Это магнитно. Это электрическое. Это фотонно. Нет, это не о новом трио супергероев во вселенной Marvel. Это все о наших драгоценных цифровых данных. Нам нужно хранить его в безопасном и стабильном месте, чтобы мы могли получить его и изменить быстрее, чем вы можете моргнуть. Забудьте о Железном человеке и Торе - мы говорим о накопителях!
Итак, давайте подготовимся к театру, вычистим руки и углубимся в анатомию того, что мы используем сегодня, чтобы удерживать наши триллионы цифровых битов.
Ты крутишь меня, детка
Давайте начнем изучать внутренности накопителей с тех, которые используют магнетизм для хранения цифровых данных. Механический жесткий диск (HDD) был стандартной системой хранения для ПК по всему миру более 30 лет, но технология, лежащая в основе всего этого, намного старше.
IBM выпустила первый коммерчески доступный жесткий диск в 1956 году , всего 3,75 МБ. И вообще, общая структура за это время особо не изменилась. Все еще существуют диски, которые используют магнетизм для хранения данных, и есть устройства для чтения / записи этих данных. Что сильно изменилось, так это количество данных, которые можно на них хранить.
Еще в 1987 году вы могли купить жесткий диск на 20 МБ примерно за 350 долларов; сегодня за такие деньги вы получите 14 ТБ дискового пространства: в 700 000 раз больше места.
Мы собираемся разобрать что-то, что не совсем такого размера, но все еще довольно приличное сегодня: 3,5- дюймовый жесткий диск Seagate Barracuda 3 ТБ, в частности модель ST3000DM001 , печально известную своей высокой частотой отказов и последующими судебными исками . Этот тоже мертв. , так что на самом деле это скорее вскрытие, чем урок анатомии.
Основная часть жесткого диска отлита из металла. Силы внутри устройства при интенсивном использовании могут быть довольно серьезными, поэтому использование толстого металла предотвращает изгиб и вибрацию корпуса. Даже в крошечных 1,8-дюймовых жестких дисках используется металл в качестве корпуса, хотя они, как правило, изготавливаются из алюминия, а не из стали, поскольку они спроектированы так, чтобы быть максимально легкими.
Перевернув диск, мы видим печатную плату и множество соединений. Один в верхней части платы предназначен для двигателя, который вращает диски, а три нижних - слева направо, перемычки, позволяющие настроить диск для определенных настроек, данных SATA (Serial ATA) и SATA. власть.
Serial ATA впервые появился в 2000 году, и в настольных ПК это стандартная система, используемая для подключения дисков к остальной части компьютера. С тех пор спецификация формата претерпела множество изменений, и сейчас мы работаем над версией 3.4. Тем не менее, наш труп жесткого диска является более старой версией, но это влияет только на один контакт в разъеме питания.
Соединения для передачи данных используют так называемую дифференциальную сигнализацию для отправки и приема данных: контакты A + и A- используются для передачи инструкций и данных на жесткий диск, а контакты B используются для приема этих сигналов. Использование таких парных проводов значительно снижает влияние электрических помех на сигнал, что означает, что он может работать быстрее.
Что касается питания, вы можете видеть, что по существу есть два каждого напряжения (+3,3, +5 и +12 В); однако большинство из них не используются, поскольку жестким дискам не требуется много энергии. Эта конкретная модель Seagate потребляет менее 10 Вт при большой нагрузке. Контакты питания с маркировкой PC предназначены для предварительной зарядки : они позволяют извлекать и вставлять жесткий диск, пока компьютер все еще включен (также известная как горячая замена ).
Контакт с надписью PWDIS позволяет удаленно перезагружать жесткий диск, но это поддерживается только SATA версии 3.3; так что в нашем приводе это просто еще одна линия + 3,3 В. И последний вывод, который нужно закрыть, помеченный как SSU, просто сообщает компьютеру, поддерживает ли жесткий диск ступенчатое вращение .
Диски внутри устройства - что мы увидим через несколько мгновений - должны быть раскручены до полной скорости, прежде чем компьютер сможет начать их использовать, но если в машине было много жестких дисков, внезапное одновременное потребление энергии могло расстроить систему. Чередование раскрутки помогает предотвратить возникновение таких проблем, но это означает, что вам нужно подождать еще несколько секунд, прежде чем вы сможете полностью работать с жестким диском.
Удаление печатной платы показывает, как печатная плата соединяется с компонентами внутри приводного блока. Жесткие диски не герметичны, за исключением жестких дисков сверхбольшой емкости - они используют гелий вместо воздуха, поскольку он гораздо менее плотный и создает меньше проблем для накопителей с большим количеством дисков. Но вы также не хотите, чтобы они открыто подвергались воздействию окружающей среды.
