Het is magnetisch. Het is elektrisch. Het is fotonisch. Nee, dit is geen nieuw superheldentrio uit het Marvel-universum. Het gaat over het opslaan van onze kostbare digitale gegevens. We moeten ze ergens veilig en stabiel opslaan, zodat we ze in een oogwenk kunnen openen en wijzigen. Vergeet Iron Man en Thor: we hebben het over harde schijven!
Laten we dus eens kijken naar de anatomie van de apparaten die we tegenwoordig gebruiken om miljarden stukjes gegevens op te slaan.
Je draait me helemaal rond, schat
mechanisch opslag op harde schijf (harde schijf, HDD) is al meer dan 30 jaar de opslagstandaard voor computers over de hele wereld, maar de technologie erachter is veel ouder.
IBM bracht de eerste commerciële HDD uit , de capaciteit bedroeg maar liefst 3,75 MB. En over het algemeen is de algemene structuur van de schijf in al die jaren niet veel veranderd. Er zijn nog steeds schijven die magnetisatie gebruiken om gegevens op te slaan, en er zijn apparaten om die gegevens te lezen/schrijven. Is veranderd Hetzelfde, en zeer sterk, is de hoeveelheid gegevens die erop kan worden opgeslagen.
In 1987 was het mogelijk voor ongeveer $ 350; Vandaag je kunt 14 TB kopen: in 700 000 keer het volume.
We gaan kijken naar een toestel dat niet precies even groot is, maar naar moderne maatstaven ook behoorlijk fatsoenlijk: met name de 3,5 inch HDD Seagate Barracuda 3 TB, het model , berucht om zijn и . De drive die we bestuderen is al dood, dus dit zal meer op een autopsie lijken dan op een anatomieles.
Het grootste deel van de harde schijf is van gegoten metaal. De krachten in het apparaat tijdens actief gebruik kunnen behoorlijk ernstig zijn, dus dik metaal voorkomt buigen en trillen van de behuizing. Zelfs kleine 1,8-inch harde schijven gebruiken metaal als behuizingsmateriaal, maar ze zijn meestal gemaakt van aluminium in plaats van van staal, omdat ze zo licht mogelijk moeten zijn.
Als we de schijf omdraaien, zien we een printplaat en verschillende connectoren. De connector aan de bovenkant van het bord wordt gebruikt voor de motor die de schijven roteert, en de onderste drie (van links naar rechts) zijn jumperpinnen waarmee u de schijf voor bepaalde configuraties kunt configureren, een SATA (Serial ATA) dataconnector en een SATA-voedingsconnector.
Seriële ATA verscheen voor het eerst in 2000. Bij desktopcomputers is dit het standaardsysteem dat wordt gebruikt om schijven op de rest van de computer aan te sluiten. De formaatspecificatie heeft vele herzieningen ondergaan en momenteel gebruiken we versie 3.4. Ons lijk met harde schijf is een oudere versie, maar het verschil is slechts één pin in de stroomconnector.
Bij dataverbindingen wordt het gebruikt om gegevens te ontvangen en te ontvangen. : Pin A+ en A- worden gebruikt overdracht instructies en gegevens naar de harde schijf, en pinnen B zijn hiervoor ontvangen deze signalen. Dit gebruik van gepaarde geleiders vermindert het effect van elektrische ruis op het signaal aanzienlijk, waardoor het apparaat sneller kan werken.
Als we het over vermogen hebben, zien we dat de connector een paar contacten heeft van elke spanning (+3.3, +5 en +12V); de meeste worden echter niet gebruikt omdat HDD's niet veel stroom nodig hebben. Dit specifieke Seagate-model gebruikt minder dan 10 watt onder actieve belasting. Contacten gemarkeerd met PC worden gebruikt voor voorladen: Met deze functie kunt u de harde schijf verwijderen en aansluiten terwijl de computer blijft werken (dit wordt genoemd hot-swapping).
