스토리지 분석: 하드 드라이브

그것은 자기적이다. 그것은 전기입니다. 포토닉입니다. 아니요, 이것은 Marvel 세계의 새로운 슈퍼 히어로 트리오가 아닙니다. 소중한 디지털 데이터를 저장하는 것입니다. 눈 깜짝할 사이에 액세스하고 변경할 수 있도록 안전하고 안정적인 어딘가에 저장해야 합니다. Iron Man과 Thor는 잊어버리세요. 우리는 하드 드라이브에 대해 이야기하고 있습니다!

그럼 오늘날 우리가 수십억 비트의 데이터를 저장하는 데 사용하는 장치의 구조를 자세히 살펴보겠습니다.

넌 날 빙글빙글 돌게 해, 베이비

기계 하드 드라이브 저장 (하드 디스크 드라이브, HDD)는 30년 이상 전 세계 컴퓨터의 저장 표준으로 자리해 왔지만 이를 뒷받침하는 기술은 훨씬 오래되었습니다.

IBM이 최초의 상용 HDD를 출시했습니다. 1956 년, 용량은 3,75MB였습니다. 그리고 일반적으로 지난 몇 년 동안 드라이브의 일반적인 구조는 크게 변하지 않았습니다. 여전히 자화를 사용하여 데이터를 저장하는 디스크와 해당 데이터를 읽고 쓰는 장치가 있습니다. 변경되었습니다 저장할 수 있는 데이터의 양도 동일하고 매우 강력합니다.

1987년에는 가능했다 HDD 20MB 구매 약 350달러; 오늘 같은 돈으로 14TB를 구입할 수 있습니다. 700 000 볼륨의 배.

크기가 완전히 동일하지는 않지만 현대 표준에 따라 괜찮은 장치인 3,5인치 HDD Seagate Barracuda 3TB, 특히 모델을 살펴보겠습니다. ST3000DM001, 그것으로 악명 높음 높은 실패율 и 이로 인한 법적 절차. 우리가 연구하고 있는 추진력은 이미 죽었기 때문에 이것은 해부학 수업이라기보다는 부검에 더 가까울 것입니다.


하드 드라이브의 대부분은 주조 금속으로 만들어졌습니다. 활발하게 사용하는 동안 장치 내부의 힘은 매우 심각할 수 있으므로 두꺼운 금속이 케이스의 구부러짐과 진동을 방지합니다. 아주 작은 1,8인치 HDD도 하우징 소재로 금속을 사용하지만, 최대한 가벼워야 하기 때문에 강철보다는 알루미늄으로 만드는 경우가 많다.

드라이브를 뒤집으면 인쇄 회로 기판과 여러 커넥터가 보입니다. 보드 상단의 커넥터는 디스크를 회전시키는 모터에 사용되며 하단 XNUMX개(왼쪽에서 오른쪽으로)는 드라이브를 특정 구성에 맞게 구성할 수 있는 점퍼 핀, SATA(Serial ATA) 데이터 커넥터입니다. 및 SATA 전원 커넥터가 있습니다.

직렬 ATA는 2000년에 처음 등장했습니다. 데스크탑 컴퓨터에서 이는 드라이브를 컴퓨터의 나머지 부분에 연결하는 데 사용되는 표준 시스템입니다. 형식 사양은 여러 번 개정되었으며 현재 버전 3.4를 사용하고 있습니다. 우리의 하드 드라이브 본체는 이전 버전이지만 차이점은 전원 커넥터의 핀이 XNUMX개뿐입니다.

데이터 연결에서는 데이터를 수신하고 받는 데 사용됩니다. 차별화된 신호: 핀 A+와 A-는 다음 용도로 사용됩니다. 이전 지침과 데이터를 하드 드라이브에 저장하고 핀 B는 전수 이러한 신호. 이렇게 쌍을 이루는 도체를 사용하면 신호에 대한 전기 잡음의 영향이 크게 줄어들어 장치가 더 빠르게 작동할 수 있습니다.

전원에 관해 이야기하면 커넥터에 각 전압(+3.3, +5 및 +12V)의 접점 쌍이 있음을 알 수 있습니다. 그러나 HDD는 많은 전력을 필요로 하지 않기 때문에 대부분은 사용되지 않습니다. 이 특정 Seagate 모델은 활성 부하에서 10와트 미만을 사용합니다. PC로 표시된 연락처는 다음 용도로 사용됩니다. 선충전: 이 기능을 사용하면 컴퓨터가 계속 작동하는 동안 하드 드라이브를 제거하고 연결할 수 있습니다. 핫 스와핑).

