它是有磁性的。 它是電動的。 它是光子的。 不，這不是漫威宇宙中新的超級英雄三人組。 這是關於儲存我們寶貴的數位資料。 我們需要將它們安全穩定地儲存在某個地方，以便我們可以在眨眼間存取和更改它們。 忘記鋼鐵人和雷神 - 我們談論的是硬碟！
因此，讓我們深入了解我們今天用來儲存數十億位元資料的設備。
你讓我轉過來，寶貝
機械 硬碟儲存 （硬碟驅動器，HDD）30 多年來一直是全球電腦的儲存標準，但背後的技術卻古老得多。
IBM發布首款商用硬碟 ，其容量高達3,75 MB。 總的來說，這些年來驅動器的整體結構沒有太大變化。 它仍然有使用磁化來儲存資料的磁碟，並且有讀取/寫入該資料的設備。 改變了 同樣且非常強大的是它們可以儲存的資料量。
1987年，這是可能的 約 350 美元； 今天 您可以購買 14 TB： 700 000 倍體積。
我們將看看一款尺寸不完全相同，但按照現代標準來看也不錯的設備：3,5 英寸 HDD Seagate Barracuda 3 TB，特別是該型號 , 因其 и 。 我們正在研究的驅動器已經死了，所以這更像是屍檢而不是解剖課。
硬碟的大部分是鑄造金屬。 在實際使用過程中，設備內部的力量可能非常嚴重，因此厚金屬可以防止外殼彎曲和振動。 即使是微型 1,8 吋 HDD 也使用金屬作為外殼材料，但它們通常由鋁而不是鋼製成，因為它們需要盡可能輕。
將驅動器翻過來，我們看到一塊印刷電路板和幾個連接器。 板頂部的連接器用於旋轉磁碟的電機，底部的三個（從左到右）是跳線針，允許您將驅動器配置為某些配置，SATA（串行 ATA）數據連接器和一個SATA 電源連接器。
串行 ATA 於 2000 年首次出現。 在桌上型電腦中，這是用於將磁碟機連接到電腦其餘部分的標準系統。 格式規範經歷了多次修訂，目前我們使用的是3.4版本。 我們的硬碟屍體是舊版本，但差異僅在於電源連接器中的一個針腳。
在資料連線中，用於接收和接收資料。 ：引腳 A+ 和 A- 用於 轉讓 指令和資料到硬碟，引腳B用於 接收 這些信號。 這種成對導體的使用顯著降低了電噪聲對訊號的影響，這意味著設備可以更快地運作。
如果我們談論電源，我們會看到連接器有一對每種電壓（+3.3、+5 和 +12V）的接點； 然而，大多數都沒有被使用，因為 HDD 不需要太多電力。 該特定 Seagate 型號在主動負載下的功耗低於 10 瓦。 標有 PC 的觸點用於 預先充電：此功能可讓您在電腦繼續工作的情況下移除和連接硬碟（這稱為 熱插拔).
與 PWDIS 標籤接觸允許 硬碟，但此功能僅從 SATA 3.3 版本開始支持，因此在我的硬碟中，它只是另一個 +3.3V 電源線。 最後一個引腳（標記為 SSU）只是告訴電腦硬碟是否支援順序旋轉技術。 交錯旋轉.
在電腦可以使用它們之前，設備內部的驅動器（我們很快就會看到）必須全速旋轉。 但是，如果機器中安裝了許多硬碟驅動器，那麼突然同時發出電源請求可能會損害系統。 逐漸旋轉主軸完全消除了此類問題的可能性，但您必須等待幾秒鐘才能完全存取硬碟。
透過拆下電路板，您可以看到它如何與設備內部的組件連接。 硬碟 未密封，除了容量非常大的設備之外，它們使用氦氣代替空氣，因為氦氣的密度要小得多，並且在具有大量磁碟的驅動器中產生的問題較少。 另一方面，您不應該將傳統驅動器暴露在開放環境中。
由於使用了此類連接器，可以最大程度地減少污垢和灰塵進入驅動器的入口點數量； 金屬外殼上有一個孔（圖像左下角的大白點），可以讓環境壓力保持在內部。
現在PCB已經拆下來了，我們來看看裡面有什麼。 主要有四種晶片：
- LSI B64002：主控晶片，處理指令、傳入傳出資料流、修正錯誤等。
- 三星 K4T51163QJ：64 MB DDR2 SDRAM，主頻為 800 MHz，用於資料緩存
- Smooth MCKXL：控制旋轉光碟的電機
- Winbond 25Q40BWS05：500 KB 串列閃存，用於儲存磁碟機韌體（有點像電腦的 BIOS）
不同硬碟的PCB組件可能有所不同。 更大的尺寸需要更多的快取（最現代的怪物可以擁有高達 256 MB 的 DDR3），而且主控制器晶片在錯誤處理方面可能會更複雜一些，但總體而言差異並不那麼大。
打開驅動器很容易，只需擰下一些梅花螺栓即可！ 我們在裡面...
