Acest articol va vorbi doar despre hard disk-uri (HDD), adică despre mediile de disc magnetice. Următorul articol va fi despre SSD-uri.
Ce este un hard disk
Prin tradiție, să ne uităm la definiția unui hard disk pe Wikipedia:
Un hard disk (șurub, hard disk, hard disk, HDD, HDD, HMDD) este un dispozitiv de stocare cu acces aleatoriu bazat pe principiul înregistrării magnetice.
Sunt utilizate în marea majoritate a computerelor și, de asemenea, ca dispozitive conectate separat pentru stocarea copiilor de rezervă ale datelor, ca stocare de fișiere etc.
Să ne dăm seama puțin. Îmi place termenul „hard disk”. Aceste cinci cuvinte transmit esența. HDD este un dispozitiv al cărui scop este stocarea datelor înregistrate pe el pentru o perioadă lungă de timp. Baza HDD-urilor sunt discuri dure (aluminiu) cu un strat special, pe care informațiile sunt înregistrate folosind capete speciale.
Nu voi lua în considerare procesul de înregistrare în detaliu - în esență, aceasta este fizica ultimelor clase de școală și sunt sigur că nu aveți nicio dorință să aprofundați în acest lucru și nu despre asta este deloc articolul.
Să acordăm atenție și expresiei: „acces aleatoriu” care, în linii mari, înseamnă că noi (calculatorul) putem citi informații din orice secțiune a căii ferate în orice moment.
Un fapt important este că memoria HDD-ului nu este volatilă, adică indiferent dacă alimentarea este conectată sau nu, informațiile înregistrate pe dispozitiv nu vor dispărea nicăieri. Aceasta este o diferență importantă între memoria permanentă a computerului și memoria temporară (RAM).
Privind un hard disk de computer în viața reală, nu veți vedea nici discuri, nici capete, deoarece toate acestea sunt ascunse într-o carcasă sigilată (zonă ermetică). În exterior, hard disk-ul arată așa.
Cred că înțelegi ce este HDD-ul. Daţi-i drumul.
De ce are nevoie un computer de un hard disk?
Să ne uităm la ce este un HDD într-un computer, adică ce rol joacă acesta într-un computer. Este clar că stochează date, dar cum și ce. Aici evidențiem următoarele funcții ale HDD-ului:
- Stocarea OS, software-ul utilizatorului și setările acestora;
- Stocarea fisierelor utilizatorului: muzica, videoclipuri, imagini, documente etc.;
- Utilizarea unei părți din capacitatea hard diskului pentru a stoca date care nu se potrivesc în RAM (fișier de schimb) sau stocarea conținutului RAM în timpul utilizării modului de repaus;
- După cum puteți vedea, hard disk-ul unui computer nu este doar un depozit de fotografii, muzică și videoclipuri. Întregul sistem de operare este stocat pe acesta și, în plus, hard disk-ul ajută să facă față sarcinii RAM, preluând unele dintre funcțiile sale.
În ce constă un hard disk?
Am menționat parțial componentele unui hard disk, acum ne vom uita la asta mai detaliat. Deci, principalele componente ale HDD-ului:
- Carcasa - protejeaza mecanismele hard disk-ului de praf si umezeala. De regulă, este sigilat, astfel încât umiditatea și praful să nu pătrundă înăuntru;
- Discuri (clatite) - placi realizate dintr-un anumit aliaj metalic, acoperite pe ambele fete, pe care se inregistreaza datele. Numărul de farfurii poate fi diferit - de la una (în opțiunile bugetare) la mai multe;
- Motor - pe fusul căruia sunt fixate clătitele;
- Bloc de cap - o structură de pârghii (balance) și capete interconectate. Partea hard diskului care citește și scrie informații pe acesta. Pentru o clătită, se utilizează o pereche de capete, deoarece atât părțile superioare, cât și cele inferioare funcționează;
- Dispozitiv de pozitionare (actuator) - un mecanism care actioneaza blocul capului. Constă dintr-o pereche de magneți permanenți din neodim și o bobină situată la capătul blocului de cap;
- Controller - un cip electronic care controlează funcționarea HDD-ului;
- Zonă de parcare - un loc în interiorul hard disk-ului lângă discuri sau pe partea interioară a acestora, unde capetele sunt coborâte (parcate) în timpul inactiv, pentru a nu deteriora suprafața de lucru a clătitelor.
Acesta este un dispozitiv simplu de hard disk. S-a format în urmă cu mulți ani și nu i s-au făcut modificări fundamentale de mult timp. Și mergem mai departe.
Cum funcționează un hard disk?
După ce alimentarea HDD-ului este furnizată, motorul, pe axul căruia sunt atașate clătitele, începe să se rotească. Atinsă viteza cu care se formează un flux constant de aer la suprafața discurilor, capetele încep să se miște.
Această secvență (mai întâi discurile se rotesc, apoi capetele încep să funcționeze) este necesară pentru ca, datorită fluxului de aer rezultat, capetele să plutească deasupra plăcilor. Da, nu ating niciodată suprafața discurilor, altfel acestea din urmă ar fi deteriorate instantaneu. Cu toate acestea, distanța de la suprafața plăcilor magnetice la capete este atât de mică (~10 nm) încât nu o puteți vedea cu ochiul liber.
După pornire, în primul rând, sunt citite informații de service despre starea hard disk-ului și alte informații necesare despre acesta, situate pe așa-numita pistă zero. Abia atunci începe lucrul cu datele.
Informațiile de pe hard diskul unui computer sunt înregistrate pe piste, care, la rândul lor, sunt împărțite în sectoare (ca o pizza tăiată în bucăți). Pentru a scrie fișiere, mai multe sectoare sunt combinate într-un cluster, care este cel mai mic loc în care poate fi scris un fișier.
Pe lângă această partiție de disc „orizontală”, există și o partiție „verticală” convențională. Deoarece toate capetele sunt combinate, ele sunt întotdeauna poziționate deasupra aceluiași număr de piesă, fiecare deasupra discului său. Astfel, în timpul funcționării HDD, capetele par să deseneze un cilindru.
