Anatomi av lagring: hårddiskar

Det är magnetiskt. Den är elektrisk. Det är fotoniskt. Nej, det här är ingen ny superhjältetrio från Marvel-universumet. Det handlar om att lagra vår värdefulla digitala data. Vi måste förvara dem någonstans, säkert och stabilt, så att vi kan komma åt och ändra dem på ett ögonblick. Glöm Iron Man och Thor – vi pratar om hårddiskar!

Så låt oss dyka in i anatomin hos de enheter vi använder idag för att lagra miljarder databitar.

Du snurrar mig rakt runt, älskling

mekanisk hårddisklagring (hårddisk, hårddisk) har varit lagringsstandard för datorer runt om i världen i mer än 30 år, men tekniken bakom är mycket äldre.

IBM släppte den första kommersiella hårddisken i 1956 år, dess kapacitet var så mycket som 3,75 MB. Och i allmänhet, under alla dessa år har den allmänna strukturen för enheten inte förändrats mycket. Den har fortfarande diskar som använder magnetisering för att lagra data, och det finns enheter för att läsa/skriva dessa data. Har förändrats Samma, och mycket stark, är mängden data som kan lagras på dem.

1987 var det möjligt köp HDD 20 MB för cirka $350; I dag för samma pengar du kan köpa 14 TB: in 700 000 gånger volymen.

Vi kommer att titta på en enhet som inte är exakt samma storlek, men också anständig enligt moderna standarder: 3,5-tums hårddisken Seagate Barracuda 3 TB, i synnerhet modellen ST3000DM001, ökänd för sin hög felfrekvens и rättsliga processer orsakade av detta. Drivenheten vi studerar är redan död, så det här kommer att vara mer som en obduktion än en anatomilektion.


Huvuddelen av hårddisken är gjuten metall. Krafterna inuti enheten under aktiv användning kan vara ganska allvarliga, så tjock metall förhindrar böjning och vibrationer av höljet. Även små 1,8-tums hårddiskar använder metall som husmaterial, men de är vanligtvis gjorda av aluminium snarare än stål eftersom de måste vara så lätta som möjligt.

När vi vänder på enheten ser vi ett kretskort och flera kontakter. Kontakten på toppen av kortet används för motorn som roterar skivorna, och de tre nedre (från vänster till höger) är bygelstift som låter dig konfigurera enheten för vissa konfigurationer, en SATA (Serial ATA) datakontakt , och en SATA-strömkontakt.

Serial ATA dök upp första gången 2000. I stationära datorer är detta standardsystemet som används för att ansluta enheter till resten av datorn. Formatspecifikationen har genomgått många revisioner och vi använder för närvarande version 3.4. Vår hårddisklik är en äldre version, men skillnaden är bara ett stift i strömkontakten.

I dataanslutningar används den för att ta emot och ta emot data. differentierad signal: Stift A+ och A- används för överföring instruktioner och data till hårddisken, och stift B är för tar emot dessa signaler. Denna användning av parade ledare minskar avsevärt effekten av elektriskt brus på signalen, vilket innebär att enheten kan fungera snabbare.

Om vi ​​pratar om effekt ser vi att kontakten har ett par kontakter av varje spänning (+3.3, +5 och +12V); men de flesta av dem används inte eftersom hårddiskar inte kräver mycket ström. Denna speciella Seagate-modell använder mindre än 10 watt under aktiv belastning. Kontakter märkta PC används för förladdning: Med den här funktionen kan du ta bort och ansluta hårddisken medan datorn fortsätter att fungera (detta kallas hot swapping).

Kontakt med PWDIS-taggen tillåter fjärråterställning hårddisk, men den här funktionen stöds bara från version SATA 3.3, så i min enhet är det bara en annan +3.3V kraftledning. Och det sista stiftet, märkt SSU, berättar helt enkelt för datorn om hårddisken stöder sekventiell spin-up-teknik. förskjutna snurra upp.

Innan datorn kan använda dem måste enheterna inuti enheten (vilket vi snart får se) snurra upp till full hastighet. Men om det finns många hårddiskar installerade i maskinen, kan en plötslig samtidig strömförfrågan skada systemet. Att gradvis snurra upp spindlarna eliminerar helt möjligheten för sådana problem, men du måste vänta några sekunder innan du får full tillgång till hårddisken.

Genom att ta bort kretskortet kan du se hur det ansluter till komponenterna inuti enheten. HDD inte förseglad, med undantag för enheter med mycket stor kapacitet - de använder helium istället för luft eftersom det är mycket mindre tätt och skapar färre problem i enheter med ett stort antal diskar. Å andra sidan bör du inte utsätta konventionella enheter för den öppna miljön.