Contact met PWDIS-tag maakt dit mogelijk harde schijf, maar deze functie wordt alleen ondersteund vanaf versie SATA 3.3, dus op mijn schijf is het gewoon een andere +3.3V-voedingslijn. En de laatste pin, genaamd SSU, vertelt de computer eenvoudigweg of de harde schijf sequentiële spin-up-technologie ondersteunt. gespreide spin-up.
Voordat de computer ze kan gebruiken, moeten de schijven in het apparaat (wat we binnenkort zullen zien) op volle snelheid draaien. Maar als er veel harde schijven in de machine zijn geïnstalleerd, kan een plotseling gelijktijdig stroomverzoek het systeem beschadigen. Door de spindels geleidelijk omhoog te draaien, wordt de mogelijkheid van dergelijke problemen volledig geëlimineerd, maar u zult een paar seconden moeten wachten voordat u volledige toegang tot de harde schijf krijgt.
Door de printplaat te verwijderen, kunt u zien hoe deze is aangesloten op de componenten in het apparaat. HDD niet verzegeld, met uitzondering van apparaten met zeer grote capaciteiten - ze gebruiken helium in plaats van lucht omdat het veel minder dicht is en minder problemen veroorzaakt bij schijven met een groot aantal schijven. Aan de andere kant mag u conventionele schijven niet blootstellen aan de open omgeving.
Dankzij het gebruik van dergelijke connectoren wordt het aantal toegangspunten waardoor vuil en stof in de schijf kunnen binnendringen tot een minimum beperkt; er zit een gat in de metalen behuizing (de grote witte stip in de linkerbenedenhoek van de afbeelding) waardoor de omgevingsdruk binnenin kan blijven.
Nu de printplaat is verwijderd, gaan we eens kijken wat erin zit. Er zijn vier hoofdchips:
- LSI B64002: Hoofdcontrollerchip die instructies verwerkt, datastromen in- en uitstuurt, fouten corrigeert, enz.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM geklokt op 800 MHz, gebruikt voor datacaching
- Smooth MCKXL: bestuurt de motor die de schijven laat draaien
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB serieel flashgeheugen dat wordt gebruikt om de firmware van de schijf op te slaan (een beetje zoals het BIOS van een computer)
De PCB-componenten van verschillende HDD's kunnen variëren. Grotere formaten vereisen meer cache (de modernste monsters kunnen tot 256 MB DDR3 hebben), en de hoofdcontrollerchip is misschien wat geavanceerder in het afhandelen van fouten, maar over het algemeen zijn de verschillen niet zo groot.
Het openen van de schijf is eenvoudig: draai gewoon een paar Torx-bouten los en voila! Wij zijn binnen...
Aangezien dit het grootste deel van het apparaat in beslag neemt, wordt onze aandacht onmiddellijk getrokken door de grote metalen cirkel; het is gemakkelijk te begrijpen waarom schijven worden genoemd schijf. Het is correct om ze te bellen platen; ze zijn gemaakt van glas of aluminium en bedekt met verschillende lagen van verschillende materialen. Deze schijf van 3 TB heeft drie platters, wat betekent dat er aan elke kant van één platter 500 GB moet worden opgeslagen.
Het beeld is nogal stoffig, zulke vuile platen voldoen niet aan de precisie van het ontwerp en de productie die nodig is om ze te maken. In ons HDD-voorbeeld is de aluminium schijf zelf 0,04 inch (1 mm) dik, maar zodanig gepolijst dat de gemiddelde hoogte van de afwijkingen op het oppervlak minder dan 0,000001 inch (ongeveer 30 nm) bedraagt.
De basislaag is slechts 0,0004 micron diep en bestaat uit meerdere lagen materiaal die op het metaal zijn afgezet. De aanvraag wordt gedaan met behulp van gevolgd door , waarbij de schijf wordt voorbereid op de magnetische basismaterialen die worden gebruikt om digitale gegevens op te slaan.
