Він магнітний. Він електричний. Він фотонний. Ні, це не нове супергеройське тріо із всесвіту Marvel. Йдеться про зберігання наших дорогоцінних цифрових даних. Нам потрібно десь їх зберігати, надійно та стабільно, щоб ми могли мати до них доступ та змінювати за мить. Забудьте про Залізну людину та Тору — ми говоримо про жорсткі диски!
Отже, поринемо у вивченні анатомії пристроїв, які ми сьогодні використовуємо для зберігання мільярдів бітів даних.
You spin me right round, baby
Механічний накопичувач на жорстких дисках (hard disk drive, HDD) був стандартом систем зберігання для комп'ютерів по всьому світу протягом більше 30 років, але технології, що лежать в його основі, набагато старші.
Перший комерційний HDD компанія IBM випустила , Його ємність становила аж 3,75 МБ. І загалом, за всі ці роки загальна структура накопичувача не сильно змінилася. У ньому, як і раніше, є диски, які використовують для зберігання даних намагніченість, і є пристрої для читання/запису цих даних. Змінився ж, і дуже сильно, обсяг даних, який можна на них зберігати.
1987 року можна було приблизно за 350 доларів; сьогодні можна купити 14 ТБ: 700 000 разів більший обсяг.
Ми розглянемо пристрій не зовсім такого розміру, але теж гідний за сучасними мірками: 3,5-дюймовий HDD Seagate Barracuda 3 TB, зокрема модель , сумно відому своїм и . Накопичувач, що вивчається, вже мертвий, тому це буде більше схоже на аутопсію, ніж на урок анатомії.
Основну масу жорсткого диска складає литий метал. Сили всередині пристрою при активному використанні можуть бути досить серйозними, тому товстий метал перешкоджає згинання та вібрації корпусу. Навіть у крихітних 1,8-дюймових HDD як матеріал корпусу використовуються метал, проте зазвичай вони робляться не зі сталі, а з алюмінію, тому що повинні бути якомога легшими.
Перевернувши накопичувач, ми бачимо друковану плату та кілька роз'ємів. Роз'єм у верхній частині плати використовується для двигуна, що обертає диски, а нижні три (зліва направо) - це контакти під перемички, що дозволяють налаштовувати накопичувач під певні конфігурації, роз'єм даних SATA (Serial ATA) та роз'єм живлення SATA.
Serial ATA вперше з'явився у 2000 році. У настільних комп'ютерах це стандартна система, яка використовується для підключення приводів до решти комп'ютера. Специфікація формату зазнала множини ревізій, і зараз ми користуємося версією 3.4. Наш труп жорсткого диска має старішу версію, але різниця полягає лише в одному контакті в роз'ємі живлення.
У підключеннях передачі даних для прийому та отримання даних використовується : контакти A+ та A- використовуються для передачі інструкцій та даних у жорсткий диск, а контакти B – для отримання цих сигналів. Подібне використання спарених провідників значно знижує вплив на сигнал електричного шуму, тобто пристрій може працювати швидше.
Якщо говорити про харчування, то ми бачимо, що в роз'ємі є по парі контактів кожної напруги (+3.3, +5 та +12V); проте більшість із них не використовується, тому що HDD не потребує багато живлення. Ця конкретна модель Seagate за активного навантаження використовує менше 10 Вт. Контакти, позначені як PC, використовуються для попередня зарядка: ця функція дозволяє витягувати та підключати жорсткий диск, поки комп'ютер продовжує працювати (це називається гарячою заміною (hot swapping)).
Контакт із міткою PWDIS дозволяє жорсткий диск, але ця функція підтримується тільки з версії SATA 3.3, тому в моєму диску це ще одна лінія живлення +3.3V. А останній контакт, позначений як SSU, просто повідомляє комп'ютеру, чи жорсткий диск підтримує технологію послідовної розкрутки шпинделів. staggered spin up.
Перед тим, як комп'ютер зможе їх використовувати, диски всередині пристрою (які скоро побачимо), повинні розкрутитися до повної швидкості. Але якщо в машині встановлено багато жорстких дисків, то раптовий одночасний запит може нашкодити системі. Поступове розкручування шпинделів повністю усуває можливість таких проблем, але при цьому перед отриманням повного доступу до HDD доведеться почекати кілька секунд.
Знявши друковану плату, можна побачити, як вона з'єднується з компонентами всередині пристрою. HDD не герметичні, За винятком пристроїв з дуже великими ємностями - в них замість повітря використовується гелій, тому що він набагато менш щільний і створює менше проблем у накопичувачах з великою кількістю дисків. З іншого боку, не варто піддавати звичайні накопичувачі відкритого впливу навколишнього середовища.