PWDIS 태그와 접촉하면 허용됩니다. 원격 재설정 하지만 이 기능은 SATA 3.3 버전에서만 지원되므로 내 드라이브에는 또 다른 +3.3V 전력선일 뿐입니다. SSU라고 표시된 마지막 핀은 하드 드라이브가 순차 스핀업 기술을 지원하는지 여부를 컴퓨터에 알려줍니다. 엇갈린 스핀업.

컴퓨터가 이를 사용하려면 장치 내부의 드라이브(곧 살펴보겠습니다)가 최대 속도로 회전해야 합니다. 그러나 시스템에 많은 하드 드라이브가 설치된 경우 갑작스러운 동시 전원 요청으로 인해 시스템이 손상될 수 있습니다. 스핀들을 점진적으로 회전시키면 이러한 문제가 발생할 가능성이 완전히 제거되지만 HDD에 대한 전체 액세스 권한을 얻으려면 몇 초 정도 기다려야 합니다.

회로 기판을 제거하면 장치 내부 구성 요소에 어떻게 연결되는지 확인할 수 있습니다. HDD 밀봉되지 않음, 용량이 매우 큰 장치를 제외하고 공기 대신 헬륨을 사용합니다. 밀도가 훨씬 낮고 디스크 수가 많은 드라이브에서 문제가 덜 발생하기 때문입니다. 반면에 기존 드라이브를 개방형 환경에 노출해서는 안 됩니다.

이러한 커넥터를 사용하면 먼지가 드라이브 내부로 들어갈 수 있는 진입점 수가 최소화됩니다. 금속 케이스에는 주변 압력을 내부에 유지할 수 있는 구멍(이미지 왼쪽 하단에 있는 큰 흰색 점)이 있습니다.

이제 PCB를 제거했으니, 내부 내용을 살펴보겠습니다. XNUMX개의 주요 칩이 있습니다:

• LSI B64002: 명령을 처리하고, 데이터 스트림을 안팎으로 전송하고, 오류를 수정하는 등의 메인 컨트롤러 칩.
• Samsung K4T51163QJ: 64MHz 클럭의 2MB DDR800 SDRAM, 데이터 캐싱에 사용됨
• Smooth MCKXL: 디스크를 회전시키는 모터를 제어합니다.
• Winbond 25Q40BWS05: 드라이브의 펌웨어를 저장하는 데 사용되는 500KB의 직렬 플래시 메모리(컴퓨터의 BIOS와 약간 비슷함)

다양한 HDD의 PCB 구성 요소는 다를 수 있습니다. 크기가 클수록 더 많은 캐시가 필요하며(가장 현대적인 괴물은 최대 256MB의 DDR3을 보유할 수 있음) 메인 컨트롤러 칩은 오류 처리 측면에서 좀 더 정교할 수 있지만 전체적인 차이는 그다지 크지 않습니다.

드라이브를 여는 것은 쉽습니다. Torx 볼트 몇 개만 풀면 짜잔! 우리는 안에 있습니다 ...

그것이 장치의 대부분을 차지한다는 점을 감안할 때 우리의 관심은 즉시 큰 금속 원으로 끌립니다. 드라이브가 호출되는 이유를 이해하기 쉽습니다 디스크. 전화해 보시는게 맞습니다 접시; 그들은 유리나 알루미늄으로 만들어지고 다양한 재료의 여러 층으로 코팅되어 있습니다. 이 3TB 드라이브에는 500개의 플래터가 있습니다. 즉, 하나의 플래터 각 면에 XNUMXGB를 저장해야 합니다.

이미지에 먼지가 꽤 많습니다. 이렇게 더러운 판은 제작에 필요한 설계 및 제조의 정밀도와 일치하지 않습니다. HDD 예에서 알루미늄 디스크 자체의 두께는 0,04인치(1mm)이지만 표면 편차의 평균 높이가 0,000001인치(약 30nm) 미만이 되도록 연마되었습니다.

