Jak funguje pevný disk? Desky na pevných discích

Každý HDD obsahuje jeden nebo více plochých disků, na kterých jsou uloženy informace o uživateli. Říká se jim desky a skládají se ze dvou součástí. V první řadě je to materiál, ze kterého je vyroben samotný disk. Navíc se používá naprašovaný magnetický prášek, který uchovává informace ve formě pulsů. Pevné disky dostaly své jméno právě kvůli použití „pevných“ disků v nich (na rozdíl od disket, kde lze médium ohnout, ale při ohýbání diskety není důvěra v integritu dat na ní). Jsou tam talíře různé velikosti. Jsou to oni, kdo obvykle určuje tvarový faktor pevného disku, ale jak uvidíme později, ne vždy. První pevné disky, které se používaly na úsvitu PC, byly vyrobeny ve formátu 5,25". Dnes má většina pevných disků formát 3,5", abychom byli přesní, 5,25" pevný disk měl plotny o velikosti 5,12". a 3,5" pevné disky mají obvykle plotny o průměru 3,74". Mobilní PC používají pevné disky menšího formátu – obvykle 2,5 palce Podívejme se na otázku, proč výrobci přecházeli z větších a ve výsledku i kapacitnějších pevných disků s 5,25 deskami na 3,5 a menší Zde jsou některé argumenty ve prospěch zmenšení desek: 1. Zvýšená tuhost: tužší desky jsou lépe připraveny na vibrace a otlučení a v důsledku toho jsou vhodnější pro větší rychlost otáčení disku. Jednoduchost výroby: rovnoměrnost a rovinnost desky je klíčem ke kvalitě pevného disku Menší disky mají při výrobě méně vad 3. Snížení hmotnosti: výrobci se snaží zvýšit otáčky motoru. pevný disk. Menší desky se snadněji zrychlují, zaberou méně času a samotný motor může být méně výkonný. 4. Úspora energie: Menší pevné disky spotřebují méně energie. 5. Hluk a generované teplo: Jak je z výše uvedeného patrné, oba tyto parametry jsou sníženy. 6. Vylepšená přístupová doba: Zmenšením velikosti ploten snižujeme vzdálenost, kterou potřebuje hlava k letu od začátku na konec disku při náhodném přístupu. Díky tomu jsou procesy náhodného čtení a zápisu rychlejší. Trendy směrem k menším oplatkám v pevné disky Seagate jasně demonstruje moderní počítače a servery. Při svých 10 000 ot./min. na pevných discích používá disky o průměru 3 palce a při 15 000 ot./min. -- 2,5 palce. Samotné pevné disky přitom zůstávají ve formátu 3,5. Pevné disky mohou mít alespoň jednu plotnu. Uvnitř je jich však často mnohem více. Standardní pevné disky pro PC mají obvykle jednu až pět ploten a pevné disky pro servery mají až tucet. Staré pevné disky jich mohou mít více než deset. Na každém pevném disku jsou všechny desky fyzicky namontovány na vřetenu. Je poháněn speciálním motorem. Desky jsou od sebe vzdáleny pomocí speciálních oddělovacích kroužků. Celý tento systém je dokonale vycentrován. Každý talíř má dva povrchy, které mohou obsahovat data. Nad každým z nich je čtecí/zapisovací hlava. Obvykle se k ukládání dat používají obě strany talíře, ale ne vždy. Některé starší pevné disky měly vyhrazený servo informační systém. Jeden povrch desky tedy obsahoval specializované informace pro umístění hlav. Moderní pevné disky takovou technologii nevyžadují, ale někdy se z marketingových důvodů nepoužívají obě strany disku, například k vytváření modelů různých kapacit. V příštím článku se podíváme na materiály, které se při výrobě plátů používají.

