SmartsWorld

Зарегистрируйте бесплатный аккаунт сегодня и обретите друга и советчика в лице нашего ресурса навсегда! После подтверждения регистрации и авторизации вы сможете добавлять собственные темы и сообщения, а также общаться с другими участниками, включая систему личных сообщений!

[Как это устроено] Жёсткие диски

Как устроены компьютерные компоненты? Что спрятано у них внутри? Как это всё работает? Продолжаем разбираться! Снова поговорим о системах хранения информации — но в этот раз мы затронем тему жёстких дисков или HDD (Hard Disk Drives). Перед этим мы подробно рассматривали работу оптических дисков: обязательно ознакомьтесь с статьёй.

Все статьи из этого цикла





[Как это устроено] Жёсткие диски

Сила вращения

Давайте начнем наш обзор внутреннего устройства этих накопителей с истории. Уже более 30 лет жёсткий диск (HDD) является стандартной системой хранения для ПК во всем мире, но технология, лежащая в его основе, намного старше.

IBM выпустила первый доступный для всех жёсткий диск в далёком 1956 году, и он был способен хранить всего 3,75 МБ данных. Однако с течением времени общая структура сильно не изменилась. Основной деталью являются всё те же диски, которые используют законы магнетизма для хранения информации. Но вот что сильно изменилось, так это количество данных, которые могут быть на них сохранены. Ещё в 1987 году вы могли купить жёсткий диск объёмом в 20 МБ примерно за 350 долларов; сегодня за такие деньги можно получить хранилище размером в 14 ТБ, а это в 700 000 раз больше места!

В статье мы собираемся разобрать 3,5-дюймовый жёсткий диск Seagate Barracuda на 3 ТБ (модель ST3000DM001), печально известный своей высокой частотой отказов и последующими судебными процессами. У нас он уже мертв, так что на самом деле это скорее вскрытие, а не урок анатомии компьютерных компонентов.

Так как же это всё выглядит?

Основная часть жёсткого диска сделана из литого металла. Нагрузки внутри устройства при интенсивном использовании могут быть довольно серьёзными, поэтому изгибание и вибрацию корпуса предотвращает использование толстого слоя металла. Даже в крошечных 1,8-дюймовых жёстких дисках в качестве материала для корпуса используется металл, хотя они, как правило, сделаны из алюминия, а не из стали.

Seagate Barracuda

Перевернув диск, мы можем увидеть монтажную плату и несколько соединений. Один, в дальней части платы, предназначен для вращения дисков, в то время как три нижних, слева направо, являются соединениями, позволяющими настроить накопитель для определённых настроек, и двумя интерфейсами SATA.

Обратная сторона HDD

Интерфейс SATA впервые появился в 2000 году, и на данный момент это стандартная система, используемая для подключения дисков к остальной части компьютера. С тех пор спецификация формата претерпела множество изменений, и в настоящее время мир использует версию 3.4. Наш труп жесткого диска, тем не менее, сделан с использованием более старой версии, но это делает различия только в одном контакте в разъёме питания.

Схема интерфейсов SATA

Для передачи данных используются так называемые дифференциальные сигналы для отправки и получения данных: контакты A+ и A- используются для передачи инструкций и данных на жёсткий диск, а контакты B используются для приема этих сигналов. Использование таких парных проводов значительно снижает влияние электрических помех на сигнал, а значит, диск может работать быстрее. Что касается питания, то вы можете видеть, что по существу есть по два каждого напряжения (+3,3, +5 и +12 В). Однако большинство из них не используются, поскольку жёсткие диски не требуют много энергии. Данная модель Seagate использует менее 10 Вт под большей нагрузкой.

Вывод, помеченный PWDIS, позволяет выполнять удалённый сброс жесткого диска, но это поддерживается только в SATA версии 3.3, так что в нашем приводе это просто ещё одна линия +3,3 В. И последний контакт, помеченный SSU, просто сообщает компьютеру, поддерживает ли жёсткий диск ступенчатое ускорение. Физические диски внутри устройства, которые мы увидим через несколько минут, должны работать на полной скорости, прежде чем компьютер сможет их использовать. Но если на ПК установлено много жёстких дисков, внезапная одновременная потребность в энергии может расстроить систему. Ступенчатое ускорение помогает предотвратить возникновение подобных проблем, но это также означает, что вам нужно подождать несколько секунд, прежде чем вы сможете начать работу.

