Анатомия накопителя: жесткие диски

Перевод статьи Ника Эвансона с Techspot.

Он магнитный. Он электрический. Он фотонный. Нет, речь не о новом супергеройском трио из Вселенной Marvel. Это всё про наши с вами драгоценные цифровые данные. Нам нужно хранить их в надежном и постоянном месте, чтобы была возможность заполучить, либо изменить наши файлы в мгновение ока. Забудьте о Железном Человеке и Торе — сегодняшний рассказ о накопителях!

Это одна из частей цикла статьей по компьютерному железу (подраздел накопителей). Предыдущая статья. Следующая тема на очереди — SSD.

Начнем наше путешествие в мир накопителей с таких устройств, что используют магнетизм для хранения данных. Жёсткий диск (HDD) является стандартом хранения данных в мире компьютеров на протяжении более 30 лет. Однако, сама технология гораздо старше.

IBM выпустила первый коммерческий жесткий диск в 1956 году, размером в 3,75 Мб. И в целом, общая структура данных устройств практически не изменилась. Все ещё те же диски, использующие магнетизм для хранения данных, и все ещё те же девайсы для чтения/записи этой информации. Но что изменилось разительно, так это объем данных, которые могут храниться на HDD.

Еще в 1987 году вы могли купить жесткий диск объемом 20 Мб примерно за 350 долларов; сегодня за эти же деньги вы получите 14 Тб памяти: т.е. в 700 000 раз больше места.

Мы рассмотрим нечто меньшее чем этот размер, а именно 3,5-дюймовый жесткий диск Seagate Barracuda на 3 Тб (ST3000DM001). Печально известная модель в виду высокого коэффициента отказов, а также последующих судебных разбирательств. Этот образец уже мертв, так что можно сказать — это скорей вскрытие, нежели урок анатомии.

Основная часть жесткого диска состоит из литого металла. Толстый слой металла спасает корпус от вибраций и изгибов, так как устройство подвергается серьезным нагрузкам.Даже корпуса крошечных 1,8-дюймовых жестких дисков сделаны из металла. Стоит отметить что это как правило, алюминий, потому что такие девайсы должны быть легкими по весу.

Перевернув диск, мы обнаружим печатную плату и кучу соединений. Разъем в верхней части платы предназначен для двигателя, который вращает диски, тогда как нижние три (слева направо), позволяют настроить диск для определенных нужд, разъем данных SATA (Serial ATA) и питания SATA.

В 2000 году появился первый Serial ATA — стандарт подключений дисков к компьютеру в настольных ПК. Этот формат претерпел множество изменений. Последняя версия на данный момент 3.4. К слову, наш подопытный ЖД более старой версии, но данное упущение влияет лишь на один контакт в питании.

Для передачи и приема данных используется так называемый дифференциальный сигнал: контакты A+ и A — для передачи инструкций и данных на жесткий диск, а контакты B для приема этих сигналов. Использование таких парных проводов значительно снижает влияние электрических помех в сигнале, следовательно, пропускная способность повышается.

Теперь касаемо питания, как вы можете увидеть, существуют по паре контактов каждого напряжения (+3,3, +5 и +12 В). Но большинство из них не используются, поскольку жестким дискам не требуется много энергии. Эта конкретная модель от Seagate потребляет менее 10 Вт при больших нагрузках. Контакты питания, помеченные как PC, являются "предварительно заряженными": эта функция позволяет вытаскивать и подключать жёсткий диск, пока компьютер продолжает работать (hot swapping — горячая замена).

PWDIS контакт позволяет сбросить жесткий диск удаленно, правда только с SATA версии 3.3; так что в нашем приводе это просто еще одна линия +3,3 В. И последний контакт SSU лишь сообщает компьютеру, поддерживает ли ЖД технологию последовательной раскрутки шпинделей staggered spin up.

Диски внутри девайса (которые мы увидим в сей же час) должны раскрутиться на полную скорость, прежде чем компьютер сможет использовать их. Но если в ПК установлено много жестких дисков, то внезапный и одновременный запрос в электроэнергии может нарушить работу системы.Технология постепенной раскрутки шпинделей помогает предотвратить возникновение таких проблем, но перед использованием ЖД нужно будет подождать еще несколько секунд.

