אנטומיה של אחסון: כוננים קשיחים

זה מגנטי. זה חשמלי. זה פוטוני. לא, זו לא שלישיית גיבורי על חדשה מהיקום של מארוול. מדובר באחסון הנתונים הדיגיטליים היקרים שלנו. אנחנו צריכים לאחסן אותם במקום, בצורה מאובטחת ויציבה, כדי שנוכל לגשת ולשנות אותם בהרף עין. תשכחו מאיירון מן ות'ור - אנחנו מדברים על כוננים קשיחים!

אז בואו נצלול לתוך האנטומיה של המכשירים שבהם אנו משתמשים היום כדי לאחסן מיליארדי סיביות של נתונים.

אתה סובב אותי בדיוק, מותק

מכני אחסון בכונן קשיח (כונן דיסק קשיח, HDD) הוא תקן האחסון של מחשבים ברחבי העולם כבר יותר מ-30 שנה, אבל הטכנולוגיה מאחוריו הרבה יותר ישנה.

IBM הוציאה את הדיסק הקשיח המסחרי הראשון בשנת 1956, הקיבולת שלו הייתה עד 3,75 מגה-בייט. ובכלל, לאורך כל השנים המבנה הכללי של הכונן לא השתנה הרבה. עדיין יש לו דיסקים שמשתמשים במגנטיזציה כדי לאחסן נתונים, ויש מכשירים לקריאה/כתיבה של נתונים אלה. השתנה זהה, וחזקה מאוד, היא כמות הנתונים שניתן לאחסן עליהם.

ב-1987 זה היה אפשרי לקנות HDD 20 MB תמורת כ-350 דולר; היום עבור אותו כסף אתה יכול לקנות 14 TB: in 700 000 כפול מהווליום.

נסתכל על מכשיר שהוא לא בדיוק באותו גודל, אבל גם הגון בסטנדרטים מודרניים: 3,5 אינץ' HDD Seagate Barracuda 3 TB, במיוחד, הדגם ST3000DM001, הידוע לשמצה בזכותו שיעור כישלון גבוה и תהליכים משפטיים שנגרמו כתוצאה מכך. הכונן שאנחנו לומדים כבר מת, אז זה יהיה יותר כמו נתיחה מאשר שיעור אנטומיה.


עיקר הכונן הקשיח הוא מתכת יצוקה. הכוחות בתוך המכשיר במהלך שימוש פעיל יכולים להיות רציניים למדי, ולכן מתכת עבה מונעת כיפוף ורטט של המארז. אפילו כוננים קשיחים קטנטנים בגודל 1,8 אינץ' משתמשים במתכת כחומר דיור, אבל הם עשויים בדרך כלל מאלומיניום ולא מפלדה מכיוון שהם צריכים להיות קלים ככל האפשר.

כשהם הופכים את הכונן, אנו רואים לוח מעגלים מודפס וכמה מחברים. המחבר בחלק העליון של הלוח משמש למנוע המסובב את הדיסקים, והשלושה התחתונים (משמאל לימין) הם פינים מגשרים המאפשרים להגדיר את הכונן לתצורות מסוימות, מחבר נתונים SATA (Serial ATA) , ומחבר מתח SATA.

Serial ATA הופיע לראשונה בשנת 2000. במחשבים שולחניים, זוהי המערכת הסטנדרטית המשמשת לחיבור כוננים לשאר המחשב. מפרט הפורמט עבר תיקונים רבים, וכרגע אנו משתמשים בגרסה 3.4. גופת הכונן הקשיח שלנו היא גרסה ישנה יותר, אבל ההבדל הוא רק בפין אחד במחבר החשמל.

בחיבורי נתונים, הוא משמש כדי לקבל ולקבל נתונים. אות מובחן: פינים A+ ו-A- משמשים עבור העברה הוראות ונתונים לכונן הקשיח, ופינים B מיועדים получения האותות הללו. שימוש זה במוליכים זוגיים מפחית באופן משמעותי את השפעת הרעש החשמלי על האות, כלומר המכשיר יכול לפעול מהר יותר.

אם אנחנו מדברים על כוח, אנחנו רואים שלמחבר יש זוג מגעים של כל מתח (+3.3, +5 ו +12V); עם זאת, רובם אינם בשימוש מכיוון שכונני HDD אינם דורשים כוח רב. הדגם המסוים הזה של Seagate משתמש בפחות מ-10 וואט תחת עומס פעיל. אנשי קשר המסומנים במחשב משמשים טעינה מוקדמת: תכונה זו מאפשרת לך להסיר ולחבר את הכונן הקשיח בזמן שהמחשב ממשיך לעבוד (זה נקרא החלפה חמה).

