Анатомија складиштења: чврсти дискови

Магнетна је. Електрично је. То је фотонски. Не, ово није нови суперхеројски трио из Марвеловог универзума. Ради се о чувању наших драгоцених дигиталних података. Морамо да их ускладиштимо негде, безбедно и стабилно, тако да можемо да им приступимо и променимо их у трен ока. Заборавите Ирон Ман и Тхор - говоримо о хард дисковима!

Дакле, хајде да заронимо у анатомију уређаја које данас користимо за складиштење милијарди битова података.

Окрећеш ме, душо

Механички складиште на чврстом диску (хард диск, ХДД) је стандард за складиштење рачунара широм света више од 30 година, али технологија иза тога је много старија.

ИБМ је објавио први комерцијални ХДД у КСНУМКС године, његов капацитет је био чак 3,75 МБ. И генерално, током свих ових година општа структура погона се није много променила. Још увек има дискове који користе магнетизацију за складиштење података, а постоје и уређаји за читање/записивање тих података. Променио Иста, и веома јака, је количина података која се може ускладиштити на њима.

1987. било је могуће купити ХДД 20 МБ за око 350 долара; Данас за исти новац можете купити 14 ТБ: ин 700 000 пута запремине.

Погледаћемо уређај који није баш исте величине, али и пристојан по савременим стандардима: 3,5-инчни ХДД Сеагате Баррацуда 3 ТБ, посебно модел СТКСНУМКСДМКСНУМКС, озлоглашен по свом висока стопа неуспеха и правним процесима изазваним овим. Погон који проучавамо је већ мртав, тако да ће ово више личити на аутопсију него на лекцију из анатомије.


Највећи део чврстог диска је ливени метал. Силе унутар уређаја током активне употребе могу бити прилично озбиљне, тако да дебели метал спречава савијање и вибрације кућишта. Чак и мали ХДД-ови од 1,8 инча користе метал као материјал за кућиште, али су обично направљени од алуминијума, а не од челика, јер морају бити што лакши.

Окретањем диск јединице видимо штампану плочу и неколико конектора. Конектор на врху плоче се користи за мотор који ротира дискове, а доња три (с лева на десно) су краткоспојници који вам омогућавају да конфигуришете драјв за одређене конфигурације, САТА (Сериал АТА) конектор за податке , и САТА конектор за напајање.

Сериал АТА се први пут појавио 2000. године. У десктоп рачунарима, ово је стандардни систем који се користи за повезивање диск јединица са остатком рачунара. Спецификација формата је претрпела многе ревизије и тренутно користимо верзију 3.4. Наш чврсти диск је старија верзија, али разлика је само у једном пину у конектору за напајање.

У везама за пренос података, користи се за пријем и пријем података. диференцирани сигнал: Пинови А+ и А- се користе за пренос упутства и податке на чврсти диск, а пинови Б су за примање ови сигнали. Ова употреба упарених проводника значајно смањује ефекат електричног шума на сигнал, што значи да уређај може радити брже.

Ако говоримо о снази, видимо да конектор има пар контаката сваког напона (+3.3, +5 и +12В); међутим, већина њих се не користи јер ХДД-ови не захтевају много енергије. Овај конкретни Сеагате модел користи мање од 10 вати под активним оптерећењем. Контакти означени ПЦ се користе за прецхарге: Ова функција вам омогућава да уклоните и повежете чврсти диск док рачунар наставља да ради (ово се зове врућа замена).

Контакт са ПВДИС ознаком дозвољава даљинско ресетовање хард диск, али ова функција је подржана само од верзије САТА 3.3, тако да је у мом драјву само још једна линија напајања +3.3 В. А последњи пин, означен као ССУ, једноставно говори рачунару да ли чврсти диск подржава технологију секвенцијалног окретања. степенасто спин уп.

Пре него што рачунар може да их користи, диск јединице унутар уређаја (што ћемо ускоро видети) морају да се окрећу до пуне брзине. Али ако је у машини инсталирано много чврстих дискова, онда изненадни истовремени захтев за напајањем може наштетити систему. Постепено окретање вретена у потпуности елиминише могућност таквих проблема, али ћете морати да сачекате неколико секунди пре него што добијете потпуни приступ ХДД-у.

Уклањањем штампане плоче, можете видети како се повезује са компонентама унутар уређаја. ХДД није запечаћено, са изузетком уређаја са веома великим капацитетима - користе хелијум уместо ваздуха јер је много мање густине и ствара мање проблема код драјвова са великим бројем дискова. С друге стране, не би требало да излажете конвенционалне дискове отвореном окружењу.