Tack vare användningen av sådana kontakter minimeras antalet ingångspunkter genom vilka smuts och damm kan komma in i enheten; det finns ett hål i metallhöljet (den stora vita pricken i det nedre vänstra hörnet av bilden) som gör att omgivningstrycket förblir inuti.

Nu när kretskortet är borttaget, låt oss ta en titt på vad som finns inuti. Det finns fyra huvudmarker:

• LSI B64002: Huvudkontrollerchip som bearbetar instruktioner, överför dataströmmar in och ut, korrigerar fel osv.
• Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM klockad till 800 MHz, används för datacachning
• Smooth MCKXL: styr motorn som snurrar skivorna
• Winbond 25Q40BWS05: 500 KB seriellt flashminne som används för att lagra enhetens firmware (lite som en dators BIOS)

PCB-komponenterna på olika hårddiskar kan variera. Större storlekar kräver mer cache (de modernaste monstren kan ha upp till 256 MB DDR3), och huvudkontrollerchippet kan vara lite mer sofistikerat i felhantering, men överlag är skillnaderna inte så stora.

Det är enkelt att öppna drevet, bara skruva loss några Torx-bultar och voila! Vi är inne...

Med tanke på att den tar upp huvuddelen av enheten dras vår uppmärksamhet omedelbart till den stora metallcirkeln; det är lätt att förstå varför enheter kallas disk. Det är korrekt att ringa dem tallrikar; de är gjorda av glas eller aluminium och belagda med flera lager av olika material. Denna 3TB-enhet har tre plattor, vilket innebär att 500 GB bör lagras på varje sida av en tallrik.

Bilden är ganska dammig, sådana smutsiga plattor matchar inte precisionen i design och tillverkning som krävs för att göra dem. I vårt exempel på hårddisken är själva aluminiumskivan 0,04 tum (1 mm) tjock, men polerad till en sådan grad att den genomsnittliga höjden av avvikelserna på ytan är mindre än 0,000001 tum (cirka 30 nm).

Basskiktet är endast 0,0004 tum (10 mikron) djupt och består av flera lager av material som avsatts på metallen. Ansökan görs med hjälp av strömlös nickelplätering följd av vakuumdeponering, förbereder skivan för de grundläggande magnetiska materialen som används för att lagra digital data.

Detta material är typiskt en komplex koboltlegering och är sammansatt av koncentriska cirklar, var och en cirka 0,00001 tum (ungefär 250 nm) bred och 0,000001 tum (25 nm) djup. På mikronivå bildar metallegeringar korn som liknar såpbubblor på vattenytan.

Varje korn har sitt eget magnetfält, men det kan omvandlas i en given riktning. Gruppering av sådana fält resulterar i databitar (0:or och 1:or). Om du vill lära dig mer om detta ämne, läs då det här dokumentet Yale universitet. De slutliga beläggningarna är ett lager av kol för skydd, och sedan en polymer för att minska kontaktfriktionen. Tillsammans är de inte mer än 0,0000005 tum (12 nm) tjocka.

Vi kommer snart att se varför wafers måste tillverkas med så snäva toleranser, men det är fortfarande förvånande att inse att för bara 15 dollar Du kan bli den stolta ägaren till en enhet tillverkad med nanometerprecision!

Men låt oss gå tillbaka till själva hårddisken och se vad mer som finns i den.

Den gula färgen visar metallhöljet som säkert fäster plattan på spindeldriven elmotor - en elektrisk enhet som roterar skivorna. På denna hårddisk roterar de med en frekvens på 7200 rpm (varv/min), men i andra modeller kan de fungera långsammare. Långsamma drivningar har lägre buller och strömförbrukning, men också lägre hastighet, medan snabbare drivningar kan nå hastigheter på 15 000 rpm.

För att minska skador orsakade av damm och luftfukt, använd återcirkulationsfilter (grön fyrkant), samlar små partiklar och håller dem inuti. Luft som rör sig genom plattornas rotation säkerställer ett konstant flöde genom filtret. Ovanför skivorna och bredvid filtret finns en av tre plattavskiljare: hjälper till att minska vibrationer och bibehålla luftflödet så jämnt som möjligt.

I den övre vänstra delen av bilden indikerar den blå fyrkanten en av de två permanenta magneterna. De tillhandahåller det magnetiska fält som behövs för att flytta den komponent som anges i rött. Låt oss separera dessa detaljer för att se dem bättre.

