स्टोरेजचे शरीरशास्त्र: हार्ड ड्राइव्हस्

ते चुंबकीय आहे. ते इलेक्ट्रिक आहे. ते फोटोनिक आहे. नाही, हे मार्वल विश्वातील नवीन सुपरहिरो त्रिकूट नाही. हे आमचा मौल्यवान डिजिटल डेटा संचयित करण्याबद्दल आहे. आम्हाला ते कुठेतरी, सुरक्षितपणे आणि स्थिर ठेवण्याची गरज आहे, जेणेकरून आम्ही त्यांना डोळ्यांचे पारणे फेडून बदलू शकू. आयर्न मॅन आणि थोर विसरा—आम्ही हार्ड ड्राइव्ह बोलत आहोत!

चला तर मग आज आपण अब्जावधी बिट्स डेटा संचयित करण्यासाठी वापरत असलेल्या उपकरणांच्या शरीरशास्त्रात जाऊ या.

बाळा, तू मला बरोबर गोल फिरव

यांत्रिक हार्ड ड्राइव्ह स्टोरेज (हार्ड डिस्क ड्राइव्ह, HDD) हे जगभरातील संगणकांसाठी 30 वर्षांहून अधिक काळ स्टोरेज मानक आहे, परंतु त्यामागील तंत्रज्ञान खूप जुने आहे.

IBM ने पहिले व्यावसायिक HDD जारी केले 1956 वर्षामध्ये, तिची क्षमता 3,75 MB इतकी होती. आणि सर्वसाधारणपणे, या सर्व वर्षांत ड्राइव्हची सामान्य रचना फारशी बदललेली नाही. त्यात अजूनही डिस्क्स आहेत ज्या डेटा संग्रहित करण्यासाठी मॅग्नेटायझेशन वापरतात आणि तो डेटा वाचण्यासाठी/लिहण्यासाठी उपकरणे आहेत. बदलले समान, आणि खूप मजबूत, डेटाचे प्रमाण आहे जे त्यांच्यावर संग्रहित केले जाऊ शकते.

1987 मध्ये ते शक्य झाले HDD 20 MB खरेदी करा सुमारे $350 साठी; आज त्याच पैशासाठी तुम्ही 14 TB खरेदी करू शकता: मध्ये 700 000 व्हॉल्यूमच्या पटीने.

आम्ही असे उपकरण पाहू जे अगदी समान आकाराचे नाही, परंतु आधुनिक मानकांनुसार देखील सभ्य आहे: 3,5-इंच HDD Seagate Barracuda 3 TB, विशेषतः, मॉडेल ST3000DM001, त्याच्यासाठी कुप्रसिद्ध उच्च अपयश दर и यामुळे होणारी कायदेशीर प्रक्रिया. आम्ही ज्या ड्राइव्हचा अभ्यास करत आहोत ते आधीच मृत आहे, त्यामुळे हे शरीरशास्त्राच्या धड्यापेक्षा शवविच्छेदनासारखे असेल.


हार्ड ड्राइव्हचा मोठा भाग कास्ट मेटल आहे. सक्रिय वापरादरम्यान यंत्राच्या आतील शक्ती खूप गंभीर असू शकतात, म्हणून जाड धातू केस वाकणे आणि कंपन प्रतिबंधित करते. अगदी लहान 1,8-इंच एचडीडी देखील गृहनिर्माण सामग्री म्हणून धातूचा वापर करतात, परंतु ते सहसा स्टीलऐवजी अॅल्युमिनियमपासून बनवले जातात कारण ते शक्य तितके हलके असणे आवश्यक आहे.

ड्राइव्ह चालू केल्यावर, आम्हाला एक मुद्रित सर्किट बोर्ड आणि अनेक कनेक्टर दिसतात. बोर्डच्या शीर्षस्थानी कनेक्टर डिस्क्स फिरवणाऱ्या मोटरसाठी वापरला जातो आणि तळाशी तीन (डावीकडून उजवीकडे) जम्पर पिन आहेत जे तुम्हाला विशिष्ट कॉन्फिगरेशनसाठी ड्राइव्ह कॉन्फिगर करण्याची परवानगी देतात, एक SATA (सिरियल एटीए) डेटा कनेक्टर. , आणि SATA पॉवर कनेक्टर.