Захваљујући употреби таквих конектора, минимизира се број улазних тачака кроз које прљавштина и прашина могу ући у погон; постоји рупа у металном кућишту (велика бела тачка у доњем левом углу слике) која омогућава да амбијентални притисак остане унутра.

Сада када је ПЦБ уклоњен, хајде да погледамо шта је унутра. Постоје четири главна чипа:

• ЛСИ Б64002: Главни чип контролера који обрађује инструкције, преноси токове података улазе и излазе, исправља грешке итд.
• Самсунг К4Т51163КЈ: 64 МБ ДДР2 СДРАМ који ради на 800 МХз, користи се за кеширање података
• Глатки МЦККСЛ: контролише мотор који окреће дискове
• Винбонд 25К40БВС05: 500 КБ серијске флеш меморије која се користи за складиштење фирмвера диск јединице (мало као БИОС рачунара)

ПЦБ компоненте различитих чврстих дискова могу се разликовати. Веће величине захтевају више кеш меморије (најмодернија чудовишта могу имати до 256 МБ ДДР3), а главни чип контролера може бити мало софистициранији у руковању грешкама, али генерално разлике нису тако велике.

Отварање погона је лако, само одврните неколико Торк вијака и воила! Унутра смо...

С обзиром да заузима највећи део уређаја, нашу пажњу одмах привлачи велики метални круг; лако је разумети зашто се дискови позивају диск. Исправно је назвати их плоче; израђени су од стакла или алуминијума и пресвучени са више слојева различитих материјала. Овај диск од 3ТБ има три плоче, што значи да 500 ГБ треба да буде ускладиштено на свакој страни једне плоче.

Слика је прилично прашњава, такве прљаве плоче не одговарају прецизности дизајна и израде потребне за њихову израду. У нашем примеру ХДД-а, сам алуминијумски диск је дебео 0,04 инча (1 мм), али је полиран до те мере да је просечна висина одступања на површини мања од 0,000001 инча (приближно 30 нм).

Основни слој је дубок само 0,0004 инча (10 микрона) и састоји се од више слојева материјала нанесених на метал. Апликација се врши помоћу безелектрично никловање затим вакуумско таложење, припрема диска за основне магнетне материјале који се користе за складиштење дигиталних података.

Овај материјал је типично сложена легура кобалта и састоји се од концентричних кругова, сваки широк око 0,00001 инча (отприлике 250 нм) и дубок 0,000001 инча (25 нм). На микро нивоу, легуре метала формирају зрна слична мехурићима сапуна на површини воде.

Свако зрно има своје магнетно поље, али се може трансформисати у датом правцу. Груписање таквих поља резултира битовима података (0с и 1с). Ако желите да сазнате више о овој теми, прочитајте овај документ Универзитет Јејл. Завршни премази су слој угљеника за заштиту, а затим полимер за смањење контактног трења. Заједно нису дебљи од 0,0000005 инча (12 нм).

Ускоро ћемо видети зашто се облатне морају производити са тако строгим толеранцијама, али је и даље изненађујуће схватити да за само 15 долара Можете постати поносни власник уређаја произведеног са нанометарском прецизношћу!

Међутим, вратимо се на сам ХДД и видимо шта се још налази у њему.

Жута боја показује метални поклопац који безбедно причвршћује плочу за електромотор погон вретена - електрични погон који ротира дискове. У овом ХДД-у они се ротирају на фреквенцији од 7200 о/мин (о/мин), али у другим моделима могу радити спорије. Спори погони имају мању буку и потрошњу енергије, али и мању брзину, док бржи погони могу достићи брзину од 15 о/мин.

Да бисте смањили штету узроковану прашином и влагом из ваздуха, користите рециркулацијски филтер (зелени квадрат), сакупљајући мале честице и држећи их унутра. Ваздух који се покреће ротацијом плоча обезбеђује константан проток кроз филтер. Изнад дискова и поред филтера налази се један од три плочасти сепаратори: помаже у смањењу вибрација и одржавању протока ваздуха што је равномерније могуће.

У горњем левом делу слике, плави квадрат означава један од два трајна магнета. Они обезбеђују магнетно поље потребно за померање компоненте означене црвеном бојом. Хајде да одвојимо ове детаље да бисмо их боље видели.

