มันเป็นแม่เหล็ก มันเป็นไฟฟ้า มันเป็นโทนิค ไม่ นี่ไม่ใช่ซูเปอร์ฮีโร่ทั้งสามคนจากจักรวาลมาร์เวล มันเกี่ยวกับการจัดเก็บข้อมูลดิจิทัลอันมีค่าของเรา เราจำเป็นต้องจัดเก็บพวกมันไว้ที่ไหนสักแห่งที่ปลอดภัยและมั่นคง เพื่อที่เราจะได้สามารถเข้าถึงและเปลี่ยนแปลงพวกมันได้ในพริบตา ลืม Iron Man และ Thor ไปเลย - เรากำลังพูดถึงฮาร์ดไดรฟ์!
เรามาเจาะลึกกายวิภาคของอุปกรณ์ที่เราใช้ในปัจจุบันเพื่อจัดเก็บข้อมูลหลายพันล้านบิตกันดีกว่า
คุณหมุนฉันไปทางขวา ที่รัก
เชิงกล พื้นที่เก็บข้อมูลฮาร์ดไดรฟ์ (ฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์, HDD) เป็นมาตรฐานการจัดเก็บข้อมูลสำหรับคอมพิวเตอร์ทั่วโลกมานานกว่า 30 ปี แต่เทคโนโลยีเบื้องหลังนั้นเก่ากว่ามาก
IBM เปิดตัว HDD เชิงพาณิชย์ตัวแรก โดยมีความจุมากถึง 3,75 MB และโดยทั่วไปตลอดหลายปีที่ผ่านมา โครงสร้างโดยรวมของไดรฟ์ไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปมากนัก ยังคงมีดิสก์ที่ใช้ระบบแม่เหล็กในการจัดเก็บข้อมูล และมีอุปกรณ์สำหรับอ่าน/เขียนข้อมูลนั้น เปลี่ยน สิ่งเดียวกันและแข็งแกร่งมากคือปริมาณข้อมูลที่สามารถเก็บไว้ในนั้นได้
ในปี 1987 มันเป็นไปได้ ประมาณ 350 ดอลลาร์; วันนี้ คุณสามารถซื้อ 14 TB: นิ้ว 700 000 เท่าของระดับเสียง
เราจะดูอุปกรณ์ที่มีขนาดไม่เท่ากันทุกประการ แต่ยังเหมาะสมตามมาตรฐานสมัยใหม่: โดยเฉพาะ HDD Seagate Barracuda 3,5 TB ขนาด 3 นิ้วโดยเฉพาะรุ่น มีชื่อเสียงในเรื่องของมัน и . แรงผลักดันที่เรากำลังศึกษาอยู่นั้นตายไปแล้ว ดังนั้นนี่จะเหมือนกับการชันสูตรพลิกศพมากกว่าบทเรียนกายวิภาคศาสตร์
ฮาร์ดไดรฟ์ส่วนใหญ่ทำจากโลหะหล่อ แรงภายในอุปกรณ์ระหว่างการใช้งานอาจรุนแรงมาก โลหะหนาจึงป้องกันการโค้งงอและการสั่นสะเทือนของเคส แม้แต่ HDD ขนาด 1,8 นิ้วขนาดเล็กก็ยังใช้โลหะเป็นวัสดุสำหรับเคส แต่มักทำจากอลูมิเนียมมากกว่าเหล็ก เนื่องจากจะต้องมีน้ำหนักเบาที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
เมื่อพลิกไดรฟ์เราจะเห็นแผงวงจรพิมพ์และขั้วต่อหลายตัว ตัวเชื่อมต่อที่ด้านบนของบอร์ดใช้สำหรับมอเตอร์ที่หมุนดิสก์และสามตัวล่าง (จากซ้ายไปขวา) เป็นจัมเปอร์พินที่ให้คุณกำหนดค่าไดรฟ์สำหรับการกำหนดค่าบางอย่าง, ตัวเชื่อมต่อข้อมูล SATA (Serial ATA) และขั้วต่อไฟ SATA