מגע עם תג PWDIS מאפשר איפוס מרחוק כונן קשיח, אבל פונקציה זו נתמכת רק מגרסה SATA 3.3, אז בכונן שלי זה רק עוד קו מתח של +3.3V. והסיכה האחרונה, שכותרתה SSU, פשוט אומרת למחשב אם הכונן הקשיח תומך בטכנולוגיית ספין-אפ רציף. ספין נדידה למעלה.

לפני שהמחשב יוכל להשתמש בהם, הכוננים בתוך המכשיר (שנראה בקרוב) חייבים להסתובב למהירות מלאה. אבל אם יש הרבה כוננים קשיחים מותקנים במכונה, אזי בקשת מתח פתאומית בו זמנית יכולה להזיק למערכת. סיבוב הציר הדרגתי מבטל לחלוטין את האפשרות לבעיות כאלה, אך תצטרך להמתין מספר שניות לפני שתשיג גישה מלאה ל-HDD.

על ידי הסרת לוח המעגלים, ניתן לראות כיצד הוא מתחבר לרכיבים בתוך המכשיר. HDD לא אטום, למעט מכשירים בעלי קיבולות גדולות מאוד - הם משתמשים בהליום במקום באוויר מכיוון שהוא הרבה פחות צפוף ויוצר פחות בעיות בכוננים עם מספר רב של דיסקים. מצד שני, אסור לחשוף כוננים קונבנציונליים לסביבה הפתוחה.

הודות לשימוש במחברים כאלה, מצטמצם מספר נקודות הכניסה דרכן לכלוך ואבק יכולים להיכנס לתוך הכונן; יש חור במארז המתכת (הנקודה הלבנה הגדולה בפינה השמאלית התחתונה של התמונה) המאפשר ללחץ הסביבה להישאר בפנים.

כעת לאחר שה-PCB הוסר, בואו נסתכל על מה שיש בפנים. ישנם ארבעה שבבים עיקריים:

• LSI B64002: שבב בקר ראשי שמעבד הוראות, מעביר זרמי נתונים פנימה והחוצה, מתקן שגיאות וכו'.
• Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM בשעון 800 מגה-הרץ, משמש לאחסון נתונים במטמון
• MCKXL חלק: שולט במנוע המסובב את הדיסקים
• Winbond 25Q40BWS05: 500 KB של זיכרון פלאש טורי המשמש לאחסון הקושחה של הכונן (קצת כמו BIOS של מחשב)

רכיבי ה-PCB של דיסקים קשיחים שונים עשויים להשתנות. גדלים גדולים יותר דורשים יותר מטמון (למפלצות המודרניות ביותר יכולות להיות עד 256 מגה-בייט של DDR3), ושבב הבקר הראשי עשוי להיות קצת יותר מתוחכם בטיפול בשגיאות, אבל בסך הכל ההבדלים לא כל כך גדולים.

פתיחת הכונן קלה, פשוט פתחו כמה ברגים של טורקס והרי! אנחנו בפנים...

בהתחשב בכך שהוא תופס את עיקר המכשיר, תשומת הלב שלנו נמשכת מיד למעגל המתכת הגדול; קל להבין מדוע נקראים כוננים דִיסק. נכון להתקשר אליהם צלחות; הם עשויים מזכוכית או אלומיניום ומצופים בכמה שכבות של חומרים שונים. לכונן 3TB זה יש שלושה פלטות, כלומר יש לאחסן 500GB בכל צד של מגש אחד.

התמונה מאובקת למדי, צלחות מלוכלכות כאלה אינן תואמות את הדיוק של העיצוב והייצור הנדרש להכנתן. בדוגמה שלנו HDD, דיסק האלומיניום עצמו הוא בעובי של 0,04 אינץ' (1 מ"מ), אך מלוטש עד כדי כך שהגובה הממוצע של הסטיות על פני השטח הוא פחות מ-0,000001 אינץ' (כ-30 ננומטר).

עומק שכבת הבסיס היא רק 0,0004 אינץ' (10 מיקרון) והיא מורכבת משכבות מרובות של חומרים שהופקדו על המתכת. היישום נעשה באמצעות ציפוי ניקל ללא חשמל בא אחריו בתצהיר ואקום, הכנת הדיסק לחומרים המגנטיים הבסיסיים המשמשים לאחסון נתונים דיגיטליים.