În timp ce HDD-ul rulează, în esență execută două comenzi: citire și scriere. Cand este necesara executarea unei comenzi de scriere, se calculeaza zona de pe disc in care se va executa, apoi se pozitioneaza capetele si, de fapt, se executa comanda. Rezultatul este apoi verificat. Pe lângă scrierea datelor direct pe disc, informațiile ajung și în memoria cache.
Dacă controlerul primește o comandă de citire, mai întâi verifică dacă informațiile necesare sunt în cache. Dacă nu este acolo, se calculează din nou coordonatele pentru poziționarea capetelor, apoi se poziționează capete și se citesc datele.
După terminarea lucrărilor, când alimentarea pe hard disk dispare, capetele sunt parcate automat în zona de parcare.
Practic, acesta este modul în care funcționează un hard disk de computer. În realitate, totul este mult mai complicat, dar cel mai probabil utilizatorul obișnuit nu are nevoie de astfel de detalii, așa că haideți să terminăm această secțiune și să mergem mai departe.
Tipuri de hard disk și producătorii acestora
Astăzi, există de fapt trei producători principali de hard disk pe piață: Western Digital (WD), Toshiba, Seagate. Acestea acoperă pe deplin cererea de dispozitive de toate tipurile și cerințele. Companiile rămase fie au dat faliment, fie au fost absorbite de una dintre principalele trei, fie au fost reutilizate.
Dacă vorbim despre tipurile de HDD, acestea pot fi împărțite după cum urmează:
1. Pentru laptopuri, parametrul principal este dimensiunea dispozitivului de 2,5 inchi. Acest lucru le permite să fie plasate compact în corpul laptopului;
2. Pentru un PC - în acest caz este posibil să se folosească și hard disk-uri de 2,5″, dar de regulă se folosesc 3,5″;
3. Hard disk-uri externe - dispozitive care sunt conectate separat la un PC/laptop, servind cel mai adesea drept stocare de fișiere.
Există, de asemenea, un tip special de hard disk - pentru servere. Sunt identice cu cele obișnuite pentru PC, dar pot diferi în ceea ce privește interfețele de conectare și performanța mai mare.
Toate celelalte diviziuni ale HDD-urilor în tipuri provin din caracteristicile lor, așa că să le luăm în considerare.
Specificații hard disk
Deci, principalele caracteristici ale hard diskului unui computer:
Volumul este un indicator al cantității maxime posibile de date care pot fi stocate pe un disc. Primul lucru la care se uită de obicei atunci când aleg un HDD. Această cifră poate ajunge la 10 TB, deși pentru un PC de acasă aleg adesea 500 GB - 1 TB;
- Factor de formă - dimensiunea hard diskului. Cele mai comune sunt 3,5 și 2,5 inci. După cum am menționat mai sus, 2.5″ în majoritatea cazurilor sunt instalate în laptopuri. Ele sunt, de asemenea, utilizate în HDD-urile externe. 3.5″ este instalat pe PC-uri și servere. Factorul de formă afectează și volumul, deoarece un disc mai mare poate încadra mai multe date;
- Viteza de rotație a axului - cu ce viteză se rotesc clătitele. Cele mai comune sunt 4200, 5400, 7200 și 10000 rpm. Această caracteristică afectează direct performanța, precum și prețul dispozitivului. Cu cât viteza este mai mare, cu atât sunt mai mari ambele valori;
- Interfață - metodă (tip conector) de conectare a HDD-ului la computer. Cea mai populară interfață pentru hard disk-urile interne de astăzi este SATA (calculatoarele mai vechi foloseau IDE). Hard disk-urile externe sunt de obicei conectate prin USB sau FireWire. Pe lângă cele enumerate, există și interfețe precum SCSI, SAS;
- Buffer volume (memorie cache) - un tip de memorie rapidă (tip RAM) instalată pe controlerul hard diskului, concepută pentru stocarea temporară a datelor care este cel mai des accesată. Dimensiunea bufferului poate fi de 16, 32 sau 64 MB;
- Timp de acces aleatoriu - timpul în care HDD-ul este garantat să scrie sau să citească de pe orice parte a discului. Interval de la 3 la 15 ms;
Pe lângă caracteristicile de mai sus, puteți găsi și indicatori precum:
Rata de transfer de date;
- Numărul de operațiuni I/O pe secundă;
- nivelul de zgomot;
- Fiabilitate;
- Rezistenta la impact, etc.;
Asta e totul despre caracteristicile HDD.
Hard disk (Unitate hard disk, HDD) - un dispozitiv de stocare cu acces aleatoriu (dispozitiv de stocare a informațiilor) bazat pe principiul înregistrării magnetice. Este principalul dispozitiv de stocare a datelor în majoritatea computerelor.
Spre deosebire de " Flexibil» disc ( Dischete), informații în HDDînregistrate pe plăci dure (aluminiu sau sticlă) acoperite cu un strat de material feromagnetic, cel mai adesea dioxid de crom - discuri magnetice. ÎN HDD una sau mai multe plăci sunt utilizate pe o axă. În modul de funcționare, capetele de citire nu ating suprafața plăcilor din cauza stratului de flux de aer de intrare care se formează lângă suprafață în timpul rotației rapide. Distanța dintre cap și disc este de câțiva nanometri, iar absența contactului mecanic asigură o durată lungă de viață a dispozitivului. Atunci când discurile nu se rotesc, capetele sunt amplasate la ax sau în afara discului într-o zonă sigură, unde este exclus contactul anormal al acestora cu suprafața discurilor.
Primul hard disk
ÎN 1957 an de companie IBM A fost dezvoltat primul hard disk și a fost dezvoltat chiar înainte de crearea computerului personal. Ar trebui să plătești o sumă ordonată pentru el, deși avea doar volum 5 MB. Apoi un hard disk cu o capacitate 10 MB mai ales pentru computer personal IBM PC XT. Winchester avea doar 30 urme si multe altele 30 de sectoareîn fiecare pistă. " Winchesters" - așa au început să se numească hard disk-urile; dacă sunt prescurtate, atunci " ÎNintami„, aceasta a venit dintr-o analogie cu marcarea carabinei companiei Winchester – „30/30”, care a fost multi-încărcat.
Pentru claritate, să ne uităm la 3,5 inci SATA disc. Va fi Seagate ST31000333AS.