Pevné disky: něco, o čem jste ani nevěděli

Alex Blackwell Hlavní inženýr WD for EMEA hovoří o málo známých a překvapivých technologiích, které se dnes používají v HDD, a o tom, jaká podivná a nečekaná řešení vám umožní v budoucnu zvýšit kapacitu. Bonus: Podrobnosti o připravovaném hybridním disku WD

⇣ Obsah

Pevný disk je jednou z nejúžasnějších součástí moderní počítač. Jen si představte, že data stále uchováváme pomocí magneticko-mechanické technologie, která existuje od 50. let 20. století a dočkala se elektronkové elektroniky a záznamů. Představte si, že žijeme v alternativním vesmíru, kde pevný disk nebyl nikdy vynalezen a všechna data jsou zapisována do paměti Flash nebo na jiné pevné médium. Co si tedy myslíte o návrhu ukládat informace jako magnetizované oblasti na rotujícím disku, kde lze záznamovou hlavu přesně umístit na stopy, které jsou od sebe vzdáleny srovnatelné velikosti s tranzistory vytvořenými v integrovaných obvodech pomocí fotolitografie? Je to nemožné, příliš obtížné, nespolehlivé a krátkodobé? Ne, to je realita, kterou považujeme za samozřejmost. Příklad technologie dotažené na zpočátku nepředvídatelnou, až absurdní úroveň.

Technologie HDD je sice založena na jednoduchých principech, ale aby dosáhla takových výšin, bylo zapotřebí desetiletí vývoje a vědeckého výzkumu, obrovského množství složitých, netriviálních, někdy důmyslných a neuvěřitelných řešení, o kterých se vně ví jen málo. okruh lidí profesně spojených s výrobou pevné disky. Právě s takovým člověkem jsme hovořili - můžete se ho zeptat na všechny otázky, které vás napadnou o technologiích pevných disků, které se nyní používají a budou implementovány v budoucnu. Seznamte se s Alexem Blackwellem, hlavním inženýrem společnosti Western Digital v regionu EMEA.

Blackwell často komunikuje s počítačovým tiskem, ale to zjevně není případ, na který by se obrátilo oficiální „Často musím komunikovat ve službě“. Zdá se, že ho opravdu baví učit lidi o technologii. Alex mluví tak nadšeně a živě, že dvouhodinový rozhovor s ním utekl jedním dechem. Obecně to nebylo moc jako rozhovor. Od Alexe jsme se nemuseli na nic „ptat“ a na jednu otázku nám dal mnohem zajímavější informace, než jsme původně očekávali. Výsledkem byla vlastně celovečerní přednáška o zajímavých a nesrozumitelných faktech týkajících se pevných disků.

Při sestavování seznamu otázek jsme se pokusili omezit otřepané fráze z kategorie „jak je na tom nyní WD a jaké má plány do budoucna?“ a dozvědět se více o pevných discích obecně, aniž byste se museli obávat, že budete v nějakém ohledu působit naivně a ignorantsky. Alex s radostí dovolí svému partnerovi, aby byl chamtivým „proč“ po znalostech.

Blackwell má také velmi živý projev, plný metafor a humoru. Pokusíme se to sdělit v textu, aby se co nejvíce přiblížil „neupravovanému“ přepisu. Nicméně, jelikož se konverzace točila neustále kolem stejných otázek, poskládáme to takto - v podobě shrnutí několika hlavních témat. Žádná jednotlivá zápletka, jen sbírka fascinujících příběhů o pevných discích. Všechny řeči jsou z pohledu Alexe Blackwella, otázky a komentáře autora jsou psány kurzívou.

⇡ O parkování hlavy a vestavěném elektrickém generátoru

3D News : Nedávno jsme se dozvěděli, že pevný disk používá elektrický generátor, který mu umožňuje dokončit zápis sektoru v případě výpadku proudu. Můžete nám o tom říct více?

Alex Blackwell: Když náhle vypadne proud, první a nejdůležitější věcí pro bezpečnost jízdy je zaparkování hlav. Protože pokud dopadnou na magnetický nosič, jednoduše se přilepí a už se nebudou moci zvednout (v provozu hlava skutečně letí nad hladinou díky proudění vzduchu. - Cca. autor) . Tohle je konec. Jejich povrchy jsou tak hladké. Představte si dvě absolutně hladké skleněné tabule přitisknuté k sobě. Kolik síly je potřeba k jejich rozbití! Pokud pohon zapnete po přilepení hlav k disku, rotace vřetena jednoduše utrhne hrot aktuátoru. Proto pro parkování zvedneme hlavy a vezmeme je na samostatnou plastovou plošinu. Nebo spíše spustíme akční člen a samotné hlavy visí na špičce ve vzduchu.

