ProHoster > Blogs > Administrācija > Krātuves anatomija: cietie diski

Krātuves anatomija: cietie diski

Krātuves anatomija: cietie diski
Tas ir magnētisks. Tas ir elektrisks. Tas ir fotonisks. Nē, Å”is nav jauns supervaroņu trio no Marvel Visuma. Tas ir par mÅ«su vērtÄ«go digitālo datu glabāŔanu. Mums tie ir kaut kur jāuzglabā droÅ”i un stabili, lai mēs varētu tiem piekļūt un tos mainÄ«t vienā acu mirklÄ«. Aizmirstiet Iron Man un Thor - mēs runājam par cietajiem diskiem!

Tāpēc iedziļināsimies to ierīču anatomijā, kuras Å”odien izmantojam, lai uzglabātu miljardus datu bitu.

Tu apgriez mani taisni, mazulīt

Mehāniski cietā diska krātuve (cietais disks, HDD) ir bijis datoru uzglabāŔanas standarts visā pasaulē vairāk nekā 30 gadus, taču tā pamatā esoŔā tehnoloÄ£ija ir daudz vecāka.

IBM izlaida pirmo komerciālo HDD jo 1956 gadā, tā ietilpÄ«ba bija pat 3,75 MB. Un kopumā visu Å”o gadu laikā kopējā piedziņas struktÅ«ra nav Ä«paÅ”i mainÄ«jusies. Tam joprojām ir diski, kas izmanto magnetizāciju datu glabāŔanai, un ir ierÄ«ces Å”o datu lasÄ«Å”anai/rakstÄ«Å”anai. MainÄ«ts Tas pats un ļoti spēcÄ«gs ir tajos glabājamo datu apjoms.

1987. gadā tas bija iespējams nopirkt HDD 20 MB par aptuveni 350 USD; Å odien par to paÅ”u naudu jÅ«s varat iegādāties 14 TB: in 700 000 reizes lielāks par skaļumu.

Mēs apskatÄ«sim ierÄ«ci, kas nav tieÅ”i tāda paÅ”a izmēra, bet arÄ« pienācÄ«ga pēc mÅ«sdienu standartiem: 3,5 collu HDD Seagate Barracuda 3 TB, jo Ä«paÅ”i modeli. ST3000DM001, kas ir bēdÄ«gi slavena ar savu augsts atteices lÄ«menis Šø juridiski procesi, ko izraisa tas. Disks, ko mēs pētām, jau ir miris, tāpēc Ŕī bÅ«s vairāk kā autopsija, nevis anatomijas stunda.

Krātuves anatomija: cietie diski
Cietā diska lielākā daļa ir liets metāls. Spēki ierÄ«ces iekÅ”ienē aktÄ«vās lietoÅ”anas laikā var bÅ«t diezgan nopietni, tāpēc biezs metāls novērÅ” korpusa locÄ«Å”anu un vibrāciju. Pat nelielos 1,8 collu HDD kā korpusa materiāls tiek izmantots metāls, taču tie parasti ir izgatavoti no alumÄ«nija, nevis tērauda, ā€‹ā€‹jo tiem ir jābÅ«t pēc iespējas vieglākiem.

Krātuves anatomija: cietie diski
Apgriežot disku, mēs redzam iespiedshēmas plati un vairākus savienotājus. Savienotājs plates augÅ”pusē tiek izmantots motoram, kas rotē diskus, un apakŔējie trÄ«s (no kreisās uz labo) ir džempera tapas, kas ļauj konfigurēt disku noteiktām konfigurācijām, SATA (Serial ATA) datu savienotājs. un SATA strāvas savienotāju.

Krātuves anatomija: cietie diski
Serial ATA pirmo reizi parādÄ«jās 2000. gadā. Galddatoros Ŕī ir standarta sistēma, ko izmanto, lai savienotu diskus ar pārējo datoru. Formāta specifikācija ir daudzkārt pārskatÄ«ta, un paÅ”laik mēs izmantojam versiju 3.4. MÅ«su cietā diska lÄ«Ä·is ir vecāka versija, taču atŔķirÄ«ba ir tikai viena spraude strāvas savienotājā.