기본 레이어의 깊이는 0,0004인치(10미크론)에 불과하며 금속 위에 증착된 여러 재료 레이어로 구성됩니다. 신청은 다음을 사용하여 수행됩니다. 무전해 니켈 도금 뒤에 진공 증착, 디지털 데이터를 저장하는 데 사용되는 기본 자성 재료에 대한 디스크를 준비합니다.

이 물질은 일반적으로 복잡한 코발트 합금이며 각각 폭이 약 0,00001인치(약 250nm)이고 깊이가 0,000001인치(25nm)인 동심원으로 구성됩니다. 미시적 수준에서 금속 합금은 물 표면에 비누 거품과 유사한 입자를 형성합니다.

각 입자에는 자체 자기장이 있지만 특정 방향으로 변형될 수 있습니다. 이러한 필드를 그룹화하면 데이터 비트(0과 1)가 생성됩니다. 이 주제에 대해 더 자세히 알고 싶다면 다음을 읽으십시오. 이 문서 예일대 학교. 최종 코팅은 보호를 위한 탄소층과 접촉 마찰을 줄이기 위한 폴리머로 구성됩니다. 이들의 두께는 모두 0,0000005인치(12nm)를 넘지 않습니다.

우리는 웨이퍼가 왜 그렇게 엄격한 공차로 제조되어야 하는지 곧 알게 될 것입니다. 그러나 그것을 깨닫는 것은 여전히 ​​놀랍습니다. 단 15 달러 나노미터 정밀도로 제조된 장치의 자랑스러운 소유자가 될 수 있습니다!

그러나 HDD 자체로 돌아가서 그 안에 또 무엇이 있는지 살펴보겠습니다.

노란색은 플레이트를 단단히 고정하는 금속 커버를 나타냅니다. 스핀들 드라이브 전기 모터 - 디스크를 회전시키는 전기 드라이브. 이 HDD에서는 7200rpm(회전/분)의 빈도로 회전하지만 다른 모델에서는 더 느리게 작동할 수 있습니다. 느린 드라이브는 소음과 전력 소비가 낮지만 속도도 느리고, 빠른 드라이브는 15rpm의 속도에 도달할 수 있습니다.

먼지와 공기 습기로 인한 손상을 줄이려면 재순환 필터 (녹색 사각형), 작은 입자를 모아서 내부에 담습니다. 플레이트의 회전으로 이동하는 공기는 필터를 통해 일정한 흐름을 보장합니다. 디스크 위와 필터 옆에는 세 가지 중 하나가 있습니다. 플레이트 분리기: 진동을 줄이고 공기 흐름을 최대한 균일하게 유지하는 데 도움이 됩니다.

이미지의 왼쪽 상단에서 파란색 사각형은 두 개의 영구 막대 자석 중 하나를 나타냅니다. 빨간색으로 표시된 구성 요소를 이동하는 데 필요한 자기장을 제공합니다. 더 잘 볼 수 있도록 이러한 세부정보를 분리해 보겠습니다.

흰색 패치처럼 보이는 것은 또 다른 필터입니다. 이 필터만 위에서 본 구멍을 통해 외부에서 들어오는 입자와 가스를 걸러냅니다. 금속 스파이크는 머리 이동 레버, 위치 읽기-쓰기 헤드 하드 드라이브. 그들은 판 표면 (상부 및 하부)을 따라 엄청난 속도로 움직입니다.

이 동영상을 시청해 보세요. 느린 모 녀석얼마나 빠른지 확인하려면 다음을 수행하세요.

디자인은 같은 것을 사용하지 않습니다 스테퍼 모터; 레버를 움직이기 위해 전류는 레버 베이스에 있는 솔레노이드를 통과합니다.

일반적으로 그들은 호출됩니다 보이스 코일, 멤브레인을 이동하기 위해 스피커와 마이크에 사용되는 것과 동일한 원리를 사용하기 때문입니다. 전류는 주변에 자기장을 생성하고 이는 영구 막대 자석에 의해 생성된 자기장에 반응합니다.

데이터가 추적된다는 사실을 잊지 마세요. 매우 작은따라서 드라이브의 다른 모든 것과 마찬가지로 팔의 위치도 매우 정확해야 합니다. 일부 하드 드라이브에는 전체 레버 중 한 부분의 방향만 조금씩 변경하는 다단계 레버가 있습니다.

일부 하드 드라이브에는 서로 겹치는 데이터 트랙이 있습니다. 이 기술은 타일 ​​자기 녹음 (슁글드 자기 녹음), 정확도 및 위치 지정(즉, 한 지점을 지속적으로 타격)에 대한 요구 사항은 훨씬 더 엄격합니다.