חומר זה הוא בדרך כלל סגסוגת קובלט מורכבת ומורכב מעיגולים קונצנטריים, כל אחד ברוחב של כ-0,00001 אינץ' (כ-250 ננומטר) ועומק של 0,000001 אינץ' (25 ננומטר). ברמת המיקרו, סגסוגות מתכת יוצרות גרגרים הדומים לבועות סבון על פני המים.

לכל גרגר שדה מגנטי משלו, אך ניתן להפוך אותו לכיוון נתון. קיבוץ שדות כאלה מביא לסיביות נתונים (0 ו-1). אם אתה רוצה ללמוד עוד על נושא זה, קרא מסמך זה אוניברסיטת ייל. הציפויים הסופיים הם שכבת פחמן להגנה, ולאחר מכן פולימר להפחתת חיכוך מגע. יחד הם לא יותר מ-0,0000005 אינץ' (12 ננומטר).

בקרוב נראה מדוע חייבים לייצר את הוופלים בסובלנות כה הדוקה, אבל עדיין מפתיע להבין את זה תמורת 15 דולר בלבד אתה יכול להפוך לבעלים הגאה של מכשיר המיוצר בדייקנות ננומטרית!

עם זאת, בוא נחזור לדיסק הקשיח עצמו ונראה מה עוד יש בו.

הצבע הצהוב מראה את כיסוי המתכת שמהדק היטב את הצלחת אל מנוע חשמלי להנעת ציר - כונן חשמלי המסובב את הדיסקים. ב-DVD הזה הם מסתובבים בתדר של 7200 סל"ד (סיבובים/דקה), אבל בדגמים אחרים הם עשויים לעבוד לאט יותר. לכוננים איטיים יש רעש וצריכת חשמל נמוכים יותר, אך גם מהירות נמוכה יותר, בעוד שכוננים מהירים יותר יכולים להגיע למהירויות של 15 סל"ד.

כדי להפחית נזקים הנגרמים מאבק ולחות אוויר, השתמש מסנן מחזור (ריבוע ירוק), אוספים חלקיקים קטנים ומחזיקים אותם בפנים. אוויר הנעים על ידי סיבוב הלוחות מבטיח זרימה קבועה דרך המסנן. מעל הדיסקים וליד המסנן יש אחד משלושה מפרידי צלחות: עוזר להפחית רעידות ולשמור על זרימת אוויר אחידה ככל האפשר.

בחלק השמאלי העליון של התמונה, הריבוע הכחול מציין את אחד משני מגנטי הפס הקבועים. הם מספקים את השדה המגנטי הדרוש להזזת הרכיב המצוין באדום. בואו נפריד את הפרטים האלה כדי לראות אותם טוב יותר.

מה שנראה כמו כתם לבן הוא מסנן אחר, רק זה מסנן חלקיקים וגזים שנכנסים מבחוץ דרך החור שראינו למעלה. קוצים מתכת הם מנופי תנועת ראש, שעליו הם נמצאים ראשי קריאה-כתיבה דיסק קשיח. הם נעים במהירות עצומה לאורך פני הלוחות (העליון והתחתון).

צפה בסרטון הזה שנוצר על ידי חבר'ה מו איטיכדי לראות כמה מהירים הם:

העיצוב לא משתמש בשום דבר כמו מנוע צעדים; כדי להזיז את המנופים, מועבר זרם חשמלי דרך סולנואיד בבסיס המנופים.

באופן כללי הם נקראים סלילי קול, כי הם משתמשים באותו עיקרון המשמש ברמקולים ומיקרופונים כדי להזיז ממברנות. הזרם יוצר סביבם שדה מגנטי, המגיב לשדה שנוצר על ידי מגנטי הבר הקבועים.

אל תשכח שנתונים עוקבים זָעִיר, כך שמיקום הזרועות חייב להיות מדויק ביותר, בדיוק כמו כל דבר אחר בכונן. לחלק מהכוננים הקשיחים יש מנופים רב-שלביים שמבצעים שינויים קטנים בכיוון של חלק אחד בלבד של המנוף כולו.

לחלק מהכוננים הקשיחים יש מסלולי נתונים החופפים זה לזה. טכנולוגיה זו נקראת הקלטה מגנטית מרוצפת (הקלטה מגנטית שלבקת חוגרת), והדרישות שלה לדיוק ולמיקום (כלומר, לפגוע כל הזמן בנקודה אחת) מחמירות אף יותר.