PCB verde cu piste de cupru, conectori de alimentare și SATA numită placă electronică sau placă de control (P Placă de circuit striată, PCB). Este folosit pentru a controla funcționarea hard disk-ului. Carcasa neagră din aluminiu și conținutul său se numesc HDA ( Ansamblu cap și disc, HDA), experții îl mai numesc „ borcan" Se mai numește și corpul însuși fără conținut HDA (bază).
Acum să scoatem placa de circuit imprimat și să examinăm componentele așezate pe ea.
Primul lucru care vă atrage atenția este cipul mare situat în mijloc - microcontrolerul sau procesorul. (Unitate de microcontroler, MCU) . Pe hard disk-urile moderne, microcontrolerul este format din două părți - procesor central(Unitate centrală procesor, CPU), care efectuează toate calculele, și canalul canal de citire/scriere- un dispozitiv special care convertește semnalul analog care vine de la capete în date digitale în timpul unei operații de citire și codifică datele digitale într-un semnal analogic în timpul scrierii. Procesorul are porturi intrare/ieșire (porturi IO) pentru a controla alte componente situate pe placa de circuit imprimat și a transmite date prin interfata SATA.
Cip de memorie este o comună DDR SDRAM memorie. Cantitatea de memorie determină dimensiunea memoriei cache a hard diskului. Acest PCB conține memorie Samsung DDR volum 32 MB, care, în teorie, oferă discului un cache 32 MB(și acesta este exact volumul dat în caracteristicile tehnice ale hard disk-ului), dar acest lucru nu este în întregime adevărat. Faptul este că memoria este împărțită logic în buffer memorie (cache)și memorie firmware. Procesorul necesită o anumită cantitate de memorie pentru a încărca modulele firmware. Din câte se știe, numai Hitachi/IBM indica volumul real cacheîn descrierea caracteristicilor tehnice; față de alte discuri, despre volum cache putem doar ghici.
Următorul cip este controlerul de control al motorului și al unității principale sau „răsucirea” (controler motor bobină vocală, controler VCM). În plus, acest cip controlează sursele de alimentare secundare situate pe placă, care alimentează procesorul și cip preamplificator-comutator (preamplificator, preamplificator), situat în blocul ermetic. Acesta este principalul consumator de energie de pe placa de circuit imprimat. Controlează rotația axului și mișcarea capetelor. Miez Controler VCM Poate funcționa chiar și la temperaturi de până la 100°C.
O parte din firmware-ul discului este stocată în memorie flash. Când discul este alimentat, microcontrolerul încarcă conținutul cipului flash în memorie și începe să execute codul. Fără codul încărcat corect, discul nici măcar nu va dori să se rotească. Dacă nu există un cip flash pe placă, înseamnă că este încorporat în microcontroler.
Senzor de vibrații (senzor de șoc) reacționează la tremurări care sunt periculoase pentru disc și trimite un semnal despre aceasta către controler VCM. Controler VCM parchează imediat capetele și poate opri discul să se rotească. În teorie, acest mecanism ar trebui să protejeze discul de deteriorarea ulterioară, dar în practică nu funcționează, așa că nu scăpați discurile. Pe unele unități, senzorul de vibrații este foarte sensibil, răspunzând la cea mai mică vibrație. Datele primite de la senzor permit controlor VCM corectează mișcarea capetelor. Pe astfel de discuri sunt instalați cel puțin doi senzori de vibrații.
Există un alt dispozitiv de protecție pe placă - Suprimarea tensiunii tranzitorii (TVS). Protejează placa de supratensiuni. În timpul unei supratensiuni Televizoarele se stinge, creând un scurtcircuit la masă. Această placă are două TVS, pentru 5 și 12 volți.
Să luăm în considerare blocul ermetic.
Sub placa sunt contacte pentru motor si capete. În plus, pe corpul discului există o gaură mică, aproape invizibilă (gaura de respirație). Servește la egalizarea presiunii. Mulți oameni cred că există un vid în interiorul hard diskului. De fapt, acest lucru nu este adevărat. Acest orificiu permite discului să egalizeze presiunea în interiorul și în afara zonei de reținere. Există o gaură în interior acoperit cu un filtru (filtru de respirație), care prinde praful și particulele de umezeală.
Acum să aruncăm o privire în interiorul zonei de izolare. Scoateți capacul discului.
Capacul în sine nu este nimic interesant. Este doar o bucată de metal cu o garnitură de cauciuc pentru a împiedica praful.
Să ne uităm la umplerea zonei de izolare.
Informațiile prețioase sunt stocate pe discuri metalice, numite și clătite sau Pplatouri. În fotografie puteți vedea clătitele de sus. Plăcile sunt realizate din aluminiu sau sticlă lustruită și sunt acoperite cu mai multe straturi de compoziții diferite, inclusiv o substanță feromagnetică pe care sunt stocate efectiv datele. Între clătite, precum și deasupra vârfului acestora, vedem farfurii speciale numite separatoare sau separatoare (amortizoare sau separatoare). Sunt necesare pentru a egaliza fluxurile de aer și pentru a reduce zgomotul acustic. De regulă, acestea sunt fabricate din aluminiu sau plastic. Separatoarele din aluminiu fac față cu mai mult succes răcirii aerului din interiorul zonei de izolare.
Capete de citire-scriere (capete), sunt instalate la capetele consolelor unității de cap magnetic, sau BMG (Ansamblu Head Stack, HSA). Zona de parcare- aceasta este zona în care ar trebui să fie capetele unui disc de lucru dacă axul este oprit. Pentru acest disc, zona de parcare este situată mai aproape de ax, așa cum se poate vedea în fotografie.
Pe unele unități, parcarea se efectuează pe zone speciale de parcare din plastic situate în afara plăcilor.
HDD- un mecanism de pozitionare de precizie si necesita aer foarte curat pentru functionarea sa normala. În timpul utilizării, în interiorul hard diskului se pot forma particule microscopice de metal și grăsime. Pentru a curăța imediat aerul din interiorul discului, există filtru de recirculare. Acesta este un dispozitiv de înaltă tehnologie care colectează și prinde constant particule mici. Filtrul este situat pe calea fluxurilor de aer create de rotația plăcilor.
Să scoatem magnetul de sus și să vedem ce se ascunde dedesubt.