मालिका ATA प्रथम 2000 मध्ये दिसली. डेस्कटॉप संगणकांमध्ये, ही मानक प्रणाली आहे जी ड्राइव्हला उर्वरित संगणकाशी जोडण्यासाठी वापरली जाते. फॉरमॅट स्पेसिफिकेशनमध्ये अनेक आवर्तने झाली आहेत आणि आम्ही सध्या आवृत्ती ३.४ वापरत आहोत. आमची हार्ड ड्राइव्ह प्रेत ही जुनी आवृत्ती आहे, परंतु पॉवर कनेक्टरमध्ये फक्त एक पिन आहे.

डेटा कनेक्शनमध्ये, डेटा प्राप्त करण्यासाठी आणि प्राप्त करण्यासाठी याचा वापर केला जातो. विभेदित सिग्नल: पिन A+ आणि A- यासाठी वापरले जातात हस्तांतरण हार्ड ड्राइव्हला सूचना आणि डेटा आणि पिन B साठी आहेत प्राप्त करणे हे संकेत. जोडलेल्या कंडक्टरचा हा वापर सिग्नलवरील विद्युत् आवाजाचा प्रभाव लक्षणीयरीत्या कमी करतो, म्हणजे डिव्हाइस जलद कार्य करू शकते.

जर आपण पॉवरबद्दल बोललो तर, आम्ही पाहतो की कनेक्टरमध्ये प्रत्येक व्होल्टेज (+3.3, +5 आणि +12V) च्या संपर्कांची जोडी आहे; तथापि, त्यापैकी बहुतेक वापरले जात नाहीत कारण HDD ला जास्त शक्तीची आवश्यकता नसते. हे विशिष्ट सीगेट मॉडेल सक्रिय लोड अंतर्गत 10 वॅटपेक्षा कमी वापरते. संपर्क चिन्हांकित PC साठी वापरले जातात प्रीचार्ज: संगणक कार्य करत असताना हे वैशिष्ट्य तुम्हाला हार्ड ड्राइव्ह काढण्याची आणि कनेक्ट करण्याची परवानगी देते (याला म्हणतात गरम स्वॅपिंग).

PWDIS टॅग सह संपर्क परवानगी देतो रिमोट रीसेट हार्ड ड्राइव्ह, परंतु हे फंक्शन केवळ SATA 3.3 आवृत्तीवरून समर्थित आहे, म्हणून माझ्या ड्राइव्हमध्ये ती आणखी एक +3.3V पॉवर लाइन आहे. आणि शेवटचा पिन, SSU लेबल केलेला, हार्ड ड्राइव्ह अनुक्रमिक स्पिन-अप तंत्रज्ञानास समर्थन देते की नाही हे संगणकाला फक्त सांगते. स्तब्ध स्पिन अप.

संगणकाने त्यांचा वापर करण्यापूर्वी, डिव्हाइसमधील ड्राइव्हस् (जे आम्ही लवकरच पाहू) पूर्ण वेगाने फिरणे आवश्यक आहे. परंतु जर मशीनमध्ये अनेक हार्ड ड्राइव्हस् स्थापित केल्या असतील, तर अचानक एकाच वेळी वीज विनंती सिस्टमला हानी पोहोचवू शकते. हळूहळू स्पिंडल्स वर फिरवल्याने अशा समस्यांची शक्यता पूर्णपणे संपुष्टात येते, परंतु HDD मध्ये पूर्ण प्रवेश मिळविण्यापूर्वी तुम्हाला काही सेकंद थांबावे लागेल.

सर्किट बोर्ड काढून टाकून, तुम्ही ते डिव्हाइसमधील घटकांशी कसे कनेक्ट होते ते पाहू शकता. HDD सीलबंद नाही, खूप मोठ्या क्षमतेच्या उपकरणांचा अपवाद वगळता - ते हवेऐवजी हेलियम वापरतात कारण ते कमी दाट आहे आणि मोठ्या संख्येने डिस्क असलेल्या ड्राइव्हमध्ये कमी समस्या निर्माण करतात. दुसरीकडे, आपण पारंपारिक ड्राइव्हस् खुल्या वातावरणात उघड करू नये.

