Анатомија на складирање: хард дискови

Тоа е магнетно. Електрично е. Фотонично е. Не, ова не е ново суперхеројско трио од универзумот на Марвел. Станува збор за складирање на нашите скапоцени дигитални податоци. Треба да ги складираме некаде, безбедно и стабилно, за да можеме да им пристапиме и да ги менуваме додека трепнеш. Заборавете на Iron Man и Thor - зборуваме за хард дискови!

Затоа, ајде да се нурнеме во анатомијата на уредите што ги користиме денес за складирање на милијарди битови податоци.

Точно ме вртиш, душо

Механички складирање на хард диск (хард диск, HDD) е стандард за складирање на компјутери ширум светот повеќе од 30 години, но технологијата зад него е многу постара.

IBM го објави првиот комерцијален HDD во 1956 година, неговиот капацитет изнесуваше дури 3,75 MB. И воопшто, во текот на сите овие години општата структура на погонот не се промени многу. Сè уште има дискови кои користат магнетизација за складирање на податоци, а има и уреди за читање/запишување на тие податоци. Сменето Иста, и многу силна, е количината на податоци што може да се складираат на нив.

Во 1987 година тоа беше можно купи HDD 20 MB за околу 350 долари; Денес за истите пари можете да купите 14 ТБ: во 700 000 пати поголема од волуменот.

Ќе погледнеме уред кој не е сосема со иста големина, но и пристоен според современите стандарди: 3,5-инчниот HDD Seagate Barracuda 3 TB, особено моделот ST3000DM001, познат по својата висока стапка на неуспех и правните процеси предизвикани од ова. Погонот што го проучуваме е веќе мртов, така што ова повеќе ќе личи на обдукција отколку на лекција по анатомија.


Најголемиот дел од хард дискот е лиен метал. Силите во внатрешноста на уредот за време на активното користење може да бидат доста сериозни, така што дебелиот метал спречува свиткување и вибрации на куќиштето. Дури и малите 1,8-инчни HDD користат метал како материјал за куќиште, но тие обично се направени од алуминиум наместо од челик, бидејќи треба да бидат што е можно полесни.

Превртувајќи го погонот, гледаме печатено коло и неколку конектори. Конекторот на горниот дел од плочата се користи за моторот што ги ротира дисковите, а долните три (од лево кон десно) се пинови за скокач што ви овозможуваат да го конфигурирате уредот за одредени конфигурации, SATA (Serial ATA) конектор за податоци , и SATA конектор за напојување.

Серискиот АТА првпат се појави во 2000 година. Во десктоп компјутерите, ова е стандардниот систем што се користи за поврзување на дискови со остатокот од компјутерот. Спецификацијата на форматот претрпе многу ревизии и моментално ја користиме верзијата 3.4. Нашиот труп на хард диск е постара верзија, но разликата е само една игла во конекторот за напојување.

Во податочните конекции, се користи за примање и примање податоци. диференциран сигнал: Пиновите A+ и A- се користат за трансфер инструкции и податоци на хард дискот, и пиновите Б се за примање овие сигнали. Оваа употреба на спарени проводници значително го намалува ефектот на електричниот шум на сигналот, што значи дека уредот може да работи побрзо.

Ако зборуваме за моќност, гледаме дека конекторот има пар контакти од секој напон (+3.3, +5 и +12V); сепак, повеќето од нив не се користат бидејќи HDD-овите не бараат многу енергија. Овој конкретен модел на Seagate користи помалку од 10 вати под активно оптоварување. Контактите означени како PC се користат за однапред наплаќаат: Оваа функција ви овозможува да го отстраните и поврзете хард дискот додека компјутерот продолжува да работи (ова се нарекува топла замена).

Контактот со ознаката PWDIS дозволува далечинско ресетирање хард диск, но оваа функција е поддржана само од верзијата SATA 3.3, така што во мојот диск тоа е само уште една линија за напојување +3.3V. И последниот пин, означен SSU, едноставно му кажува на компјутерот дали хард дискот поддржува технологија за секвенцијално вртење. влечкаат спин нагоре.

Пред компјутерот да може да ги користи, дисковите во уредот (што ќе го видиме наскоро) мора да се вртат со полна брзина. Но, ако има многу инсталирани хард дискови во машината, тогаш ненадејното истовремено барање за напојување може да му наштети на системот. Постепеното вртење на вретената целосно ја елиминира можноста за вакви проблеми, но ќе мора да почекате неколку секунди пред да добиете целосен пристап до HDD.

Со отстранување на плочката, можете да видите како се поврзува со компонентите во уредот. HDD не е запечатен, со исклучок на уредите со многу големи капацитети - користат хелиум наместо воздух бидејќи е многу помалку густ и создава помалку проблеми во погоните со голем број дискови. Од друга страна, не треба да ги изложувате конвенционалните дискови на отворено опкружување.