Dit materiaal is doorgaans een complexe kobaltlegering en bestaat uit concentrische cirkels, elk ongeveer 0,00001 inch (ongeveer 250 nm) breed en 0,000001 inch (25 nm) diep. Op microniveau vormen metaallegeringen korrels die lijken op zeepbellen op het wateroppervlak.
Elke korrel heeft zijn eigen magnetisch veld, maar kan in een bepaalde richting worden getransformeerd. Het groeperen van dergelijke velden resulteert in databits (0s en 1s). Als je meer wilt weten over dit onderwerp, lees dan Yale universiteit. De uiteindelijke coatings zijn een laag koolstof voor bescherming en vervolgens een polymeer om contactwrijving te verminderen. Samen zijn ze niet meer dan 0,0000005 inch (12 nm) dik.
We zullen snel zien waarom de wafels met zulke nauwe toleranties moeten worden vervaardigd, maar het is nog steeds verrassend om te beseffen dat U kunt de trotse eigenaar worden van een apparaat dat met nanometerprecisie is vervaardigd!
Laten we echter teruggaan naar de harde schijf zelf en kijken wat er nog meer in zit.
De gele kleur toont de metalen afdekking waarmee de plaat stevig op de plaat wordt bevestigd elektromotor met spindelaandrijving - een elektrische aandrijving die de schijven laat draaien. In deze HDD draaien ze met een frequentie van 7200 rpm (omwentelingen/min), maar in andere modellen werken ze mogelijk langzamer. Langzame schijven hebben minder geluid en minder stroomverbruik, maar ook een lagere snelheid, terwijl snellere schijven snelheden van 15 tpm kunnen bereiken.
Gebruik om schade veroorzaakt door stof en luchtvochtigheid te verminderen recirculatiefilter (groen vierkant), waarbij kleine deeltjes worden verzameld en binnenin worden vastgehouden. Lucht die door de rotatie van de platen wordt verplaatst, zorgt voor een constante stroom door het filter. Boven de schijven en naast het filter bevindt zich een van de drie platenscheiders: helpt trillingen te verminderen en de luchtstroom zo gelijkmatig mogelijk te houden.
Linksboven in de afbeelding geeft het blauwe vierkant een van de twee permanente staafmagneten aan. Ze zorgen voor het magnetische veld dat nodig is om het rood aangegeven onderdeel te verplaatsen. Laten we deze details scheiden om ze beter te zien.
Wat op een witte vlek lijkt, is een ander filter, alleen filtert dit filter deeltjes en gassen eruit die van buitenaf binnenkomen via het gat dat we hierboven zagen. Metalen spikes wel hendels voor hoofdbewegingen, waarop ze zich bevinden lees-schrijfkoppen harde schijf. Ze bewegen met enorme snelheid langs het oppervlak van de platen (boven en onder).
Bekijk deze video gemaakt door om te zien hoe snel ze zijn:
Het ontwerp gebruikt zoiets niet ; Om de hendels te bewegen, wordt er elektrische stroom door een solenoïde aan de onderkant van de hendels geleid.
Over het algemeen worden ze genoemd , omdat ze hetzelfde principe gebruiken dat in luidsprekers en microfoons wordt gebruikt om membranen te bewegen. De stroom genereert een magnetisch veld om hen heen, dat reageert op het veld dat door de permanente staafmagneten wordt gecreëerd.
Vergeet niet dat gegevens worden bijgehouden klein, dus de positionering van de armen moet uiterst nauwkeurig zijn, net als al het andere in de aandrijving. Sommige harde schijven hebben meertrapshendels die kleine veranderingen aanbrengen in de richting van slechts één deel van de hele hendel.
Sommige harde schijven hebben gegevenssporen die elkaar overlappen. Deze technologie heet (shingled magnetische opname), en de vereisten voor nauwkeurigheid en positionering (dat wil zeggen: constant één punt raken) zijn zelfs nog strenger.