Špička aktuátoru „spadla“ na desku (foto z Wikimedia Commons)

Vždy máme trochu volného času na zaparkování hlav při výpadku proudu. Tato operace se provádí pomocí elektrického generátoru. Ale co třeba generátor? samostatné zařízení ne na pevném disku. Motor se jednoduše používá na „zpátečku“, což lze provést s jakýmkoli elektromotorem.

Tak tomu bylo posledních 15-20 let. Starší typy disků parkovaly hlavy přímo na povrchu disku, blízko vnitřního okraje. Byl tam magnetický zámek, který držel ovladač na místě. Pokud si vzpomínáte, když jste vypnuli tak starý disk, slyšeli jste cvaknutí. Tento aktuátor se přiblížil k magnetu a zaskočil tam. Pro Western Digital výroba takových disků skončila v letech 2005-2006, možná dokonce v roce 2007.

Hlavy bylo možné zaparkovat přímo na disk, protože zpočátku nebyl povrch tak hladký a hlavy byly větší. Všeobecně tehdy bylo vše jednodušší. Poté bylo nutné povrch udělat velmi hladký, aby hlava létala velmi blízko (v současné době je mezera mezi hlavou a povrchem disku několik nanometrů. - Cca. autor) . A jednoho dne bylo příliš hladké na to, aby z něj po zaparkování vzlétlo. Poté jsme začali pomocí laseru vytvářet texturu na povrchu kotouče na parkovací ploše. Nyní, od roku 2007, je parkovací plocha umístěna mimo povrch disku, na plastové podložce. To znamená, že princip parkování hlavy přežil pouze tři fáze vývoje, ale přesto se v této oblasti používá spousta jemných technologií.

Vraťme se však k situaci výpadku proudu. Kromě parkování hlav je druhým úkolem ušetřit co nejvíce uživatelských dat. Na médium je nutné přenést informaci, na kterou se zaznamenává tento moment, ukončete nahrávání aktuálního sektoru. K tomu jednoduše využijeme zbytkovou rotaci unašeče.

⇡ Působivá čísla a dvoustupňový pohon

První pevný disk se objevil v roce 1956. Vzpomeňte si na další technologie z 50. let. Například rádiové trubice. Od té doby máme tranzistory, pak první integrované obvody a poté LSI (Integrace ve velkém měřítku, čipy se stovkami tisíc tranzistorů). Nebo si uděláme audio nahrávku. Většinu času jsme používali 78 ot./min. Nejprve plastovými jehlami, pak diamantovými, pak se objevila magnetická páska, CD, MP3. Některé technologie prostě poskočily kupředu, ale diskové jednotky funguje stále stejně jako předtím. Je zde rotující disk a po něm se pohybuje aktuátor, magnetická plocha s indukčním principem zápisu a čtení. Až na to, že auta zůstala stejná jako v té době.

Představte si ale první pevný disk IBM. Řekněme, že velikost jednoho bitu na tomto disku z 50. let je srovnatelná se stadionem Spartaku. Jak velký je tedy bit? moderní pohon? Velikost tohoto stolu? Velikost této místnosti? Velikost mého palce? Přesně tak, přesně ten prst! Oblasti obsazené jedním bitem tu a tam jsou korelovány na stupnici 108. To je 104 v každém směru.

IBM 350 (1956) - úplně první pevný disk. Určeno pro počítač IBM 305 RAMAC (foto z Wikimedia Commons)

Geometrie pevného disku se neustále zmenšuje. Nyní jsou stopy na médiu ve vzdálenosti 50-60 nm od sebe. Nyní si vzpomeňte na mikroprocesory Intel, které využívají fotolitografii a továrny s gigantickým vybavením k výrobě na 28 nm. A zároveň máme otočný disk a hlavu můžeme umístit do středu jedné ze stop, které od sebe dělí pouhých 60 nm, s přesností asi 10 nm. Tohle je opravdová hi-tech.