Благодарение на употребата на такви конектори, бројот на влезни точки преку кои нечистотијата и прашината можат да влезат во погонот е минимизиран; има дупка во металното куќиште (големата бела точка во долниот лев агол на сликата) што дозволува амбиенталниот притисок да остане внатре.

Сега кога ПХБ е отстранет, ајде да погледнеме што има внатре. Постојат четири главни чипови:

• LSI B64002: Главниот контролер чип кој обработува инструкции, пренесува проток на податоци во и надвор, ги коригира грешките итн.
• Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM такт на 800 MHz, што се користи за кеширање податоци
• Smooth MCKXL: го контролира моторот што ги врти дисковите
• Winbond 25Q40BWS05: 500 KB сериска флеш меморија што се користи за складирање на фирмверот на уредот (малку како BIOS-от на компјутерот)

Компонентите на PCB на различни хард дискови може да се разликуваат. Поголемите димензии бараат повеќе кеш (најмодерните чудовишта можат да имаат до 256 MB DDR3), а чипот на главниот контролер можеби е малку пософистициран во справувањето со грешките, но генерално разликите не се толку големи.

Отворањето на погонот е лесно, само одвртете неколку Torx завртки и Voila! Внатре сме...

Со оглед на тоа што го зазема најголемиот дел од уредот, нашето внимание веднаш го привлекува големиот метален круг; лесно е да се разбере зошто се нарекуваат дискови диск. Точно е да ги повикате чинии; изработени се од стакло или алуминиум и обложени со неколку слоеви различни материјали. Овој погон од 3 ТБ има три послужавници, што значи дека треба да се складираат 500 GB на секоја страна од една послужавничка.

Сликата е прилично правлива, таквите валкани плочи не се совпаѓаат со прецизноста на дизајнот и производството што се потребни за нивно изработка. Во нашиот HDD пример, самиот алуминиумски диск е дебел 0,04 инчи (1 mm), но полиран до таква мера што просечната висина на отстапувањата на површината е помала од 0,000001 инч (приближно 30 nm).

Основниот слој е длабок само 0,0004 инчи (10 микрони) и се состои од повеќе слоеви на материјали депонирани на металот. Апликацијата се врши со користење никел без електроника следен од вакуум таложење, подготвувајќи го дискот за основните магнетни материјали што се користат за складирање на дигитални податоци.

Овој материјал е типично сложена легура на кобалт и е составен од концентрични кругови, секој од околу 0,00001 инчи (приближно 250 nm) широк и 0,000001 инчи (25 nm) длабок. На микро ниво, металните легури формираат зрна слични на меурчиња од сапуница на површината на водата.

Секое зрно има свое магнетно поле, но може да се трансформира во дадена насока. Групирањето на таквите полиња резултира со податочни битови (0-и и 1-ки). Ако сакате да дознаете повеќе за оваа тема, тогаш прочитајте овој документ Универзитетот Јеил. Конечните облоги се слој од јаглерод за заштита, а потоа полимер за намалување на контактното триење. Заедно тие се дебели не повеќе од 0,0000005 инчи (12 nm).

Наскоро ќе видиме зошто наполитанките мора да се произведуваат со толку тесни толеранции, но сепак е изненадувачки да се сфати дека за само 15 долари Можете да станете горд сопственик на уред произведен со нанометарска прецизност!

Сепак, да се вратиме на самиот HDD и да видиме што друго има во него.

Жолтата боја го покажува металниот капак што безбедно ја прицврстува плочата на електричен мотор со погон на вретеното - електричен погон што ги ротира дисковите. Во овој HDD тие се вртат со фреквенција од 7200 вртежи во минута (вртежи/мин), но кај другите модели може да работат побавно. Бавните погони имаат помал шум и потрошувачка на енергија, но и помала брзина, додека побрзите погони можат да достигнат брзина од 15 вртежи во минута.

За да ја намалите штетата предизвикана од прашина и влага во воздухот, користете филтер за рециркулација (зелен квадрат), собирајќи мали честички и држејќи ги внатре. Воздухот што се движи со ротација на плочите обезбедува постојан проток низ филтерот. Над дисковите и до филтерот има еден од трите сепаратори на плочи: помага да се намалат вибрациите и да се одржува протокот на воздух што е можно порамномерно.

Во горниот лев дел од сликата, синиот квадрат означува еден од двата постојани магнети со шипки. Тие го обезбедуваат магнетното поле потребно за поместување на компонентата означена со црвено. Ајде да ги одвоиме овие детали за да ги видиме подобро.