考慮到它佔據了設備的大部分，我們的注意力立即被大金屬圈吸引； 很容易理解為什麼呼叫驅動器 磁碟。 稱呼他們是正確的 盤子; 它們由玻璃或鋁製成，並塗上多層不同的材料。 這款 3TB 硬碟具有三個盤片，這意味著一個盤片的每一側應儲存 500GB。
圖像佈滿灰塵，這種髒盤子不符合製造它們所需的設計和製造精度。 在我們的 HDD 範例中，鋁盤本身厚 0,04 英吋（1 毫米），但經過拋光，表面偏差的平均高度小於 0,000001 英吋（約 30 奈米）。
基層只有 0,0004 英吋（10 微米）深，由沉積在金屬上的多層材料組成。 應用程式是使用完成的 其次是 ，為用於儲存數位資料的基本磁性材料準備磁碟。
這種材料通常是一種複雜的鈷合金，由同心圓組成，每個同心圓大約 0,00001 英吋（約 250 奈米）寬，0,000001 英吋（25 奈米）深。 在微觀層面上，金屬合金在水錶面形成類似肥皂泡的顆粒。
每個顆粒都有自己的磁場，但它可以向給定的方向轉變。 對這些欄位進行分組會產生資料位元（0 和 1）。 如果您想了解有關此主題的更多信息，請閱讀 耶魯大學。 最終的塗層是一層用於保護的碳，然後是一層聚合物以減少接觸摩擦。 它們的厚度合計不超過 0,0000005 英吋（12 奈米）。
我們很快就會明白為什麼晶圓必須按照如此嚴格的公差製造，但仍然令人驚訝地意識到 您可以自豪地擁有奈米精度製造的設備！
不過，讓我們回到硬碟本身，看看裡面還有什麼。
黃色表示金屬蓋將板牢固地固定在 主軸驅動電機 - 旋轉磁碟的電力驅動器。 在此 HDD 中，它們的旋轉頻率為 7200 rpm（轉/分鐘），但在其他型號中，它們的工作速度可能較慢。 慢速驅動器的噪音和功耗較低，但速度也較低，而較快的驅動器速度可達 15 rpm。
為了減少灰塵和空氣濕氣造成的損壞，請使用 再循環過濾器 （綠色方塊），收集小顆粒並將其保留在內部。 透過板的旋轉移動的空氣確保恆定地流過過濾器。 圓盤上方、過濾器旁邊有以下三個之一 板式分離器：有助於減少振動並盡可能保持氣流均勻。
在影像的左上部分，藍色方塊表示兩個永久條形磁鐵之一。 它們提供移動紅色所示組件所需的磁場。 讓我們將這些細節分開以便更好地了解它們。
看起來像白色斑塊的是另一個過濾器，只有這個過濾器過濾掉通過我們上面看到的孔從外部進入的顆粒和氣體。 金屬釘是 頭部移動桿，它們所在的位置 讀寫頭 硬碟. 它們沿著板塊（上部和下部）表面以極快的速度移動。
觀看由以下人員創建的視頻 看看它們有多快：
該設計沒有使用類似的東西 ; 為了移動槓桿，電流通過槓桿底部的螺線管。
一般來說，它們被稱為 ，因為它們使用與揚聲器和麥克風相同的原理來移動薄膜。 電流在它們周圍產生磁場，該磁場對永久磁鐵產生的磁場產生反應。
不要忘記資料軌跡 微小的，因此手臂的定位必須極其精確，就像驅動器中的其他所有部分一樣。 某些硬碟驅動器具有多級控制桿，僅對整個控制桿的一部分的方向進行微小的改變。
有些硬碟的資料磁軌相互重疊。 這項技術被稱為 （疊瓦式磁記錄），其對精度和定位（即不斷擊中一個點）的要求更加嚴格。
在臂的最末端有非常敏感的讀寫頭。 我們的硬碟包含 3 個磁碟片和 6 個磁頭，每個磁頭 正在游泳 當磁碟旋轉時，它位於磁碟上方。 為了實現這一點，頭部懸掛在超薄金屬條上。
在這裡，我們可以看到為什麼我們的解剖標本死亡了——至少其中一個頭部鬆動了，而造成最初損傷的原因也使其中一隻手臂彎曲了。 整個頭部組件非常小，如下圖所示，用一般相機很難拍出一張好的照片。
但是，我們可以將各個部分拆開。 灰色塊是一個專門製造的零件，稱為 "滑桿"：當圓盤在其下方旋轉時，氣流會產生升力，將磁頭抬離表面。 當我們說「提升」時，我們指的是寬度僅為 0,0000002 英吋或小於 5 奈米的間隙。
再進一步，磁頭將無法辨識磁軌磁場的變化； 如果磁頭位於表面，它們只會刮傷塗層。 這就是為什麼您需要過濾驅動器外殼內的空氣：驅動器表面的灰塵和濕氣只會損壞磁頭。
頭部末端的微小金屬「桿」有助於整體空氣動力學。 然而，要看到進行讀寫的部分，我們需要一張更好的照片。
在另一個硬碟的圖像中，讀/寫設備位於所有電氣連接的下方。 錄音由系統進行 （薄膜感應，TFI）和讀取 - 裝置（隧道磁阻裝置，TMR）。
TMR 產生的訊號非常微弱，在發送之前必須透過擴大機來提高電平。 負責此操作的晶片位於下圖中槓桿底部附近。
正如本文簡介中所述，多年來硬碟的機械組件和工作原理幾乎沒有變化。 最重要的是，磁軌和讀寫頭技術得到了改進，磁軌越來越窄、越來越密，最終導致儲存資訊量的增加。
然而，機械硬碟有明顯的速度限制。 將控制桿移動到所需位置需要時間，如果資料分散在不同碟片上的不同磁軌上，那麼驅動器將花費相當多微秒的時間來搜尋位元。
在討論另一種類型的驅動器之前，我們先了解一下典型 HDD 的大致速度。 我們使用了基準 評估硬碟 :
前兩行表示執行順序（長、連續清單）和隨機（整個磁碟機中的轉換）讀取和寫入時每秒的 MB 數。 下一行顯示 IOPS 值，即每秒執行的 I/O 運算元。 最後一行顯示傳輸讀取或寫入操作與接收資料值之間的平均延遲（以微秒為單位的時間）。
一般來說，我們努力確保前三行的值盡可能大，最後一行的值盡可能小。 不用擔心數位本身，當我們查看另一種類型的驅動器：固態驅動器時，我們將使用它們進行比較。
來源： www.habr.com