它是有磁性的。 它是电动的。 它是光子的。 不，这不是漫威宇宙中的新超级英雄三人组。 这是关于存储我们宝贵的数字数据。 我们需要将它们安全稳定地存储在某个地方，以便我们可以在眨眼之间访问和更改它们。 忘记钢铁侠和雷神 - 我们谈论的是硬盘！
因此，让我们深入了解一下我们今天用来存储数十亿位数据的设备。
你让我旋转，宝贝
机械 硬盘存储 （硬盘驱动器，HDD）30 多年来一直是全球计算机的存储标准，但其背后的技术却要古老得多。
IBM发布首款商用硬盘 ，其容量高达3,75 MB。 总的来说，这些年来驱动器的总体结构没有太大变化。 它仍然有使用磁化来存储数据的磁盘，并且有读取/写入该数据的设备。 已经改变 同样且非常强大的是它们可以存储的数据量。
1987年，这是可能的 约 350 美元； 今天 您可以购买 14 TB： 700 000 倍体积。
我们将看看一款尺寸不完全相同，但按照现代标准来看也不错的设备：3,5 英寸 HDD Seagate Barracuda 3 TB，特别是该型号 , 因其 и 。 我们正在研究的驱动器已经死了，所以这更像是尸检而不是解剖课。
硬盘驱动器的大部分是铸造金属。 在实际使用过程中，设备内部的力可能非常严重，因此厚金属可以防止外壳弯曲和振动。 即使是微型 1,8 英寸 HDD 也使用金属作为外壳材料，但它们通常由铝而不是钢制成，因为它们需要尽可能轻。
将驱动器翻过来，我们看到一块印刷电路板和几个连接器。 板顶部的连接器用于旋转磁盘的电机，底部的三个（从左到右）是跳线针，允许您将驱动器配置为某些配置，SATA（串行 ATA）数据连接器和一个 SATA 电源连接器。
串行 ATA 于 2000 年首次出现。 在台式计算机中，这是用于将驱动器连接到计算机其余部分的标准系统。 格式规范经历了多次修订，目前我们使用的是3.4版本。 我们的硬盘尸体是旧版本，但区别仅在于电源连接器中的一个针脚。
在数据连接中，用于接收和接收数据。 ：引脚 A+ 和 A- 用于 转让 指令和数据到硬盘驱动器，引脚B用于 получения 这些信号。 这种成对导体的使用显着降低了电噪声对信号的影响，这意味着设备可以更快地运行。
如果我们谈论电源，我们会看到连接器有一对每种电压（+3.3、+5 和 +12V）的触点； 然而，大多数都没有被使用，因为 HDD 不需要太多电力。 该特定 Seagate 型号在有源负载下的功耗低于 10 瓦。 标有 PC 的触点用于 预充电：此功能允许您在计算机继续工作的情况下移除和连接硬盘驱动器（这称为 热插拔).
与 PWDIS 标签接触允许 硬盘，但此功能仅从 SATA 3.3 版本开始支持，因此在我的硬盘中，它只是另一条 +3.3V 电源线。 最后一个引脚（标记为 SSU）只是告诉计算机硬盘驱动器是否支持顺序旋转技术。 交错旋转.
在计算机可以使用它们之前，设备内部的驱动器（我们很快就会看到）必须全速旋转。 但是，如果机器中安装了许多硬盘驱动器，那么突然同时发出电源请求可能会损害系统。 逐渐旋转主轴完全消除了此类问题的可能性，但您必须等待几秒钟才能完全访问硬盘驱动器。
通过拆下电路板，您可以看到它如何与设备内部的组件连接。 硬盘 未密封，除了容量非常大的设备之外，它们使用氦气代替空气，因为氦气的密度要小得多，并且在具有大量磁盘的驱动器中产生的问题更少。 另一方面，您不应该将传统驱动器暴露在开放环境中。
由于使用了此类连接器，可以最大程度地减少污垢和灰尘进入驱动器的入口点数量； 金属外壳上有一个孔（图像左下角的大白点），可以让环境压力保持在内部。
现在PCB已经拆下来了，我们来看看里面有什么。 主要有四种芯片：
- LSI B64002：主控芯片，处理指令、传入传出数据流、纠正错误等。
- 三星 K4T51163QJ：64 MB DDR2 SDRAM，主频为 800 MHz，用于数据缓存
- Smooth MCKXL：控制旋转光盘的电机
- Winbond 25Q40BWS05：500 KB 串行闪存，用于存储驱动器固件（有点像计算机的 BIOS）
不同硬盘的PCB组件可能有所不同。 更大的尺寸需要更多的缓存（最现代的怪物可以拥有高达 256 MB 的 DDR3），并且主控制器芯片在错误处理方面可能会更复杂一些，但总体而言差异并不那么大。
打开驱动器很容易，只需拧下一些梅花螺栓即可！ 我们在里面...
