Den er magnetisk. Den er elektrisk. Det er fotonisk. Nei, dette er ikke en ny superhelt-trio fra Marvel-universet. Det handler om å lagre våre dyrebare digitale data. Vi må lagre dem et sted, trygt og stabilt, slik at vi kan få tilgang til og endre dem på et øyeblikk. Glem Iron Man og Thor – vi snakker om harddisker!
Så la oss dykke ned i anatomien til enhetene vi bruker i dag til å lagre milliarder av databiter.
Du snur meg rett rundt, baby
mekanisk harddisklagring (harddisk, HDD) har vært lagringsstandarden for datamaskiner over hele verden i mer enn 30 år, men teknologien bak er mye eldre.
IBM ga ut den første kommersielle harddisken , dens kapasitet var så mye som 3,75 MB. Og generelt, i løpet av alle disse årene har den generelle strukturen til stasjonen ikke endret seg mye. Den har fortsatt disker som bruker magnetisering til å lagre data, og det er enheter for å lese/skrive disse dataene. Endret Det samme, og veldig sterkt, er mengden data som kan lagres på dem.
I 1987 var det mulig for ca $350; I dag du kan kjøpe 14 TB: in 700 ganger volumet.
Vi skal se på en enhet som ikke er nøyaktig den samme størrelsen, men også anstendig etter moderne standarder: 3,5-tommers HDD Seagate Barracuda 3 TB, spesielt modellen , beryktet for sin и . Drivenheten vi studerer er allerede død, så dette vil være mer som en obduksjon enn en anatomitime.
Hoveddelen av harddisken er støpt metall. Kreftene inne i enheten under aktiv bruk kan være ganske alvorlige, så tykt metall forhindrer bøyning og vibrasjon av saken. Selv små 1,8-tommers HDD-er bruker metall som husmateriale, men de er vanligvis laget av aluminium i stedet for stål fordi de må være så lette som mulig.
Når vi snur stasjonen, ser vi et kretskort og flere kontakter. Kontakten på toppen av brettet brukes til motoren som roterer diskene, og de tre nederste (fra venstre til høyre) er jumperpinner som lar deg konfigurere stasjonen for visse konfigurasjoner, en SATA (Serial ATA) datakontakt , og en SATA-strømkontakt.
Serial ATA dukket først opp i 2000. På stasjonære datamaskiner er dette standardsystemet som brukes til å koble stasjoner til resten av datamaskinen. Formatspesifikasjonen har gjennomgått mange revisjoner, og vi bruker for tiden versjon 3.4. Harddisk-liken vår er en eldre versjon, men forskjellen er bare en pinne i strømkontakten.
I datatilkoblinger brukes den til å motta og motta data. : Pinner A+ og A- brukes til overføring instruksjoner og data til harddisken, og pinner B er for mottar disse signalene. Denne bruken av sammenkoblede ledere reduserer effekten av elektrisk støy på signalet betydelig, noe som betyr at enheten kan fungere raskere.
Hvis vi snakker om strøm, ser vi at kontakten har et par kontakter av hver spenning (+3.3, +5 og +12V); De fleste av dem brukes imidlertid ikke fordi harddisker ikke krever mye strøm. Denne spesielle Seagate-modellen bruker mindre enn 10 watt under aktiv belastning. Kontakter merket PC brukes til forhåndslading: Denne funksjonen lar deg fjerne og koble til harddisken mens datamaskinen fortsetter å fungere (dette kalles hot swapping).
Kontakt med PWDIS tag tillater harddisk, men denne funksjonen støttes kun fra versjon SATA 3.3, så i min stasjon er det bare en annen +3.3V strømlinje. Og den siste pinnen, merket SSU, forteller ganske enkelt datamaskinen om harddisken støtter sekvensiell spin-up-teknologi. forskjøvet spinn opp.
Før datamaskinen kan bruke dem, må stasjonene inne i enheten (som vi snart får se) snurre opp til full hastighet. Men hvis det er mange harddisker installert i maskinen, kan en plutselig samtidig strømforespørsel skade systemet. Gradvis spinn opp spindlene eliminerer muligheten for slike problemer, men du må vente noen sekunder før du får full tilgang til HDD.
Ved å fjerne kretskortet kan du se hvordan det kobles til komponentene inne i enheten. HDD ikke forseglet, med unntak av enheter med veldig stor kapasitet - de bruker helium i stedet for luft fordi det er mye mindre tett og skaper færre problemer i stasjoner med et stort antall disker. På den annen side bør du ikke utsette konvensjonelle stasjoner for det åpne miljøet.