Serial ATA ปรากฏตัวครั้งแรกในปี 2000 ในคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อป นี่คือระบบมาตรฐานที่ใช้เชื่อมต่อไดรฟ์กับส่วนอื่นๆ ของคอมพิวเตอร์ ข้อมูลจำเพาะของรูปแบบได้รับการแก้ไขหลายครั้ง และขณะนี้เรากำลังใช้เวอร์ชัน 3.4 ศพฮาร์ดไดรฟ์ของเราเป็นรุ่นเก่า แต่ความแตกต่างคือเพียงพินเดียวในขั้วต่อสายไฟ
ในการเชื่อมต่อข้อมูล จะใช้เพื่อรับและรับข้อมูล : พิน A+ และ A- ใช้สำหรับ โอน คำแนะนำและข้อมูลไปยังฮาร์ดไดรฟ์และพิน B มีไว้สำหรับ รับ สัญญาณเหล่านี้ การใช้ตัวนำที่จับคู่กันนี้จะช่วยลดผลกระทบของสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าต่อสัญญาณได้อย่างมาก ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์สามารถทำงานได้เร็วขึ้น
ถ้าเราพูดถึงพลังงานเราจะเห็นว่าขั้วต่อมีหน้าสัมผัสคู่ของแต่ละแรงดันไฟฟ้า (+3.3, +5 และ +12V) แต่ส่วนใหญ่จะไม่ได้ใช้เพราะว่า HDD ไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานมาก Seagate รุ่นเฉพาะนี้ใช้พลังงานน้อยกว่า 10 วัตต์ภายใต้โหลดที่ใช้งานอยู่ ผู้ติดต่อที่มีเครื่องหมาย PC ใช้สำหรับ เติมเงิน: คุณสมบัตินี้ช่วยให้คุณสามารถถอดและเชื่อมต่อฮาร์ดไดรฟ์ในขณะที่คอมพิวเตอร์ยังคงทำงานต่อไป (ซึ่งเรียกว่า การแลกเปลี่ยนความร้อน).
สามารถติดต่อกับแท็ก PWDIS ได้ ฮาร์ดไดรฟ์ แต่ฟังก์ชันนี้รองรับเฉพาะเวอร์ชัน SATA 3.3 เท่านั้น ดังนั้นในไดรฟ์ของฉันจึงเป็นเพียงสายไฟ +3.3V อีกอัน และพินสุดท้ายที่มีป้ายกำกับว่า SSU จะบอกคอมพิวเตอร์ว่าฮาร์ดไดรฟ์รองรับเทคโนโลยีการหมุนตามลำดับหรือไม่ เซหมุนขึ้น.
ก่อนที่คอมพิวเตอร์จะสามารถใช้งานได้ ไดรฟ์ภายในอุปกรณ์ (ซึ่งเราจะเห็นเร็วๆ นี้) จะต้องหมุนจนเต็มความเร็ว แต่หากมีการติดตั้งฮาร์ดไดรฟ์จำนวนมากในเครื่อง การขอจ่ายไฟพร้อมกันอย่างกะทันหันอาจเป็นอันตรายต่อระบบได้ การหมุนแกนหมุนทีละน้อยจะช่วยลดโอกาสที่จะเกิดปัญหาดังกล่าวได้อย่างสมบูรณ์ แต่คุณจะต้องรอสักครู่ก่อนที่จะเข้าถึง HDD ได้อย่างสมบูรณ์