ממש בקצה הזרועות יש ראשי קריאה-כתיבה רגישים מאוד. HDD שלנו מכיל 3 פלטות ו-6 ראשים, וכל אחד מהם שוחה מעל הדיסק בזמן שהוא מסתובב. כדי להשיג זאת, הראשים תלויים על רצועות מתכת דקות במיוחד.

וכאן אנו יכולים לראות מדוע הדגימה האנטומית שלנו מתה - לפחות אחד מהראשים השתחרר, ומה שגרם לנזק הראשוני גם כופף את אחת הזרועות. כל רכיב הראש כל כך קטן שכפי שניתן לראות למטה, קשה מאוד לקבל תמונה טובה שלו במצלמה רגילה.

עם זאת, אנו יכולים לפרק את החלקים הבודדים. הבלוק האפור הוא חלק שיוצר במיוחד בשם "מחוון": כשהדיסק מסתובב מתחתיו, זרימת האוויר יוצרת עילוי, מרימה את הראש מהמשטח. וכשאנחנו אומרים "מעליות", אנחנו מתכוונים לפער שרוחבו רק 0,0000002 אינץ', או פחות מ-5 ננומטר.

כל עוד, והראשים לא יוכלו לזהות שינויים בשדות המגנטיים של המסילה; אם הראשים היו מונחים על פני השטח, הם פשוט היו שורטים את הציפוי. זו הסיבה שאתה צריך לסנן את האוויר בתוך מארז הכונן: אבק ולחות על פני הכונן פשוט ישברו את הראשים.

"מוט" מתכתי זעיר בקצה הראש עוזר לאווירודינמיקה הכללית. עם זאת, כדי לראות את החלקים שעושים את הקריאה והכתיבה, אנחנו צריכים תמונה טובה יותר.

בתמונה זו של כונן קשיח אחר, התקני הקריאה/כתיבה נמצאים מתחת לכל החיבורים החשמליים. ההקלטה מתבצעת על ידי המערכת סרט דק הַשׁרָאוּת (אינדוקציה לסרט דק, TFI), וקריאה - מִנהָרָה magnetoresistive מכשיר (מכשיר מגנוטוריסטיבי מנהור, TMR).

האותות המופקים על ידי TMR חלשים מאוד ויש להעבירם דרך מגבר כדי להגביר את הרמות לפני שליחתם. השבב האחראי לכך ממוקם ליד בסיס המנופים בתמונה למטה.

כפי שנאמר בהקדמה למאמר, הרכיבים המכניים ועקרון הפעולה של כונן קשיח השתנו מעט במהלך השנים. יותר מכל, שופרה הטכנולוגיה של מסלולים מגנטיים וראשי קריאה-כתיבה, ויצרו מסלולים צרים וצפופים יותר ויותר, מה שהוביל בסופו של דבר לעלייה בכמות המידע המאוחסן.

עם זאת, לכוננים קשיחים מכניים יש מגבלות מהירות ברורות. לוקח זמן להעביר את המנופים למצב הרצוי, ואם הנתונים מפוזרים על פני מסלולים שונים על פלטות שונות, אז הכונן יבלה לא מעט מיקרו-שניות בחיפוש אחר ביטים.

לפני שנעבור לסוג אחר של כונן, הבה נציין את המהירות המשוערת של כונן קשיח טיפוסי. השתמשנו ב-benchmark CrystalDiskMark כדי להעריך את הכונן הקשיח WD 3.5 אינץ' 5400 סל"ד 2 TB:

שתי השורות הראשונות מציינות את מספר ה-MB לשנייה בעת ביצוע קריאה וכתיבה רציפה (רשימה ארוכה ורציפה) ואקראית (מעברים לאורך כל הכונן). השורה הבאה מציגה את ערך ה-IOPS, שהוא מספר פעולות ה-I/O המבוצעות בכל שנייה. השורה האחרונה מציגה את ההשהיה הממוצעת (זמן במיקרו-שניות) בין שידור פעולת קריאה או כתיבה ועד לקבלת ערכי הנתונים.

באופן כללי, אנו שואפים להבטיח שהערכים בשלוש השורות הראשונות יהיו גדולים ככל האפשר, ובשורה האחרונה קטנים ככל האפשר. אל תדאג לגבי המספרים עצמם, אנו פשוט נשתמש בהם לצורך השוואה כאשר נסתכל על סוג אחר של כונן: כונן מוצק.

מקור: www.habr.com