Hard disk-urile folosesc magneți de neodim foarte puternici. Acești magneți sunt atât de puternici încât pot ridica greutăți până la 1300 ori mai mare decât a lor. Deci nu trebuie să puneți degetul între magnet și metal sau alt magnet - lovitura va fi foarte sensibilă. Această fotografie arată limitatoarele BMG. Sarcina lor este să limiteze mișcarea capetelor, lăsându-le pe suprafața plăcilor. Limitatoare BMG Diferite modele sunt proiectate diferit, dar există întotdeauna două dintre ele, sunt folosite pe toate hard disk-urile moderne. Pe unitatea noastră, al doilea limitator este situat pe magnetul inferior.
Aici vedem aici bobină vocală, care face parte din unitatea capului magnetic. Se formează bobina și magneții Unitate BMG (motor bobină vocală, VCM). Se formează unitatea de antrenare și cap magnetic poziționator (actuator)- un dispozitiv care mișcă capete. O parte din plastic neagră de formă complexă se numește zăvorul actuatorului. Este un mecanism de apărare care eliberează BMG după ce motorul axului atinge un anumit număr de rotaţii. Acest lucru se întâmplă din cauza presiunii fluxului de aer. Blocarea protejează capetele de mișcări nedorite în poziția de parcare.
Acum să scoatem blocul magnetic al capului.
Precizie și mișcare lină BMG sprijinit de rulment de precizie. Cea mai mare parte BMG fabricat din aliaj de aluminiu, numit de obicei paranteză sau balansoar (braț). La capătul balansoarului există capete pe o suspensie cu arc (Ansamblul cardanului capete, HGA). De obicei, capetele și culbutorii în sine sunt furnizate de diferiți producători. Circuit imprimat flexibil (FPC) merge la contact pad conectat la placa de control.
Să ne uităm la componente BMG mai multe detalii.
O bobină conectată la un cablu.
Ținând.
Următoarea fotografie arată Contacte BMG.
Garnitură asigură etanşeitatea conexiunii. Astfel, aerul poate intra în unitate doar cu discuri și capete prin orificiul de egalizare a presiunii. Acest disc are contacte acoperite cu un strat subțire de aur pentru a îmbunătăți conductivitatea.
Acesta este un design rocker clasic.
Se numesc micile părți negre de la capetele umeraselor cu arc glisoare. Multe surse indică faptul că glisoarele și capetele sunt același lucru. De fapt, glisorul ajută la citirea și scrierea informațiilor ridicând capul deasupra suprafeței clătitelor. Pe hard disk-urile moderne, capetele se mișcă la distanță 5-10
nanometri de la suprafața clătitelor. Pentru comparație, un păr uman are un diametru de aproximativ 25000 nanometri. Dacă orice particule intră sub glisor, acest lucru poate duce la supraîncălzirea capetelor din cauza frecării și a defecțiunii acestora, motiv pentru care curățenia aerului din interiorul zonei de izolare este atât de importantă. Elementele de citire și scriere în sine sunt situate la capătul glisorului. Sunt atât de mici încât pot fi văzute doar cu un microscop bun.
După cum puteți vedea, suprafața glisorului nu este plată, are șanțuri aerodinamice. Ele ajută la stabilizarea altitudinii de zbor a glisorului. Se formează aerul de sub glisor pernă de aer (suprafață de rulare a aerului, ABS). Perna de aer menține zborul glisorului aproape paralel cu suprafața clătitei.
Iată o altă imagine slider
Contactele capului sunt clar vizibile aici.
Aceasta este o altă parte importantă BMG, despre care încă nu s-a discutat. Se numește p reamplificator (preamplificator, preamplificator). Preamplificator- acesta este un cip care controlează capete și amplifică semnalul care vine la ele sau de la ele.
Preamplificator plasat direct în BMG dintr-un motiv foarte simplu – semnalul care vine de la capete este foarte slab. Pe discurile moderne are o frecvență de aproximativ 1 GHz. Dacă mutați preamplificatorul în afara zonei ermetice, un astfel de semnal slab va fi mult atenuat în drum spre placa de control.
Există mai multe piese care duc de la preamplificator la capete (pe dreapta) decât către zona de izolare (pe stânga). Cert este că un hard disk nu poate funcționa simultan cu mai mult de un cap (o pereche de elemente de scriere și citire). Hard disk-ul trimite semnale către preamplificator și selectează capul pe care îl accesează în prezent hard disk-ul. Acest hard disk are șase piste care duc la fiecare cap. De ce atât de multe? O piesă este soltă, încă două sunt pentru elemente de citire și scriere. Următoarele două piste sunt pentru controlul mini-drive-urilor, dispozitivelor piezoelectrice sau magnetice speciale care pot mișca sau roti glisorul. Acest lucru ajută la setarea mai precisă a poziției capetelor deasupra pistei. Ultima cale duce la încălzitor. Încălzitorul este folosit pentru a regla altitudinea de zbor a capetelor. Încălzitorul transferă căldură suspensiei care conectează glisorul și balansoarul. Suspensia este realizată din două aliaje cu caracteristici diferite de dilatare termică. Când este încălzită, suspensia se îndoaie spre suprafața clătitei, reducând astfel înălțimea de zbor a capului. Când este răcit, cardanul se îndreaptă.
Astăzi, mulți cred că hard disk-urile magnetice sunt prea lente, nefiabile și depășite din punct de vedere tehnic. SSD-urile, pe de altă parte, sunt la apogeul popularității: fiecare dispozitiv mobil are medii de stocare bazate pe flash și chiar și computerele desktop folosesc astfel de unități. Cu toate acestea, perspectivele lor sunt foarte limitate. Conform prognozei CHIP, SSD-urile vor scădea puțin mai mult, densitatea datelor și, prin urmare, capacitatea unității se va dubla probabil, iar apoi va veni sfârșitul. SSD-urile de 1 TB vor fi întotdeauna prea scumpe. Pe fundalul lor, unitățile magnetice de capacitate similară arată foarte atractiv, așa că este prea devreme să vorbim despre sfârșitul erei unităților tradiționale. Cu toate acestea, astăzi se află la o răscruce de drumuri. Potențialul tehnologiei actuale - metoda de înregistrare perpendiculară - permite încă două cicluri de ani, timp în care vor fi lansate noi modele cu capacitate crescută, iar apoi se va atinge limita.