เมื่อถอดแผงวงจรออก คุณจะสามารถดูได้ว่าแผงวงจรเชื่อมต่อกับส่วนประกอบต่างๆ ภายในอุปกรณ์อย่างไร ฮาร์ดดิส ไม่ได้ปิดผนึกยกเว้นอุปกรณ์ที่มีความจุขนาดใหญ่มาก - พวกเขาใช้ฮีเลียมแทนอากาศเนื่องจากมีความหนาแน่นน้อยกว่ามากและสร้างปัญหาน้อยลงในไดรฟ์ที่มีดิสก์จำนวนมาก ในทางกลับกัน คุณไม่ควรนำไดรฟ์แบบธรรมดาไปไว้ในสภาพแวดล้อมแบบเปิด
ด้วยการใช้ตัวเชื่อมต่อดังกล่าว จำนวนจุดเข้าที่สิ่งสกปรกและฝุ่นสามารถเข้าไปภายในไดรฟ์จึงลดลง มีรูอยู่ในกล่องโลหะ (จุดสีขาวขนาดใหญ่ที่มุมซ้ายล่างของภาพ) ซึ่งช่วยให้ความดันบรรยากาศคงอยู่ภายใน
ตอนนี้เราถอด PCB ออกแล้ว มาดูกันว่าข้างในมีอะไรอยู่บ้าง มีสี่ชิปหลัก:
- LSI B64002: ชิปควบคุมหลักที่ประมวลผลคำสั่ง ถ่ายโอนสตรีมข้อมูลเข้าและออก แก้ไขข้อผิดพลาด ฯลฯ
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM โอเวอร์คล็อกที่ 800 MHz ใช้สำหรับการแคชข้อมูล
- Smooth MCKXL: ควบคุมมอเตอร์ที่หมุนแผ่นดิสก์
- Winbond 25Q40BWS05: หน่วยความจำแฟลชอนุกรม 500 KB ที่ใช้จัดเก็บเฟิร์มแวร์ของไดรฟ์ (คล้ายกับ BIOS ของคอมพิวเตอร์)
ส่วนประกอบ PCB ของ HDD ต่างๆ อาจแตกต่างกัน ขนาดที่ใหญ่กว่านั้นต้องการแคชมากขึ้น (มอนสเตอร์สมัยใหม่ส่วนใหญ่สามารถมี DDR256 ได้มากถึง 3 MB) และชิปคอนโทรลเลอร์หลักอาจซับซ้อนกว่าเล็กน้อยในการจัดการข้อผิดพลาด แต่ความแตกต่างโดยรวมนั้นไม่ได้มากนัก
การเปิดไดรฟ์นั้นง่ายดาย เพียงคลายเกลียวโบลต์ Torx สองสามตัวแล้ว voila! เราอยู่ข้างใน...
เนื่องจากมันกินพื้นที่ส่วนใหญ่ของอุปกรณ์ เราจึงดึงความสนใจไปที่วงกลมโลหะขนาดใหญ่ทันที เป็นเรื่องง่ายที่จะเข้าใจว่าทำไมจึงเรียกไดรฟ์ ดิสก์. ถูกต้องแล้วที่จะโทรหาพวกเขา จาน; ทำจากแก้วหรืออลูมิเนียมและเคลือบด้วยวัสดุที่แตกต่างกันหลายชั้น ไดรฟ์ 3TB นี้มีจานสามจาน ซึ่งหมายความว่าควรจัดเก็บ 500GB ไว้ในแต่ละด้านของจานเดียว
ภาพมีฝุ่นค่อนข้างมาก แผ่นสกปรกดังกล่าวไม่ตรงกับความแม่นยำของการออกแบบและการผลิตที่จำเป็นในการผลิต ในตัวอย่าง HDD ของเรา ตัวดิสก์อะลูมิเนียมมีความหนา 0,04 นิ้ว (1 มม.) แต่ได้รับการขัดเงาจนความสูงเฉลี่ยของการเบี่ยงเบนบนพื้นผิวน้อยกว่า 0,000001 นิ้ว (ประมาณ 30 นาโนเมตร)
ชั้นฐานมีความลึกเพียง 0,0004 นิ้ว (10 ไมครอน) และประกอบด้วยวัสดุหลายชั้นที่สะสมอยู่บนโลหะ การสมัครเสร็จสิ้นโดยใช้ ติดตามโดย เพื่อเตรียมดิสก์สำหรับวัสดุแม่เหล็กพื้นฐานที่ใช้ในการจัดเก็บข้อมูลดิจิทัล
