Ia magnet. Ia elektrik. Ia fotonik. Tidak, ini bukan trio adiwira baharu dari alam semesta Marvel. Ini mengenai menyimpan data digital kami yang berharga. Kita perlu menyimpannya di suatu tempat, dengan selamat dan stabil, supaya kita boleh mengakses dan menukarnya dalam sekelip mata. Lupakan Iron Man dan Thor - kita bercakap tentang cakera keras!
Jadi mari kita selami anatomi peranti yang kita gunakan hari ini untuk menyimpan berbilion-bilion bit data.
Awak putar saya betul-betul, sayang
Mekanikal storan cakera keras (pemacu cakera keras, HDD) telah menjadi piawai storan untuk komputer di seluruh dunia selama lebih daripada 30 tahun, tetapi teknologi di belakangnya jauh lebih lama.
IBM mengeluarkan HDD komersial pertama , kapasitinya adalah sebanyak 3,75 MB. Dan secara umum, selama bertahun-tahun struktur umum pemacu tidak banyak berubah. Ia masih mempunyai cakera yang menggunakan kemagnetan untuk menyimpan data, dan terdapat peranti untuk membaca/menulis data tersebut. Berubah Sama, dan sangat kuat, adalah jumlah data yang boleh disimpan pada mereka.
Pada tahun 1987 ia mungkin untuk kira-kira $350; Hari ini anda boleh membeli 14 TB: dalam 700 000 kali jumlahnya.
Kami akan melihat peranti yang tidak betul-betul sama saiznya, tetapi juga sesuai mengikut piawaian moden: HDD Seagate Barracuda 3,5 TB 3 inci, khususnya, model , terkenal dengannya ΠΈ . Pemacuan yang kami pelajari sudah mati, jadi ini akan lebih seperti bedah siasat daripada pelajaran anatomi.
Sebahagian besar cakera keras adalah logam tuang. Daya di dalam peranti semasa penggunaan aktif boleh menjadi agak serius, jadi logam tebal menghalang lenturan dan getaran bekas. Walaupun HDD kecil 1,8 inci menggunakan logam sebagai bahan perumah, tetapi ia biasanya diperbuat daripada aluminium dan bukannya keluli kerana ia perlu seringan mungkin.
Menghidupkan pemacu, kami melihat papan litar bercetak dan beberapa penyambung. Penyambung di bahagian atas papan digunakan untuk motor yang memutar cakera, dan tiga bahagian bawah (dari kiri ke kanan) ialah pin pelompat yang membolehkan anda mengkonfigurasi pemacu untuk konfigurasi tertentu, penyambung data SATA (Serial ATA). , dan penyambung kuasa SATA.
ATA bersiri pertama kali muncul pada tahun 2000. Dalam komputer meja, ini ialah sistem standard yang digunakan untuk menyambungkan pemacu ke seluruh komputer. Spesifikasi format telah melalui banyak semakan, dan kami sedang menggunakan versi 3.4. Mayat cakera keras kami adalah versi yang lebih lama, tetapi perbezaannya hanya satu pin dalam penyambung kuasa.
Dalam sambungan data, ia digunakan untuk menerima dan menerima data. : Pin A+ dan A- digunakan untuk pemindahan arahan dan data ke cakera keras, dan pin B adalah untuk menerima isyarat ini. Penggunaan konduktor berpasangan ini dengan ketara mengurangkan kesan bunyi elektrik pada isyarat, bermakna peranti boleh beroperasi dengan lebih pantas.
Jika kita bercakap tentang kuasa, kita melihat bahawa penyambung mempunyai sepasang kenalan setiap voltan (+3.3, +5 dan +12V); namun, kebanyakannya tidak digunakan kerana HDD tidak memerlukan banyak kuasa. Model Seagate tertentu ini menggunakan kurang daripada 10 watt di bawah beban aktif. Kenalan bertanda PC digunakan untuk prabayar: Ciri ini membolehkan anda mengeluarkan dan menyambung cakera keras semasa komputer terus berfungsi (ini dipanggil pertukaran panas).
