Je to magnetické. Je to elektrické. Je to fotonické. Nie, toto nie je nové superhrdinské trio z univerza Marvel. Ide o uchovávanie našich vzácnych digitálnych údajov. Potrebujeme ich niekde bezpečne a stabilne uložiť, aby sme k nim mohli pristupovať a meniť ich bez mihnutia oka. Zabudnite na Iron Mana a Thora – hovoríme o pevných diskoch!
Poďme sa teda ponoriť do anatómie zariadení, ktoré dnes používame na ukladanie miliárd bitov dát.
Točíš ma poriadne, zlato
mechanický úložisko pevného disku (pevný disk, HDD) je štandardom pre ukladanie dát pre počítače na celom svete už viac ako 30 rokov, no technológia za ním je oveľa staršia.
IBM vydala prvý komerčný HDD , jeho kapacita bola až 3,75 MB. A vo všeobecnosti sa za všetky tie roky všeobecná štruktúra pohonu príliš nezmenila. Stále má disky, ktoré používajú magnetizáciu na ukladanie údajov, a existujú zariadenia na čítanie/zápis týchto údajov. Zmenené Rovnaké a veľmi silné je množstvo dát, ktoré je možné na nich uložiť.
V roku 1987 to bolo možné za približne 350 dolárov; Dnes môžete si kúpiť 14 TB: in 700 000 násobok objemu.
Pozrieme sa na zariadenie, ktoré nie je úplne rovnako veľké, ale podľa moderných štandardov tiež slušné: 3,5-palcový HDD Seagate Barracuda 3 TB, najmä model , notoricky známy svojim и . Pohon, ktorý študujeme, je už mŕtvy, takže toto bude skôr pitva ako hodina anatómie.
Prevažná časť pevného disku je z liateho kovu. Sily vo vnútri zariadenia počas aktívneho používania môžu byť dosť vážne, takže hrubý kov zabraňuje ohýbaniu a vibráciám puzdra. Dokonca aj malé 1,8-palcové HDD používajú kov ako materiál krytu, ale zvyčajne sú vyrobené z hliníka a nie z ocele, pretože musia byť čo najľahšie.
Po prevrátení disku vidíme dosku plošných spojov a niekoľko konektorov. Konektor v hornej časti dosky sa používa pre motor, ktorý otáča disky, a spodné tri (zľava doprava) sú prepojovacie kolíky, ktoré vám umožňujú nakonfigurovať jednotku pre určité konfigurácie, dátový konektor SATA (Serial ATA). a napájací konektor SATA.
Serial ATA sa prvýkrát objavilo v roku 2000. V stolných počítačoch je to štandardný systém používaný na pripojenie jednotiek k zvyšku počítača. Špecifikácia formátu prešla mnohými revíziami a momentálne používame verziu 3.4. Naša mŕtvola pevného disku je staršia verzia, ale rozdiel je len v jednom kolíku v napájacom konektore.
V dátových spojeniach sa používa na príjem a príjem dát. : Piny A+ a A- sa používajú pre prevod pokyny a údaje na pevný disk a kolíky B sú určené prijímanie tieto signály. Toto použitie párových vodičov výrazne znižuje vplyv elektrického šumu na signál, čo znamená, že zariadenie môže pracovať rýchlejšie.
Ak hovoríme o napájaní, vidíme, že konektor má pár kontaktov každého napätia (+3.3, +5 a +12V); väčšina z nich sa však nepoužíva, pretože HDD nevyžadujú veľa energie. Tento konkrétny model Seagate spotrebuje pri aktívnej záťaži menej ako 10 wattov. Používajú sa kontakty označené PC prednabitie: Táto funkcia vám umožňuje vybrať a pripojiť pevný disk, zatiaľ čo počítač pokračuje v práci (tzv hot swap).
Umožňuje kontakt so značkou PWDIS pevný disk, ale táto funkcia je podporovaná len od verzie SATA 3.3, takže v mojom disku je to len ďalšia +3.3V napájacia linka. A posledný kolík označený ako SSU jednoducho informuje počítač o tom, či pevný disk podporuje technológiu sekvenčného roztáčania. stupňovité roztočenie.
Predtým, ako ich bude môcť počítač použiť, sa musia disky vo vnútri zariadenia (čo čoskoro dočkáme) roztočiť na plné otáčky. Ak je však v počítači nainštalovaných veľa pevných diskov, náhla súčasná požiadavka na napájanie môže poškodiť systém. Postupné otáčanie vretien úplne eliminuje možnosť takýchto problémov, ale budete musieť počkať niekoľko sekúnd, kým získate plný prístup k HDD.
Po odstránení dosky plošných spojov môžete vidieť, ako sa pripája ku komponentom vo vnútri zariadenia. HDD nezapečatené, s výnimkou zariadení s veľmi veľkými kapacitami - používajú hélium namiesto vzduchu, pretože je oveľa menej husté a vytvára menej problémov v jednotkách s veľkým počtom diskov. Na druhej strane by ste nemali bežné disky vystavovať otvorenému prostrediu.