โดยทั่วไปแล้ว วัสดุนี้จะเป็นโลหะผสมโคบอลต์ที่ซับซ้อน และประกอบด้วยวงกลมที่มีศูนย์กลางร่วมกัน โดยแต่ละวงกลมกว้างประมาณ 0,00001 นิ้ว (ประมาณ 250 นาโนเมตร) และลึก 0,000001 นิ้ว (25 นาโนเมตร) ในระดับจุลภาค โลหะผสมจะก่อตัวเป็นเม็ดคล้ายฟองสบู่บนผิวน้ำ
แต่ละเม็ดมีสนามแม่เหล็กของตัวเอง แต่สามารถเปลี่ยนไปในทิศทางที่กำหนดได้ การจัดกลุ่มฟิลด์ดังกล่าวส่งผลให้มีบิตข้อมูล (0 และ 1) หากคุณต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับหัวข้อนี้ให้อ่าน มหาวิทยาลัยเยล. ชั้นเคลือบสุดท้ายคือชั้นคาร์บอนสำหรับการป้องกัน และจากนั้นเป็นโพลีเมอร์เพื่อลดแรงเสียดทานจากการสัมผัส เมื่อรวมกันแล้วจะมีความหนาไม่เกิน 0,0000005 นิ้ว (12 นาโนเมตร)
เราจะเห็นในไม่ช้าว่าทำไมจึงต้องผลิตเวเฟอร์ให้มีพิกัดความเผื่อต่ำเช่นนี้ แต่ก็ยังน่าแปลกใจที่ตระหนักว่า คุณสามารถเป็นเจ้าของอุปกรณ์ที่ผลิตด้วยความแม่นยำระดับนาโนเมตรได้อย่างภาคภูมิใจ!
อย่างไรก็ตามลองกลับไปที่ HDD แล้วดูว่ามีอะไรอีกบ้างในนั้น
สีเหลืองแสดงฝาโลหะที่ยึดแผ่นไว้กับตัวอย่างแน่นหนา แกนหมุนมอเตอร์ไฟฟ้า - ไดรฟ์ไฟฟ้าที่หมุนดิสก์ ใน HDD นี้พวกมันหมุนด้วยความถี่ 7200 รอบต่อนาที (รอบ/นาที) แต่ในรุ่นอื่นอาจทำงานช้าลง ไดรฟ์ที่ช้าจะมีเสียงรบกวนและการใช้พลังงานน้อยกว่า แต่ก็มีความเร็วที่ต่ำกว่าด้วย ในขณะที่ไดรฟ์ที่เร็วกว่าสามารถเข้าถึงความเร็วได้ถึง 15 รอบต่อนาที
เพื่อลดความเสียหายที่เกิดจากฝุ่นและความชื้นในอากาศ ให้ใช้ ตัวกรองการหมุนเวียน (สี่เหลี่ยมสีเขียว) รวบรวมอนุภาคขนาดเล็กและกักไว้ข้างใน อากาศที่เคลื่อนที่โดยการหมุนของเพลตทำให้มั่นใจได้ว่ามีการไหลผ่านตัวกรองอย่างต่อเนื่อง เหนือแผ่นดิสก์และถัดจากตัวกรองจะมีหนึ่งในสามแบบ เครื่องแยกแผ่น: ช่วยลดแรงสั่นสะเทือนและรักษาการไหลของอากาศให้สม่ำเสมอที่สุด
ในส่วนด้านซ้ายบนของภาพ สี่เหลี่ยมสีน้ำเงินหมายถึงแท่งแม่เหล็กถาวรหนึ่งในสองแท่ง โดยจะให้สนามแม่เหล็กที่จำเป็นในการเคลื่อนย้ายส่วนประกอบที่ระบุด้วยสีแดง มาแยกรายละเอียดเหล่านี้ให้ดูกันดีกว่า