Отделение платы от остальной части устройства показывает нам то, как присоединены к ней другие компоненты накопителя. Жесткие диски не герметичны, кроме накопителей со сверхбольшими емкостями. В них гелий вместо воздуха, так как он гораздо менее плотный и создает меньше проблем ЖД с большим количеством дисков внутри. Но вы также не хотите, чтобы они открыто подвергались воздействию окружающей среды.

Используя такие разъемы, можно свести к минимуму количество «точек входа» для попадания грязи и пыли внутрь привода; в металлическом корпусе есть отверстие — (большая белая точка снизу слева), благодаря которому давление воздуха остается аналогичному в окружающей среде.

Теперь когда отключена интегральная схема, взглянем же что на ней находится. Стоит обратить внимание на 4 чипа:

Компоненты печатной платы отличаются, но несущественно. Большие объемы требуют большего объема кэша (до 256 Мб DDR3 в последних «монстрах»), а чип основного контроллера может быть несколько более сложным в плане обработки ошибок.

Открыть привод простая задача — просто раскрутите множество Torx шлицов и вуаля! Мы внутри…

В глаза сразу бросается большой металлический круг, который занимает основное пространство сие девайса и становится очевидным почему их называют накопителями. Правильный термин для «железного блинчика» — пластина, их изготавливают из стекла или алюминия, покрытого различными соединениями. Этот ЖД объемом 3 Тб содержит в себе три диска, по 500 Гб с каждой стороны.

Изображение этих пыльных и «волосатых» пластин не отображает ту инженерную и производственную точность требуемую для их изготовления. В нашем ЖД толщина алюминиевого диска составляет 0,04 дюйма (1 мм), но он был отполирован настолько, что средняя высота по всей поверхности составляет менее 0,000001 дюйма (примерно 30 Нм).

Нанесенный на металл слой в 0,0004 дюйма (10 микрон) состоит из нескольких веществ. Процедура осуществляется с помощью никель-фосфорного покрытия химическим способом, а затем вакуумным напылением. Это подготавливает диск для магнитного материала, используемого для хранения цифровых данных.

Данный материал представляет собой сложный сплав кобальта и состоит из концентрических колец, каждое из которых около 0,00001 дюйма (примерно 250 Нм) в ширину и 0,000001 дюйма (25 Нм) в глубину. В микроскопическом масштабе металлические сплавы образуют зерна, слово мыльные пузыри на поверхности воды.

Каждое зерно имеет свое собственное магнитное поле и ему можно придать заданное направление. Группирование этих полей приводит к появлению 0 и 1 битов данных. Для более глубокого погружения в эту тему, прочтите данный документ Йельского университета. Конечные покрытия представляют собой слой углерода для защиты, опосля полимер для снижения контактного трения. Вместе их толщина достигает не более 0,0000005 дюйма (12 нм).

Вскоре мы увидим, почему пластины изготавливаются с такими строгими допусками. Довольно удивительно, что всего за 15 долларов вы можете быть гордым владельцем девайса, изготовленного с нанометровой точностью!

Вернемся же снова к жесткому диску и посмотрим, что там еще есть.

Желтый квадрат обозначает металлическую крышку, которая надежно удерживает пластину с электродвигателем привода шпинделя, задача последнего — вращать диски. В этом ЖД они вращаются со скоростью 7200 об / мин, но другие модели могут работать медленнее. Более медленные накопители обладают не только низким уровнем шума и энергопотреблением, но и более низкой производительностью, в то время как другие более быстрые приводы могут достигать скорости 15 000 оборотов в минуту.

Дабы уменьшить вредное воздействие пыли и влаги из воздуха, рециркуляционный фильтр (зеленый квадрат) собирает мельчайшие частицы и задерживает их внутри. Воздух, перемещаемый вращением пластин, обеспечивает постоянный поток через фильтр. На верхней части дисков, а также рядом с фильтром находится один из трех разделителей пластин: все они помогают уменьшить вибрацию, а также регулируют поток воздуха.

В левом верхнем углу изображения, обозначенном синей рамкой, находится один из двух постоянных стержневых магнитов. Они обеспечивают магнитное поле, необходимое для перемещения компонента, выделенного красным цветом. Давайте разделим некоторые из этих частей, чтобы рассмотреть их получше.

То, что выглядит как белый пластырь является еще одним фильтром, разве, что он очищает частицы и газы попадающие через отверстия (увиденные нами ранее). Металлические шипы — это рычаги перемещения головок, которые удерживают головки чтения/записи жесткого диска. Они двигаются по поверхности пластин (сверху и снизу) с нереально высокой скоростью.

