Este magnetic. Este electric. Este fotonic. Nu, acesta nu este un nou trio de supereroi din universul Marvel. Este vorba despre stocarea prețioaselor noastre date digitale. Trebuie să le depozităm undeva, în siguranță și stabil, astfel încât să le putem accesa și schimba cât ai clipi. Uită de Iron Man și Thor - vorbim despre hard disk-uri!
Așa că haideți să ne aprofundăm în anatomia dispozitivelor pe care le folosim astăzi pentru a stoca miliarde de biți de date.
Mă învârtești, iubito
mecanic stocare pe hard disk (hard disk, HDD) este standardul de stocare pentru computerele din întreaga lume de mai bine de 30 de ani, dar tehnologia din spatele acestuia este mult mai veche.
IBM a lansat primul HDD comercial , capacitatea sa a fost de până la 3,75 MB. Și, în general, în toți acești ani, structura generală a unității nu s-a schimbat prea mult. Mai are discuri care folosesc magnetizarea pentru a stoca date și există dispozitive pentru a citi/scrie acele date. S-a schimbat Aceeași și foarte puternică este și cantitatea de date care poate fi stocată pe ele.
În 1987 a fost posibil pentru aproximativ 350 USD; Astăzi puteți cumpăra 14 TB: in 700 000 ori volumul.
Ne vom uita la un dispozitiv care nu are exact aceeași dimensiune, dar și decent după standardele moderne: HDD-ul de 3,5 inchi Seagate Barracuda 3 TB, în special, modelul , renumit pentru ea и . Unitatea pe care o studiem este deja moartă, așa că va fi mai mult ca o autopsie decât o lecție de anatomie.
Cea mai mare parte a hard disk-ului este din metal turnat. Forțele din interiorul dispozitivului în timpul utilizării active pot fi destul de grave, astfel încât metalul gros previne îndoirea și vibrația carcasei. Chiar și HDD-urile mici de 1,8 inchi folosesc metalul ca material de carcasă, dar de obicei sunt fabricate din aluminiu mai degrabă decât din oțel, deoarece trebuie să fie cât mai ușoare posibil.
Întorcând unitatea, vedem o placă de circuit imprimat și mai mulți conectori. Conectorul din partea de sus a plăcii este folosit pentru motorul care rotește discurile, iar cei trei inferioare (de la stânga la dreapta) sunt pini jumper care vă permit să configurați unitatea pentru anumite configurații, un conector de date SATA (Serial ATA). , și un conector de alimentare SATA.
Serial ATA a apărut pentru prima dată în 2000. În computerele desktop, acesta este sistemul standard utilizat pentru a conecta unitățile la restul computerului. Specificația formatului a suferit multe revizuiri, iar în prezent folosim versiunea 3.4. Cadavrul nostru de hard disk este o versiune mai veche, dar diferența este doar un pin în conectorul de alimentare.
În conexiunile de date, este folosit pentru a primi și a primi date. : Pinii A+ și A- sunt folosiți pentru transfer instrucțiunile și datele pe hard disk, iar pinii B sunt pentru primind aceste semnale. Această utilizare a conductorilor perechi reduce semnificativ efectul zgomotului electric asupra semnalului, ceea ce înseamnă că dispozitivul poate funcționa mai rapid.
Dacă vorbim de putere, vedem că conectorul are câte o pereche de contacte de fiecare tensiune (+3.3, +5 și +12V); cu toate acestea, cele mai multe dintre ele nu sunt folosite deoarece HDD-urile nu necesită multă putere. Acest model specific Seagate utilizează mai puțin de 10 wați sub sarcină activă. Contactele marcate PC sunt folosite pentru preîncărcare: Această caracteristică vă permite să eliminați și să conectați unitatea de disc în timp ce computerul continuă să funcționeze (acesta se numește schimb la cald).
Contactul cu eticheta PWDIS permite hard disk, dar această funcție este acceptată doar de versiunea SATA 3.3, așa că în unitatea mea este doar o altă linie de alimentare de +3.3 V. Iar ultimul pin, etichetat SSU, spune pur și simplu computerului dacă hard disk-ul acceptă tehnologia de spin-up secvenţial. spin up eșalonat.
Înainte ca computerul să le poată folosi, unitățile din interiorul dispozitivului (pe care le vom vedea în curând) trebuie să se rotească la viteză maximă. Dar dacă există multe hard disk-uri instalate în mașină, atunci o solicitare bruscă de alimentare simultană poate dăuna sistemului. Învârtirea treptat a fusurilor elimină complet posibilitatea unor astfel de probleme, dar va trebui să așteptați câteva secunde înainte de a obține acces complet la HDD.
Prin scoaterea plăcii de circuite, puteți vedea cum se conectează la componentele din interiorul dispozitivului. HDD nesigilat, cu excepția dispozitivelor cu capacități foarte mari - folosesc heliu în loc de aer deoarece este mult mai puțin dens și creează mai puține probleme în unitățile cu un număr mare de discuri. Pe de altă parte, nu ar trebui să expuneți unitățile convenționale la mediul deschis.