สิ่งที่ดูเหมือนแผ่นสีขาวก็คือตัวกรองอีกแบบหนึ่ง มีเพียงตัวกรองนี้เท่านั้นที่กรองอนุภาคและก๊าซที่เข้ามาจากภายนอกผ่านรูที่เราเห็นด้านบน เดือยโลหะอยู่ คันโยกเคลื่อนศีรษะที่พวกเขาอยู่ หัวอ่าน-เขียน ฮาร์ดไดรฟ์. พวกมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมหาศาลไปตามพื้นผิวของแผ่นเปลือกโลก (บนและล่าง)
ชมวิดีโอนี้ที่สร้างโดย เพื่อดูว่ามันเร็วแค่ไหน:
การออกแบบไม่ได้ใช้อะไรเหมือน ; ในการขยับคันโยก กระแสไฟฟ้าจะถูกส่งผ่านโซลินอยด์ที่ฐานของคันโยก
โดยทั่วไปจะเรียกว่า เนื่องจากใช้หลักการเดียวกันกับที่ใช้ในลำโพงและไมโครโฟนในการเคลื่อนย้ายเมมเบรน กระแสจะสร้างสนามแม่เหล็กรอบๆ ซึ่งทำปฏิกิริยากับสนามที่สร้างโดยแท่งแม่เหล็กถาวร
อย่าลืมแทร็กข้อมูลนั้น ขนาดเล็กดังนั้นการวางตำแหน่งแขนจึงต้องแม่นยำอย่างยิ่ง เช่นเดียวกับส่วนอื่นๆ ในการขับเคลื่อน ฮาร์ดไดรฟ์บางตัวมีคันโยกแบบหลายขั้นตอนซึ่งทำการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในทิศทางของเพียงส่วนหนึ่งของคันโยกทั้งหมด
ฮาร์ดไดรฟ์บางตัวมีแทร็กข้อมูลที่ทับซ้อนกัน เทคโนโลยีนี้มีชื่อว่า (การบันทึกด้วยแม่เหล็กมุงหลังคา) และข้อกำหนดด้านความแม่นยำและการวางตำแหน่ง (นั่นคือการตีจุดหนึ่งอย่างต่อเนื่อง) นั้นเข้มงวดยิ่งขึ้น
ที่ปลายสุดของแขนจะมีหัวอ่าน-เขียนที่ละเอียดอ่อนมาก HDD ของเรามี 3 จานและ 6 หัว และแต่ละอัน ลอย เหนือดิสก์ขณะหมุน เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ หัวลำโพงจึงถูกแขวนไว้บนแถบโลหะบางเฉียบ
และที่นี่เราจะเห็นได้ว่าทำไมตัวอย่างทางกายวิภาคของเราถึงตาย - อย่างน้อยหัวหนึ่งข้างก็หลวม และอะไรก็ตามที่ทำให้เกิดความเสียหายครั้งแรก แขนข้างหนึ่งก็งอเช่นกัน ส่วนประกอบส่วนหัวทั้งหมดมีขนาดเล็กมาก ดังที่คุณเห็นด้านล่าง เป็นเรื่องยากมากที่จะได้ภาพที่ดีด้วยกล้องทั่วไป
อย่างไรก็ตาม เราสามารถแยกแต่ละส่วนออกจากกันได้ บล็อกสีเทาเป็นชิ้นส่วนที่ผลิตขึ้นเป็นพิเศษที่เรียกว่า "สไลเดอร์": ขณะที่จานหมุนอยู่ข้างใต้ การไหลของอากาศจะสร้างแรงยก และยกศีรษะขึ้นจากพื้นผิว และเมื่อเราพูดว่า "ลิฟต์" เราหมายถึงช่องว่างที่มีความกว้างเพียง 0,0000002 นิ้วหรือน้อยกว่า 5 นาโนเมตร
