Nó có từ tính. Nó là điện. Đó là quang tử. Không, đây không phải là bộ ba siêu anh hùng mới của vũ trụ Marvel. Đó là về việc lưu trữ dữ liệu kỹ thuật số quý giá của chúng tôi. Chúng ta cần lưu trữ chúng ở đâu đó, an toàn và ổn định để có thể truy cập và thay đổi chúng trong chớp mắt. Hãy quên Iron Man và Thor đi - chúng ta đang nói về ổ cứng!
Vì vậy, hãy đi sâu vào cấu tạo của các thiết bị chúng ta sử dụng ngày nay để lưu trữ hàng tỷ bit dữ liệu.
Anh quay em ngay đi cưng
Cơ khí lưu trữ ổ cứng (ổ đĩa cứng, HDD) đã là tiêu chuẩn lưu trữ cho máy tính trên toàn thế giới trong hơn 30 năm qua, nhưng công nghệ đằng sau nó đã cũ hơn nhiều.
IBM phát hành ổ cứng HDD thương mại đầu tiên , dung lượng của nó lên tới 3,75 MB. Và nhìn chung, suốt ngần ấy năm, cấu trúc chung của ổ đĩa không có nhiều thay đổi. Nó vẫn có các đĩa sử dụng từ hóa để lưu trữ dữ liệu và có các thiết bị để đọc/ghi dữ liệu đó. Đã thay đổi Điều tương tự và rất mạnh mẽ là lượng dữ liệu có thể được lưu trữ trên chúng.
Năm 1987 có thể với giá khoảng $350; Hôm nay bạn có thể mua 14 TB: trong 700 000 lần khối lượng.
Chúng ta sẽ xem xét một thiết bị có kích thước không hoàn toàn giống nhưng cũng khá tốt theo tiêu chuẩn hiện đại: ổ cứng 3,5 inch Seagate Barracuda 3 TB, đặc biệt là model , khét tiếng vì nó и . Ổ đĩa mà chúng ta đang nghiên cứu đã chết rồi, vì vậy đây sẽ giống một cuộc khám nghiệm tử thi hơn là một bài học giải phẫu.
Phần lớn ổ cứng được đúc bằng kim loại. Các lực bên trong thiết bị trong quá trình sử dụng có thể khá nghiêm trọng nên kim loại dày giúp ngăn ngừa sự uốn cong và rung lắc của vỏ máy. Ngay cả những ổ cứng HDD 1,8 inch siêu nhỏ cũng sử dụng kim loại làm vật liệu vỏ, nhưng chúng thường được làm từ nhôm chứ không phải thép vì chúng cần phải càng nhẹ càng tốt.
Lật ổ đĩa lại, chúng ta thấy một bảng mạch in và một số đầu nối. Đầu nối ở đầu bo mạch được sử dụng cho động cơ quay đĩa và ba đầu nối phía dưới (từ trái sang phải) là các chân nhảy cho phép bạn định cấu hình ổ đĩa cho một số cấu hình nhất định, đầu nối dữ liệu SATA (Serial ATA) và đầu nối nguồn SATA.
Serial ATA xuất hiện lần đầu tiên vào năm 2000. Trong máy tính để bàn, đây là hệ thống tiêu chuẩn được sử dụng để kết nối ổ đĩa với phần còn lại của máy tính. Đặc tả định dạng đã trải qua nhiều lần sửa đổi và chúng tôi hiện đang sử dụng phiên bản 3.4. Thân ổ cứng của chúng tôi là phiên bản cũ hơn nhưng điểm khác biệt chỉ là một chân cắm ở đầu nối nguồn.
Trong các kết nối dữ liệu, nó được sử dụng để nhận và nhận dữ liệu. : Chân A+ và A- được sử dụng cho chuyển nhượng hướng dẫn và dữ liệu vào ổ cứng, và các chân B dành cho nhận những tín hiệu này. Việc sử dụng dây dẫn ghép nối này làm giảm đáng kể ảnh hưởng của nhiễu điện lên tín hiệu, nghĩa là thiết bị có thể hoạt động nhanh hơn.
Nếu nói về nguồn điện, chúng ta thấy đầu nối có một cặp tiếp điểm mỗi điện áp (+3.3, +5 và +12V); tuy nhiên hầu hết chúng đều không được sử dụng vì ổ cứng HDD không cần nhiều điện năng. Model Seagate đặc biệt này sử dụng ít hơn 10 watt khi tải hoạt động. Danh bạ được đánh dấu PC được sử dụng cho nạp tiền trước: Tính năng này cho phép bạn tháo và kết nối ổ cứng trong khi máy tính vẫn tiếp tục hoạt động (cái này được gọi là Hoán đổi nóng).
