To jest magnetyczne. To jest elektryczne. To fotoniczne. Nie, to nie jest nowe trio superbohaterów z uniwersum Marvela. Chodzi o przechowywanie naszych cennych danych cyfrowych. Musimy je gdzieś przechowywać, bezpiecznie i stabilnie, abyśmy mogli uzyskać do nich dostęp i je zmienić w mgnieniu oka. Zapomnij o Iron Manie i Thorze – mówimy o dyskach twardych!
Przyjrzyjmy się więc anatomii urządzeń, których dziś używamy do przechowywania miliardów bitów danych.
Obracasz mnie dookoła, kochanie
Mechaniczny przechowywanie na dysku twardym (dysk twardy, HDD) to standard przechowywania danych w komputerach na całym świecie od ponad 30 lat, ale technologia, która się za nim kryje, jest znacznie starsza.
IBM wypuścił pierwszy komercyjny dysk twardy , jego pojemność wynosiła aż 3,75 MB. Ogólnie rzecz biorąc, przez te wszystkie lata ogólna struktura napędu niewiele się zmieniła. Nadal ma dyski wykorzystujące namagnesowanie do przechowywania danych i istnieją urządzenia do odczytu/zapisu tych danych. Zmienił się Taka sama i bardzo silna jest ilość danych, które można na nich przechowywać.
W 1987 roku było to możliwe za około 350 dolarów; Dzisiaj możesz kupić 14 TB: w 700 000 razy objętość.
Przyjrzymy się urządzeniu, które nie jest dokładnie tej samej wielkości, ale także przyzwoite jak na współczesne standardy: 3,5-calowy dysk twardy Seagate Barracuda 3 TB, w szczególności model , znany z tego и . Napęd, który badamy, już nie działa, więc będzie to bardziej przypominać sekcję zwłok niż lekcję anatomii.
Większość dysku twardego jest wykonana z odlewu metalowego. Siły działające wewnątrz urządzenia podczas aktywnego użytkowania potrafią być dość duże, dlatego gruby metal zapobiega wyginaniu się i wibracjom obudowy. Nawet małe 1,8-calowe dyski twarde wykorzystują metal jako materiał obudowy, ale zwykle są wykonane z aluminium, a nie ze stali, ponieważ muszą być jak najlżejsze.
Odwracając napęd, widzimy płytkę drukowaną i kilka złączy. Złącze na górze płytki służy do podłączenia silnika obracającego dyski, a trzy dolne (od lewej do prawej) to zworki, które pozwalają skonfigurować dysk dla określonych konfiguracji, złącze danych SATA (Serial ATA) i złącze zasilania SATA.
Serial ATA pojawił się po raz pierwszy w 2000 roku. W komputerach stacjonarnych jest to standardowy system używany do łączenia dysków z resztą komputera. Specyfikacja formatu przeszła wiele zmian i obecnie używamy wersji 3.4. Nasz korpus dysku twardego jest starszą wersją, ale różnica polega tylko na jednym pinzie w złączu zasilania.
W połączeniach danych służy do odbierania i odbierania danych. : Piny A+ i A- służą do transfer instrukcje i dane na dysk twardy, a piny B służą do tego odbieranie te sygnały. Takie zastosowanie sparowanych przewodów znacznie zmniejsza wpływ szumu elektrycznego na sygnał, co oznacza, że urządzenie może działać szybciej.
Jeśli mówimy o mocy, widzimy, że złącze ma parę styków każdego napięcia (+3.3, +5 i +12 V); jednak większość z nich nie jest używana, ponieważ dyski twarde nie wymagają dużej mocy. Ten konkretny model Seagate zużywa mniej niż 10 watów przy aktywnym obciążeniu. Do czego służą styki oznaczone jako PC wstępne ładowanie: Ta funkcja umożliwia odłączenie i podłączenie dysku twardego, gdy komputer nadal działa (jest to tzw wymiana na gorąco).