Она што изгледа како бела дамка е уште еден филтер, само што овој ги филтрира честичките и гасовите кои влегуваат однадвор низ дупката што ја видовме погоре. Металните шила се лостови за движење на главата, на кој се наоѓаат глави за читање-пишување хард диск. Тие се движат со огромна брзина по површината на плочите (горните и долните).

Погледнете го ова видео создадено од Бавните Мо момциза да видите колку се брзи:

Дизајнот не користи ништо слично чекор мотор; За придвижување на рачките, електрична струја се пренесува низ соленоид во основата на рачките.

Во принцип тие се нарекуваат гласовни калеми, бидејќи го користат истиот принцип што се користи во звучниците и микрофоните за движење на мембраните. Струјата генерира магнетно поле околу нив, кое реагира на полето создадено од постојаните шипки магнети.

Не заборавајте дека податоците се следат ситна, така што позиционирањето на краците мора да биде исклучително прецизно, исто како и сè друго во погонот. Некои хард дискови имаат повеќестепени лостови кои прават мали промени во насока на само еден дел од целата рачка.

Некои хард дискови имаат траки за податоци кои се преклопуваат една со друга. Оваа технологија се нарекува магнетно снимање со плочки (шиндра магнетно снимање), а неговите барања за точност и позиционирање (т.е. постојано да се удира во една точка) се уште построги.

На самиот крај на краците има многу чувствителни глави за читање-пишување. Нашиот HDD содржи 3 послужавници и 6 глави, и секоја од нив плови над дискот додека се ротира. За да се постигне ова, главите се суспендирани на ултра тенки метални ленти.

И тука можеме да видиме зошто нашиот анатомски примерок умре - барем една од главите се олабави, а што и да предизвика првичната штета, исто така, свиткаше една од рацете. Целата компонента на главата е толку мала што, како што можете да видите подолу, е многу тешко да се добие добра слика за неа со обична камера.

Сепак, можеме да ги разделиме поединечните делови. Сивиот блок е специјално произведен дел наречен "лизгач": Додека дискот се ротира под него, протокот на воздух создава подигање, кревајќи ја главата од површината. И кога велиме „лифтови“, мислиме на празнина што е широка само 0,0000002 инчи, или помалку од 5 nm.

Понатаму, и главите нема да можат да ги препознаат промените во магнетните полиња на патеката; ако главите лежеа на површината, тие едноставно ќе ја изгребеа облогата. Ова е причината зошто треба да го филтрирате воздухот во куќиштето на погонот: прашината и влагата на површината на погонот едноставно ќе ги скршат главите.

Ситниот метален „столб“ на крајот од главата помага во целокупната аеродинамика. Меѓутоа, за да ги видиме деловите што го прават читањето и пишувањето, потребна ни е подобра фотографија.

На оваа слика на друг хард диск, уредите за читање/запишување се наоѓаат под сите електрични приклучоци. Снимањето го врши системот тенок филм индуктивност (индукција на тенок филм, TFI) и читање - тунел магнеторезистент уред (магнеторезистивен уред за тунелирање, TMR).

Сигналите произведени од TMR се многу слаби и мора да се поминат низ засилувач за да се зголемат нивоата пред да бидат испратени. Чипот одговорен за ова се наоѓа во близина на основата на рачките на сликата подолу.

Како што е наведено во воведот на статијата, механичките компоненти и принципот на работа на хард дискот малку се променија со текот на годините. Најмногу од сè, беше подобрена технологијата на магнетни патеки и глави за читање-запишување, создавајќи сè потесни и густи траки, што на крајот доведе до зголемување на количината на зачувани информации.

Сепак, механичките хард дискови имаат очигледни ограничувања на брзината. Потребно е време за да се преместат лостовите до саканата положба, и ако податоците се расфрлаат низ различни патеки на различни плочи, тогаш уредот ќе потроши неколку микросекунди барајќи битови.

Пред да преминеме на друг тип на погон, да ја посочиме приближната брзина на типичен HDD. Го користевме реперот CrystalDiskMark да се оцени хард дискот WD 3.5" 5400 RPM 2 TB:

Првите две линии го означуваат бројот на MB во секунда кога се извршуваат секвенцијални (долга, континуирана листа) и случајни (транзиции низ целиот диск) читања и запишувања. Следната линија ја прикажува вредноста на IOPS, што е бројот на операции за влез/излез кои се извршуваат секоја секунда. Последната линија ја покажува просечната латентност (време во микросекунди) помеѓу пренос на операција за читање или запишување и примање на вредностите на податоците.

Во принцип, се стремиме да обезбедиме вредностите во првите три линии да бидат што е можно поголеми, а во последната линија што е можно помали. Не грижете се за самите бројки, ние само ќе ги користиме за споредба кога ќе погледнеме друг тип на погон: погонот со цврста состојба.

Извор: www.habr.com