Завдяки використанню таких роз'ємів мінімізується кількість вхідних точок, через які всередину накопичувача можуть потрапити бруд та пил; у металевому корпусі є отвір (велика біла точка у лівому нижньому куті зображення), що дозволяє зберігати всередині тиск навколишнього середовища.
Тепер, коли друкована плата знята, погляньмо, що знаходиться всередині. Тут є чотири основні чіпи:
- LSI B64002: чіп основного контролера, що обробляє інструкції, що передає потоки даних всередину та назовні, коригує помилки тощо.
- Samsung K4T51163QJ: 64 МБ DDR2 SDRAM з тактовою частотою 800 МГц, які використовуються для кешування даних
- Smooth MCKXL: керує двигуном, що крутить диски
- Winbond 25Q40BWS05: 500 КБ послідовної флеш-пам'яті, що використовується для зберігання вбудованого програмного забезпечення накопичувача (трохи схожого на BIOS комп'ютера)
Компоненти друкованої плати HDD можуть відрізнятися. Для більших обсягів потрібно більше кешу (у найсучасніших монстрах може бути до 256 МБ DDR3), а чіп основного контролера може бути трохи витонченішим в обробці помилок, але в цілому відмінності не такі великі.
Відкрити накопичувач просто, достатньо відкрутити кілька болтів Torx та вуаля! Ми всередині…
Враховуючи, що він займає основну частину пристрою, нашу увагу привертає велике металеве коло; нескладно зрозуміти, чому накопичувачі називаються дисковими. Правильно їх називати пластинами; вони виготовляються зі скла або алюмінію та покриваються кількома шарами різних матеріалів. Цей накопичувач на 3 ТБ має три пластини, тобто на кожному боці однієї пластини має зберігатися 500 ГБ.
Зображення досить запорошене, такі брудні пластини не відповідають точності проектування та виробництва, необхідного для їх виготовлення. У нашому прикладі HDD сам алюмінієвий диск має товщину 0,04 дюйма (1 мм), але відполірований настільки, що середня висота відхилень на поверхні менше 0,000001 дюйма (приблизно 30 нм).
Базовий шар має глибину всього 0,0004 дюйми (10 мікронів) і складається з декількох шарів матеріалів, нанесених на метал. Нанесення виконується за допомогою з наступним , які готують диск для основних магнітних матеріалів, що використовуються для зберігання цифрових даних.
Цей матеріал зазвичай є складним кобальтовим сплавом і складений з концентричних кіл, кожен з яких приблизно 0,00001 дюйма (приблизно 250 нм) завширшки і 0,000001 дюйма (25 нм) у глибину. На мікрорівні метали утворюють зерна, схожі на мильні бульбашки на поверхні води.
Кожне зерно має власне магнітне поле, але його можна перетворити в заданому напрямку. Групування таких полів призводить до виникнення біт даних (0 і 1). Якщо ви хочете докладніше дізнатися про цю тему, прочитайте Єльського університету. Останніми покриттями стають шар вуглецю для захисту, а потім полімер зниження контактного тертя. Водночас їхня товщина становить не більше 0,0000005 дюйма (12 нм).
Незабаром ми побачимо, чому пластини повинні виготовлятися з такими строгими допусками, але дивовижно усвідомлювати, що можна стати гордим власником пристрою, зробленого з нанометровою точністю!
Однак давайте знову повернемося до HDD і подивимося, що ж в ньому є ще.
Жовтим кольором показана металева кришка, що надійно кріпить пластину до електродвигуна приводу шпинделя - електроприводу, що обертає диски. У цьому HDD вони обертаються із частотою 7200 rpm (оборотів/хв), але в інших моделях можуть працювати повільніше. Повільні накопичувачі мають знижений шум та енергоспоживання, але й меншу швидкість, а швидші накопичувачі можуть досягати швидкості 15 000 rpm.
Щоб знизити шкоду, що наноситься пилом і вологою повітря, використовується фільтр рециркуляції (зелений квадрат), що збирає дрібні частинки і утримує їх усередині. Повітря, що переміщається обертанням пластин, забезпечує постійний потік через фільтр. Над дисками та поруч із фільтром є один із трьох роздільників пластин: допомагають знижувати вібрації та підтримувати якомога рівномірніший потік повітря.
У верхній лівій частині зображення синім квадратом вказаний один з двох постійних стрижневих магнітів. Вони забезпечують магнітне поле, необхідне переміщення компонента, вказаного червоним кольором. Давайте відокремимо ці деталі, щоб бачити їх краще.