Umożliwia kontakt z tagiem PWDIS twardy dysk, ale ta funkcja jest obsługiwana tylko od wersji SATA 3.3, więc w moim dysku jest to po prostu kolejna linia zasilająca +3.3V. Ostatni pin, oznaczony jako SSU, po prostu informuje komputer, czy dysk twardy obsługuje technologię sekwencyjnego wirowania. przesunięte w górę.
Zanim komputer będzie mógł z nich skorzystać, dyski wewnątrz urządzenia (co wkrótce zobaczymy) muszą osiągnąć pełną prędkość. Jeśli jednak w komputerze zainstalowanych jest wiele dysków twardych, nagłe jednoczesne żądanie zasilania może spowodować uszkodzenie systemu. Stopniowe rozkręcanie wrzecion całkowicie eliminuje możliwość wystąpienia takich problemów, ale będziesz musiał poczekać kilka sekund, zanim uzyskasz pełny dostęp do dysku twardego.
Po wyjęciu płytki drukowanej można zobaczyć, jak łączy się ona z elementami wewnątrz urządzenia. dysk twardy nie uszczelnione, za wyjątkiem urządzeń o bardzo dużych pojemnościach - zamiast powietrza wykorzystują hel, ponieważ jest on znacznie mniej gęsty i stwarza mniej problemów w napędach z dużą liczbą dysków. Z drugiej strony nie należy wystawiać konwencjonalnych dysków na działanie otwartego środowiska.
Dzięki zastosowaniu takich złączy minimalna jest ilość punktów wejścia, przez które do wnętrza napędu może dostawać się brud i kurz; w metalowej obudowie znajduje się otwór (duża biała kropka w lewym dolnym rogu obrazu), przez który wewnątrz może pozostać ciśnienie otoczenia.
Teraz, gdy płytka PCB została usunięta, przyjrzyjmy się, co jest w środku. Istnieją cztery główne żetony:
- LSI B64002: Główny układ kontrolera, który przetwarza instrukcje, przesyła strumienie danych do i z zewnątrz, koryguje błędy itp.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM taktowany zegarem 800 MHz, używany do buforowania danych
- Smooth MCKXL: steruje silnikiem obracającym tarcze
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB szeregowej pamięci flash używanej do przechowywania oprogramowania sprzętowego dysku (trochę jak BIOS komputera)
Elementy PCB różnych dysków twardych mogą się różnić. Większe rozmiary wymagają większej ilości pamięci podręcznej (najnowocześniejsze potwory mogą mieć do 256 MB pamięci DDR3), a układ głównego kontrolera może być nieco bardziej wyrafinowany w obsłudze błędów, ale ogólnie różnice nie są aż tak duże.
Otwarcie napędu jest proste, wystarczy odkręcić kilka śrub Torx i voila! Jesteśmy w środku...
Biorąc pod uwagę, że zajmuje on większą część urządzenia, naszą uwagę od razu przyciąga duży metalowy okrąg; łatwo zrozumieć, dlaczego dyski są nazywane dysk. Dzwonienie do nich jest prawidłowe talerze; są wykonane ze szkła lub aluminium i pokryte kilkoma warstwami różnych materiałów. Ten dysk o pojemności 3 TB ma trzy talerze, co oznacza, że po każdej stronie jednego talerza należy przechowywać 500 GB.
Obraz jest dość zakurzony, takie brudne płyty nie odpowiadają precyzji projektu i wykonania wymaganej do ich wykonania. W naszym przykładzie z dyskiem twardym sam dysk aluminiowy ma grubość 0,04 cala (1 mm), ale jest wypolerowany na tyle, że średnia wysokość odchyleń na powierzchni jest mniejsza niż 0,000001 cala (około 30 nm).
Warstwa podstawowa ma głębokość zaledwie 0,0004 cala (10 mikronów) i składa się z wielu warstw materiałów osadzonych na metalu. Aplikacja odbywa się za pomocą śledzony przez , przygotowanie dysku na podstawowe materiały magnetyczne służące do przechowywania danych cyfrowych.