Dacă cei trei mari producători – Seagate, Western Digital și Toshiba – pot face tranziția către una dintre noile tehnologii prezentate în acest articol, atunci hard disk-uri de 3,5 inci cu capacități de 60 TB sau mai mari (care este de 20 de ori mai mare decât modelele actuale). ) va înceta să mai fie un lux de neatins. În același timp, viteza de citire va crește și ea, ajungând la nivelul unui SSD, deoarece depinde direct de densitatea datelor care se scriu: cu cât distanța pe care capul de citire trebuie să o parcurgă mai mică, cu atât mai repede funcționează discul. Prin urmare, dacă „foamea noastră de informații” continuă să crească, toți „laurii” vor merge pe discuri magnetice.
Metoda de înregistrare perpendiculară
De ceva timp, hard disk-urile folosesc o metodă de înregistrare perpendiculară (pe domenii amplasate vertical), care oferă o densitate mai mare a datelor. În prezent este norma. Tehnologiile ulterioare vor păstra această metodă.
6 TB: limita este aproape atinsă
În doi ani, discurile cu scriere perpendiculară vor atinge limita densității datelor pe un platou.
În hard disk-urile moderne cu o capacitate de până la 4 TB, densitatea de înregistrare a platourilor magnetice nu depășește 740 Gbit pe inch pătrat. Producătorii promit că unitățile care utilizează metoda de înregistrare perpendiculară vor putea oferi 1 Tbit pe inch pătrat. Peste doi ani va fi lansată cea mai recentă generație de astfel de unități: capacitatea modelelor cu factor de formă de 3,5 inchi va ajunge la 6 TB, iar modelele de 2,5 inchi vor putea oferi puțin peste 2 TB de spațiu pe disc. Cu toate acestea, astfel de rate modeste de creștere a densității înregistrărilor nu mai pot ține pasul cu foamea noastră tot mai mare de informații, așa cum demonstrează următoarele grafice.
Problema alegerii materialelor
Hard disk-urile cu o metodă de înregistrare perpendiculară nu sunt capabile să răspundă cerințelor tot mai mari în domeniul stocării datelor, deoarece cu o densitate de înregistrare de puțin peste 1 Tbit pe inch pătrat sunt forțate să facă față efectului superparamagnetismului. Acest termen înseamnă că particulele de o anumită dimensiune a materialelor magnetice nu sunt capabile să mențină o stare de magnetizare pentru o perioadă lungă de timp, care se poate schimba brusc sub influența căldurii din mediu. Dimensiunea particulelor la care apare acest efect depinde de materialul utilizat (vezi tabelul de mai jos). Platourile HDD-urilor moderne cu înregistrare perpendiculară sunt realizate dintr-un aliaj de cobalt, crom și platină (CoCrPt), ale cărui particule au un diametru de 8 nm și o lungime de 16 nm. Pentru a înregistra un bit, capul trebuie să magnetizeze aproximativ 20 de astfel de particule. Cu un diametru de 6 nm sau mai puțin, particulele din acest aliaj nu sunt capabile să mențină în mod fiabil starea câmpului lor magnetic.
În industria hard disk-urilor se vorbește adesea despre o „trilemă”. Producătorii pot folosi trei metode principale pentru a crește densitatea de înregistrare: modificarea dimensiunii particulelor, a numărului de particule și a tipului de aliaj din care sunt compuse. Dar când dimensiunea particulelor aliajului CoCrPt este de la 6 nm, utilizarea uneia dintre metode va duce la faptul că celelalte două vor fi inutile: dacă dimensiunea particulelor este redusă, își vor pierde magnetizarea. Dacă le reduceți numărul pe bit, semnalul lor se va „dizolva” în zgomotul ambiental al biților vecini. Capul de citire nu va putea determina dacă are de-a face cu un „0” sau un „1”. Un aliaj cu caracteristici magnetice mai mari permite utilizarea particulelor mai mici și permite, de asemenea, o reducere a numărului acestora, dar în acest caz capul de înregistrare nu este capabil să le modifice magnetizarea. Această trilemă poate fi rezolvată doar dacă producătorii abandonează metoda de înregistrare perpendiculară. Există deja mai multe tehnologii pregătite pentru asta.
Până la 60 TB: noi tehnologii de înregistrare
Densitatea de înregistrare a viitoarelor HDD-uri poate fi mărită de zece ori - folosind microunde, lasere, controlere SSD și aliaje noi.
Cea mai promițătoare dezvoltare, capabilă să ofere o densitate de înregistrare de peste 1 Tbit pe inch pătrat, este tehnologia de înregistrare magnetică cu suprapunere parțială a pistelor (Shingled Magnetic Recording, SMR). Principiul său este că pistele magnetice ale unui disc SMR se suprapun parțial una pe cealaltă, precum plăcile de pe un acoperiș. Această tehnologie depășește dificultatea inerentă a metodei de înregistrare perpendiculară: o reducere suplimentară a lățimii pistelor va duce inevitabil la imposibilitatea înregistrării datelor. Discurile moderne au piste separate cu o lățime de 50 până la 30 nm. Lățimea minimă posibilă a pistei pentru înregistrarea perpendiculară este de 25 nm. În tehnologia SMR, datorită suprapunerii parțiale, lățimea pistei pentru capul de citire poate fi de până la 10 nm, ceea ce corespunde unei densități de înregistrare de 2,5 Tbiți pe inch pătrat. Trucul este să măriți lățimea pistelor de înregistrare la 70 nm, asigurându-vă în același timp că marginea pistei este 100% magnetizabilă. Marginea pistei nu se va schimba dacă următoarea este înregistrată cu un offset de 10 nm. În plus, capul de înregistrare este echipat cu un scut de protecție pentru a împiedica câmpul său magnetic puternic să deterioreze datele aflate sub el. În ceea ce privește capul, acesta a fost deja proiectat
de Hitachi. Cu toate acestea, există o altă problemă: de obicei, o rescriere separată directă a biților este efectuată pe un disc magnetic, iar în cadrul tehnologiei SMR acest lucru este posibil numai pe cea mai de sus a platoului. Schimbarea biților aflați pe pista de jos ar necesita rescrierea întregului platou, ceea ce reduce performanța.