Víte, co je dvoustupňový pohon? (Dvoustupňový pohon)? Představte si, že moje ruka je akutor s hlavami na konci. Zde je bod obratu u ramenního kloubu. A pokud potřebujete zlepšit polohu ruky, můžete věnovat pozornost kloubu prstu. Na dvoustupňovém aktuátoru je jakýsi extra malý aktuátor, který se může pohybovat jen o několik stop doleva a doprava. Díky tomu můžeme zlepšit přesnost polohování. Tuto technologii používáme zhruba dva roky v podnikových produktech (řada RE3) a v roce 2012 jsme ji zavedli u některých spotřebitelských modelů. V terabajtové jednotce řady Green, několik modrých, celá červená řada a nyní v černé barvě.

Schéma dvoustupňového pohonu (z amerického patentu 6624983)

⇡ WD Black a terabajtové desky

3D News : Řekněte nám, proč právě sériové disky W.D. Černá ukázat tak působivý výkon, zejména v testech náhodného přístupu?

Alex Blackwell: Jedním ze základů vysoké produktivity jsou otáčky vřetena. Druhým základem je rychlý akční člen, který zkracuje dobu hledání stopy. Pohony řady WD Black a RE používají dva velké magnety v motoru pohonu. Silnější magnet umožňuje rychlejší pohyb hlav. Další série, modrá a zelená, používají kompaktnější jeden magnet, takže černá je před modrou v rychlosti náhodného přístupu, i když ta pracuje také při 7200 ot./min.

3D News : Kdy se disky objeví? W.D. Černá s 1TB plotnami?

Alex Blackwell: Je to otázka priorit. Neexistuje žádný technologický důvod, proč bychom to nemohli udělat. Terabajtové desky se již používají v „zelené“ řadě o objemu 1-3 TB, v „modré“ řadě. Vidíte, když navrhujete pevný disk a chcete ho se ziskem prodat, musíte zkombinovat mnoho parametrů: výkon, objem, výtěžnost vhodných komponent při výrobě a mnoho dalších. Důležitá je kombinace faktorů, nejen mít určitou technologii. Domnívám se, že u WD Black terabajtové desky prostě ještě nedosáhly zóny optimální kombinace vlastností.

⇡ Jak jsou uspořádány hlavy

3D News : Jaké jsou typové hlavy? GPP / GMR (Perpendicular to Plane / Giant Magnetoresistance), které se dnes používají v pevných discích? Jak fungují?

Alex Blackwell: Původní pevný disk IBM a všechny následující disky až do let 1996-1997 měly jednu hlavu pro čtení a zápis. Tato hlava je roztrhaný prsten s drátem navinutým nahoře. Když se na drát přivede proud, vytvoří se magnetické pole, které „unikne“ mezerou v kroužku. Pokud přiblížíte zlom k něčemu, co lze zmagnetizovat, zmagnetizuje se to. To se děje s povrchem talíře na pevném disku: objevují se oblasti, které mají magnetické póly – severní a jižní. Zároveň, pokud na hlavu nepřivedete napětí, ale jednoduše ji posunete po zmagnetizované oblasti, vznikne v ní proud.

Pohon a jeho hrot pod mikroskopem (za fotografii děkujeme Andrew Hazelden, www.andrewhazelden.com)

Postupem času se ukázalo, že jediné zařízení představuje kompromis. Co je dobré pro psaní, nemusí být optimální pro čtení. Pak našla uplatnění myšlenka magnetorezistence. Jako čtecí hlava byl použit rezistor, který mění odpor v přítomnosti magnetického pole. A jako záznamová hlava je zde samostatná indukční část. A žádné další kompromisy. Později se objevila druhá generace této technologie – GMR (Giant Magnetoresistance), kde Giant udává množství napětí, které umožňuje vznik odporového prvku. Jen se stal citlivějším. A pro budoucnost po GMR tu máme tuto věc: TuMR - Tunneling Magnetoresistance, která ještě zvýší účinnost hlavy.

Nyní o nahrávce. Cívka s přerušením uprostřed, o které jsem mluvil na začátku, se používá pro tzv. podélný magnetický záznam. Magnetizované oblasti na desce jsou vytvořeny v podélné orientaci. Stejně jako auta parkují na ulici.