ยิ่งไปกว่านั้น ส่วนหัวจะไม่สามารถรับรู้การเปลี่ยนแปลงในสนามแม่เหล็กของแทร็กได้ ถ้าหัวนอนอยู่บนพื้นผิว พวกมันก็จะเกิดรอยขีดข่วนที่ผิวเคลือบ นี่คือเหตุผลที่คุณต้องกรองอากาศภายในกล่องไดรฟ์ ฝุ่นและความชื้นบนพื้นผิวของไดรฟ์จะทำให้ส่วนหัวหักได้
"เสา" โลหะเล็กๆ ที่ปลายส่วนหัวช่วยในเรื่องแอโรไดนามิกโดยรวม อย่างไรก็ตาม หากต้องการดูส่วนที่ทำหน้าที่อ่านและเขียน เราต้องการภาพถ่ายที่ดีกว่า
ในรูปของฮาร์ดไดรฟ์อื่นนี้ อุปกรณ์อ่าน/เขียนอยู่ใต้การเชื่อมต่อไฟฟ้าทั้งหมด การบันทึกจะดำเนินการโดยระบบ (การเหนี่ยวนำฟิล์มบาง, TFI) และการอ่าน - อุปกรณ์ (อุปกรณ์ต้านทานสนามแม่เหล็กแบบอุโมงค์ TMR)
สัญญาณที่ผลิตโดย TMR นั้นอ่อนมากและจะต้องส่งผ่านเครื่องขยายเสียงเพื่อเพิ่มระดับก่อนที่จะส่ง ชิปที่รับผิดชอบเรื่องนี้ตั้งอยู่ใกล้กับฐานของคันโยกในภาพด้านล่าง
ตามที่ระบุไว้ในบทนำของบทความ ส่วนประกอบทางกลและหลักการทำงานของฮาร์ดไดรฟ์มีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ที่สำคัญที่สุด เทคโนโลยีของรางแม่เหล็กและหัวอ่าน-เขียนได้รับการปรับปรุง ทำให้รางแคบและหนาแน่นมากขึ้น ซึ่งท้ายที่สุดก็นำไปสู่ปริมาณข้อมูลที่จัดเก็บเพิ่มขึ้น
อย่างไรก็ตาม ฮาร์ดไดร์ฟแบบกลไกมีข้อจำกัดด้านความเร็วที่ชัดเจน การเลื่อนคันโยกไปยังตำแหน่งที่ต้องการต้องใช้เวลา และหากข้อมูลกระจัดกระจายไปตามเส้นทางต่างๆ บนจานที่แตกต่างกัน ไดรฟ์จะใช้เวลาสองสามไมโครวินาทีในการค้นหาบิต
ก่อนที่จะย้ายไปยังไดรฟ์ประเภทอื่น เรามาระบุความเร็วโดยประมาณของ HDD ทั่วไปกันก่อน เราใช้เกณฑ์มาตรฐาน เพื่อประเมินฮาร์ดไดรฟ์ :
สองบรรทัดแรกระบุจำนวน MB ต่อวินาทีเมื่อดำเนินการอ่านและเขียนตามลำดับ (รายการยาวต่อเนื่อง) และสุ่ม (การเปลี่ยนผ่านทั่วทั้งไดรฟ์) บรรทัดถัดไปแสดงค่า IOPS ซึ่งเป็นจำนวนการดำเนินการ I/O ที่ทำทุกๆ วินาที บรรทัดสุดท้ายแสดงเวลาแฝงเฉลี่ย (เวลาเป็นไมโครวินาที) ระหว่างการส่งการดำเนินการอ่านหรือเขียนและรับค่าข้อมูล
โดยทั่วไป เรามุ่งมั่นที่จะให้แน่ใจว่าค่าในสามบรรทัดแรกมีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และในบรรทัดสุดท้ายมีค่าน้อยที่สุด ไม่ต้องกังวลกับตัวเลข เราจะใช้มันเพื่อเปรียบเทียบเมื่อเราดูไดรฟ์ประเภทอื่น: ไดรฟ์โซลิดสเทต
ที่มา: will.com