Succesor promițător: HAMR
Între timp, organizația internațională pentru unități de disc, materiale și echipamente IDEMA acordă preferință înregistrării magnetice asistate de căldură (HAMR, Heat Assisted Magnetic Recording) și o consideră cel mai probabil candidat pentru rolul de succesor al tehnologiei de înregistrare perpendiculară. Mark Guinen, din consiliul de administrație al IDEMA, prezice că primele discuri HAMR vor fi disponibile pentru vânzare în 2015.
Spre deosebire de SMR, tehnologia HAMR rezolvă trilema prin reducerea particulelor magnetice, ceea ce necesită trecerea la un material nou. Pentru discurile HAMR, este necesar să se folosească un material cu o energie anizotropă mai mare - cel mai promițător este un aliaj de fier și platină (FePt). Anizotropia determină câtă energie este necesară pentru a elimina magnetizarea dintr-un material. În FePt este atât de mare încât numai particulele cu dimensiunea de 2,5 nm întâlnesc limita superparamagnetică (vezi tabelul din secțiunea următoare). Această circumstanță ar face posibilă producerea de hard disk-uri cu o capacitate de 30 TB cu o densitate de înregistrare de 5 TB pe inch pătrat.
Problema este că capul de înregistrare în sine nu este capabil să schimbe orientarea magnetică a particulelor de aliaj FePt. Prin urmare, în discurile HAMR, este încorporat un laser, care încălzește momentan particulele pe o suprafață de câțiva nanometri la o temperatură de aproximativ 400 ° C. Ca rezultat, capul de înregistrare necesită mai puțină energie pentru a modifica câmpul magnetic al particulelor. Pe baza valorilor densității de înregistrare, unitățile de înregistrare magnetice asistate termic pot avea viteze mari de citire (aproximativ 400–500 MB/s), ceea ce astăzi este realizabil doar pentru unitățile SSD cu interfață SATA 3.
Pe lângă laser, un generator de cuplu de rotație (Spin Torque Oscillator), care emite microunde, este, de asemenea, capabil să ofere capacitatea de a scrie pe plăci de aliaj FePt. Microundele modifică caracteristicile câmpului magnetic al particulelor în așa fel încât un cap de înregistrare slab le remagnetizează cu ușurință. În general, generatorul crește eficiența capului de înregistrare de trei ori. Tehnologia de înregistrare magnetică asistată cu microunde (MAMR), spre deosebire de HAMR, este încă în curs de dezvoltare.
Aliaj metalic nou pentru discuri cu înregistrare magnetică masată termic
Aliajul FePt din discul HAMR are o energie anizotropă mai mare și o capacitate de magnetizare crescută. În comparație cu metoda de înregistrare perpendiculară, particulele de dimensiuni mai mici pot fi utilizate aici.
Ce urmează după HAMR?
Tehnologia Bit-Patterned Media (BPM) a fost mult timp considerată cea mai promițătoare. Oferă o soluție diferită a trilemei: în acest caz, particulele magnetice sunt separate unele de altele printr-un strat izolator de oxid de siliciu. Spre deosebire de discurile magnetice tradiționale, zonele magnetizabile sunt depuse cu ajutorul litografiei, similar cu fabricarea cipurilor. Acest lucru face ca media BPM să fie destul de costisitoare de produs. BPM vă permite să reduceți numărul de particule pe bit evitând în același timp influența zgomotului de la particulele învecinate asupra semnalului. Singura problemă de astăzi este crearea unui cap de citire/scriere care ar putea oferi un control de mare precizie al biților BPM. Prin urmare, BPM este văzut în prezent drept succesorul cel mai probabil al HAMR. Dacă combinați ambele tehnologii, puteți obține o densitate de înregistrare de 10 terabiți pe inch pătrat și puteți produce discuri cu o capacitate de 60 terabytes.
O nouă zonă de cercetare este tehnologia Two Dimensional Magnetic Recording (TDMR), care rezolvă trilema eliminând problema raportului semnal-zgomot. Cu un număr mic de particule pe bit, capul de citire primește un semnal neclar deoarece are o putere scăzută și se pierde în zgomotul particulelor învecinate. O caracteristică specială a tehnologiei TDMR este capacitatea de a restabili un semnal pierdut. Acest lucru necesită imprimări multiple de capete de citire sau o imprimare a mai multor capete de citire care formează o imagine 2D a suprafeței. Pe baza acestor imagini, decodorul recuperează biții corespunzători.
După cum știu majoritatea utilizatorilor de computere personale, toate datele dintr-un computer sunt stocate pe un hard disk - un dispozitiv de stocare a informațiilor cu acces aleatoriu care funcționează pe principiul înregistrării magnetice. Hard disk-urile moderne sunt capabile să stocheze informații cu un volum total de până la 6 terabytes (capacitatea celui mai încăpător disc lansat în prezent de HGST), ceea ce părea imposibil în urmă cu zece ani. Pe lângă faptul că hard disk-ul computerului are o capacitate enormă, datorită tehnologiilor moderne sofisticate utilizate în funcționarea acestuia, vă permite și să obțineți acces aproape instantaneu la informațiile stocate pe acesta, fără de care operarea productivă a computerului ar fi imposibilă. Cum funcționează acest miracol al tehnologiei moderne și cum funcționează?
Dispozitiv cu hard disk
Dacă scoateți capacul superior al hard disk-ului, veți vedea doar placa electronică și un alt capac, sub care există o zonă etanșă. În această zonă ermetică se află principalele elemente ale HDD-ului. În ciuda credinței larg răspândite că zona ermetică a unui hard disk conține un vid, acest lucru nu este deloc adevărat - în interiorul zonei ermetice este umplut cu aer uscat curățat de praf, iar capacul are de obicei o mică gaură cu un filtru de curățare conceput pentru a egalizați presiunea aerului în interiorul zonei ermetice.