Helemaal aan het uiteinde van de armen bevinden zich zeer gevoelige lees-schrijfkoppen. Onze HDD bevat 3 platters en 6 koppen, en elk daarvan is aan het zwemmen boven de schijf terwijl deze draait. Om dit te bereiken worden de koppen opgehangen aan ultradunne metalen strips.
En hier kunnen we zien waarom ons anatomische exemplaar stierf - tenminste één van de hoofden raakte los, en wat de initiële schade ook veroorzaakte, verbogen ook een van de armen. Het gehele hoofdgedeelte is zo klein dat het, zoals je hieronder kunt zien, erg lastig is om er met een gewone camera een goed beeld van te krijgen.
We kunnen de afzonderlijke onderdelen echter wel uit elkaar halen. Het grijze blok is een speciaal vervaardigd onderdeel genaamd "schuifregelaar": Terwijl de schijf eronder draait, creëert de luchtstroom lift, waardoor het hoofd van het oppervlak wordt getild. En als we 'liften' zeggen, bedoelen we een opening die slechts 0,0000002 inch breed is, of minder dan 5 nm.
Nog verder, en de koppen zullen geen veranderingen in de magnetische velden van de baan kunnen herkennen; als de koppen op het oppervlak zouden liggen, zouden ze eenvoudigweg de coating krassen. Dit is de reden waarom u de lucht in de schijfbehuizing moet filteren: stof en vocht op het oppervlak van de schijf zullen de koppen eenvoudig breken.
Een kleine metalen "paal" aan het uiteinde van het hoofd helpt bij de algehele aerodynamica. Om echter de onderdelen te zien die het lezen en schrijven doen, hebben we een betere foto nodig.
In deze afbeelding van een andere harde schijf bevinden de lees-/schrijfapparaten zich onder alle elektrische aansluitingen. De opname wordt uitgevoerd door het systeem (dunnefilminductie, TFI) en lezen - apparaat (magnetoresistief tunnelingapparaat, TMR).
De door TMR geproduceerde signalen zijn erg zwak en moeten door een versterker worden gevoerd om het niveau te verhogen voordat ze worden verzonden. De chip die hiervoor verantwoordelijk is, bevindt zich nabij de onderkant van de hendels in de onderstaande afbeelding.
Zoals vermeld in de inleiding van het artikel, zijn de mechanische componenten en het werkingsprincipe van een harde schijf in de loop der jaren weinig veranderd. Bovenal werd de technologie van magnetische sporen en lees-schrijfkoppen verbeterd, waardoor steeds smallere en dichtere sporen ontstonden, wat uiteindelijk leidde tot een toename van de hoeveelheid opgeslagen informatie.
Mechanische harde schijven hebben echter duidelijke snelheidsbeperkingen. Het kost tijd om de hendels in de gewenste positie te zetten, en als de gegevens verspreid zijn over verschillende tracks op verschillende platters, zal de drive behoorlijk wat microseconden besteden aan het zoeken naar bits.
Voordat we naar een ander type schijf gaan, laten we de geschatte snelheid van een typische HDD aangeven. Wij hebben gebruik gemaakt van de benchmark om de harde schijf te evalueren :
De eerste twee regels geven het aantal MB per seconde aan bij het uitvoeren van sequentiële (lange, doorlopende lijst) en willekeurige (overgangen over de gehele schijf) lees- en schrijfbewerkingen. Op de volgende regel wordt de IOPS-waarde weergegeven. Dit is het aantal I/O-bewerkingen dat elke seconde wordt uitgevoerd. De laatste regel toont de gemiddelde latentie (tijd in microseconden) tussen het verzenden van een lees- of schrijfbewerking en het ontvangen van de gegevenswaarden.
Over het algemeen streven we ernaar dat de waarden in de eerste drie regels zo groot mogelijk zijn, en in de laatste regel zo klein mogelijk. Maak je geen zorgen over de cijfers zelf, we gebruiken ze alleen ter vergelijking als we naar een ander type schijf kijken: de solid-state drive.
Bron: www.habr.com