Те, що виглядає як білий пластир - це ще один фільтр, тільки він очищає частинки та гази, що потрапляють зовні через отвір, який ми бачили вище. Металеві шипи - це важелі переміщення головок, на яких знаходяться головки читання-запису жорсткого диска. Вони з величезною швидкістю рухаються поверхнею пластин (верхньої і нижньої).
Подивіться це відео, створене , щоб побачити, наскільки вони швидкі:
У конструкції не використовується чогось на зразок ; для переміщення важелів по соленоїду на підставі важелів проводиться електричний струм.
Узагальнено їх називають , тому що вони використовують той же принцип, який застосовується в динаміках та мікрофонах для переміщення мембран. Струм генерує навколо них магнітне поле, яке реагує на поле, створене постійними стрижневими магнітами.
Не забувайте, що доріжки даних крихітнітому позиціонування важелів має бути надзвичайно точним, як і все інше в накопичувачі. Деякі жорсткі диски мають багатоступінчасті важелі, які вносять невеликі зміни в напрямок лише однієї частини цілого важеля.
У деяких жорстких дисках записи даних накладаються один на одного. Ця технологія називається (shingled magnetic recording), та її вимоги до точності та позиціонування (тобто до потрапляння постійно в одну точку) ще суворіше.
На самому кінці важелів дуже чутливі головки читання-запису. У нашому HDD міститься 3 пластини та 6 головок, і кожна з них плаває над диском під час його обертання. Для цього головки підвішені на надтонких смужках металу.
І тут ми можемо побачити, чому помер наш анатомічний зразок — принаймні одна з головок розбовталася, і хоч би що викликало початкове пошкодження, воно також погнуло один із важелів. Весь компонент головки настільки малий, що, як бачимо нижче, дуже складно отримати її якісний знімок звичайною камерою.
Проте, ми можемо розібрати окремі частини. Сірий блок - це спеціально виготовлена деталь під назвою «слайдер»: коли диск обертається під ним, потік повітря створює підйомну силу піднімаючи головку від поверхні. І коли ми говоримо «піднімає», то маємо на увазі зазор шириною всього 0,0000002 дюйми або менше 5 нм.
Трохи далі і головки не зможуть розпізнавати зміни магнітних полів доріжки; якби головки лежали на поверхні, то просто подряпали б покриття. Саме тому потрібно фільтрувати повітря всередині корпусу накопичувача: пил та волога на поверхні диска просто зламають головки.
Крихітна металева «жердина» на кінці головки допомагає із загальною аеродинамікою. Однак, щоб побачити частини, які виконують читання та запис, нам потрібна фотографія краще.
На зображенні іншого жорсткого диска пристрою читання та запису знаходяться під усіма електричними з'єднаннями. Запис виконується системою (thin film induction, TFI), а читання - пристроєм (тунельний magnetoresistive device, TMR).
Створювані сигнали TMR дуже слабкі і перед відправкою повинні проходити через підсилювач для підвищення рівнів. Чіп, що відповідає за це, знаходиться поряд з підставою важелів на зображенні нижче.
Як сказано у вступі до статті, механічні компоненти та принцип роботи жорсткого диска майже не змінилися за багато років. Найбільше вдосконалювалася технологія магнітних доріжок і головок читання-запису, створюючи все більш вузькі та щільні доріжки, що зрештою призводило до збільшення обсягу інформації, що зберігається.
Однак механічні жорсткі диски мають очевидні обмеження швидкості. На переміщення важелів у потрібне положення потрібен час, а якщо дані розкидані по різних доріжках на різних пластинах, то на пошуки бітів накопичувач витрачатиме багато мікросекунд.
Перш ніж переходити до іншого типу накопичувачів, вкажемо орієнтовні показники швидкості типового HDD. Ми використовували бенчмарк для оцінки жорсткого диска :
У перших двох рядках вказано кількість МБ в секунду при виконанні послідовних (довгий, безперервний список) та випадкових (переходи по всьому накопичувачу) читання та запису. У наступному рядку показано значення IOPS, тобто кількість операцій введення-виводу, що виконуються кожну секунду. В останньому рядку показано середню затримку (час у мікросекундах) між передачею операції читання або запису та отриманням значень даних.
У загальному випадку ми прагнемо до того, щоб значення в перших трьох рядках були якнайбільше, а в останньому рядку — якнайменше. Не турбуйтеся про самі числа, ми просто використовуємо їх для порівняння, коли розглядатимемо інший тип накопичувача: твердотільний накопичувач.
Джерело: habr.com