Sentuhan dengan tag PWDIS membolehkan cakera keras, tetapi fungsi ini hanya disokong daripada versi SATA 3.3, jadi dalam pemacu saya ia hanyalah satu lagi talian kuasa +3.3V. Dan pin terakhir, berlabel SSU, hanya memberitahu komputer sama ada cakera keras menyokong teknologi putaran berurutan. berputar berperingkat-peringkat.
Sebelum komputer boleh menggunakannya, pemacu di dalam peranti (yang akan kita lihat tidak lama lagi) mesti berputar sehingga kelajuan penuh. Tetapi jika terdapat banyak cakera keras yang dipasang di dalam mesin, maka permintaan kuasa serentak secara tiba-tiba boleh membahayakan sistem. Memusing spindle secara beransur-ansur menghapuskan kemungkinan masalah sedemikian, tetapi anda perlu menunggu beberapa saat sebelum mendapat akses penuh kepada HDD.
Dengan mengalih keluar papan litar, anda boleh melihat cara ia bersambung kepada komponen di dalam peranti. HDD tidak dimeterai, kecuali peranti dengan kapasiti yang sangat besar - mereka menggunakan helium dan bukannya udara kerana ia lebih kurang tumpat dan menimbulkan lebih sedikit masalah dalam pemacu dengan bilangan cakera yang banyak. Sebaliknya, anda tidak seharusnya mendedahkan pemacu konvensional kepada persekitaran terbuka.
Terima kasih kepada penggunaan penyambung sedemikian, bilangan pintu masuk yang mana kotoran dan habuk boleh masuk ke dalam pemacu diminimumkan; terdapat lubang pada bekas logam (titik putih besar di sudut kiri bawah imej) yang membolehkan tekanan ambien kekal di dalam.
Sekarang setelah PCB ditanggalkan, mari kita lihat apa yang ada di dalamnya. Terdapat empat cip utama:
- LSI B64002: Cip pengawal utama yang memproses arahan, memindahkan aliran data masuk dan keluar, membetulkan ralat, dsb.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM mencatatkan masa pada 800 MHz, digunakan untuk caching data
- MCKXL licin: mengawal motor yang memutar cakera
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB memori kilat bersiri yang digunakan untuk menyimpan perisian tegar pemacu (sedikit seperti BIOS komputer)
Komponen PCB bagi HDD yang berbeza mungkin berbeza-beza. Saiz yang lebih besar memerlukan lebih banyak cache (raksasa paling moden boleh mempunyai sehingga 256 MB DDR3), dan cip pengawal utama mungkin lebih canggih sedikit dalam pengendalian ralat, tetapi secara keseluruhan perbezaannya tidak begitu hebat.
Membuka pemacu adalah mudah, cuma tanggalkan beberapa bolt Torx dan voila! Kami di dalam...
Memandangkan ia mengambil sebahagian besar peranti, perhatian kami segera ditarik ke bulatan logam besar; adalah mudah untuk memahami mengapa pemacu dipanggil cakera. Memang betul untuk memanggil mereka pinggan; ia diperbuat daripada kaca atau aluminium dan disalut dengan beberapa lapisan bahan yang berbeza. Pemacu 3TB ini mempunyai tiga pinggan, bermakna 500GB harus disimpan pada setiap sisi satu pinggan.
Imejnya agak berdebu, plat kotor itu tidak sepadan dengan ketepatan reka bentuk dan pembuatan yang diperlukan untuk membuatnya. Dalam contoh HDD kami, cakera aluminium itu sendiri adalah setebal 0,04 inci (1 mm), tetapi digilap sehingga tahap ketinggian purata sisihan pada permukaan kurang daripada 0,000001 inci (kira-kira 30 nm).
Lapisan asas hanya 0,0004 inci (10 mikron) dalam dan terdiri daripada berbilang lapisan bahan yang didepositkan pada logam. Permohonan dilakukan menggunakan diikuti oleh , menyediakan cakera untuk bahan magnet asas yang digunakan untuk menyimpan data digital.