Vďaka použitiu takýchto konektorov sa minimalizuje počet vstupných bodov, cez ktoré sa môžu nečistoty a prach dostať do jednotky; v kovovom puzdre je otvor (veľká biela bodka v ľavom dolnom rohu obrázka), ktorý umožňuje, aby vo vnútri zostal okolitý tlak.
Teraz, keď je PCB odstránená, poďme sa pozrieť na to, čo je vo vnútri. Existujú štyri hlavné čipy:
- LSI B64002: Hlavný riadiaci čip, ktorý spracováva inštrukcie, prenáša dátové toky dovnútra a von, opravuje chyby atď.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM s frekvenciou 800 MHz, používa sa na ukladanie dát do vyrovnávacej pamäte
- Smooth MCKXL: ovláda motor, ktorý otáča disky
- Winbond 25Q40BWS05: 500 kB sériovej flash pamäte používanej na uloženie firmvéru disku (niečo ako BIOS počítača)
Komponenty PCB rôznych HDD sa môžu líšiť. Väčšie veľkosti vyžadujú viac vyrovnávacej pamäte (najmodernejšie monštrá môžu mať až 256 MB DDR3) a čip hlavného radiča môže byť trochu sofistikovanejší v spracovaní chýb, ale celkovo rozdiely nie sú také veľké.
Otvorenie disku je jednoduché, stačí odskrutkovať niekoľko skrutiek Torx a voila! Sme vnútri...
Vzhľadom na to, že zaberá veľkú časť zariadenia, našu pozornosť okamžite upúta veľký kovový kruh; je ľahké pochopiť, prečo sa disky nazývajú disk. Je správne ich zavolať taniere; sú vyrobené zo skla alebo hliníka a potiahnuté niekoľkými vrstvami rôznych materiálov. Tento 3TB disk má tri platne, čo znamená, že na každej strane jedného taniera by malo byť uložených 500 GB.
Obraz je dosť zaprášený, takto špinavé platne nezodpovedajú precíznosti dizajnu a výroby potrebnej na ich zhotovenie. V našom príklade HDD je samotný hliníkový disk hrubý 0,04 palca (1 mm), ale leštený do takej miery, že priemerná výška odchýlok na povrchu je menšia ako 0,000001 palca (približne 30 nm).
Základná vrstva je hlboká iba 0,0004 palca (10 mikrónov) a pozostáva z viacerých vrstiev materiálov nanesených na kov. Aplikácia sa vykonáva pomocou nasledovaný , príprava disku na základné magnetické materiály používané na ukladanie digitálnych dát.
Tento materiál je zvyčajne komplexná zliatina kobaltu a pozostáva zo sústredných kruhov, z ktorých každý má šírku približne 0,00001 palca (približne 250 nm) a hĺbku 0,000001 palca (25 nm). Na mikroúrovni tvoria zliatiny kovov na povrchu vody zrnká podobné mydlovým bublinám.
Každé zrno má svoje vlastné magnetické pole, ale môže sa transformovať v danom smere. Výsledkom zoskupenia takýchto polí sú dátové bity (0s a 1s). Ak sa chcete o tejto téme dozvedieť viac, prečítajte si Univerzita Yale. Finálnymi nátermi je vrstva uhlíka na ochranu a potom polymér na zníženie kontaktného trenia. Spolu nemajú hrúbku väčšiu ako 0,0000005 palca (12 nm).
Čoskoro uvidíme, prečo sa doštičky musia vyrábať s takými úzkymi toleranciami, ale stále je prekvapujúce si uvedomiť, že Môžete sa stať hrdým majiteľom zariadenia vyrobeného s nanometrovou presnosťou!
Vráťme sa však k samotnému HDD a pozrime sa, čo sa v ňom ešte nachádza.
Žltá farba znázorňuje kovový kryt, ktorý bezpečne pripevňuje platňu k doske elektromotor pohonu vretena - elektrický pohon, ktorý otáča disky. V tomto HDD sa točia frekvenciou 7200 ot./min (ot./min), ale v iných modeloch môžu pracovať pomalšie. Pomalé disky majú nižšiu hlučnosť a spotrebu, ale aj nižšiu rýchlosť, kým rýchlejšie disky dokážu dosiahnuť rýchlosť 15 000 otáčok za minútu.
Ak chcete znížiť poškodenie spôsobené prachom a vzdušnou vlhkosťou, použite recirkulačný filter (zelený štvorec), zbieranie malých častíc a ich držanie vo vnútri. Vzduch pohybovaný rotáciou platní zabezpečuje konštantný prietok cez filter. Nad kotúčmi a vedľa filtra je jeden z troch doskové oddeľovače: pomáha znižovať vibrácie a udržiavať prúdenie vzduchu čo najrovnomernejšie.
V ľavej hornej časti obrázku modrý štvorec označuje jeden z dvoch permanentných tyčových magnetov. Poskytujú magnetické pole potrebné na pohyb komponentu označeného červenou farbou. Poďme tieto detaily oddeliť, aby sme ich lepšie videli.