Datu savienojumos to izmanto datu saņemÅ”anai un saņemÅ”anai. diferencēts signāls: tiek izmantotas tapas A+ un A- nodoÅ”ana instrukcijas un dati uz cieto disku, un tapas B ir paredzētas saņemÅ”ana Å”ie signāli. Šāda pārÄ« savienotu vadÄ«tāju izmantoÅ”ana ievērojami samazina elektriskā trokŔņa ietekmi uz signālu, kas nozÄ«mē, ka ierÄ«ce var darboties ātrāk.

Ja mēs runājam par jaudu, mēs redzam, ka savienotājam ir katra sprieguma kontaktu pāris (+3.3, +5 un +12V); tomēr lielākā daļa no tiem netiek izmantoti, jo HDD neprasa daudz enerÄ£ijas. Å is konkrētais Seagate modelis aktÄ«vajā slodzē patērē mazāk par 10 vatiem. Tiek izmantoti kontakti ar atzÄ«mi PC priekÅ”lādēt: Ŕī funkcija ļauj noņemt un pievienot cieto disku, kamēr dators turpina strādāt (to sauc karstā maiņa).

SazināŔanās ar PWDIS tagu ļauj attālā atiestatÄ«Å”ana cietais disks, taču Ŕī funkcija tiek atbalstÄ«ta tikai no SATA 3.3 versijas, tāpēc manā diskā tā ir tikai vēl viena +3.3 V baroÅ”anas lÄ«nija. Un pēdējā tapa, kas apzÄ«mēta ar SSU, vienkārÅ”i norāda datoram, vai cietais disks atbalsta secÄ«gās vērpÅ”anas tehnoloÄ£iju. pakāpju spin up.

Lai dators varētu tos izmantot, ierÄ«cē esoÅ”ajiem diskdziņiem (ko mēs drÄ«zumā redzēsim) ir jāgriežas pilnā ātrumā. Bet, ja iekārtā ir instalēts daudz cieto disku, pēkŔņs vienlaicÄ«gs strāvas pieprasÄ«jums var kaitēt sistēmai. Pakāpeniski pagriežot vārpstas uz augÅ”u, Ŕādu problēmu iespējamÄ«ba pilnÄ«bā izslēdzas, taču jums bÅ«s jāgaida dažas sekundes, pirms iegÅ«stat pilnu piekļuvi HDD.

Krātuves anatomija: cietie diski
Noņemot shēmas plati, jÅ«s varat redzēt, kā tā savienojas ar komponentiem ierÄ«ces iekÅ”pusē. HDD nav aizzÄ«mogots, izņemot ierÄ«ces ar ļoti lielu ietilpÄ«bu - tajās gaisa vietā tiek izmantots hēlijs, jo tas ir daudz mazāk blÄ«vs un rada mazāk problēmu diskdziņos ar lielu disku skaitu. No otras puses, parastos diskus nevajadzētu pakļaut atvērtai videi.

Pateicoties Ŕādu savienotāju izmantoÅ”anai, tiek samazināts to ieejas punktu skaits, caur kuriem diskdzinÄ« var iekļūt netÄ«rumi un putekļi; metāla korpusā ir caurums (lielais balts punkts attēla apakŔējā kreisajā stÅ«rÄ«), kas ļauj iekŔā saglabāties apkārtējās vides spiedienam.

Krātuves anatomija: cietie diski
Tagad, kad PCB ir noņemts, apskatÄ«sim, kas ir iekŔā. Ir četras galvenās mikroshēmas:

  • LSI B64002: galvenā kontrollera mikroshēma, kas apstrādā instrukcijas, pārsÅ«ta datu plÅ«smas uz iekÅ”u un ārā, labo kļūdas utt.
  • Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM ar takts frekvenci 800 MHz, tiek izmantota datu saglabāŔanai keÅ”atmiņā
  • Smooth MCKXL: kontrolē motoru, kas griež diskus
  • Winbond 25Q40BWS05: 500 KB sērijas zibatmiņas, ko izmanto diskdziņa programmaparatÅ«ras glabāŔanai (mazliet kā datora BIOS)

Dažādu HDD PCB komponenti var atŔķirties. Lielākiem izmēriem ir nepiecieÅ”ams vairāk keÅ”atmiņas (modernākajiem monstriem var bÅ«t lÄ«dz 256 MB DDR3), un galvenā kontrollera mikroshēma var bÅ«t nedaudz sarežģītāka kļūdu apstrādē, taču kopumā atŔķirÄ«bas nav tik lielas.