팔 끝에는 매우 민감한 읽기/쓰기 헤드가 있습니다. 우리의 HDD에는 3개의 플래터와 6개의 헤드가 포함되어 있으며, 각각은 수영하다 디스크가 회전하면서 디스크 위에 있습니다. 이를 달성하기 위해 헤드는 매우 얇은 금속 스트립에 매달려 있습니다.

그리고 여기서 우리는 해부학적 표본이 왜 죽었는지 알 수 있습니다. 적어도 머리 중 하나가 느슨해졌고, 초기 손상을 일으킨 원인이 무엇이든 팔 중 하나도 구부러졌습니다. 머리 전체 구성 요소는 너무 작아서 아래에서 볼 수 있듯이 일반 카메라로는 좋은 사진을 얻기가 매우 어렵습니다.

그러나 개별 부품을 분리할 수는 있습니다. 회색 블록은 특수 제작된 부품입니다. "슬라이더": 디스크가 그 아래에서 회전함에 따라 공기 흐름이 양력을 생성하여 헤드를 표면에서 들어 올립니다. 그리고 "리프트"라고 하면 폭이 0,0000002인치, 즉 5nm 미만인 간격을 의미합니다.

더 이상, 헤드는 트랙 자기장의 변화를 인식할 수 없습니다. 헤드가 표면에 놓여 있으면 코팅이 긁힐 것입니다. 이것이 드라이브 케이스 내부의 공기를 필터링해야 하는 이유입니다. 드라이브 표면의 먼지와 습기로 인해 헤드가 파손될 뿐입니다.

머리 끝 부분의 작은 금속 "폴"은 전반적인 공기 역학에 도움이 됩니다. 하지만 읽고 쓰는 부분을 보려면 더 좋은 사진이 필요합니다.

이 다른 하드 드라이브 이미지에서는 읽기/쓰기 장치가 모든 전기 연결부 아래에 있습니다. 녹음은 시스템에 의해 수행됩니다. 얇은 필름 인덕턴스 (박막 유도, TFI) 및 판독 - 터널 자기저항 장치(터널링 자기 저항 장치, TMR).

TMR에 의해 생성된 신호는 매우 약하므로 전송되기 전에 레벨을 높이기 위해 증폭기를 통과해야 합니다. 이를 담당하는 칩은 아래 이미지의 레버 베이스 근처에 있습니다.

기사 서문에서 설명한 것처럼 하드 드라이브의 기계적 구성 요소와 작동 원리는 수년 동안 거의 변하지 않았습니다. 무엇보다 마그네틱 트랙과 읽기/쓰기 헤드 기술이 향상되면서 트랙이 점점 더 좁고 촘촘해지면서 저장되는 정보량이 늘어나게 됐다.

그러나 기계식 하드 드라이브에는 확실한 속도 제한이 있습니다. 레버를 원하는 위치로 이동하는 데는 시간이 걸리며, 데이터가 서로 다른 플래터의 서로 다른 트랙에 분산되어 있는 경우 드라이브는 비트를 검색하는 데 꽤 몇 마이크로초를 소비하게 됩니다.

다른 유형의 드라이브로 넘어가기 전에 일반적인 HDD의 대략적인 속도를 알려드리겠습니다. 우리는 벤치마크를 사용했습니다. CrystalDiskMark 하드 드라이브를 평가하기 위해 WD 3.5인치 5400RPM 2TB:

처음 두 줄은 순차(긴 연속 목록) 및 무작위(전체 드라이브에 대한 전환) 읽기 및 쓰기를 수행할 때 초당 MB 수를 나타냅니다. 다음 줄에는 매초 수행되는 I/O 작업 수인 IOPS 값이 표시됩니다. 마지막 줄은 읽기 또는 쓰기 작업 전송과 데이터 값 수신 사이의 평균 대기 시간(마이크로초 단위 시간)을 보여줍니다.

일반적으로 처음 세 줄의 값은 최대한 크게, 마지막 줄의 값은 최대한 작게 유지하려고 노력합니다. 숫자 자체에 대해 걱정하지 마십시오. 다른 유형의 드라이브인 솔리드 스테이트 드라이브를 볼 때 비교용으로만 사용하겠습니다.

출처 : habr.com