To, čo vyzerá ako biela náplasť, je ďalší filter, len tento filtruje častice a plyny, ktoré vstupujú zvonku cez otvor, ktorý sme videli vyššie. Kovové hroty sú páky pohybu hlavy, na ktorej sa nachádzajú hlavy na čítanie a zápis pevný disk. Pohybujú sa obrovskou rýchlosťou po povrchu platní (horných a dolných).
Pozrite si toto video vytvorené používateľom aby ste videli, aké sú rýchle:
Dizajn nič podobné nepoužíva ; Na pohyb pák prechádza elektrický prúd cez solenoid na základni pák.
Vo všeobecnosti sa nazývajú , pretože na pohyb membrán používajú rovnaký princíp, aký sa používa v reproduktoroch a mikrofónoch. Prúd okolo nich vytvára magnetické pole, ktoré reaguje na pole vytvorené permanentnými tyčovými magnetmi.
Nezabudnite na dátové stopy malinký, takže umiestnenie ramien musí byť mimoriadne presné, rovnako ako všetko ostatné v pohone. Niektoré pevné disky majú viacstupňové páčky, ktoré robia malé zmeny v smere len jednej časti celej páčky.
Niektoré pevné disky majú dátové stopy, ktoré sa navzájom prekrývajú. Táto technológia sa nazýva (šindľový magnetický záznam), a jeho požiadavky na presnosť a polohovanie (teda neustále trafiť jeden bod) sú ešte prísnejšie.
Na samom konci ramien sú veľmi citlivé hlavy na čítanie a zápis. Náš HDD obsahuje 3 platne a 6 hláv a každú z nich plaváky nad diskom, keď sa otáča. Aby sa to dosiahlo, hlavy sú zavesené na ultratenkých pásikoch kovu.
A tu vidíme, prečo náš anatomický exemplár zomrel – uvoľnila sa aspoň jedna z hláv a čokoľvek spôsobilo počiatočné poškodenie, ohlo aj jedno z ramien. Celý komponent hlavy je taký malý, že, ako môžete vidieť nižšie, je veľmi ťažké získať o ňom dobrý obraz pomocou bežného fotoaparátu.
Jednotlivé časti však môžeme rozobrať. Sivý blok je špeciálne vyrobený diel tzv "posuvník": Keď sa disk otáča pod ním, prúd vzduchu vytvára zdvih a zdvihne hlavu z povrchu. A keď hovoríme „výťahy“, máme na mysli medzeru, ktorá je široká iba 0,0000002 palca alebo menej ako 5 nm.
Čokoľvek ďalej a hlavy nebudú schopné rozpoznať zmeny v magnetických poliach dráhy; ak by hlavy ležali na povrchu, jednoducho by poškriabali povlak. To je dôvod, prečo musíte filtrovať vzduch vo vnútri puzdra disku: prach a vlhkosť na povrchu disku jednoducho rozbijú hlavy.
Drobná kovová "tyč" na konci hlavy pomáha celkovej aerodynamike. Aby sme však videli časti, ktoré robia čítanie a písanie, potrebujeme lepšiu fotografiu.
Na tomto obrázku iného pevného disku sú zariadenia na čítanie/zápis pod všetkými elektrickými pripojeniami. Nahrávanie vykonáva systém (indukcia tenkým filmom, TFI) a čítanie - prístroj (tunelovací magnetorezistívny prístroj, TMR).
Signály produkované TMR sú veľmi slabé a pred odoslaním musia prejsť cez zosilňovač, aby sa zvýšila úroveň. Čip zodpovedný za to sa nachádza v blízkosti základne pák na obrázku nižšie.
Ako je uvedené v úvode článku, mechanické komponenty a princíp fungovania pevného disku sa v priebehu rokov zmenili len málo. Predovšetkým sa zlepšila technológia magnetických stôp a hláv na čítanie a zápis, čím sa vytvárali čoraz užšie a hustejšie stopy, čo v konečnom dôsledku viedlo k zvýšeniu množstva uložených informácií.
Mechanické pevné disky však majú zjavné obmedzenia rýchlosti. Presunutie páčok do požadovanej polohy si vyžaduje určitý čas a ak sú dáta rozptýlené po rôznych stopách na rôznych platniach, potom disk strávi niekoľko mikrosekúnd hľadaním bitov.
Predtým, ako prejdeme na iný typ disku, označme približnú rýchlosť typického HDD. Použili sme benchmark na vyhodnotenie pevného disku :
Prvé dva riadky označujú počet MB za sekundu pri vykonávaní sekvenčného (dlhý, súvislý zoznam) a náhodného (prechody v rámci celej jednotky) čítania a zápisu. Ďalší riadok zobrazuje hodnotu IOPS, čo je počet I/O operácií vykonaných každú sekundu. Posledný riadok zobrazuje priemernú latenciu (čas v mikrosekundách) medzi odoslaním operácie čítania alebo zápisu a prijatím údajových hodnôt.
Vo všeobecnosti sa snažíme zabezpečiť, aby hodnoty v prvých troch riadkoch boli čo najväčšie a v poslednom riadku čo najmenšie. Nerobte si starosti so samotnými číslami, použijeme ich len na porovnanie, keď sa pozrieme na iný typ disku: SSD.
Zdroj: hab.com