În general, un hard disk este format din următoarele componente principale:
Cum funcționează un hard disk
Ce se întâmplă atunci când hard disk-ul computerului este alimentat și acesta începe să funcționeze? În urma comenzii controlerului electronic, motorul hard diskului începe să se rotească, punând astfel în mișcare discurile magnetice care sunt atașate rigid de axa sa. De îndată ce viteza de rotație a axului atinge o valoare suficientă pentru a crea un flux constant de aer pe suprafața discului, ceea ce va împiedica capul de citire să cadă pe suprafața unității, mecanismul basculant începe să miște capetele de citire, și ele plutesc deasupra suprafeței discului. În același timp, distanța de la capul de citire la stratul magnetic al unității este de numai aproximativ 10 nanometri, ceea ce este egal cu o miliardime dintr-un metru.
Primul pas la pornirea hard disk-ului este să citiți informațiile de service de pe unitate (numită și „pista zero”), care conține informații despre disc și starea acestuia. Dacă sectoarele cu informații de service sunt deteriorate, hard disk-ul nu va funcționa.
Apoi lucrul începe direct cu datele aflate pe disc. Particulele de material feromagnetic care acoperă suprafața discului, sub influența capului magnetic, formează în mod condiționat biți - unități de stocare a informațiilor digitale. Datele de pe un hard disk sunt distribuite pe piste, care sunt o zonă circulară pe suprafața unui singur disc magnetic. Traseul, la rândul său, este împărțit în segmente egale numite sectoare. Astfel, planând deasupra suprafeței de lucru a discului, capul magnetic poate, prin modificarea câmpului magnetic, să scrie date strict într-o locație specifică de pe unitate, iar prin captarea fluxului magnetic, informațiile pot fi citite pe sector.
Formatarea hard diskului
Pentru ca datele să fie stocate pe hard disk, acestea sunt mai întâi supuse unui proces de formatare. De asemenea, formatarea este uneori necesară la reinstalarea sistemului de operare, deși în al doilea caz nu este formatat întregul disc, ci doar una dintre partițiile sale logice.
În timpul formatării, informațiile de serviciu sunt aplicate pe disc, precum și date despre locația sectoarelor și pistelor pe suprafața discului. Acest lucru este necesar pentru poziționarea precisă a capetelor magnetice atunci când lucrați cu un hard disk.
Specificații hard disk
Piața modernă de hard disk oferă o mare varietate de modele de hard disk din care să alegeți, care diferă în diverși parametri tehnici. Iată principalele caracteristici prin care hard disk-urile diferă:
- Interfață de conectare. Majoritatea hard disk-urilor moderne sunt conectate la placa de baza prin interfata SATA, dar exista si modele cu alte tipuri de conexiuni: eSATA, FireWire, Thunderbolt si IDE.
- Capacitate. O valoare care caracterizează cantitatea de informații care poate încadra pe un hard disk. În acest moment, cele mai populare unități sunt 500 GB și 1 TB.
- Factor de formă. Hard disk-urile moderne vin în două dimensiuni fizice: 2,5 inchi și 3,5 inchi. Primele sunt destinate utilizării în laptopuri și versiuni compacte de PC-uri, cele din urmă sunt utilizate în computerele desktop obișnuite.
- Viteza de rotație a arborelui. Cu cât viteza axului hard disk-ului este mai mare, cu atât funcționează mai repede. Cea mai mare parte a hard disk-urilor de pe piață au o viteză de rotație de 5400 sau 7200 rpm, dar există și discuri cu turația axului de 10.000 rpm.
- Volumul tamponului. Pentru a netezi diferența între viteza de citire/scriere și viteza de transfer prin interfață, hard disk-urile folosesc memorie intermediară numită buffer. Dimensiunea tamponului variază de la 8 la 128 de megaocteți.
- Timp de acces aleatoriu. Acesta este timpul necesar pentru a efectua operația de poziționare a capului magnetic pe o zonă arbitrară a suprafeței hard diskului. Poate varia de la 2,5 la 16 milisecunde.
De ce se numește un hard disk?
Potrivit unei versiuni, hard disk-ul și-a primit porecla neoficială „Winchester” în 1973, când a fost lansat primul HDD din lume, în care capete de citire aerodinamică au fost plasate într-o cutie sigilată cu plăci magnetice. Această unitate avea o capacitate de 30 MB plus 30 MB într-un compartiment detașabil, motiv pentru care inginerii care au lucrat la dezvoltarea sa i-au dat numele de cod 30-30, care era în concordanță cu denumirea unei puști populare folosind .30- 30 cartuș Winchester. La începutul anilor nouăzeci, numele „Winchester” a căzut din uz în Europa și SUA, dar este încă popular în țările vorbitoare de limbă rusă. De asemenea, puteți auzi adesea o versiune în argo mai prescurtată a numelui hard disk - „șurub”, folosit în principal de specialiștii în computere.
Dacă luăm în considerare hard disk-ul ca un întreg, acesta constă din două părți principale: aceasta este placa electronică pe care se află „creierul” hard disk-ului, ca să spunem așa. Conține un procesor, un program de control, un dispozitiv de memorie cu acces aleatoriu și un amplificator de înregistrare și citire. Partea mecanică include piese precum un bloc de capete magnetice cu abrevierea BMG, un motor care rotește plăcile și, desigur, plăcile în sine. Să ne uităm la fiecare parte mai detaliat.
Bloc ermetic.
Blocul ermetic, cunoscut și sub numele de carcasă pentru hard disk, este proiectat pentru fixarea tuturor pieselor și servește și ca protecție împotriva particulelor de praf care pătrund pe suprafața plăcilor. Este de remarcat faptul că deschiderea HDA se poate face doar într-o cameră special pregătită pentru aceasta, pentru a evita pătrunderea prafului și murdăriei în interiorul carcasei.
Circuit integrat.
Un circuit integrat sau o placă electronică sincronizează funcționarea hard disk-ului cu computerul și controlează toate procesele; în special, menține o viteză constantă de rotație a axului și, în consecință, a platoului, care este efectuată de motor.
Motor electric.
Un motor sau un motor electric rotește plăcile: aproximativ 7200 de rotații pe secundă (se ia o valoare medie, sunt hard disk-uri pe care viteza este mai mare și ajunge la 15.000 de rotații pe secundă, și există și cu o viteză mai mică de aproximativ 5400, viteza de acces la informațiile necesare de pe placă depinde de viteza de rotație a hard disk-urilor plăcilor).
Rocker.