अशा कनेक्टर्सच्या वापराबद्दल धन्यवाद, प्रवेश बिंदूंची संख्या ज्याद्वारे ड्राईव्हच्या आत घाण आणि धूळ येऊ शकतात; मेटल केसमध्ये एक छिद्र आहे (प्रतिमेच्या खालच्या डाव्या कोपर्यात मोठा पांढरा बिंदू) ज्यामुळे वातावरणाचा दाब आत राहू शकतो.

आता पीसीबी काढला आहे, आत काय आहे ते पाहूया. चार मुख्य चिप्स आहेत:

• LSI B64002: मुख्य कंट्रोलर चिप जी सूचनांवर प्रक्रिया करते, डेटा प्रवाह आत आणि बाहेर स्थानांतरित करते, त्रुटी सुधारते इ.
• Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM 800 MHz वर क्लॉक केले, डेटा कॅशिंगसाठी वापरले
• गुळगुळीत MCKXL: डिस्क फिरवणारी मोटर नियंत्रित करते
• Winbond 25Q40BWS05: 500 KB सिरीयल फ्लॅश मेमरी ड्राइव्हचे फर्मवेअर संचयित करण्यासाठी वापरली जाते (थोडेसे संगणकाच्या BIOS सारखे)

वेगवेगळ्या HDD चे PCB घटक भिन्न असू शकतात. मोठ्या आकारांना अधिक कॅशेची आवश्यकता असते (सर्वात आधुनिक मॉन्स्टर्समध्ये 256 MB पर्यंत DDR3 असू शकते), आणि मुख्य कंट्रोलर चिप त्रुटी हाताळण्यात थोडी अधिक परिष्कृत असू शकते, परंतु एकूण फरक इतके मोठे नाहीत.

ड्राइव्ह उघडणे सोपे आहे, फक्त काही टॉरक्स बोल्ट आणि व्हॉइला अनस्क्रू करा! आम्ही आत आहोत...

ते उपकरणाचा मोठा भाग घेते हे लक्षात घेता, आमचे लक्ष त्वरित मोठ्या धातूच्या वर्तुळाकडे वेधले जाते; ड्राइव्ह का म्हणतात हे समजणे सोपे आहे डिस्क. त्यांना कॉल करणे योग्य आहे प्लेट्स; ते काचेचे किंवा अॅल्युमिनियमचे बनलेले असतात आणि वेगवेगळ्या सामग्रीच्या अनेक थरांनी लेपित असतात. या 3TB ड्राइव्हमध्ये तीन प्लेटर्स आहेत, म्हणजे एका प्लेटच्या प्रत्येक बाजूला 500GB संग्रहित केले पाहिजे.

प्रतिमा जोरदार धुळीने भरलेली आहे, अशा गलिच्छ प्लेट्स तयार करण्यासाठी आवश्यक असलेल्या डिझाइन आणि उत्पादनाच्या अचूकतेशी जुळत नाहीत. आमच्या HDD उदाहरणात, अॅल्युमिनियम डिस्क स्वतःच 0,04 इंच (1 मिमी) जाड आहे, परंतु इतक्या प्रमाणात पॉलिश केलेली आहे की पृष्ठभागावरील विचलनांची सरासरी उंची 0,000001 इंच (अंदाजे 30 एनएम) पेक्षा कमी आहे.

बेस लेयर फक्त 0,0004 इंच (10 मायक्रॉन) खोल आहे आणि त्यात धातूवर जमा केलेल्या सामग्रीचे अनेक स्तर असतात. वापरून अर्ज केला जातो इलेक्ट्रोलेस निकेल प्लेटिंग त्यानंतर व्हॅक्यूम डिपॉझिशन, डिजिटल डेटा संचयित करण्यासाठी वापरल्या जाणार्‍या मूलभूत चुंबकीय सामग्रीसाठी डिस्क तयार करणे.