Datorită utilizării unor astfel de conectori, numărul de puncte de intrare prin care murdăria și praful pot pătrunde în interiorul unității este minimizat; există o gaură în carcasa metalică (punctul alb mare din colțul din stânga jos al imaginii) care permite ca presiunea ambientală să rămână înăuntru.
Acum că PCB-ul este îndepărtat, să aruncăm o privire la ceea ce este înăuntru. Există patru jetoane principale:
- LSI B64002: Cipul de controler principal care procesează instrucțiuni, transferă fluxuri de date, corectează erori etc.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM tactat la 800 MHz, folosit pentru stocarea în cache a datelor
- Smooth MCKXL: controlează motorul care învârte discurile
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB de memorie flash serială folosită pentru a stoca firmware-ul unității (un pic ca BIOS-ul unui computer)
Componentele PCB ale diferitelor HDD-uri pot varia. Dimensiunile mai mari necesită mai mult cache (cei mai moderni monștri pot avea până la 256 MB de DDR3), iar cipul de control principal poate fi puțin mai sofisticat în gestionarea erorilor, dar în general diferențele nu sunt atât de mari.
Deschiderea unității este ușoară, doar deșurubați câteva șuruburi Torx și voila! Suntem inauntru...
Având în vedere că ocupă cea mai mare parte a dispozitivului, atenția ne este imediat atrasă de cercul mare de metal; este ușor de înțeles de ce se numesc unitățile disc. Este corect să le numiți farfurii; sunt realizate din sticlă sau aluminiu și acoperite cu mai multe straturi din materiale diferite. Această unitate de 3TB are trei platouri, ceea ce înseamnă că 500 GB ar trebui să fie stocați pe fiecare parte a unui platou.
Imaginea este destul de prăfuită, astfel de plăci murdare nu se potrivesc cu precizia de proiectare și fabricație necesară pentru a le realiza. În exemplul nostru HDD, discul de aluminiu în sine are o grosime de 0,04 inchi (1 mm), dar este lustruit într-o asemenea măsură încât înălțimea medie a abaterilor de pe suprafață este mai mică de 0,000001 inci (aproximativ 30 nm).
Stratul de bază are doar 0,0004 inchi (10 microni) adâncime și constă din mai multe straturi de materiale depuse pe metal. Aplicarea se face folosind urmat de , pregătirea discului pentru materialele magnetice de bază utilizate pentru stocarea datelor digitale.
Acest material este de obicei un aliaj complex de cobalt și este compus din cercuri concentrice, fiecare cu aproximativ 0,00001 inchi (aproximativ 250 nm) lățime și 0,000001 inci (25 nm) adâncime. La nivel micro, aliajele metalice formează granule asemănătoare cu bulele de săpun pe suprafața apei.
Fiecare bob are propriul său câmp magnetic, dar poate fi transformat într-o direcție dată. Gruparea unor astfel de câmpuri are ca rezultat biți de date (0 și 1). Dacă doriți să aflați mai multe despre acest subiect, atunci citiți Universitatea Yale. Acoperirile finale sunt un strat de carbon pentru protecție și apoi un polimer pentru a reduce frecarea de contact. Împreună, acestea nu au mai mult de 0,0000005 inchi (12 nm) grosime.
Vom vedea în curând de ce napolitanele trebuie să fie fabricate cu toleranțe atât de strânse, dar este totuși surprinzător să ne dăm seama că Poți deveni mândru proprietar al unui dispozitiv fabricat cu precizie nanometrică!
Cu toate acestea, să ne întoarcem la HDD-ul în sine și să vedem ce mai este în el.
Culoarea galbenă arată capacul metalic care fixează ferm placa de motor electric de antrenare a arborelui - o acţionare electrică care roteşte discurile. În acest HDD se rotesc la o frecvență de 7200 rpm (revoluții/min), dar la alte modele pot funcționa mai lent. Unitățile lente au un zgomot și un consum de energie mai redus, dar și o viteză mai mică, în timp ce unitățile mai rapide pot atinge viteze de 15 rpm.
Pentru a reduce daunele cauzate de praf și umiditatea aerului, utilizați filtru de recirculare (pătrat verde), colectând particule mici și ținându-le în interior. Aerul deplasat prin rotația plăcilor asigură un flux constant prin filtru. Deasupra discurilor și lângă filtru există unul din trei separatoare de plăci: ajută la reducerea vibrațiilor și la menținerea fluxului de aer cât mai uniform posibil.
În partea din stânga sus a imaginii, pătratul albastru indică unul dintre cei doi magneți de bară permanenți. Ele furnizează câmpul magnetic necesar pentru a deplasa componenta indicată cu roșu. Să separăm aceste detalii pentru a le vedea mai bine.