Оно што изгледа као бела мрља је још један филтер, само овај филтрира честице и гасове који улазе споља кроз рупу коју смо видели изнад. Метални шиљци су полуге за кретање главе, на којој се налазе главе за читање и писање Хард диск. Они се крећу огромном брзином дуж површине плоча (горње и доње).

Погледајте овај видео који је направио Тхе Слов Мо Гуисда видите колико су брзи:

Дизајн не користи ништа слично корачни мотор; Да би се полуге помериле, електрична струја се пропушта кроз соленоид на дну полуга.

Уопштено се зову гласовне завојнице, јер користе исти принцип који се користи у звучницима и микрофонима за померање мембрана. Струја генерише магнетно поље око њих, које реагује на поље које стварају трајни магнети.

Не заборавите те трагове података сићушан, тако да позиционирање кракова мора бити изузетно прецизно, као и све остало у погону. Неки чврсти дискови имају вишестепене полуге које праве мале промене у смеру само једног дела целе полуге.

Неки чврсти дискови имају стазе података које се међусобно преклапају. Ова технологија се зове поплочан магнетни снимак (магнетни снимак са шиндром), а његови захтеви за тачност и позиционирање (односно да стално удара у једну тачку) су још строжи.

На самом крају кракова налазе се веома осетљиве главе за читање и писање. Наш ХДД садржи 3 плоче и 6 глава, и свака од њих плута изнад диска док се ротира. Да би се то постигло, главе су окачене на ултра танке металне траке.

И овде можемо видети зашто је наш анатомски примерак умро - барем једна глава се олабавила, а шта год да је изазвало првобитно оштећење, савијало је и једну руку. Цела компонента главе је толико мала да је, као што можете видети у наставку, веома тешко добити добру слику о њој обичном камером.

Међутим, можемо раставити појединачне делове. Сиви блок је специјално произведен део тзв "клизач": Како се диск ротира испод себе, проток ваздуха ствара подизање, подижући главу са површине. А када кажемо „подизање“, мислимо на јаз који је широк само 0,0000002 инча или мањи од 5 нм.

Даље, и главе неће моћи да препознају промене у магнетним пољима стазе; ако би главе лежале на површини, једноставно би огребале премаз. Због тога је потребно да филтрирате ваздух унутар кућишта драјва: прашина и влага на површини диска једноставно ће разбити главе.

Сићушни метални "стук" на крају главе помаже у укупној аеродинамици. Међутим, да бисмо видели делове који врше читање и писање, потребна нам је боља фотографија.

На овој слици другог чврстог диска, уређаји за читање/уписивање налазе се испод свих електричних прикључака. Снимање врши систем танак филм индуктивност (индукција танког филма, ТФИ) и читање - тунел магнеторезитивни уређај (тунелски магнеторезистивни уређај, ТМР).

Сигнали које производи ТМР су веома слаби и морају се проћи кроз појачало да би се повећали нивои пре слања. Чип одговоран за ово налази се близу основе полуга на слици испод.

Као што је наведено у уводу чланка, механичке компоненте и принцип рада чврстог диска су се мало променили током година. Највише од свега, унапређена је технологија магнетних стаза и глава за читање-уписивање, стварајући све уже и гушће стазе, што је на крају довело до повећања количине ускладиштених информација.

Међутим, механички чврсти дискови имају очигледна ограничења брзине. Потребно је време да се полуге помере у жељени положај, а ако су подаци раштркани по различитим стазама на различитим плочама, онда ће драјв потрошити доста микросекунди тражећи битове.

Пре него што пређемо на другу врсту диск јединице, назначимо приближну брзину типичног ХДД-а. Користили смо бенчмарк ЦристалДискМарк да процените чврсти диск ВД 3.5" 5400 РПМ 2 ТБ:

Прва два реда означавају број МБ у секунди када се врши секвенцијално (дуга, непрекидна листа) и насумично (прелази кроз цео диск) читање и писање. Следећи ред приказује ИОПС вредност, што је број И/О операција које се изводе сваке секунде. Последњи ред приказује просечно кашњење (време у микросекундама) између преноса операције читања или писања и пријема вредности података.

Генерално, настојимо да обезбедимо да вредности у прва три реда буду што веће, а у последњем реду што мање. Не брините о самим бројевима, само ћемо их користити за поређење када погледамо другу врсту диск јединице: ССД уређај.

Извор: ввв.хабр.цом