ही सामग्री सामान्यत: एक जटिल कोबाल्ट मिश्रधातू आहे आणि प्रत्येक अंदाजे 0,00001 इंच (अंदाजे 250 एनएम) रुंद आणि 0,000001 इंच (25 एनएम) खोल असलेल्या एकाग्र वर्तुळांनी बनलेली आहे. सूक्ष्म स्तरावर, धातूचे मिश्रण पाण्याच्या पृष्ठभागावर साबणाच्या बुडबुड्यांसारखेच धान्य तयार करतात.

प्रत्येक धान्याचे स्वतःचे चुंबकीय क्षेत्र असते, परंतु ते दिलेल्या दिशेने बदलले जाऊ शकते. अशा फील्ड्सच्या गटबद्धतेचा परिणाम डेटा बिट्समध्ये होतो (0s आणि 1s). आपण या विषयाबद्दल अधिक जाणून घेऊ इच्छित असल्यास, नंतर वाचा हा दस्तऐवज येल विद्यापीठ. अंतिम कोटिंग्स संरक्षणासाठी कार्बनचा एक थर, आणि नंतर संपर्क घर्षण कमी करण्यासाठी एक पॉलिमर आहे. त्यांची एकत्रित जाडी 0,0000005 इंच (12 nm) पेक्षा जास्त नाही.

वेफर्स इतक्या घट्ट सहनशीलतेत का तयार केले पाहिजेत हे आम्ही लवकरच पाहू, परंतु हे लक्षात घेणे आश्चर्यकारक आहे. फक्त 15 डॉलर्स मध्ये नॅनोमीटर अचूकतेने तयार केलेल्या उपकरणाचे तुम्ही अभिमानी मालक बनू शकता!

तथापि, चला HDD वर परत जाऊया आणि त्यात आणखी काय आहे ते पाहूया.

पिवळा रंग मेटल कव्हर दर्शवितो जे प्लेटला सुरक्षितपणे जोडते स्पिंडल ड्राइव्ह इलेक्ट्रिक मोटर - एक इलेक्ट्रिक ड्राइव्ह जी डिस्क फिरवते. या HDD मध्ये ते 7200 rpm (रिव्होल्यूशन्स/मिनिट) च्या वारंवारतेने फिरतात, परंतु इतर मॉडेलमध्ये ते हळू कार्य करू शकतात. स्लो ड्राईव्हचा आवाज आणि वीज वापर कमी असतो, परंतु वेगही कमी असतो, तर वेगवान ड्राइव्ह 15 आरपीएमच्या गतीपर्यंत पोहोचू शकतात.

धूळ आणि हवेतील आर्द्रतेमुळे होणारे नुकसान कमी करण्यासाठी, वापरा रीक्रिक्युलेशन फिल्टर (हिरवा चौकोन), लहान कण गोळा करून आत धरून ठेवा. प्लेट्सच्या रोटेशनद्वारे हलविलेली हवा फिल्टरमधून सतत प्रवाह सुनिश्चित करते. डिस्कच्या वर आणि फिल्टरच्या पुढे तीनपैकी एक आहे प्लेट विभाजक: कंपने कमी करण्यास आणि हवेचा प्रवाह शक्य तितका राखण्यास मदत करणे.

प्रतिमेच्या वरच्या डाव्या भागात, निळा चौकोन दोन स्थायी बार चुंबकांपैकी एक दर्शवितो. ते लाल रंगात दर्शविलेले घटक हलविण्यासाठी आवश्यक चुंबकीय क्षेत्र प्रदान करतात. हे तपशील अधिक चांगले पाहण्यासाठी वेगळे करूया.

पांढर्‍या पॅचसारखा दिसणारा दुसरा फिल्टर आहे, फक्त हाच कण आणि वायू बाहेरून बाहेरून आत प्रवेश करणारे आम्ही वर पाहिलेल्या छिद्रातून फिल्टर करतो. मेटल स्पाइक्स आहेत डोके हालचाली लीव्हर्स, ज्यावर ते स्थित आहेत वाचन-लेखन प्रमुख हार्ड ड्राइव्ह. ते प्लेट्सच्या पृष्ठभागावर (वरच्या आणि खालच्या) प्रचंड वेगाने फिरतात.