Liên hệ với thẻ PWDIS cho phép ổ cứng, nhưng chức năng này chỉ được hỗ trợ từ phiên bản SATA 3.3 nên trong ổ của tôi nó chỉ là một đường nguồn +3.3V khác mà thôi. Và chân cuối cùng, có nhãn SSU, chỉ đơn giản cho máy tính biết liệu ổ cứng có hỗ trợ công nghệ quay vòng tuần tự hay không. quay loạng choạng.
Trước khi máy tính có thể sử dụng chúng, các ổ đĩa bên trong thiết bị (chúng ta sẽ sớm thấy) phải quay với tốc độ tối đa. Nhưng nếu có nhiều ổ cứng được lắp trong máy thì việc yêu cầu nguồn điện đồng thời đột ngột có thể gây hại cho hệ thống. Việc quay trục xoay dần dần sẽ loại bỏ hoàn toàn khả năng xảy ra những sự cố như vậy, nhưng bạn sẽ phải đợi vài giây trước khi có toàn quyền truy cập vào ổ cứng HDD.
Bằng cách tháo bảng mạch ra, bạn có thể thấy nó kết nối với các linh kiện bên trong thiết bị như thế nào. ổ cứng đừng niêm phong, ngoại trừ các thiết bị có dung lượng rất lớn - chúng sử dụng khí heli thay vì không khí vì nó ít đậm đặc hơn nhiều và tạo ra ít vấn đề hơn trong các ổ đĩa có số lượng đĩa lớn. Mặt khác, bạn không nên để ổ đĩa thông thường ra môi trường mở.
Nhờ sử dụng các đầu nối như vậy, số lượng điểm vào mà bụi bẩn có thể xâm nhập vào bên trong ổ đĩa được giảm thiểu; có một lỗ trên vỏ kim loại (chấm lớn màu trắng ở góc dưới bên trái của hình ảnh) cho phép áp suất xung quanh duy trì bên trong.
Bây giờ PCB đã được gỡ bỏ, chúng ta hãy xem những gì bên trong. Có bốn chip chính:
- LSI B64002: Chip điều khiển chính xử lý các lệnh, truyền luồng dữ liệu vào và ra, sửa lỗi, v.v.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM tốc độ 800 MHz, dùng để lưu trữ dữ liệu
- Smooth MCKXL: điều khiển động cơ quay đĩa
- Winbond 25Q40BWS05: 500 KB bộ nhớ flash nối tiếp dùng để lưu trữ firmware của ổ đĩa (hơi giống BIOS của máy tính)
Các thành phần PCB của các ổ cứng khác nhau có thể khác nhau. Kích thước lớn hơn yêu cầu nhiều bộ đệm hơn (những con quái vật hiện đại nhất có thể có tới 256 MB DDR3) và chip điều khiển chính có thể phức tạp hơn một chút trong việc xử lý lỗi, nhưng nhìn chung, sự khác biệt không quá lớn.
Mở ổ đĩa thật dễ dàng, chỉ cần tháo một vài bu lông Torx và thì đấy! Chúng tôi đang ở bên trong...
Vì nó chiếm phần lớn diện tích của thiết bị nên sự chú ý của chúng ta ngay lập tức đổ dồn vào vòng tròn kim loại lớn; thật dễ hiểu tại sao ổ đĩa được gọi là đĩa. Gọi họ là đúng tấm; chúng được làm bằng thủy tinh hoặc nhôm và được phủ nhiều lớp vật liệu khác nhau. Ổ đĩa 3TB này có ba đĩa, nghĩa là 500GB sẽ được lưu trữ trên mỗi mặt của một đĩa.
Hình ảnh khá bụi bặm, những tấm đĩa bẩn như vậy không phù hợp với độ chính xác về thiết kế và chế tạo cần thiết để làm ra chúng. Trong ví dụ về ổ cứng HDD của chúng tôi, bản thân đĩa nhôm dày 0,04 inch (1 mm), nhưng được đánh bóng đến mức chiều cao trung bình của các sai lệch trên bề mặt nhỏ hơn 0,000001 inch (khoảng 30 nm).
Lớp nền chỉ sâu 0,0004 inch (10 micron) và bao gồm nhiều lớp vật liệu được lắng đọng trên kim loại. Ứng dụng được thực hiện bằng cách sử dụng theo dõi bởi , chuẩn bị đĩa cho các vật liệu từ tính cơ bản được sử dụng để lưu trữ dữ liệu số.