Посмотрите это видео от Slow Mo Guys, чтобы лицезреть, насколько оно быстрые:

Вместо того, чтобы использовать что-то вроде шагового электродвигателя, для перемещения рычагов по соленоиду в основании рычагов проводится электрический ток.

Обычно их называют звуковыми катушками, так как это тот же самый принцип, по которому громкоговорители и микрофоны обладают ходом диффузоров. Ток создает вокруг мембран магнитное поле, которое реагирует на поле, создаваемое постоянными стержневыми магнитами.

Не забывайте, что дорожки данных крошечные, поэтому расположение рычагов должно быть предельно точным, как и все остальное в накопителе. Некоторые жесткие диски оснащены многоступенчатыми исполнительными механизмами, которые в меньшей степени изменяют направления движения, используя только часть всего плеча.

На некоторых ЖД дорожки данных фактически перекрывают друг друга. Эта технология называется черепичной магнитной записью, а требования к точности и аккуратности (т.е. попадание в нужное положение снова и снова) еще более высоки.

На самых концах рычагов находятся чувствительные головки для чтения/записи. Наш HDD обладает 3 пластинами и 6 головками, и каждая из них «плавает» над диском во время вращения. Для этого они подвешиваются двумя ультратонкими полосками металла.

Именно здесь мы видим, почему наш пациент труп, по крайней мере одна из головок оторвалась, и что бы ни вызвало первоначальное повреждению, оно также погнуло один из опорных рычагов. Весь компонент головки настолько мал, что обычной камерой действительно трудно заполучить хорошее изображение (как мы видим ниже).

Хотя мы можем разобрать некоторые отдельные части. Серый блок — это специально обработанная деталь — слайдер. В то время, когда диск вращается под ним, поток воздуха создает подъемную силу, тем самым поднимая головку с поверхности. А когда мы говорим «поднимая», то имеем в виду зазор всего лишь в 0,0000002 дюйма или менее 5 нм.

Будь головки чуть дальше положенного, и они бы не смогли обнаружить изменения магнитных полей на поверхности. Или будь они слишком близко, то покрытие бы просто царапалось. Это основная причина, почему воздух внутри корпуса диска должен быть отфильтрован: пыль и влага на поверхности диска просто сломают головки.

Крошечный металлический «шест» на конце головки помогает в общей аэродинамике. Однако нам нужна фотография получше, дабы увидеть те части, которые выполняют чтение и запись.

На приведенном выше изображении другого жесткого диска, части для чтения и записи находятся под всеми электрическими соединениями. Запись осуществляется с помощью тонкопленочной индукционной системы (TFI), а чтение — с помощью туннельного магниторезистивного устройства (TMR).

Сигналы, производимые TMR очень слабы и перед отправкой должны пройти через усилитель для повышения уровней. Ответственная за это микросхема расположена рядом с основанием рычагов привода (на изображении ниже).

Как уже упоминалось во введении к этой статье, механические компоненты и работа жесткого диска не сильно изменились за эти годы. Единственное что, больше всего развивается технология, лежащая в основе магнитной дорожки и головок чтения/записи. Производятся все более узкие и плотные дорожки, что в конечном итоге приводит к увеличению объема хранения.

Однако у механических жестких дисков явные ограничения в скорости. Для перемещения рычагов привода в требуемое положение нужно время, и если данные разбросаны по разным дорожкам на отдельных пластинах, то привод будет тратить относительно большое количество микросекунд на поиск битов.

Прежде чем мы перейдем к разбору другого типа накопителя, давайте сделаем контрольную точку в производительности типичного жесткого диска. Мы использовали CrystalDiskMark для тестирования жесткого диска WD 3.5" 5400 RPM 2 TB:

Первые две строки отображают пропускную способность — количество Мб в секунду для выполнения последовательного (длинный, непрерывный список) и случайного (переходы по диску) чтения и записи. Следующая строка показывает значение IOPS, то есть количество операций ввода-вывода, выполняемых каждую секунду. В последней строке отображается средняя задержка (время в микросекундах) между выполняемой операцией чтения/записи и получаемым значением данных.

Говоря обобщенно, вы хотите, чтобы значения в первых 3 строках были как можно больше, а последняя строка — как можно меньше. Не беспокойтесь о самих цифрах, это лишь показатель для сравнения со следующим типом накопителей: SSD.