Podélný a kolmý záznam

Ale teď vezmeme a nainstalujeme tyto magnety vertikálně. Výsledkem je kolmý záznam. Bez znalosti technologie je těžké si představit, jak se to dělá. Ve skutečnosti musíte na magnetickou desku přidat další vrstvu, která jakoby odráží jeden z pólů cívky a vytváří slabý magnetický efekt rozložený na velkou plochu. Takto funguje kolmý záznam. Pro auta by bylo také lepší parkovat kolmo, zejména v Moskvě. Hlavní věc je nezapomenout vyjmout kávu z držáku šálků.

⇣ Obsah

25.06.2005

Materiál substrátu, ze kterého je wafer vyroben, tvoří základ, na kterém budou data uložena. Vrstva pro ukládání dat je velmi tenký povlak magnetického materiálu na povrchu talíře. Tloušťka této vrstvy je několik milióntin palce.

Magnetický materiál používaný u starších pevných disků byl oxidový materiál, jmenovitě oxid železa. Pokud se podíváte na plotny starých pevných disků, budou mít charakteristickou světle hnědou barvu. Typ magnetického materiálu používaného u starších pevných disků je podobný materiálu používanému v audiokazetách: také používají oxid železa jako úložiště a nosič zvukové informace, proto je fólie u audiokazet také světle hnědá.

Oxidový materiál nebyl drahý na použití, ale měl určité nevýhody. První nevýhodou je, že se jedná o měkký materiál a při kontaktu se čtecí/zapisovací hlavou se může snadno poškodit. Druhou nevýhodou je, že tento materiál je vhodný pouze pro relativně nízké hustoty záznamu. Oxid železitý fungoval dobře na starých pevných discích, kde byla nízká hustota záznamu, ale zatímco vývojáři zvyšovali a zvyšovali hustotu záznamu na jednotku povrchu, bylo jasné, že tento materiál již není schopen zvládnout úkol správně ukládat informace. a bez problémů.

Dnešní pevné disky používají tenkou vrstvu. Jak název napovídá, na waferovém substrátu je připevněna velmi tenká vrstva magnetického materiálu. Při výrobě takových desek, speciální výrobní technologie. Jednou z technologií je galvanické pokovování. Další technologií je nástřik. Desky vyrobené technologií naprašování mají lepší rovnoměrnost než desky vyrobené galvanickým pokovováním. Vzhledem ke zvýšeným požadavkům na kvalitu ploten v moderních pevných discích se používají plotny vyrobené technologií magnetické depozice materiálu.

Ve srovnání s oxidovým materiálem je tenkovrstvý materiál rovnoměrnější a hladší. Má také mnohem lepší magnetické vlastnosti, což umožňuje uložit mnohem více dat na jednotku plochy. Tento materiál je navíc mnohem odolnější vůči fyzikálním vlivům.

Po nanesení magnetického materiálu jsou desky pokryty tenk ochranná vrstva, skládající se z uhlíku. Na závěr je výsledný „sendvič“ potažen velmi tenkou vrstvou lubrikantu. Tento materiál se používá k ochraně desek před náhodným kontaktem s magnetickými hlavami, čímž se minimalizují následky takových nehod.

V současné době vývojáři v IBM pracují na experimentálním slibném materiálu, který v budoucnu nahradí tenkovrstvé potahování. Místo kovového filmu nastříkaného na povrch bude použito složení organických molekul a částic železa a platiny. Tato kompozice se nastříká na desku, načež se deska zahřeje. V důsledku tohoto postupu tvoří částice železa a platiny krystalickou mřížku. IBM tuto strukturu nazývá „nanokrystalická prostorová mřížka“. Tato technologie má potenciál zvýšit hustotu záznamu povrchu 10-100krát! Tato technologie si samozřejmě vyžádá změny dalších částí pevného disku, zejména čtecích/zapisovacích hlav a servosystému.

Na obrázku níže je fotografie dvou 5,25" desek: horní s tenkou vrstvou a spodní s oxidem železa. Tenkovrstvé desky velmi dobře odrážejí světlo. Pokud takovou desku vyfotografujete v pravém úhlu, bude podobný pokusu vyfotografovat zrcadlo Proto společnosti z tohoto důvodu prezentují fotografie svých pevných disků pořízené z určitého úhlu.