Det som ser ut som en vit fläck är ett annat filter, bara detta filtrerar bort partiklar och gaser som kommer in utifrån genom hålet vi såg ovan. Metallspikar är spakar för huvudrörelse, där de finns läs-skrivhuvuden hårddisk. De rör sig med enorm hastighet längs plattornas yta (övre och nedre).

Se den här videon skapad av Slow Mo -killarnaför att se hur snabba de är:

Designen använder inte något liknande stegmotor; För att flytta spakarna leds en elektrisk ström genom en solenoid vid spakarnas bas.

I allmänhet kallas de röstspolar, eftersom de använder samma princip som används i högtalare och mikrofoner för att flytta membran. Strömmen genererar ett magnetfält runt dem, som reagerar på fältet som skapas av de permanenta stavmagneterna.

Glöm inte att data spårar mycket liten, så placeringen av armarna måste vara extremt exakt, precis som allt annat i drivningen. Vissa hårddiskar har flerstegsspakar som gör små förändringar i riktning mot bara en del av hela spaken.

Vissa hårddiskar har dataspår som överlappar varandra. Denna teknik kallas kaklad magnetisk inspelning (shingled magnetic recording), och dess krav på noggrannhet och positionering (det vill säga att ständigt träffa en punkt) är ännu strängare.

Allra längst ut på armarna finns mycket känsliga läs-skrivhuvuden. Vår hårddisk innehåller 3 plattor och 6 huvuden, och var och en av dem flottörer ovanför skivan när den roterar. För att uppnå detta är huvudena upphängda på ultratunna remsor av metall.

Och här kan vi se varför vårt anatomiska exemplar dog - åtminstone ett av huvudena lossnade, och vad som än orsakade den initiala skadan böjde också en av armarna. Hela huvudkomponenten är så liten att det, som du kan se nedan, är väldigt svårt att få en bra bild av den med en vanlig kamera.

Däremot kan vi ta isär de enskilda delarna. Det grå blocket är en specialtillverkad del som kallas "slider": När skivan roterar under den skapar luftflödet ett lyft och lyfter huvudet från ytan. Och när vi säger "lyft", menar vi ett gap som bara är 0,0000002 tum brett, eller mindre än 5 nm.

Ytterligare, och huvudena kommer inte att kunna känna igen förändringar i spårets magnetfält; om huvuden låg på ytan skulle de helt enkelt repa beläggningen. Det är därför du måste filtrera luften inuti drivhöljet: damm och fukt på enhetens yta kommer helt enkelt att bryta huvudena.

En liten metall "stång" i änden av huvudet hjälper till med den övergripande aerodynamiken. Men för att se de delar som gör läsning och skrivning behöver vi ett bättre foto.

I den här bilden av en annan hårddisk finns läs-/skrivenheterna under alla elektriska anslutningar. Inspelning utförs av systemet tunn film induktans (tunnfilmsinduktion, TFI) och läsning - tunnel magnetoresistiva enhet (tunneling magnetoresistive device, TMR).

Signalerna som produceras av TMR är mycket svaga och måste passeras genom en förstärkare för att öka nivåerna innan de skickas. Chipet som ansvarar för detta finns nära basen av spakarna i bilden nedan.

Som anges i inledningen till artikeln har de mekaniska komponenterna och driftsprincipen för en hårddisk förändrats lite under åren. Mest av allt förbättrades tekniken för magnetiska spår och läs-skrivhuvuden, vilket skapade allt smalare och tätare spår, vilket i slutändan ledde till en ökning av mängden lagrad information.

Men mekaniska hårddiskar har uppenbara hastighetsbegränsningar. Det tar tid att flytta spakarna till önskat läge, och om data är utspridda över olika spår på olika plattor, kommer enheten att spendera en hel del mikrosekunder på att söka efter bitar.

Innan vi går vidare till en annan typ av enhet, låt oss ange den ungefärliga hastigheten för en typisk hårddisk. Vi använde riktmärket Crystal för att utvärdera hårddisken WD 3.5" 5400 RPM 2 TB:

De två första raderna indikerar antalet MB per sekund vid sekventiell (lång, kontinuerlig lista) och slumpmässig (övergångar genom hela enheten) läsning och skrivning. Nästa rad visar IOPS-värdet, vilket är antalet I/O-operationer som utförs varje sekund. Den sista raden visar den genomsnittliga latensen (tiden i mikrosekunder) mellan sändning av en läs- eller skrivoperation och mottagning av datavärden.

I allmänhet strävar vi efter att se till att värdena i de tre första raderna är så stora som möjligt och på den sista raden så små som möjligt. Oroa dig inte för själva siffrorna, vi använder dem bara för jämförelse när vi tittar på en annan typ av enhet: solid-state-enheten.

Källa: will.com