ストレージの構造: ハードドライブ

それは磁気です。 電気ですよ。 フォトニックですね。 いいえ、これはマーベルユニバースの新しいスーパーヒーロートリオではありません。 それは貴重なデジタルデータを保存することです。 瞬時にアクセスして変更できるように、それらを安全かつ安定した場所に保存する必要があります。 アイアンマンやソーのことは忘れてください。ここではハードドライブについて話しています。

それでは、今日私たちが数十億ビットのデータを保存するために使用しているデバイスの構造を詳しく見てみましょう。

あなたは私をぐるぐる回して、ベイビー

機械的 ハードドライブストレージ (ハードディスク ドライブ、HDD) は、30 年以上にわたって世界中のコンピューターのストレージ標準として使用されてきましたが、その背後にあるテクノロジーははるかに古いものです。

IBMが初の商用HDDを発売 1956年間で、その容量は3,75MBもありました。 そして一般に、ここ何年にもわたって、ドライブの一般的な構造はあまり変わっていません。 磁化を使用してデータを保存するディスクがまだあり、そのデータを読み書きするデバイスもあります。 変更されました 保存できるデータ量も同じであり、非常に強力です。

1987年にはそれが可能だった HDD 20MBを購入 約350ドル。 今日 同じお金で 14 TB を購入できます: 700 000 倍のボリューム。

まったく同じサイズではありませんが、現代の標準から見てまともなデバイス、特に 3,5 インチ HDD Seagate Barracuda 3 TB のモデルを見ていきます。 ST3000DM001で悪名高い 高い故障率 и これに起因する法的手続き。 私たちが研究しているドライブはすでに死んでいるので、これは解剖学の授業というよりも解剖に近いものになるでしょう。


ハードドライブの大部分は鋳造金属です。 アクティブな使用中にデバイス内部にかかる力は非常に大きくなる可能性があるため、厚い金属がケースの曲がりや振動を防ぎます。 小型の 1,8 インチ HDD であっても筐体材料として金属が使用されていますが、できるだけ軽量にする必要があるため、通常はスチールではなくアルミニウムで作られています。

ドライブを裏返すと、プリント基板といくつかのコネクタが見えます。 ボードの上部のコネクタはディスクを回転させるモーターに使用され、下の XNUMX つ (左から右) はドライブを特定の構成に設定できるジャンパー ピン、SATA (シリアル ATA) データ コネクタです。 、SATA電源コネクタ。

シリアル ATA は 2000 年に初めて登場しました。 デスクトップ コンピュータでは、これはドライブをコンピュータの他の部分に接続するために使用される標準システムです。 フォーマット仕様は何度も改訂されており、現在はバージョン 3.4 を使用しています。 私たちのハードドライブの死体は古いバージョンですが、違いは電源コネクタのピンがXNUMXつだけです。

データ接続では、データの送受信に使用されます。 微分信号: ピン A+ と A- は次の用途に使用されます。 転送 命令とデータをハードドライブに転送し、ピン B は 得る これらの信号。 このペア導体の使用により、信号に対する電気ノイズの影響が大幅に軽減され、デバイスがより高速に動作できるようになります。

電源について話すと、コネクタには各電圧 (+3.3、+5、+12V) の 10 対の接点があることがわかります。 ただし、HDD はそれほど電力を必要としないため、そのほとんどは使用されません。 この特定の Seagate モデルでは、アクティブ負荷時の消費電力は XNUMX ワット未満です。 PC とマークされた接点は次の用途に使用されます。 プリチャージ: この機能を使用すると、コンピューターが動作し続けている間にハードドライブを取り外したり接続したりすることができます (これは ホットスワップ).

PWDISタグとの接触により可能 リモートリセット ハードドライブですが、この機能はバージョン SATA 3.3 でのみサポートされているため、私のドライブでは単なる別の +3.3V 電源ラインにすぎません。 SSU というラベルが付いた最後のピンは、ハード ドライブがシーケンシャル スピンアップ テクノロジをサポートしているかどうかをコンピュータに伝えるだけです。 スタッガードスピンアップ.

コンピューターがそれらを使用できるようになる前に、デバイス内のドライブ (これについてはすぐに説明します) が最高速度まで回転する必要があります。 ただし、マシンに多数のハード ドライブが取り付けられている場合、突然の同時電力要求によりシステムに損害が発生する可能性があります。 スピンドルを徐々にスピンアップすると、このような問題が発生する可能性は完全に排除されますが、HDD に完全にアクセスできるようになるまでに数秒待つ必要があります。

回路基板を取り外すと、回路基板がデバイス内のコンポーネントにどのように接続されているかを確認できます。 HDD 密封されていない非常に大容量のデバイスを除いて、空気の代わりにヘリウムが使用されます。これは、ヘリウムの密度がはるかに低く、多数のディスクを搭載したドライブで問題が発生する可能性が低いためです。 一方、従来のドライブをオープン環境にさらすべきではありません。