Bahan ini biasanya merupakan aloi kobalt yang kompleks dan terdiri daripada bulatan sepusat, setiap satu lebih kurang 0,00001 inci (kira-kira 250 nm) lebar dan 0,000001 inci (25 nm) dalam. Pada peringkat mikro, aloi logam membentuk butiran serupa dengan buih sabun di permukaan air.
Setiap butir mempunyai medan magnetnya sendiri, tetapi ia boleh diubah ke arah tertentu. Pengumpulan medan sedemikian menghasilkan bit data (0s dan 1s). Jika anda ingin mengetahui lebih lanjut mengenai topik ini, bacalah Universiti Yale. Salutan akhir adalah lapisan karbon untuk perlindungan, dan kemudian polimer untuk mengurangkan geseran sentuhan. Bersama-sama mereka tidak lebih daripada 0,0000005 inci (12 nm) tebal.
Tidak lama lagi kita akan melihat mengapa wafer mesti dihasilkan dengan toleransi yang ketat, tetapi masih mengejutkan untuk menyedari bahawa Anda boleh menjadi pemilik bangga peranti yang dihasilkan dengan ketepatan nanometer!
Walau bagaimanapun, mari kita kembali kepada HDD itu sendiri dan lihat apa lagi yang ada di dalamnya.
Warna kuning menunjukkan penutup logam yang mengikat plat dengan selamat pada motor elektrik pemacu gelendong - pemacu elektrik yang memutar cakera. Dalam HDD ini mereka berputar pada frekuensi 7200 rpm (putaran/min), tetapi dalam model lain mereka mungkin bekerja lebih perlahan. Pemacu perlahan mempunyai bunyi yang lebih rendah dan penggunaan kuasa, tetapi juga kelajuan yang lebih rendah, manakala pemacu yang lebih pantas boleh mencapai kelajuan 15 rpm.
Untuk mengurangkan kerosakan yang disebabkan oleh habuk dan kelembapan udara, gunakan penapis edaran semula (persegi hijau), mengumpul zarah kecil dan menahannya di dalam. Udara yang digerakkan oleh putaran plat memastikan aliran berterusan melalui penapis. Di atas cakera dan di sebelah penapis terdapat satu daripada tiga pemisah plat: membantu mengurangkan getaran dan mengekalkan aliran udara sekata mungkin.
Di bahagian atas sebelah kiri imej, segi empat sama biru menunjukkan salah satu daripada dua magnet bar kekal. Mereka menyediakan medan magnet yang diperlukan untuk menggerakkan komponen yang ditunjukkan dalam warna merah. Mari kita pisahkan butiran ini untuk melihatnya dengan lebih baik.
Apa yang kelihatan seperti tompokan putih adalah penapis lain, hanya yang ini menapis zarah dan gas yang masuk dari luar melalui lubang yang kita lihat di atas. Pancang logam adalah tuas pergerakan kepala, di mana mereka berada kepala baca-tulis cakera keras. Mereka bergerak pada kelajuan yang luar biasa di sepanjang permukaan plat (atas dan bawah).
Tonton video ini yang dibuat oleh untuk melihat seberapa pantas mereka:
Reka bentuk tidak menggunakan apa-apa seperti ; Untuk menggerakkan tuil, arus elektrik dialirkan melalui solenoid di dasar tuil.
Secara umum mereka dipanggil , kerana mereka menggunakan prinsip yang sama yang digunakan dalam pembesar suara dan mikrofon untuk menggerakkan membran. Arus menjana medan magnet di sekelilingnya, yang bertindak balas kepada medan yang dicipta oleh magnet bar kekal.
Jangan lupa bahawa data menjejaki kecik, jadi kedudukan lengan mestilah sangat tepat, sama seperti segala-galanya dalam pemacu. Sesetengah cakera keras mempunyai tuas berbilang peringkat yang membuat perubahan kecil ke arah hanya satu bahagian daripada keseluruhan tuil.
Sesetengah cakera keras mempunyai trek data yang bertindih antara satu sama lain. Teknologi ini dipanggil (rakaman magnet kayap), dan keperluannya untuk ketepatan dan kedudukan (iaitu, untuk sentiasa mencecah satu mata) adalah lebih ketat.