Vật liệu này thường là hợp kim coban phức tạp và bao gồm các vòng tròn đồng tâm, mỗi vòng rộng khoảng 0,00001 inch (khoảng 250 nm) và sâu 0,000001 inch (25 nm). Ở cấp độ vi mô, hợp kim kim loại tạo thành các hạt tương tự như bong bóng xà phòng trên bề mặt nước.
Mỗi hạt có từ trường riêng nhưng nó có thể biến đổi theo một hướng nhất định. Việc nhóm các trường như vậy sẽ tạo ra các bit dữ liệu (0 và 1). Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về chủ đề này, hãy đọc Đại học Yale. Lớp phủ cuối cùng là một lớp cacbon để bảo vệ và sau đó là polyme để giảm ma sát tiếp xúc. Cùng với nhau, chúng dày không quá 0,0000005 inch (12 nm).
Chúng ta sẽ sớm hiểu tại sao các tấm bán dẫn phải được sản xuất với dung sai chặt chẽ như vậy, nhưng vẫn thật ngạc nhiên khi nhận ra rằng Bạn có thể trở thành chủ sở hữu đáng tự hào của một thiết bị được sản xuất với độ chính xác nanomet!
Tuy nhiên, chúng ta hãy quay lại ổ cứng HDD và xem có gì khác trong đó.
Màu vàng cho thấy vỏ kim loại gắn chặt tấm vào Động cơ điện dẫn động trục chính - một ổ điện làm quay các đĩa. Trong ổ cứng này, chúng quay với tần số 7200 vòng/phút (vòng/phút), nhưng ở các mẫu khác, chúng có thể hoạt động chậm hơn. Ổ đĩa chậm có độ ồn và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn nhưng tốc độ cũng thấp hơn, trong khi ổ đĩa nhanh hơn có thể đạt tốc độ 15 vòng/phút.
Để giảm thiệt hại do bụi và độ ẩm không khí gây ra, hãy sử dụng bộ lọc tuần hoàn (hình vuông màu xanh lá cây), thu thập các hạt nhỏ và giữ chúng bên trong. Không khí được di chuyển nhờ sự quay của các tấm đảm bảo dòng chảy liên tục qua bộ lọc. Phía trên các đĩa và bên cạnh bộ lọc có một trong ba máy tách tấm: giúp giảm độ rung và duy trì luồng không khí đều nhất có thể.
Ở phần trên bên trái của hình ảnh, hình vuông màu xanh biểu thị một trong hai thanh nam châm vĩnh cửu. Chúng cung cấp từ trường cần thiết để di chuyển thành phần được đánh dấu màu đỏ. Hãy tách các chi tiết này ra để nhìn rõ hơn nhé.
Thứ trông giống như một mảng màu trắng là một bộ lọc khác, chỉ có điều bộ lọc này lọc các hạt và khí xâm nhập từ bên ngoài qua lỗ mà chúng ta đã thấy ở trên. Gai kim loại là đòn bẩy chuyển động đầu, trên đó chúng nằm đầu đọc ghi ổ cứng. Chúng di chuyển với tốc độ khủng khiếp dọc theo bề mặt của các tấm (trên và dưới).
Xem video này được tạo bởi để xem chúng nhanh như thế nào:
Thiết kế không sử dụng bất cứ thứ gì như ; Để di chuyển các đòn bẩy, một dòng điện được truyền qua một cuộn dây điện từ ở chân đòn bẩy.
Nói chung chúng được gọi là , bởi vì chúng sử dụng nguyên lý tương tự được sử dụng trong loa và micro để di chuyển màng. Dòng điện tạo ra một từ trường xung quanh chúng, từ trường này phản ứng với từ trường được tạo ra bởi các thanh nam châm vĩnh cửu.
Đừng quên theo dõi dữ liệu nhỏ xíu, vì vậy vị trí của các cánh tay phải cực kỳ chính xác, giống như mọi thứ khác trong ổ đĩa. Một số ổ đĩa cứng có đòn bẩy nhiều tầng tạo ra những thay đổi nhỏ theo hướng chỉ một phần của toàn bộ đòn bẩy.
Một số ổ đĩa cứng có các rãnh dữ liệu chồng lên nhau. Công nghệ này được gọi là (ghi từ tính bằng tấm lợp) và các yêu cầu về độ chính xác và định vị (nghĩa là liên tục đánh vào một điểm) thậm chí còn khắt khe hơn.