このようなコネクタを使用することにより、ドライブ内部にゴミや埃が侵入する可能性のある侵入ポイントの数が最小限に抑えられます。 金属ケース (画像の左下隅にある大きな白い点) には穴があり、内部に大気圧が残るようになっています。

PCB が取り外されたので、内部にあるものを見てみましょう。 主要なチップは XNUMX つあります。

• LSI B64002: 命令の処理、データ ストリームの送受信、エラーの修正などを行うメイン コントローラー チップ。
• Samsung K4T51163QJ: 64 MHz でクロック動作する 2 MB DDR800 SDRAM、データ キャッシュに使用
• Smooth MCKXL: ディスクを回転させるモーターを制御します。
• Winbond 25Q40BWS05: ドライブのファームウェア (コンピューターの BIOS に似たもの) を保存するために使用される 500 KB のシリアル フラッシュ メモリ

異なる HDD の PCB コンポーネントは異なる場合があります。 サイズが大きくなると、より多くのキャッシュが必要になります (最新のモンスターは最大 256 MB の DDR3 を搭載できます)。また、メイン コントローラー チップはエラー処理においてもう少し洗練されている可能性がありますが、全体的な違いはそれほど大きくありません。

ドライブを開けるのは簡単です。トルクスボルトを数本緩めるだけで出来上がりです。 私たちは中にいます...

それがデバイスの大部分を占めることを考えると、私たちの注意はすぐに大きな金属製の円に引き寄せられます。 ドライブがなぜ呼ばれるかを理解するのは簡単です ディスク。 彼らを呼ぶのが正しいです プレート; それらはガラスまたはアルミニウムでできており、異なる材料のいくつかの層でコーティングされています。 この 3 TB ドライブには 500 つのプラッターがあり、XNUMX つのプラッターの両側に XNUMX GB を保存する必要があります。

画像はかなり埃っぽく、そのような汚れたプレートは、そのプレートを作成するために必要な設計と製造の精度と一致しません。 HDD の例では、アルミニウム ディスク自体の厚さは 0,04 インチ (1 mm) ですが、表面の凹凸の平均高さが 0,000001 インチ (約 30 nm) 未満になる程度に研磨されています。

ベース層の深さはわずか 0,0004 インチ (10 ミクロン) で、金属上に堆積された複数の材料層で構成されています。 アプリケーションは次を使用して行われます 無電解ニッケルメッキ に続く 真空蒸着、デジタルデータを保存するために使用される基本的な磁性材料のディスクを準備します。

この材料は通常、複雑なコバルト合金であり、それぞれの幅が約 0,00001 インチ (約 250 nm)、深さが 0,000001 インチ (25 nm) の同心円で構成されています。 ミクロレベルでは、金属合金は水面上のシャボン玉に似た粒子を形成します。

各粒子には独自の磁場がありますが、特定の方向に変形することができます。 このようなフィールドをグループ化すると、データ ビット (0 と 1) が生成されます。 このトピックについてさらに詳しく知りたい場合は、以下をお読みください。 このドキュメント イェール大学。 最終コーティングは、保護のためのカーボン層であり、その後、接触摩擦を軽減するためにポリマーが塗布されます。 これらを合わせた厚さは 0,0000005 インチ (12 nm) 未満です。

なぜウェーハがこれほど厳しい公差で製造されなければならないのかはすぐにわかりますが、それでも驚くべきことは次のとおりです。 たった15ドルで ナノメートルの精度で製造されたデバイスの誇り高きオーナーになれる!

ただし、HDD 自体に戻って、そこに他に何が入っているか見てみましょう。

黄色はプレートをしっかりと固定する金属カバーを示しています。 スピンドル駆動電動機 - ディスクを回転させる電気ドライブ。 この HDD では 7200 rpm (回転数/分) の周波数で回転しますが、他のモデルでは動作が遅くなる場合があります。 遅いドライブはノイズと消費電力が低くなりますが、速度も低くなります。一方、より速いドライブは 15 rpm の速度に達することがあります。

ほこりや空気中の湿気による損傷を軽減するには、次のようにします。 再循環フィルター (緑色の四角)、小さな粒子を集めて内部に保持します。 プレートの回転によって移動する空気により、フィルターを通る一定の流れが保証されます。 ディスクの上とフィルターの隣に XNUMX つのうちの XNUMX つがあります。 プレートセパレータ: 振動を軽減し、空気の流れを可能な限り均一に維持します。

画像の左上部分にある青い四角は、XNUMX つの永久棒磁石のうちの XNUMX つを示しています。 これらは、赤で示されたコンポーネントを移動するために必要な磁場を提供します。 より詳しく見るために、これらの詳細を分離してみましょう。