यांनी तयार केलेला हा व्हिडिओ पहा स्लो मो अगंते किती वेगवान आहेत हे पाहण्यासाठी:

डिझाइन सारखे काहीही वापरत नाही स्टेपर मोटर; लीव्हर्स हलविण्यासाठी, लीव्हर्सच्या पायथ्याशी सोलनॉइडमधून विद्युत प्रवाह जातो.

सर्वसाधारणपणे त्यांना म्हणतात आवाज कॉइल्स, कारण ते झिल्ली हलविण्यासाठी स्पीकर आणि मायक्रोफोनमध्ये वापरलेले समान तत्त्व वापरतात. विद्युतप्रवाह त्यांच्या सभोवताल एक चुंबकीय क्षेत्र निर्माण करतो, जो स्थायी बार चुंबकांद्वारे तयार केलेल्या क्षेत्रावर प्रतिक्रिया देतो.

डेटा ट्रॅक विसरू नका लहान, म्हणून ड्राईव्हमधील इतर सर्व गोष्टींप्रमाणेच हातांची स्थिती अत्यंत अचूक असणे आवश्यक आहे. काही हार्ड ड्राइव्हस्मध्ये मल्टी-स्टेज लीव्हर असतात जे संपूर्ण लीव्हरच्या फक्त एका भागाच्या दिशेने लहान बदल करतात.

काही हार्ड ड्राइव्हमध्ये डेटा ट्रॅक असतात जे एकमेकांना ओव्हरलॅप करतात. या तंत्रज्ञानाला म्हणतात टाइल केलेले चुंबकीय रेकॉर्डिंग (शिंगल्ड मॅग्नेटिक रेकॉर्डिंग), आणि त्याची अचूकता आणि पोझिशनिंग (म्हणजे सतत एक बिंदू मारण्यासाठी) आवश्यकता आणखी कठोर आहेत.

हातांच्या अगदी शेवटी अतिशय संवेदनशील वाचन-लेखन हेड असतात. आमच्या HDD मध्ये 3 प्लेट्स आणि 6 हेड आहेत आणि त्या प्रत्येक पोहणे डिस्कच्या वरती फिरते. हे साध्य करण्यासाठी, धातूच्या अल्ट्रा-पातळ पट्ट्यांवर डोके निलंबित केले जातात.

आणि येथे आपण पाहू शकतो की आपला शारीरिक नमुना का मरण पावला - कमीतकमी एक डोके सैल झाले आणि जे काही प्रारंभिक नुकसान झाले त्यामुळे एक हात देखील वाकला. संपूर्ण डोक्याचा घटक इतका लहान आहे की, तुम्ही खाली बघू शकता, नेहमीच्या कॅमेऱ्याने त्याचे चांगले चित्र काढणे फार कठीण आहे.

तथापि, आम्ही वैयक्तिक भाग वेगळे करू शकतो. राखाडी ब्लॉक हा एक विशेष उत्पादित भाग म्हणतात "स्लायडर": डिस्क खाली फिरत असताना, हवेचा प्रवाह लिफ्ट तयार करतो, डोके पृष्ठभागावरून उचलतो. आणि जेव्हा आपण “लिफ्ट्स” म्हणतो तेव्हा आपला अर्थ फक्त 0,0000002 इंच रुंद किंवा 5 nm पेक्षा कमी अंतर असतो.

यापुढे, आणि डोके ट्रॅकच्या चुंबकीय क्षेत्रांमधील बदल ओळखण्यास सक्षम होणार नाहीत; जर डोके पृष्ठभागावर पडलेले असतील तर ते फक्त कोटिंग स्क्रॅच करतील. म्हणूनच तुम्हाला ड्राइव्ह केसमधील हवा फिल्टर करण्याची आवश्यकता आहे: ड्राइव्हच्या पृष्ठभागावरील धूळ आणि ओलावा फक्त डोके फोडेल.

