti che effettivamente leggono e scrivono, abbiamo bisogno di una foto migliore.
In questa immagine di un altro disco rigido, i dispositivi di lettura e scrittura si trovano sotto tutti i collegamenti elettrici. La scrittura è eseguita dal sistema. (induzione a film sottile, TFI) e lettura - dispositivo (dispositivo magnetoresistivo a tunnel, TMR).
I segnali generati dal TMR sono molto deboli e devono essere fatti passare attraverso un amplificatore per amplificarne il livello prima di essere trasmessi. Il chip responsabile di questo processo si trova vicino alla base delle leve nell'immagine sottostante.
Come affermato nell'introduzione a questo articolo, i componenti meccanici e i principi di funzionamento dei dischi rigidi sono rimasti praticamente invariati per molti anni. La tecnologia delle tracce magnetiche e delle testine di lettura/scrittura è quella che ha registrato i maggiori miglioramenti, creando tracce sempre più strette e dense, con conseguente aumento della capacità di archiviazione.
Tuttavia, i dischi rigidi meccanici presentano evidenti limiti di velocità. Spostare le leve nella posizione desiderata richiede tempo e, se i dati sono distribuiti su tracce diverse su piatti diversi, l'unità impiegherà diversi microsecondi alla ricerca dei bit.
Prima di passare ad altri tipi di archiviazione, diamo un'occhiata alla velocità approssimativa di un tipico HDD. Abbiamo utilizzato un benchmark per valutare un disco rigido :
Le prime due righe mostrano il numero di MB al secondo per letture e scritture sequenziali (lista lunga e contigua) e casuali (transizioni sull'intera unità). La riga successiva mostra il valore IOPS, ovvero il numero di operazioni di input/output eseguite al secondo. L'ultima riga mostra la latenza media (tempo in microsecondi) tra il trasferimento di un'operazione di lettura o scrittura e la ricezione dei valori dei dati.
In generale, cerchiamo di mantenere i valori nelle prime tre righe il più alti possibile e quelli nell'ultima riga il più bassi possibile. Non preoccupatevi dei numeri in sé; li stiamo semplicemente usando come termine di paragone quando consideriamo un diverso tipo di unità: un'unità a stato solido.
Fonte: habr.com