Использование таких разъемов помогает свести к минимуму количество точек входа, через которые грязь и пыль могут попасть в привод; В металлическом корпусе есть отверстие - внизу слева на изображении выше (большая белая точка) - чтобы давление воздуха оставалось относительно атмосферным.
Теперь, когда печатная плата отключена, давайте посмотрим, что здесь. Есть 4 основных фишки, на которых стоит сосредоточиться:
- LSI B64002: микросхема главного контроллера, которая обрабатывает инструкции, ввод и вывод данных, исправляет ошибки и т. Д.
- Samsung K4T51163QJ: 64 МБ DDR2 SDRAM с тактовой частотой 800 МГц, используемой для кэширования данных
- Smooth MCKXL: управляет двигателем, который вращает диски
- Winbond 25Q40BWS05: 500 КБ последовательной флэш-памяти, используемой для хранения микропрограмм накопителя (немного похоже на BIOS ПК)
Когда дело доходит до компонентов на печатной плате, между широким спектром жестких дисков нет большой разницы. Для большего хранилища требуется больше кеша (вы можете найти до 256 МБ DDR3 на последних монстрах), и чип основного контроллера может быть немного более сложным в отношении обработки ошибок, но в нем не так много.
Открыть привод достаточно просто, просто открутите кучу штуцеров Torx и вуаля! Были в...
Учитывая, что он занимает большую часть устройства, наше внимание сразу привлекает большой металлический круг, поэтому нетрудно понять, почему они называются дисковыми накопителями. Правильное название для них - тарелка, и они сделаны из стекла или алюминия, покрытого несколькими слоями различных соединений. Этот диск емкостью 3 ТБ имеет три пластины, поэтому на каждой из них должно быть по 500 ГБ с каждой стороны.
Изображение этих пыльных, волосатых тарелок не отражает инженерной и производственной точности, необходимой для их изготовления. В нашем примере с жестким диском сам алюминиевый диск имеет толщину 0,04 дюйма (1 мм), но он отполирован до такой степени, что средняя высота отклонений на поверхности составляет менее 0,000001 дюйма (примерно 30 нм).
На металл был нанесен базовый слой глубиной всего 0,0004 дюйма (10 микрон), состоящий из нескольких слоев компаунда. Это делается с помощью химического нанесения покрытия, а затем осаждения из паровой фазы , которое подготавливает диск для создания важнейшего магнитного материала, который используется для хранения цифровых данных.
Этот материал обычно представляет собой сложный сплав кобальта и состоит из концентрических колец, каждое из которых имеет ширину около 0,00001 дюйма (примерно 250 нм) и глубину 0,000001 дюйма (25 нм). В микроскопическом масштабе металлические сплавы образуют зерна, похожие на мыльные пузыри, плавающие в воде.
Каждое зерно имеет собственное магнитное поле, но его можно выровнять в заданном направлении. Группирование этих полей приводит к появлению битов данных 0 и 1. Если вы хотите более глубоко погрузиться в эту тему, прочтите этот документ Йельского университета. Окончательные покрытия представляют собой слой углерода для защиты, а затем полимера для уменьшения контактного трения. Вместе они достигают толщины не более 0,0000005 дюйма (12 нм).
Мы сразу увидим, почему пластины должны быть изготовлены с такими высокими допусками, но удивительно думать, что всего за 15 долларов вы можете стать счастливым обладателем нанометрового производства!
Вернемся к жесткому диску целиком и посмотрим, что там еще есть.
Желтая рамка выделяет металлический колпачок, который надежно удерживает опорный диск на двигателе шпинделя - электроприводе, который вращает диски. В этом жестком диске они вращаются со скоростью 7200 об / мин, но другие модели работают медленнее. Более медленные диски снижают шум и потребление энергии, но также снижают производительность, в то время как другие более быстрые диски могут достигать 15 000 об / мин.
Чтобы уменьшить вредное воздействие пыли и влаги в воздухе, рециркуляционный фильтр (зеленая рамка) улавливает мельчайшие частицы и задерживает их внутри. Воздух, перемещаемый за счет вращения пластин, обеспечивает постоянный поток через фильтр. Сверху дисков и рядом с фильтром находится один из трех пластин-сепараторов : они помогают снизить вибрации, а также максимально регулируют поток воздуха.
В верхнем левом углу изображения, обозначенный синей рамкой, находится один из двух постоянных стержневых магнитов. Они создают магнитное поле, необходимое для перемещения выделения компонента красным цветом. Давайте очистим некоторые из этих частей, чтобы лучше это увидеть.