Rockerul este proiectat pentru scrierea și citirea informațiilor de pe plăcile hard diskului. Capătul balansierului este divizat și există un bloc de capete magnetice pe acesta; acest lucru se face astfel încât informațiile să poată fi scrise și citite de pe mai multe plăci.
Bloc de capete magnetice.
Culbutorul include un bloc de capete magnetice, care eșuează destul de des, dar acest parametru „deseori” este foarte condiționat. Capetele magnetice sunt situate în partea de sus și de jos a platourilor și sunt folosite pentru a citi direct informațiile de pe platourile aflate pe hard disk.
Farfurii.
Plăcile stochează direct informații; sunt realizate din materiale precum aluminiu, sticlă și ceramică. Aluminiul este cel mai utilizat, dar celelalte două materiale sunt folosite pentru a face așa-numitele „roți de elită”. Primele plăci produse au fost acoperite cu oxid de fier, dar acest feromagnet avea un mare dezavantaj. Discurile acoperite cu o astfel de substanță aveau o rezistență redusă la uzură. În acest moment, majoritatea producătorilor de hard disk îmbracă platourile cu crom cobalt, care are o marjă de siguranță cu un ordin de mărime mai mare decât oxidul de fier. Plăcile sunt atașate de ax la aceeași distanță una de cealaltă; acest design se numește „pachet”. Un motor sau un motor electric este situat sub discuri.
Fiecare parte a plăcii este împărțită în piste, acestea la rândul lor sunt împărțite în sectoare sau blocuri, toate pistele de același diametru reprezintă un cilindru.
Toate hard disk-urile moderne au așa-numitul „cilindru de inginerie”, pe care sunt stocate informații de service, cum ar fi modelul hdd-ului, numărul de serie etc. Aceste informații sunt destinate să fie citite de un computer.
Cum funcționează un hard disk
Principiile de bază de funcționare ale unui hard disk s-au schimbat puțin de la începuturile sale. Dispozitivul unui hard disk este foarte asemănător cu un recorder obișnuit. Doar sub corp pot fi mai multe plăci montate pe o axă comună, iar capetele pot citi informații de pe ambele părți ale fiecărei plăci simultan. Viteza de rotație a plăcilor este constantă și este una dintre principalele caracteristici. Capul se deplasează de-a lungul plăcii la o anumită distanță fixă de suprafață. Cu cât această distanță este mai mică, cu atât este mai mare acuratețea citirii informațiilor și densitatea de înregistrare a informațiilor poate fi mai mare.
Când te uiți la hard disk, tot ce vezi este o carcasă metalică durabilă. Este complet etanșat și protejează unitatea de particulele de praf, care, dacă intră în spațiul îngust dintre cap și suprafața discului, pot deteriora stratul magnetic sensibil și pot deteriora discul. În plus, carcasa protejează unitatea de interferențe electromagnetice. În interiorul carcasei se află toate mecanismele și câteva componente electronice. Mecanismele sunt discurile în sine pe care sunt stocate informații, capete care scriu și citesc informațiile de pe discuri și motoarele care pun totul în mișcare.
Discul este o placă rotundă cu o suprafață foarte netedă, de obicei din aluminiu, mai rar din ceramică sau sticlă, acoperită cu un strat feromagnetic subțire. Multe unități folosesc un strat de oxid de fier (care acoperă bandă magnetică obișnuită), dar cele mai recente hard disk-uri folosesc un strat de cobalt gros de aproximativ zece microni. Această acoperire este mai durabilă și, în plus, vă permite să creșteți semnificativ densitatea de înregistrare. Tehnologia aplicației sale este apropiată de cea utilizată în producția de circuite integrate.
Numărul de discuri poate fi diferit - de la unu la cinci, numărul de suprafețe de lucru este corespunzător de două ori mai mare (două pe fiecare disc). Acesta din urmă (precum și materialul folosit pentru acoperirea magnetică) determină capacitatea hard disk-ului. Uneori, suprafețele exterioare ale discurilor exterioare (sau una dintre ele) nu sunt utilizate, ceea ce face posibilă reducerea înălțimii unității, dar, în același timp, numărul de suprafețe de lucru este redus și se poate dovedi a fi ciudat.
Capetele magnetice citesc și scriu informații pe discuri. Principiul de înregistrare este în general similar cu cel utilizat într-un magnetofon convențional. Informațiile digitale sunt convertite într-un curent electric alternativ furnizat capului magnetic și apoi transmise discului magnetic, dar sub forma unui câmp magnetic, pe care discul îl poate percepe și „aminte”.
Învelișul magnetic al discului este format din multe zone minuscule de magnetizare spontană. Pentru a ilustra, imaginați-vă că discul este acoperit cu un strat de săgeți busole foarte mici îndreptate în direcții diferite. Astfel de particule de săgeți sunt numite domenii. Sub influența unui câmp magnetic extern, câmpurile magnetice proprii ale domeniilor sunt orientate în conformitate cu direcția acestuia. După terminarea câmpului extern, pe suprafața discului se formează zone de magnetizare reziduală. În acest fel, informațiile înregistrate pe disc sunt salvate. Zonele de magnetizare reziduală, atunci când discul se rotește opus decalajului capului magnetic, induc în el o forță electromotoare, care variază în funcție de magnitudinea magnetizării.
Pachetul de discuri, montat pe axa axului, este antrenat de un motor special situat compact sub acesta. Pentru a reduce timpul necesar pentru ca unitatea să devină operațională, motorul funcționează în modul forțat pentru o perioadă de timp când este pornit. Prin urmare, sursa de alimentare a computerului trebuie să aibă o rezervă de putere de vârf. Acum despre funcționarea capetelor. Se mișcă cu ajutorul unui motor pas cu pas și par să „plutească” la o distanță de o fracțiune de micron de suprafața discului, fără a-l atinge. Ca urmare a înregistrării informațiilor, pe suprafața discurilor se formează zone magnetizate sub formă de cercuri concentrice.
Se numesc piste magnetice. În mișcare, capetele se opresc peste fiecare piesă următoare. Un set de piste situate una sub alta pe toate suprafețele se numește cilindru. Toate capetele de antrenare se deplasează simultan, accesând cilindri cu același nume cu aceleași numere.