Materiał ten jest zazwyczaj złożonym stopem kobaltu i składa się z koncentrycznych okręgów, każdy o szerokości około 0,00001 cala (około 250 nm) i głębokości 0,000001 cala (25 nm). Na poziomie mikro stopy metali tworzą na powierzchni wody ziarna przypominające bańki mydlane.
Każde ziarno ma swoje własne pole magnetyczne, ale może być ono przekształcane w określonym kierunku. Grupowanie takich pól skutkuje bitami danych (0 i 1). Jeżeli chcesz dowiedzieć się więcej na ten temat to czytaj Uniwersytet Yale. Końcowe powłoki to warstwa węgla dla ochrony, a następnie polimer w celu zmniejszenia tarcia kontaktowego. Razem mają nie więcej niż 0,0000005 cala (12 nm) grubości.
Wkrótce przekonamy się, dlaczego płytki muszą być produkowane z tak wąskimi tolerancjami, ale wciąż zaskakujące jest uświadomienie sobie tego Możesz zostać dumnym posiadaczem urządzenia wykonanego z nanometrową precyzją!
Wróćmy jednak do samego dysku twardego i zobaczmy, co jeszcze się na nim znajduje.
Kolor żółty pokazuje metalową osłonę, która bezpiecznie mocuje płytkę do silnik elektryczny napędzający wrzeciono - napęd elektryczny obracający dyski. W tym HDD obracają się z częstotliwością 7200 obr/min (obr/min), natomiast w innych modelach mogą pracować wolniej. Powolne dyski charakteryzują się niższym poziomem hałasu i zużyciem energii, ale także niższą prędkością, podczas gdy szybsze dyski mogą osiągać prędkość 15 000 obr./min.
Aby zmniejszyć uszkodzenia spowodowane kurzem i wilgocią z powietrza, użyj filtr recyrkulacyjny (zielony kwadrat), zbierając małe cząsteczki i zatrzymując je w środku. Powietrze poruszane poprzez obrót płyt zapewnia stały przepływ przez filtr. Nad dyskami i obok filtra znajduje się jeden z trzech separatory płytowe: pomaga zredukować wibracje i utrzymać możliwie równomierny przepływ powietrza.
W lewej górnej części obrazu niebieski kwadrat wskazuje jeden z dwóch trwałych magnesów sztabkowych. Zapewniają pole magnetyczne potrzebne do poruszenia elementu zaznaczonego na czerwono. Rozdzielmy te szczegóły, żeby lepiej je zobaczyć.
To, co wygląda jak biała plama, to kolejny filtr, tylko ten odfiltrowuje cząsteczki i gazy, które dostają się z zewnątrz przez otwór, który widzieliśmy powyżej. Metalowe kolce są dźwignie ruchu głowy, na którym się znajdują głowice czytająco-zapisujące twardy dysk. Poruszają się z ogromną prędkością po powierzchni płyt (górnej i dolnej).
Obejrzyj ten film stworzony przez aby zobaczyć, jak szybkie są:
Projekt nie używa niczego podobnego ; Aby przesunąć dźwignie, prąd elektryczny przepływa przez elektromagnes u podstawy dźwigni.
Generalnie się je nazywa , ponieważ wykorzystują tę samą zasadę, która jest stosowana w głośnikach i mikrofonach do poruszania membranami. Prąd wytwarza wokół nich pole magnetyczne, które reaguje na pole wytwarzane przez trwałe magnesy sztabkowe.
Nie zapominaj o śladach danych malutki, więc ustawienie ramion musi być niezwykle precyzyjne, tak jak wszystko inne w napędzie. Niektóre dyski twarde mają dźwignie wielostopniowe, które dokonują niewielkich zmian w kierunku tylko jednej części całej dźwigni.
Niektóre dyski twarde mają ścieżki danych, które nakładają się na siebie. Ta technologia nazywa się (zapis magnetyczny z gontem), a jego wymagania dotyczące dokładności i pozycjonowania (czyli ciągłego trafiania w jeden punkt) są jeszcze bardziej rygorystyczne.