То, что похоже на толстый пластырь, - это еще один фильтр, за исключением того, что он очищает от частиц и газов снаружи, когда они попадают через отверстие, которое мы видели раньше. Металлические шипы - это рычаги привода, которые удерживают головки чтения / записи жесткого диска - они движутся вперед и назад по поверхности пластин (сверху и снизу) с невероятно высокой скоростью.
Посмотрите это видео, любезно предоставленное The Slow Mo Guys, чтобы увидеть, насколько это быстро:
Вместо того, чтобы использовать что-то вроде шагового двигателя , чтобы защелкнуть руки на месте, электрический ток пропускается по катушке провода у основания руки.
Их обычно называют звуковыми катушками , потому что это тот же принцип, что и громкоговорители и микрофоны для перемещения мягких конусов. Ток создает вокруг себя магнитное поле, которое противодействует полю, создаваемому постоянными стержневыми магнитами.
Не забывайте, что дорожки данных крошечные , поэтому позиционирование рычагов должно быть предельно точным - как и все остальное в приводе. Некоторые жесткие диски имеют многоступенчатые приводы, которые могут делать меньшие изменения направления, используя только часть целого плеча.
На некоторых жестких дисках дорожки данных фактически перекрывают друг друга. Эта технология называется магнитной записью с черепицей , и требования к точности (т. Е. Многократное попадание в нужное положение) еще выше.
На самых концах плеч расположены тонкие головки чтения / записи. Наш жесткий диск имеет 3 пластины и 6 головок, каждая из которых плавает над диском во время вращения. Для этого головки подвешиваются на двух ультратонких металлических полосах.
Именно здесь мы можем понять, почему наш анатомический образец мертв - по крайней мере, одна голова оторвалась, и что бы ни вызвало первоначальное повреждение, также погнуло некоторые из опорных рычагов. Вся голова настолько мала, что получить хорошее изображение с помощью обычной камеры действительно сложно, как мы видим ниже.
Хотя мы можем разглядеть некоторые детали. Серый блок - это специально обработанная деталь, называемая ползунком , поскольку диск вращается под ним, поток воздуха создает подъемную силу, поднимая головку над поверхностью. И когда мы говорим «выключено», мы говорим о зазоре всего 0,0000002 дюйма или менее 5 нм.
Еще дальше, и головы не смогут обнаружить изменения магнитных полей на треке; если бы головки действительно лежали на поверхности, они просто соскребли бы покрытие. Вот почему воздух внутри корпуса привода нужно фильтровать: пыль и влага на поверхности диска могут просто повредить головки.
Крошечный металлический «столб» на конце головы помогает улучшить общую аэродинамику. Однако нам нужно более качественное изображение, чтобы увидеть части, которые фактически читают и пишут.
Изображение: Роман Старков , Wikimedia Commons
На приведенном выше изображении с другого жесткого диска части, которые читают и записывают, находятся под всеми электрическими дорожками. Запись выполняется с помощью тонкопленочной индукционной системы (TFI), тогда как чтение выполняется с помощью туннельного магниторезистивного (TMR) устройства.
Сигналы, создаваемые TMR, очень слабые и должны проходить через усилитель для повышения уровней, прежде чем они могут быть отправлены дальше. Микросхему, отвечающую за это, можно увидеть возле основания рычагов привода на изображении ниже.
Как упоминалось во введении к этой статье, механические компоненты и работа жесткого диска не сильно изменились за эти годы. Это технология, лежащая в основе магнитной дорожки и головок чтения / записи, которая была улучшена больше всего, создавая более узкие и плотные дорожки, что в конечном итоге приводит к увеличению емкости хранения.
Однако механические жесткие диски имеют явные ограничения производительности. Для перемещения рычагов привода в требуемое положение требуется время, и если данные разбросаны по разным дорожкам на отдельных пластинах, то накопитель потратит относительно большое количество микросекунд на поиски. вниз по битам.
Прежде чем мы перейдем к разборке другого типа накопителя, давайте сделаем ориентир для производительности типичного жесткого диска. Мы использовали CrystalDiskMark для тестирования жесткого диска WD 3,5 дюйма, 5400 об / мин, 2 ТБ :
Первые две строки отображают количество МБ в секунду для выполнения последовательного (длинный, непрерывный список) и случайного (переход по диску) операций 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 выполненной операцией чтения / записи и полученным значением данных.
Вообще говоря, вы хотите, чтобы значения в первых трех строках были как можно больше, а последняя строка была как можно меньше. Не беспокойтесь о самих цифрах, это просто то, что мы будем использовать для сравнения, когда мы рассмотрим следующий тип накопителя: твердотельное хранилище .
Переведено с сайта Techspot, автор Nick Evanson.
На правах рекламы:
Cyber-Servise. IT-аутсорсинг на грани фантастики!
Город - Новокузнецк