Piedziņas atvērÅ”ana ir vienkārÅ”a, vienkārÅ”i atskrÅ«vējiet dažas Torx skrÅ«ves un voilā! Esam iekŔā...

Krātuves anatomija: cietie diski
Ņemot vērā, ka tas aizņem lielāko daļu ierÄ«ces, mÅ«su uzmanÄ«bu nekavējoties piesaista lielais metāla aplis; ir viegli saprast, kāpēc tiek saukti diskdziņi disks. Ir pareizi viņus saukt plāksnes; tie ir izgatavoti no stikla vai alumÄ«nija un pārklāti ar vairākiem dažādu materiālu slāņiem. Å im 3 TB diskdzinÄ« ir trÄ«s Ŕķīvji, kas nozÄ«mē, ka viena Ŕķīvja katrā pusē ir jāuzglabā 500 GB.

Krātuves anatomija: cietie diski
Attēls ir diezgan putekļains, Ŕādas netÄ«ras plāksnes neatbilst projektÄ“Å”anas un izgatavoÅ”anas precizitātei, kas nepiecieÅ”ama to izgatavoÅ”anai. MÅ«su HDD piemērā pats alumÄ«nija disks ir 0,04 collu (1 mm) biezs, bet pulēts tiktāl, ka vidējais novirzes augstums uz virsmas ir mazāks par 0,000001 collu (aptuveni 30 nm).

Pamatnes slānis ir tikai 0,0004 collas (10 mikroni) dziļŔ un sastāv no vairākiem materiālu slāņiem, kas uzklāti uz metāla. PieteikÅ”anās tiek veikta, izmantojot bezelektroniskā niÄ·elÄ“Å”ana seko vakuuma uzklāŔana, sagatavojot disku pamata magnētiskajiem materiāliem, ko izmanto digitālo datu glabāŔanai.

Å is materiāls parasti ir sarežģīts kobalta sakausējums, un tas sastāv no koncentriskiem apļiem, katrs aptuveni 0,00001 collas (aptuveni 250 nm) plats un 0,000001 collas (25 nm) dziļŔ. MikrolÄ«menÄ« metālu sakausējumi veido graudus, kas lÄ«dzÄ«gi ziepju burbuļiem uz Å«dens virsmas.

Katram graudam ir savs magnētiskais lauks, bet to var pārveidot noteiktā virzienā. Grupējot Ŕādus laukus, tiek iegÅ«ti datu biti (0s un 1s). Ja vēlaties uzzināt vairāk par Å”o tēmu, izlasiet Å”o dokumentu Jēlas universitāte. Pēdējie pārklājumi ir oglekļa slānis aizsardzÄ«bai un pēc tam polimērs, lai samazinātu kontakta berzi. Kopā tie nav biezāki par 0,0000005 collām (12 nm).

Mēs drÄ«z redzēsim, kāpēc vafeles ir jāražo, ievērojot tik stingras pielaides, taču joprojām ir pārsteidzoÅ”i saprast, ka tikai par 15 dolāriem JÅ«s varat kļūt par lepnu ar nanometru precizitāti ražotas ierÄ«ces Ä«paÅ”nieku!

Tomēr atgriezÄ«simies pie paÅ”a HDD un paskatÄ«simies, kas vēl tajā ir.

Krātuves anatomija: cietie diski
Dzeltenā krāsa parāda metāla vāciņu, kas droÅ”i nostiprina plāksni pie vārpstas piedziņas elektromotors - elektriskā piedziņa, kas rotē diskus. Å ajā HDD tie griežas ar frekvenci 7200 apgr./min (apgriezieni/min), bet citos modeļos tie var darboties lēnāk. Lēniem diskdziņiem ir mazāks troksnis un enerÄ£ijas patēriņŔ, bet arÄ« mazāks ātrums, savukārt ātrāki diskdziņi var sasniegt ātrumu 15 000 apgr./min.