Na samym końcu ramion znajdują się bardzo czułe głowice odczytu-zapisu. Nasz dysk twardy zawiera 3 talerze i 6 głowic, i każdą z nich pływa nad obracającym się dyskiem. Aby to osiągnąć, głowice zawieszone są na ultracienkich paskach metalu.
I tu widać dlaczego nasz okaz anatomiczny zdechł - przynajmniej jedna z głów się poluzowała, a cokolwiek spowodowało początkowe uszkodzenia, zgięło też jedno z ramion. Cały element głowicy jest na tyle mały, że jak widać poniżej bardzo trudno zrobić mu dobre zdjęcie zwykłym aparatem.
Możemy jednak rozebrać poszczególne części na części. Szary blok to specjalnie wyprodukowana część tzw "suwak": Gdy dysk obraca się pod nim, przepływ powietrza tworzy siłę nośną, unosząc głowę nad powierzchnię. A kiedy mówimy „uniesienia”, mamy na myśli przerwę o szerokości zaledwie 0,0000002 cala, czyli mniejszą niż 5 nm.
Jeszcze dalej, a głowice nie będą w stanie rozpoznać zmian w polach magnetycznych toru; gdyby głowice leżały na powierzchni, po prostu porysowałyby powłokę. Dlatego należy filtrować powietrze wewnątrz obudowy napędu: kurz i wilgoć na powierzchni napędu po prostu połamią głowice.
Mały metalowy „słupek” na końcu główki poprawia ogólną aerodynamikę. Aby jednak zobaczyć części odpowiedzialne za czytanie i pisanie, potrzebujemy lepszego zdjęcia.
Na tym zdjęciu innego dysku twardego urządzenia do odczytu/zapisu znajdują się pod wszystkimi połączeniami elektrycznymi. Nagrywanie odbywa się poprzez system (indukcja cienkowarstwowa, TFI) i odczyt - urządzenie (tunelowe urządzenie magnetorezystancyjne, TMR).
Sygnały wytwarzane przez TMR są bardzo słabe i przed wysłaniem muszą zostać przepuszczone przez wzmacniacz w celu zwiększenia poziomu. Chip odpowiedzialny za to znajduje się w pobliżu podstawy dźwigni na obrazku poniżej.
Jak stwierdzono we wstępie do artykułu, elementy mechaniczne i zasada działania dysku twardego niewiele się zmieniły na przestrzeni lat. Przede wszystkim udoskonalono technologię torów magnetycznych i głowic odczytująco-zapisujących, tworząc coraz węższe i gęstsze ścieżki, co ostatecznie doprowadziło do wzrostu ilości przechowywanych informacji.
Mechaniczne dyski twarde mają jednak oczywiste ograniczenia prędkości. Przesunięcie dźwigni do żądanej pozycji zajmuje trochę czasu, a jeśli dane są rozproszone po różnych ścieżkach na różnych talerzach, wówczas napęd będzie potrzebował sporo mikrosekund na wyszukiwanie bitów.
Zanim przejdziemy do innego typu dysku, wskażmy przybliżoną prędkość typowego dysku twardego. Korzystaliśmy z benchmarku do oceny dysku twardego :
Pierwsze dwie linie wskazują liczbę MB na sekundę podczas wykonywania odczytu i zapisu sekwencyjnego (długa, ciągła lista) i losowego (przejścia na całym dysku). Następny wiersz pokazuje wartość IOPS, czyli liczbę operacji we/wy wykonywanych w ciągu sekundy. Ostatnia linia pokazuje średnie opóźnienie (czas w mikrosekundach) pomiędzy przesłaniem operacji odczytu lub zapisu a otrzymaniem wartości danych.
Ogólnie rzecz biorąc, staramy się, aby wartości w pierwszych trzech wierszach były jak największe, a w ostatnim wierszu jak najmniejsze. Nie przejmuj się samymi liczbami, użyjemy ich po prostu do porównania, gdy spojrzymy na inny typ dysku: dysk półprzewodnikowy.
Źródło: www.habr.com