白い斑点のように見えるのは別のフィルターで、上で見た穴を通って外部から侵入する粒子やガスを濾過するのはこのフィルターだけです。 金属スパイクは、 頭の動きのレバー、それらが配置されている 読み書きヘッド ハードドライブ。 プレート（上部と下部）の表面に沿って猛スピードで移動します。

によって作成されたこのビデオを見る スローモーガイズどれくらい速いかを確認するには:

デザインには次のようなものは使用されていません ステッピングモーター; レバーを動かすには、レバーの基部にあるソレノイドに電流が流されます。

一般にそれらはこう呼ばれます ボイスコイル、スピーカーやマイクで膜を動かすのと同じ原理を使用しているためです。 電流はそれらの周囲に磁場を生成し、永久棒磁石によって生成された磁場に反応します。

データ追跡を忘れないでください 小さいしたがって、ドライブ内の他のすべてのものと同様に、アームの位置も非常に正確である必要があります。 一部のハードドライブには、レバー全体の一部だけの方向を少し変更する多段階レバーが付いています。

一部のハードドライブには、データトラックが互いに重なり合っています。 この技術はと呼ばれます タイル型磁気記録 （シングル磁気記録）、精度と位置決め（つまり、常に一点を当てること）に対する要件はさらに厳しくなります。

アームの先端には、非常に高感度の読み取り/書き込みヘッドがあります。 当社の HDD には 3 つのプラッターと 6 つのヘッドが含まれており、それぞれ 泳ぐ 回転するディスクの上にあります。 これを実現するために、ヘッドは極薄の金属ストリップ上に吊り下げられています。

そして、ここで私たちの解剖学的標本が死んだ理由がわかります - 少なくとも XNUMX つの頭が緩み、最初の損傷の原因となったものは何であれ、腕の XNUMX つも曲がっていました。 頭部コンポーネント全体は非常に小さいため、以下に示すように、通常のカメラで良好な画像を取得するのは非常に困難です。

ただし、個々の部品を分解することはできます。 灰色のブロックは、 "スライダー": ディスクがその下で回転すると、空気の流れによって揚力が生じ、ヘッドが表面から持ち上げられます。 そして、私たちが「リフト」と言うとき、幅がわずか 0,0000002 インチ、つまり 5 nm 未満のギャップを意味します。

これ以上進むと、ヘッドはトラックの磁場の変化を認識できなくなります。 ヘッドが表面上にあると、単にコーティングを傷つけてしまいます。 ドライブ ケース内の空気を濾過する必要があるのはこのためです。ドライブの表面に埃や湿気があると、単純にヘッドが壊れてしまいます。

ヘッドの端にある小さな金属の「ポール」は、全体的な空気力学に役立ちます。 ただし、読み取りと書き込みを行う部分を確認するには、より良い写真が必要です。

別のハード ドライブのこのイメージでは、読み取り/書き込みデバイスはすべての電気接続の下にあります。 録音はシステムによって行われます 薄膜 インダクタンス (薄膜誘導、TFI)、および読み取り - トンネル 磁気抵抗 デバイス（トンネル磁気抵抗デバイス、TMR）。

TMR によって生成される信号は非常に弱いため、送信する前にアンプを通過してレベルを上げる必要があります。 これを担当するチップは、下の画像のレバーの根元近くにあります。

記事の冒頭で述べたように、ハード ドライブの機械コンポーネントと動作原理は、長年にわたってほとんど変わっていません。 何よりも、磁気トラックと読み書きヘッドの技術が向上し、トラックがますます狭く高密度になり、最終的には保存される情報量が増加しました。

ただし、機械式ハードドライブには明らかな速度制限があります。 レバーを目的の位置に動かすには時間がかかり、データが異なるプラッタ上の異なるトラックに分散している場合、ドライブはビットの検索にかなりの数マイクロ秒を費やすことになります。

別の種類のドライブに進む前に、一般的な HDD のおおよその速度を示してみましょう。 ベンチマークを使用しました CrystalDiskMark ハードドライブを評価するには WD 3.5 インチ 5400 RPM 2 TB:

最初の XNUMX 行は、シーケンシャル (長く連続したリスト) およびランダム (ドライブ全体の遷移) の読み取りおよび書き込みを実行するときの XNUMX 秒あたりの MB 数を示します。 次の行は、XNUMX 秒ごとに実行される I/O 操作の数である IOPS 値を示します。 最後の行は、読み取りまたは書き込み操作の送信とデータ値の受信の間の平均遅延 (マイクロ秒単位の時間) を示します。

一般に、最初の XNUMX 行の値ができるだけ大きくなり、最後の行の値ができるだけ小さくなるように努めます。 数値自体については心配する必要はありません。別の種類のドライブ、つまりソリッド ステート ドライブを検討する際に、比較のために使用するだけです。

出所： habr.com