डोक्याच्या शेवटी एक लहान धातूचा "ध्रुव" एकंदर वायुगतिकीमध्ये मदत करतो. तथापि, वाचन आणि लेखन करणारे भाग पाहण्यासाठी, आम्हाला एक चांगला फोटो हवा आहे.

दुसर्‍या हार्ड ड्राइव्हच्या या प्रतिमेमध्ये, वाचन/लेखन उपकरणे सर्व विद्युत कनेक्शनच्या खाली आहेत. रेकॉर्डिंग सिस्टमद्वारे केले जाते पातळ थर अधिष्ठापन (पातळ फिल्म इंडक्शन, TFI), आणि वाचन - बोगदा चुंबकीय प्रतिरोधक उपकरण (टनेलिंग मॅग्नेटोरेसिस्टिव्ह उपकरण, टीएमआर).

TMR द्वारे उत्पादित केलेले सिग्नल खूप कमकुवत आहेत आणि पाठवण्यापूर्वी पातळी वाढवण्यासाठी अॅम्प्लिफायरमधून पास करणे आवश्यक आहे. यासाठी जबाबदार असलेली चिप खालील प्रतिमेतील लीव्हरच्या पायाजवळ स्थित आहे.

लेखाच्या प्रस्तावनेत म्हटल्याप्रमाणे, हार्ड ड्राइव्हचे यांत्रिक घटक आणि ऑपरेटिंग तत्त्व काही वर्षांमध्ये बदलले आहेत. सर्वात जास्त, चुंबकीय ट्रॅक आणि रीड-राईट हेडचे तंत्रज्ञान सुधारले गेले, वाढत्या प्रमाणात अरुंद आणि दाट ट्रॅक तयार केले गेले, ज्यामुळे शेवटी संग्रहित माहितीचे प्रमाण वाढले.

तथापि, यांत्रिक हार्ड ड्राइव्हला स्पष्ट गती मर्यादा आहेत. लीव्हर्सना इच्छित स्थानावर नेण्यासाठी वेळ लागतो आणि जर डेटा वेगवेगळ्या ट्रॅकवर वेगवेगळ्या प्लेटर्सवर विखुरलेला असेल, तर ड्राइव्ह बिट्स शोधण्यात काही मायक्रोसेकंद खर्च करेल.

दुसर्‍या प्रकारच्या ड्राइव्हवर जाण्यापूर्वी, सामान्य HDD ची अंदाजे गती दर्शवूया. आम्ही बेंचमार्क वापरला CrystalDiskMark हार्ड ड्राइव्हचे मूल्यांकन करण्यासाठी WD 3.5" 5400 RPM 2 TB:

पहिल्या दोन ओळी अनुक्रमिक (दीर्घ, सतत सूची) आणि यादृच्छिक (संपूर्ण ड्राइव्हमध्ये संक्रमण) वाचन आणि लेखन करत असताना प्रति सेकंद MB ची संख्या दर्शवितात. पुढील ओळ IOPS मूल्य दर्शवते, जी प्रत्येक सेकंदाला केलेल्या I/O ऑपरेशन्सची संख्या आहे. शेवटची ओळ रीड किंवा राईट ऑपरेशन प्रसारित करणे आणि डेटा मूल्ये प्राप्त करणे दरम्यान सरासरी विलंबता (मायक्रोसेकंदमध्ये वेळ) दर्शवते.

सर्वसाधारणपणे, आम्ही पहिल्या तीन ओळींमधील मूल्ये शक्य तितक्या मोठ्या आणि शेवटच्या ओळीत शक्य तितक्या लहान आहेत याची खात्री करण्याचा प्रयत्न करतो. स्वतः संख्यांबद्दल काळजी करू नका, जेव्हा आम्ही दुसर्‍या प्रकारच्या ड्राइव्हकडे पाहतो तेव्हा आम्ही त्यांचा तुलना करण्यासाठी वापर करू: सॉलिड-स्टेट ड्राइव्ह.

स्त्रोत: www.habr.com