Takket være bruken av slike koblinger, minimeres antallet inngangspunkter som skitt og støv kan komme inn i stasjonen; det er et hull i metallhuset (den store hvite prikken i nedre venstre hjørne av bildet) som gjør at omgivelsestrykket forblir inne.
Nå som PCB er fjernet, la oss ta en titt på hva som er inni. Det er fire hovedsjetonger:
- LSI B64002: Hovedkontrollerbrikke som behandler instruksjoner, overfører datastrømmer inn og ut, retter feil osv.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM klokket til 800 MHz, brukt til databufring
- Smooth MCKXL: styrer motoren som snurrer skivene
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB seriell flash-minne som brukes til å lagre stasjonens fastvare (litt som en datamaskins BIOS)
PCB-komponentene til forskjellige harddisker kan variere. Større størrelser krever mer cache (de mest moderne monstrene kan ha opptil 256 MB DDR3), og hovedkontrollerbrikken kan være litt mer sofistikert i feilhåndtering, men totalt sett er ikke forskjellene så store.
Det er enkelt å åpne stasjonen, bare skru ut noen få Torx-bolter og vips! Vi er inne...
Gitt at den tar opp hoveddelen av enheten, trekkes oppmerksomheten vår umiddelbart til den store metallsirkelen; det er lett å forstå hvorfor stasjoner kalles disk. Det er riktig å ringe dem plater; de er laget av glass eller aluminium og belagt med flere lag av forskjellige materialer. Denne 3TB-stasjonen har tre tallerkener, noe som betyr at 500 GB bør lagres på hver side av en tallerken.
Bildet er ganske støvete, slike skitne plater samsvarer ikke med presisjonen til design og produksjon som kreves for å lage dem. I vårt HDD-eksempel er selve aluminiumsskiven 0,04 tommer (1 mm) tykk, men polert i en slik grad at gjennomsnittshøyden på avvikene på overflaten er mindre enn 0,000001 tommer (omtrent 30 nm).
Grunnlaget er bare 0,0004 tommer (10 mikron) dypt og består av flere lag med materialer avsatt på metallet. Søknaden gjøres ved hjelp av etterfulgt av , forbereder disken for de grunnleggende magnetiske materialene som brukes til å lagre digitale data.
Dette materialet er typisk en kompleks koboltlegering og er sammensatt av konsentriske sirkler, hver ca. 0,00001 tommer (omtrent 250 nm) bred og 0,000001 tommer (25 nm) dyp. På mikronivå danner metalllegeringer korn som ligner såpebobler på overflaten av vann.
Hvert korn har sitt eget magnetfelt, men det kan transformeres i en gitt retning. Gruppering av slike felt resulterer i databiter (0s og 1s). Hvis du vil lære mer om dette emnet, så les Yale University. De endelige beleggene er et lag av karbon for beskyttelse, og deretter en polymer for å redusere kontaktfriksjon. Sammen er de ikke mer enn 0,0000005 tommer (12 nm) tykke.
Vi vil snart se hvorfor skivene må produseres med så stramme toleranser, men det er fortsatt overraskende å innse at Du kan bli den stolte eieren av en enhet produsert med nanometerpresisjon!
La oss imidlertid gå tilbake til selve harddisken og se hva mer som er i den.
Den gule fargen viser metalldekselet som fester platen sikkert til spindeldrevet elektrisk motor - en elektrisk stasjon som roterer skivene. På denne harddisken roterer de med en frekvens på 7200 rpm (omdreininger/min), men i andre modeller kan de fungere saktere. Langsomme kjøringer har lavere støy og strømforbruk, men også lavere hastighet, mens raskere kjøringer kan nå hastigheter på 15 o/min.
For å redusere skader forårsaket av støv og luftfuktighet, bruk resirkulasjonsfilter (grønn firkant), samler små partikler og holder dem inne. Luft som beveges av platenes rotasjon sikrer en konstant strøm gjennom filteret. Over skivene og ved siden av filteret er det en av tre plateskillere: bidrar til å redusere vibrasjoner og opprettholde luftstrømmen så jevn som mulig.
I øvre venstre del av bildet indikerer den blå firkanten en av de to permanente stangmagnetene. De gir det magnetiske feltet som trengs for å flytte komponenten angitt i rødt. La oss skille disse detaljene for å se dem bedre.
Det som ser ut som en hvit flekk er et annet filter, bare dette filtrerer ut partikler og gasser som kommer inn fra utsiden gjennom hullet vi så ovenfor. Metallpigger er hodebevegelsesspaker, hvor de er plassert lese-skrive hoder harddisk. De beveger seg med enorm hastighet langs overflaten av platene (øvre og nedre).