Lai samazinātu putekļu un gaisa mitruma radÄ«tos bojājumus, izmantojiet recirkulācijas filtrs (zaļŔ kvadrāts), savācot mazas daļiņas un turot tās iekŔā. Gaiss, kas tiek pārvietots ar plākŔņu rotāciju, nodroÅ”ina pastāvÄ«gu plÅ«smu caur filtru. Virs diskiem un blakus filtram ir viens no trim plākŔņu separatori: palÄ«dzot samazināt vibrācijas un uzturēt pēc iespējas vienmērÄ«gāku gaisa plÅ«smu.

Attēla augŔējā kreisajā daļā zils kvadrāts norāda vienu no diviem pastāvÄ«gajiem stieņa magnētiem. Tie nodroÅ”ina magnētisko lauku, kas nepiecieÅ”ams, lai pārvietotu sarkanā krāsā norādÄ«to komponentu. AtdalÄ«sim Ŕīs detaļas, lai tās labāk redzētu.

Krātuves anatomija: cietie diski
Tas, kas izskatās pēc balta plankuma, ir vēl viens filtrs, tikai Å”is filtrē daļiņas un gāzes, kas iekļūst no ārpuses caur caurumu, ko redzējām iepriekÅ”. Metāla tapas ir galvas kustÄ«bas sviras, uz kuras tie atrodas lasÄ«Å”anas-rakstÄ«Å”anas galviņas cietais disks. Tie pārvietojas ar milzÄ«gu ātrumu pa plākŔņu virsmu (augŔējo un apakŔējo).

Noskatieties Å”o video, ko izveidoja Lēnie Mo puiÅ”ilai redzētu, cik ātri viņi ir:


Dizains neizmanto neko līdzīgu stepper motors; Lai pārvietotu sviras, elektriskā strāva tiek novadīta caur solenoīdu sviru pamatnē.

Krātuves anatomija: cietie diski
Vispār tos sauc balss spoles, jo tie izmanto to paÅ”u principu, ko izmanto skaļruņos un mikrofonos, lai pārvietotu membrānas. Strāva ap tiem rada magnētisko lauku, kas reaģē uz pastāvÄ«go stieņu magnētu radÄ«to lauku.

Neaizmirstiet, ka dati tiek ierakstīti sīks, tāpēc roku novietojumam jābūt ārkārtīgi precīzam, tāpat kā visam pārējam piedziņā. Dažiem cietajiem diskiem ir daudzpakāpju sviras, kas veic nelielas izmaiņas tikai vienas visas sviras daļas virzienā.

Dažiem cietajiem diskiem ir datu celiņi, kas pārklājas viens ar otru. Å o tehnoloÄ£iju sauc flīžu magnētiskais ieraksts (Å”indeļa magnētiskais ieraksts), un tā prasÄ«bas attiecÄ«bā uz precizitāti un pozicionÄ“Å”anu (tas ir, pastāvÄ«gi trāpÄ«t vienā punktā) ir vēl stingrākas.

Krātuves anatomija: cietie diski
Roku paŔā galā ir ļoti jutÄ«gas lasÄ«Å”anas-rakstÄ«Å”anas galviņas. MÅ«su cietajā diskā ir 3 Ŕķīvji un 6 galviņas, un katra no tām peld virs diska, kad tas griežas. Lai to panāktu, galviņas tiek piekārtas uz Ä«paÅ”i plānām metāla sloksnēm.

Un Å”eit mēs varam redzēt, kāpēc mÅ«su anatomiskais paraugs nomira - vismaz viena no galvām kļuva vaļīga, un neatkarÄ«gi no tā, kas izraisÄ«ja sākotnējo bojājumu, arÄ« viena no rokām salieca. Visa galvas sastāvdaļa ir tik maza, ka, kā redzat zemāk, ar parastu kameru ir ļoti grÅ«ti iegÅ«t to labu attēlu.