考虑到它占据了设备的大部分，我们的注意力立即被大金属圈吸引； 很容易理解为什么调用驱动器 磁盘。 称呼他们是正确的 盘子; 它们由玻璃或铝制成，并涂有多层不同的材料。 这款 3TB 驱动器具有三个盘片，这意味着一个盘片的每一侧应存储 500GB。
图像布满灰尘，这种脏盘子不符合制造它们所需的设计和制造精度。 在我们的 HDD 示例中，铝盘本身厚 0,04 英寸（1 毫米），但经过抛光，表面偏差的平均高度小于 0,000001 英寸（约 30 纳米）。
基层只有 0,0004 英寸（10 微米）深，由沉积在金属上的多层材料组成。 应用程序是使用完成的 其次是 ，为用于存储数字数据的基本磁性材料准备磁盘。
这种材料通常是一种复杂的钴合金，由同心圆组成，每个同心圆大约 0,00001 英寸（大约 250 纳米）宽，0,000001 英寸（25 纳米）深。 在微观层面上，金属合金在水表面形成类似于肥皂泡的颗粒。
每个颗粒都有自己的磁场，但它可以向给定的方向转变。 对这些字段进行分组会产生数据位（0 和 1）。 如果您想了解有关此主题的更多信息，请阅读 耶鲁大学。 最终的涂层是一层用于保护的碳，然后是一层聚合物以减少接触摩擦。 它们的厚度合计不超过 0,0000005 英寸（12 纳米）。
我们很快就会明白为什么晶圆必须按照如此严格的公差制造，但仍然令人惊讶地意识到 您可以自豪地拥有纳米精度制造的设备！
不过，让我们回到硬盘本身，看看里面还有什么。
黄色表示金属盖将板牢固地固定在 主轴驱动电机 - 旋转磁盘的电力驱动器。 在此 HDD 中，它们的旋转频率为 7200 rpm（转/分钟），但在其他型号中，它们的工作速度可能较慢。 慢速驱动器的噪音和功耗较低，但速度也较低，而较快的驱动器速度可达 15 rpm。
为了减少灰尘和空气湿气造成的损坏，请使用 再循环过滤器 （绿色方块），收集小颗粒并将其保留在内部。 通过板的旋转移动的空气确保恒定地流过过滤器。 圆盘上方、过滤器旁边有以下三个之一 板式分离器：有助于减少振动并尽可能保持气流均匀。
在图像的左上部分，蓝色方块表示两个永久条形磁铁之一。 它们提供移动红色所示组件所需的磁场。 让我们将这些细节分开以便更好地了解它们。
看起来像白色斑块的是另一个过滤器，只有这个过滤器过滤掉通过我们上面看到的孔从外部进入的颗粒和气体。 金属钉是 头部移动杆，它们所在的位置 读写头 硬盘。 它们沿着板块（上部和下部）表面以极快的速度移动。
观看由以下人员创建的视频 看看它们有多快：
该设计没有使用类似的东西 ; 为了移动杠杆，电流通过杠杆底部的螺线管。
一般来说，它们被称为 ，因为它们使用与扬声器和麦克风相同的原理来移动薄膜。 电流在它们周围产生磁场，该磁场对永磁体产生的磁场产生反应。
不要忘记数据轨迹 微小的，因此手臂的定位必须极其精确，就像驱动器中的其他所有部分一样。 某些硬盘驱动器具有多级控制杆，仅对整个控制杆的一部分的方向进行微小的改变。
有些硬盘驱动器的数据磁道相互重叠。 这项技术被称为 （叠瓦式磁记录），其对精度和定位（即不断击中一个点）的要求更加严格。
在臂的最末端有非常敏感的读写头。 我们的硬盘包含 3 个盘片和 6 个磁头，每个磁头 正在游泳 当磁盘旋转时，它位于磁盘上方。 为此，头部悬挂在超薄金属条上。
在这里，我们可以看到为什么我们的解剖标本死亡了——至少其中一个头部松动了，而造成最初损伤的原因也使其中一只手臂弯曲了。 整个头部组件非常小，如下图所示，用普通相机很难拍出一张好的照片。
但是，我们可以将各个部分拆开。 灰色块是一个专门制造的零件，称为 “滑块”：当圆盘在其下方旋转时，气流会产生升力，将磁头抬离表面。 当我们说“提升”时，我们指的是宽度仅为 0,0000002 英寸或小于 5 纳米的间隙。
再进一步，磁头将无法识别磁道磁场的变化； 如果磁头放在表面上，它们只会划伤涂层。 这就是为什么您需要过滤驱动器外壳内的空气：驱动器表面的灰尘和湿气只会损坏磁头。
头部末端的微小金属“杆”有助于整体空气动力学。 然而，要看到进行读写的部分，我们需要一张更好的照片。
在另一个硬盘驱动器的图像中，读/写设备位于所有电气连接的下方。 录音由系统进行 （薄膜感应，TFI）和读取 - 器件（隧道磁阻器件，TMR）。
TMR 产生的信号非常微弱，在发送之前必须通过放大器来提高电平。 负责此操作的芯片位于下图中杠杆底部附近。
正如本文简介中所述，多年来硬盘驱动器的机械组件和工作原理几乎没有变化。 最重要的是，磁轨和读写头技术得到了改进，磁道越来越窄、越来越密，最终导致存储信息量的增加。
然而，机械硬盘有明显的速度限制。 将控制杆移动到所需位置需要时间，如果数据分散在不同盘片上的不同磁道上，那么驱动器将花费相当多微秒的时间来搜索位。
在讨论另一种类型的驱动器之前，我们先了解一下典型 HDD 的大致速度。 我们使用了基准 评估硬盘 :
前两行表示执行顺序（长、连续列表）和随机（整个驱动器中的转换）读取和写入时每秒的 MB 数。 下一行显示 IOPS 值，即每秒执行的 I/O 操作数。 最后一行显示传输读取或写入操作与接收数据值之间的平均延迟（以微秒为单位的时间）。
一般来说，我们努力确保前三行的值尽可能大，最后一行的值尽可能小。 不用担心数字本身，当我们查看另一种类型的驱动器：固态驱动器时，我们将使用它们进行比较。
来源： habr.com