Di hujung lengan terdapat kepala baca-tulis yang sangat sensitif. HDD kami mengandungi 3 pinggan dan 6 kepala, dan setiap satu daripadanya berenang di atas cakera semasa ia berputar. Untuk mencapai matlamat ini, kepala digantung pada jalur logam ultra-nipis.
Dan di sini kita dapat melihat mengapa spesimen anatomi kita mati - sekurang-kurangnya satu daripada kepala menjadi longgar, dan apa sahaja yang menyebabkan kerosakan awal juga membengkokkan salah satu lengan. Keseluruhan komponen kepala adalah sangat kecil sehingga, seperti yang anda lihat di bawah, adalah sangat sukar untuk mendapatkan gambar yang baik dengan kamera biasa.
Walau bagaimanapun, kita boleh memisahkan bahagian individu. Blok kelabu ialah bahagian yang dikilangkan khas dipanggil "gelangsar": Apabila cakera berputar di bawahnya, aliran udara menghasilkan daya angkat, mengangkat kepala dari permukaan. Dan apabila kami menyebut "angkat", kami maksudkan jurang yang hanya 0,0000002 inci lebar, atau kurang daripada 5 nm.
Lebih jauh lagi, dan ketua tidak akan dapat mengenali perubahan dalam medan magnet trek; jika kepala terletak di permukaan, mereka hanya akan menggaru salutan. Inilah sebabnya anda perlu menapis udara di dalam bekas pemacu: habuk dan kelembapan pada permukaan pemacu hanya akan memecahkan kepala.
"Tiang" logam kecil di hujung kepala membantu dengan aerodinamik keseluruhan. Walau bagaimanapun, untuk melihat bahagian yang melakukan pembacaan dan penulisan, kami memerlukan foto yang lebih baik.
Dalam imej cakera keras lain ini, peranti baca/tulis berada di bawah semua sambungan elektrik. Rakaman dilakukan oleh sistem (aruhan filem nipis, TFI), dan bacaan - peranti (peranti magnetoresistif terowong, TMR).
Isyarat yang dihasilkan oleh TMR adalah sangat lemah dan mesti melalui penguat untuk meningkatkan tahap sebelum dihantar. Cip yang bertanggungjawab untuk ini terletak berhampiran pangkal tuil dalam imej di bawah.
Seperti yang dinyatakan dalam pengenalan kepada artikel, komponen mekanikal dan prinsip operasi cakera keras telah berubah sedikit selama bertahun-tahun. Paling penting, teknologi trek magnet dan kepala baca-tulis telah dipertingkatkan, mencipta trek yang semakin sempit dan padat, yang akhirnya membawa kepada peningkatan dalam jumlah maklumat yang disimpan.
Walau bagaimanapun, pemacu keras mekanikal mempunyai had kelajuan yang jelas. Ia mengambil masa untuk menggerakkan tuil ke kedudukan yang diingini, dan jika data bertaburan merentasi trek yang berbeza pada pinggan yang berbeza, maka pemacu akan menghabiskan beberapa mikrosaat mencari bit.
Sebelum beralih ke jenis pemacu lain, mari nyatakan anggaran kelajuan HDD biasa. Kami menggunakan penanda aras untuk menilai cakera keras :
Dua baris pertama menunjukkan bilangan MB sesaat apabila melakukan membaca dan menulis secara berurutan (senarai panjang, berterusan) dan rawak (peralihan sepanjang keseluruhan pemacu). Baris seterusnya menunjukkan nilai IOPS, iaitu bilangan operasi I/O yang dilakukan setiap saat. Baris terakhir menunjukkan kependaman purata (masa dalam mikrosaat) antara menghantar operasi baca atau tulis dan menerima nilai data.
Secara umum, kami berusaha untuk memastikan bahawa nilai dalam tiga baris pertama adalah sebesar mungkin, dan dalam baris terakhir sekecil mungkin. Jangan risau tentang nombor itu sendiri, kami hanya akan menggunakannya sebagai perbandingan apabila kami melihat jenis pemacu lain: pemacu keadaan pepejal.
Sumber: www.habr.com