Se denne videoen laget av for å se hvor raske de er:
Designet bruker ikke noe lignende ; For å flytte spakene føres en elektrisk strøm gjennom en solenoid ved bunnen av spakene.
Generelt kalles de , fordi de bruker samme prinsipp som brukes i høyttalere og mikrofoner for å flytte membraner. Strømmen genererer et magnetfelt rundt dem, som reagerer på feltet som skapes av de permanente stangmagnetene.
Ikke glem at data sporer bittesmå, så posisjoneringen av armene må være ekstremt presis, akkurat som alt annet i drevet. Noen harddisker har flertrinns spaker som gjør små endringer i retning av bare én del av hele spaken.
Noen harddisker har dataspor som overlapper hverandre. Denne teknologien kalles (shingled magnetic recording), og dens krav til nøyaktighet og posisjonering (det vil si å hele tiden treffe ett punkt) er enda strengere.
Helt i enden av armene er det svært følsomme lese-skrivehoder. Vår HDD inneholder 3 tallerkener og 6 hoder, og hver av dem flyter over disken når den roterer. For å oppnå dette er hodene hengt opp på ultratynne strimler av metall.
Og her kan vi se hvorfor vårt anatomiske eksemplar døde - minst ett av hodene ble løs, og uansett hva som forårsaket den første skaden bøyde også en av armene. Hele hodekomponenten er så liten at det, som du kan se nedenfor, er veldig vanskelig å få et godt bilde av det med et vanlig kamera.
Imidlertid kan vi ta de enkelte delene fra hverandre. Den grå blokken er en spesialprodusert del som kalles "glidebryter": Når skiven roterer under den, skaper luftstrømmen løft, og løfter hodet fra overflaten. Og når vi sier «løft», mener vi et gap som bare er 0,0000002 tommer bredt, eller mindre enn 5 nm.
Lenger, og hodene vil ikke være i stand til å gjenkjenne endringer i sporets magnetiske felt; hvis hodene lå på overflaten, ville de ganske enkelt skrape opp belegget. Dette er grunnen til at du må filtrere luften inne i drivhuset: støv og fuktighet på overflaten av disken vil ganske enkelt knekke hodene.
En liten "stang" i metall på enden av hodet hjelper med den generelle aerodynamikken. Men for å se delene som gjør lesingen og skrivingen, trenger vi et bedre bilde.
I dette bildet av en annen harddisk er lese-/skriveenhetene under alle de elektriske tilkoblingene. Opptak utføres av systemet (tynnfilminduksjon, TFI), og lesing - enhet (tunneleringsmagnetoresistiv enhet, TMR).
Signalene som produseres av TMR er svært svake og må sendes gjennom en forsterker for å øke nivåene før de sendes. Brikken som er ansvarlig for dette, er plassert nær bunnen av spakene på bildet nedenfor.
Som nevnt i introduksjonen til artikkelen, har de mekaniske komponentene og driftsprinsippet til en harddisk endret seg lite gjennom årene. Mest av alt ble teknologien til magnetiske spor og lese-skrivehoder forbedret, og skapte stadig smalere og tettere spor, noe som til slutt førte til en økning i mengden lagret informasjon.
Imidlertid har mekaniske harddisker åpenbare hastighetsbegrensninger. Det tar tid å flytte spakene til ønsket posisjon, og hvis dataene er spredt over forskjellige spor på forskjellige tallerkener, vil stasjonen bruke ganske mange mikrosekunder på å søke etter biter.
Før vi går videre til en annen type stasjon, la oss angi den omtrentlige hastigheten til en typisk HDD. Vi brukte benchmark for å evaluere harddisken :
De to første linjene indikerer antall MB per sekund når du utfører sekvensiell (lang, kontinuerlig liste) og tilfeldig (overganger gjennom hele stasjonen) lesing og skriving. Den neste linjen viser IOPS-verdien, som er antall I/O-operasjoner som utføres hvert sekund. Den siste linjen viser gjennomsnittlig latens (tid i mikrosekunder) mellom sending av en lese- eller skriveoperasjon og mottak av dataverdiene.
Generelt streber vi etter å sikre at verdiene i de tre første linjene er så store som mulig, og i den siste linjen så små som mulig. Ikke bekymre deg for tallene i seg selv, vi vil bare bruke dem til sammenligning når vi ser på en annen type stasjon: solid-state-stasjonen.
Kilde: www.habr.com