Krātuves anatomija: cietie diski
Tomēr mēs varam izjaukt atseviŔķas daļas. Pelēkais bloks ir Ä«paÅ”i ražota daļa, ko sauc "slÄ«dnis": Diskam griežoties zem tā, gaisa plÅ«sma rada pacēlumu, paceļot galvu no virsmas. Un, kad mēs sakām ā€œpacēlājiā€, mēs domājam atstarpi, kas ir tikai 0,0000002 collas plata vai mazāka par 5 nm.

Jebkur tālāk, un galvas nespēs atpazÄ«t izmaiņas trases magnētiskajos laukos; ja galvas atrastos uz virsmas, tās vienkārÅ”i saskrāpētu pārklājumu. Tāpēc diskdziņa korpusā ir jāfiltrē gaiss: putekļi un mitrums uz diskdziņa virsmas vienkārÅ”i salauzÄ«s galvas.

Neliels metāla "stabs" galvas galā palÄ«dz uzlabot vispārējo aerodinamiku. Tomēr, lai redzētu daļas, kas veic lasÄ«Å”anu un rakstÄ«Å”anu, mums ir nepiecieÅ”ams labāks fotoattēls.

Krātuves anatomija: cietie diski
Å ajā cita cietā diska attēlā lasÄ«Å”anas/rakstÄ«Å”anas ierÄ«ces atrodas zem visiem elektriskajiem savienojumiem. IerakstÄ«Å”anu veic sistēma plāna plēve induktivitāte (plānās plēves indukcija, TFI) un lasÄ«Å”ana - tunelis magnetorezistÄ«vs ierÄ«ce (tunelÄ“Å”anas magnetorezistÄ«vā ierÄ«ce, TMR).

TMR radÄ«tie signāli ir ļoti vāji, un pirms nosÅ«tÄ«Å”anas tie ir jāizlaiž caur pastiprinātāju, lai palielinātu lÄ«meni. Par to atbildÄ«gā mikroshēma atrodas netālu no sviru pamatnes attēlā zemāk.

Krātuves anatomija: cietie diski
Kā teikts raksta ievadā, cietā diska mehāniskās sastāvdaļas un darbÄ«bas princips gadu gaitā ir maz mainÄ«juÅ”ies. Galvenokārt tika uzlabota magnētisko celiņu un lasÄ«Å”anas-rakstÄ«Å”anas galviņu tehnoloÄ£ija, radot arvien Å”aurākus un blÄ«vākus celiņus, kas galu galā noveda pie glabājamās informācijas apjoma palielināŔanās.

Tomēr mehāniskajiem cietajiem diskiem ir acÄ«mredzami ātruma ierobežojumi. Sviru pārvietoÅ”ana vēlamajā pozÄ«cijā prasa laiku, un, ja dati tiek izkaisÄ«ti pa dažādām sliedēm uz dažādām plāksnēm, disks bitu meklÄ“Å”anai pavadÄ«s dažas mikrosekundes.

Pirms pāriet uz cita veida disku, norādīsim tipiskā HDD aptuveno ātrumu. Mēs izmantojām etalonu CrystalDiskMark lai novērtētu cieto disku WD 3.5" 5400 RPM 2 TB:

Krātuves anatomija: cietie diski
Pirmās divas rindas norāda MB skaitu sekundē, veicot secÄ«gu (garÅ”, nepārtraukts saraksts) un nejauÅ”u (pārejas visā diskā) lasÄ«Å”anu un rakstÄ«Å”anu. Nākamajā rindā tiek parādÄ«ta IOPS vērtÄ«ba, kas ir katru sekundi veikto I/O darbÄ«bu skaits. Pēdējā rindiņa parāda vidējo latentumu (laiks mikrosekundēs) starp lasÄ«Å”anas vai rakstÄ«Å”anas darbÄ«bas pārsÅ«tÄ«Å”anu un datu vērtÄ«bu saņemÅ”anu.

Kopumā mēs cenÅ”amies nodroÅ”ināt, lai vērtÄ«bas pirmajās trÄ«s rindiņās bÅ«tu pēc iespējas lielākas, bet pēdējā ā€“ pēc iespējas mazākas. Neuztraucieties par paÅ”iem skaitļiem, mēs tos izmantosim tikai salÄ«dzināŔanai, aplÅ«kojot cita veida disku: cietvielu disku.

Avots: www.habr.com

Pievieno komentāru