Плата жёсткого диска

Снятие печатной платы показывает, как она соединяется с компонентами внутри приводного устройства. Жёсткие диски не герметичны, за исключением сверхбольших емкостей — они используют гелий вместо воздуха, так как он гораздо менее плотный и создаёт меньше проблем для накопителей с большим количеством дисков. Теперь, когда печатная плата выключена, давайте посмотрим, что здесь расположено. Есть 4 основных компонента, на которых нужно сосредоточиться:
  • LSI B64002: главная микросхема, которая обрабатывает инструкции, совершает ввод и вывод данных, занимается исправлением ошибок и т.д.;
  • Samsung K4T51163QJ: 64 МБ памяти DDR2 SDRAM с тактовой частотой 800 МГц, используемой для кэширования данных;
  • Smooth MCKXL: управляет мотором, который вращает диски;
  • Winbond 25Q40BWS05: 500 КБ последовательной флэш-памяти, используемой для хранения прошивки накопителя (похож на BIOS компьютера).
Разобранный жёсткий диск

Далее наше внимание сразу же привлекают большие металлические диски, которые сделаны из стекла или алюминия и покрыты несколькими слоями различных соединений. Этот накопитель на 3 ТБ имеет три «блина» и каждый из них хранит по 500 ГБ данных с каждой стороны.

Физические диски внутри HDD

Изображение этих пыльных пластин не отдаёт должного технической и производственной точности, необходимой для их производства. В нашем примере сам алюминиевый диск имеет толщину 0,04 дюйма (1 мм), но он был отполирован до такой степени, что средняя разность изменений поверхности составляет менее 0,000001 дюйма (примерно 30 нм). На металл был нанесен слой толщиной всего 0,0004 дюйма (10 микрон), содержащий несколько слоёв соединений, которые обычно представляют собой сложный сплав кобальта и состоят из концентрических колец, каждое из которых имеет ширину примерно 0,00001 дюйма (примерно 250 нм) и глубину 0,000001 дюйма (25 нм). В микроскопическом масштабе металлические сплавы образуют зёрна, похожие на мыльные пузыри, плавающие в воде.

Каждое зерно имеет своё собственное магнитное поле, но оно может быть выровнено в заданном направлении. Группировка этих полей дает 0 и 1 бит данных. Ещё несколько покрытий представляют собой слой углерода для защиты и полимер для уменьшения контактного трения. Вместе они имеют толщину не более 0,0000005 дюймов (12 нм). Вскоре мы поймём, почему пластины должны быть изготовлены с такой высокой точностью, но удивительно вообразить, что всего за 15 долларов вы можете стать счастливым обладателем этого производства в нанометровом масштабе!

Но сначала давайте снова вернемся к жёсткому диску и посмотрим, что там ещё есть.

Схема разобранного HDD

Жёлтой рамкой выделена металлическая крышка, которая надёжно удерживает диски. На этом HDD они вращаются со скоростью 7200 оборотов в минуту. Чтобы уменьшить вредное воздействие пыли и влаги в воздухе, рециркуляционный фильтр (зеленая рамка) собирает крошечные частицы и задерживает их внутри. Воздух, перемещаемый вращением пластин, обеспечивает постоянный поток через фильтр. Сверху дисков и рядом с фильтром расположен один из трёх разделительных пластин: они помогают снизить вибрацию, а также поддерживают максимально возможную регулировку воздушного потока.

В левом верхнем углу изображения, обозначенного синей рамкой, находится один из двух постоянных стержневых магнитов. Он обеспечивает магнитное поле, необходимое для перемещения компонента, обозначенного красным цветом. Давайте разберёмся с некоторыми из этих частей.

Конструкция со считывающей и записывающей головкой

На изображении выше показана конструкция со считывающей и записывающей головкой. Наш жёсткий диск имеет 3 «блина» и 6 головок. Для этого головки подвешены на двух ультратонких металлических полосках. На изображении ниже, с другого жёсткого диска, части, которые читают и пишут, находятся под электронными дорожками. Запись осуществляется с помощью системы тонкоплёночной индукции (TFI), тогда как чтение выполняется с помощью туннельного магниторезистивного (TMR) устройства.

TFI и TMR

Сигналы, генерируемые TMR, очень слабые и должны быть пропущены через усилитель, прежде чем их можно будет отправлять дальше. Ответственный за это чип можно увидеть у основания рычагов привода на изображении ниже.

Микрочип

А вот в этом видео можно увидеть, как это всё работает в замедленной съёмке:

Вы должны быть зарегистрированы, чтобы увидеть медиа

Как упоминалось во введении к этой статье, механические компоненты и работа жёсткого диска не сильно изменились за эти годы. Технология, лежащая в основе магнитной дорожки и головок чтения/записи, улучшилась только благодаря созданию более узких и плотных дорожек, что в конечном итоге приводит к увеличению возможностей хранения. Однако механические жёсткие диски имеют явные ограничения производительности. Для перемещения рычагов привода в определённое положение требуется время, и если данные разбросаны по разным дорожкам на отдельных «блинах», то накопитель будет тратить относительно большое количество микросекунд на их поиск по кусочкам.

Было ли вам всё понятно и интересно? Остались какие-то вопросы? Напишите об этом в комментариях. А в следующий раз мы рассмотрим работу SSD: оставайтесь с нами и до встречи в серии статей «Как это устроено».​
Источник:
 
DDDTK

DDDTK

Местный филин
Сверху Снизу