Ceea ce arată ca o pată albă este un alt filtru, doar că acesta filtrează particulele și gazele care intră din exterior prin orificiul pe care l-am văzut mai sus. Tepii de metal sunt pârghii de mișcare a capului, pe care sunt situate capete de citire-scriere hard disk. Se mișcă cu o viteză extraordinară de-a lungul suprafeței plăcilor (superioare și inferioare).
Urmărește acest videoclip creat de sa vezi cat de repede sunt:
Designul nu folosește nimic asemănător ; Pentru a deplasa pârghiile, un curent electric este trecut printr-un solenoid de la baza pârghiilor.
În general se numesc , deoarece folosesc același principiu folosit la difuzoare și microfoane pentru a muta membranele. Curentul generează un câmp magnetic în jurul lor, care reacționează la câmpul creat de magneții de bare permanenți.
Nu uitați că urmele de date minuscul, așa că poziționarea brațelor trebuie să fie extrem de precisă, la fel ca orice altceva din unitate. Unele hard disk-uri au pârghii în mai multe etape care fac mici modificări în direcția unei singure părți a întregului pârghie.
Unele hard disk-uri au piste de date care se suprapun. Această tehnologie se numește (înregistrare magnetică cu șindrilă), iar cerințele sale pentru precizie și poziționare (adică pentru a lovi în mod constant un punct) sunt și mai stricte.
La capătul brațelor există capete de citire-scriere foarte sensibile. HDD-ul nostru conține 3 platouri și 6 capete și fiecare dintre ele plutitoare deasupra discului în timp ce acesta se rotește. Pentru a realiza acest lucru, capetele sunt suspendate pe benzi ultra-subtiri de metal.
Și aici putem vedea de ce specimenul nostru anatomic a murit - cel puțin unul dintre capete s-a desprins și orice a cauzat deteriorarea inițială a îndoit și unul dintre brațe. Întreaga componentă a capului este atât de mică încât, după cum puteți vedea mai jos, este foarte dificil să obțineți o imagine bună cu o cameră obișnuită.
Cu toate acestea, putem demonta părțile individuale. Blocul gri este o piesă special fabricată numită "glisor": Pe măsură ce discul se rotește sub el, fluxul de aer creează portanță, ridicând capul de pe suprafață. Și când spunem „ascensoare”, ne referim la un spațiu care are doar 0,0000002 inci lățime sau mai puțin de 5 nm.
Mai departe, iar capetele nu vor putea recunoaște schimbările în câmpurile magnetice ale pistei; dacă capetele erau întinse la suprafață, pur și simplu ar zgâria stratul. Acesta este motivul pentru care trebuie să filtrați aerul din interiorul carcasei unității: praful și umezeala de pe suprafața unității vor sparge pur și simplu capetele.
Un „stâlp” mic de metal la capătul capului ajută la aerodinamica generală. Cu toate acestea, pentru a vedea părțile care fac citirea și scrierea, avem nevoie de o fotografie mai bună.
În această imagine a unui alt hard disk, dispozitivele de citire/scriere se află sub toate conexiunile electrice. Înregistrarea este efectuată de sistem (inducție cu peliculă subțire, TFI) și citire - dispozitiv (dispozitiv magnetorezistiv de tunel, TMR).
Semnalele produse de TMR sunt foarte slabe și trebuie trecute printr-un amplificator pentru a crește nivelurile înainte de a fi trimise. Cipul responsabil pentru acest lucru este situat lângă baza pârghiilor din imaginea de mai jos.
După cum sa menționat în introducerea articolului, componentele mecanice și principiul de funcționare al unui hard disk s-au schimbat puțin de-a lungul anilor. Mai presus de toate, tehnologia pistelor magnetice și a capetelor de citire-scriere a fost îmbunătățită, creând piste din ce în ce mai înguste și dense, ceea ce a dus în cele din urmă la o creștere a cantității de informații stocate.
Cu toate acestea, hard disk-urile mecanice au limitări evidente de viteză. Este nevoie de timp pentru a muta pârghiile în poziția dorită, iar dacă datele sunt împrăștiate pe diferite piste pe diferite platouri, atunci unitatea va petrece câteva microsecunde căutând biți.
Înainte de a trece la un alt tip de unitate, să indicăm viteza aproximativă a unui HDD tipic. Am folosit benchmark-ul pentru a evalua hard disk-ul :
Primele două linii indică numărul de MB pe secundă când se efectuează citiri și scrieri secvențiale (listă lungă, continuă) și aleatoare (tranziții pe întreaga unitate). Următoarea linie arată valoarea IOPS, care este numărul de operațiuni I/O efectuate în fiecare secundă. Ultima linie arată latența medie (timp în microsecunde) între transmiterea unei operații de citire sau scriere și primirea valorilor datelor.
În general, ne străduim să ne asigurăm că valorile din primele trei linii sunt cât mai mari, iar în ultima linie cât mai mici. Nu vă faceți griji pentru numerele în sine, le vom folosi doar pentru comparație când ne uităm la un alt tip de unitate: unitatea SSD.
Sursa: www.habr.com