Ở cuối cánh tay có các đầu đọc ghi rất nhạy. Ổ cứng HDD của chúng tôi có 3 đĩa và 6 đầu, mỗi đầu đều nổi phía trên đĩa khi nó quay. Để đạt được điều này, các đầu được treo trên các dải kim loại siêu mỏng.
Và ở đây chúng ta có thể hiểu tại sao mẫu vật giải phẫu của chúng ta lại chết - ít nhất một trong những cái đầu bị lỏng ra và bất cứ nguyên nhân gây ra thiệt hại ban đầu nào cũng làm cong một trong hai cánh tay. Toàn bộ thành phần đầu nhỏ đến mức, như bạn có thể thấy bên dưới, rất khó để có được một bức ảnh đẹp về nó bằng máy ảnh thông thường.
Tuy nhiên, chúng ta có thể tách từng phần riêng lẻ ra. Khối màu xám là một bộ phận được sản xuất đặc biệt gọi là "thanh trượt": Khi đĩa quay bên dưới, luồng không khí tạo ra lực nâng, nâng đầu đĩa lên khỏi bề mặt. Và khi chúng tôi nói “thang máy”, chúng tôi muốn nói đến một khoảng trống chỉ rộng 0,0000002 inch hoặc nhỏ hơn 5 nm.
Xa hơn nữa, người đứng đầu sẽ không thể nhận ra những thay đổi trong từ trường của đường ray; nếu các đầu nằm trên bề mặt, chúng sẽ làm xước lớp phủ. Đây là lý do tại sao bạn cần lọc không khí bên trong hộp ổ đĩa: bụi và hơi ẩm trên bề mặt ổ đĩa sẽ làm vỡ các đầu ổ đĩa.
Một "cột" kim loại nhỏ ở cuối đầu giúp tạo ra tính khí động học tổng thể. Tuy nhiên, để xem được những phần thực hiện việc đọc và viết, chúng ta cần một bức ảnh đẹp hơn.
Trong hình ảnh một ổ cứng khác này, các thiết bị đọc/ghi nằm bên dưới tất cả các kết nối điện. Việc ghi âm được thực hiện bởi hệ thống (cảm ứng màng mỏng, TFI) và đọc - thiết bị (thiết bị từ điện trở đường hầm, TMR).
Tín hiệu do TMR tạo ra rất yếu và phải được truyền qua bộ khuếch đại để tăng mức độ trước khi gửi đi. Con chip chịu trách nhiệm cho việc này nằm gần chân đòn bẩy trong hình ảnh bên dưới.
Như đã nêu ở phần mở đầu bài viết, các bộ phận cơ khí và nguyên lý hoạt động của ổ cứng ít có sự thay đổi trong những năm qua. Trên hết, công nghệ rãnh từ và đầu đọc ghi đã được cải tiến, tạo ra các rãnh ngày càng hẹp và dày đặc, cuối cùng dẫn đến sự gia tăng lượng thông tin được lưu trữ.
Tuy nhiên, ổ cứng cơ học có những hạn chế về tốc độ rõ ràng. Cần có thời gian để di chuyển các cần gạt đến vị trí mong muốn và nếu dữ liệu nằm rải rác trên các rãnh khác nhau trên các đĩa khác nhau thì ổ đĩa sẽ mất khá nhiều micro giây để tìm kiếm bit.
Trước khi chuyển sang loại ổ đĩa khác, hãy cho biết tốc độ gần đúng của ổ cứng HDD thông thường. Chúng tôi đã sử dụng điểm chuẩn để đánh giá ổ cứng :
Hai dòng đầu tiên cho biết số MB mỗi giây khi thực hiện đọc và ghi tuần tự (danh sách dài, liên tục) và ngẫu nhiên (chuyển đổi trong toàn bộ ổ đĩa). Dòng tiếp theo hiển thị giá trị IOPS, là số thao tác I/O được thực hiện mỗi giây. Dòng cuối cùng hiển thị độ trễ trung bình (thời gian tính bằng micro giây) giữa việc truyền thao tác đọc hoặc ghi và nhận các giá trị dữ liệu.
Nói chung, chúng tôi cố gắng đảm bảo rằng các giá trị ở ba dòng đầu tiên càng lớn càng tốt và ở dòng cuối cùng càng nhỏ càng tốt. Đừng lo lắng về các con số, chúng ta sẽ chỉ sử dụng chúng để so sánh khi xem xét một loại ổ đĩa khác: ổ đĩa thể rắn.
Nguồn: www.habr.com