Как устроен винчестер. Пластины в жестких дисках

Каждый жесткий диск содержит в себе один или более плоских дисков, которые хранят информацию пользователя. Они называются пластинами и состоят из двух компонентов. Прежде всего, это материал, из которого сделан сам диск. Кроме того, используется напыленный магнитный порошок, который запоминает информацию в виде импульсов. Жесткие диски получили свое название именно в силу использования в них "жестких" дисков (в отличие от флоппи-дисководов, где носитель можно гнуть, но при сгибании дискеты нет никакой уверенности в целостности данных на ней). Пластины бывают различных размеров. Именно они обычно определяют форм-фактор винчестера, но, как мы увидим позже, не всегда. Первые винчестеры, которые использовались на заре ПК, были выполнены в форм-факторе 5,25". Сегодня большинство винчестеров имеют форм-фактор 3,5 дюйма. Если точно, то 5,25" жесткий диск имел в себе пластины размером в 5,12" , а 3,5" жесткие диски имеют обычно пластины диаметром в 3,74". Мобильные ПК используют винчестеры меньшего форм-фактора -- как правило, 2,5 дюйма. Давайте рассмотрим вопрос, почему производители перешли от более больших, и как следствие, более емких винчестеров с 5,25 пластинами к 3,5 и меньшим. Вот несколько аргументов в пользу уменьшения пластин: 1. Увеличенная жесткость: более жесткие пластины лучше подготовлены к вибрациям и биениям, и как следствие, лучше подходит для более большой скорости вращения диска. 2. Легкость производства: однородность и плоскость пластины -- это залог качества винчестера. У более маленьких дисков меньше брака при производстве. 3. Уменьшение массы: производители пытаются увеличить скорость двигателя жесткого диска. Более маленькие пластины легче разогнать, на это уйдет меньше времени и сам мотор можно сделать менее мощным. 4. Сохранение энергии: меньшие винчестеры потребляют меньше энергии. 5. Шум и выделяющееся тепло: как можно увидеть из вышесказанного, эти оба параметра уменьшаются. 6. Улучшеное время доступа: уменьшая размер пластин, мы уменьшаем расстояние, которое головке надо пролетать от начала до конца диска, при случайном доступе. Это делает процессы случайного чтения-записи более быстрыми. Тенденции к использованию более малых пластин в жестких дисках современных ПК и серверов наглядно показывает фирма Seagate. В своих 10000 об./мин. винчестерах она использует диски диаметром в 3 дюйма, а в 15000 об./мин. -- 2,5 дюйма. При этом сами жесткие диски остаются в 3,5 форм-факторе. Жесткие диски могут имеют как минимум одну пластину. Однако зачастую внутри их гораздо больше. Стандартные винчестеры для ПК имеют, как правило, от одной до пяти пластин, а винчестеры для серверов -- до десятка. Старые жесткие диски могут иметь их и больше десяти. В каждом винчестере, все пластины физически смонтированны на шпинделе. Он приводится в движение от выделенного мотора. Пластины разнесены друг от друга при помощи специальных разделительных колец. Вся эта система идеально отцентрированна. Каждая пластина имеет две поверхности, которые могут содержать данные. Над каждой из них находится головка чтения/записи. Обычно, используются обе стороны пластины для хранения данных, но не всегда. Некоторые старые жесткие диски имели систему выделенной серво-информации. Таким образом, одна поверхностей пластины содержала в себе специализированную информацию для позиционирования головок. Современным винчестерам не требуется такая технология, но, тем не менее, иногда используется не обе стороны диска в силу маркетинговых соображений, например, для создания моделей различной емкости. В следующей статье мы рассмотрим материалы, которые используются при производстве пластин.

Жесткие диски: то, о чем вы даже не подозревали

Алекс Блеквелл, главный инженер WD по EMEA, рассказывает о малоизвестных и удивительных технологиях, которые применяются в HDD сегодня, и о том, какие странные и неожиданные решения позволят наращивать емкость в будущем. Бонус: подробности о грядущем гибридном приводе от WD

⇣ Содержание

Жесткий диск — один из самых удивительных компонентов современного компьютера. Только представьте себе, что мы все еще храним данные с помощью магнитно-механической технологии, которая существует с 50-х годов ХХ века и успела повидать ламповую электронику и грампластинки. Представьте, что мы живем в альтернативной Вселенной, где жесткий диск никогда не был изобретен и все данные записываются на Flash-память или другие твердотельные носители. Тогда что вы скажете на предложение сохранять информацию в виде намагниченных участков на вращающемся диске, где записывающая головка сможет точно позиционироваться на дорожках, расстояние между которыми сопоставимо по размеру с транзисторами, создаваемыми в интегральных схемах с помощью фотолитографии? Это невозможно, слишком сложно, ненадежно и недолговечно? Нет, это реальность, которую мы принимаем как нечто само собой разумеющееся. Пример технологии, доведенной до изначально непредсказуемого, даже абсурдного уровня.

Хотя в основе технологии HDD лежат простые принципы, для того чтобы она достигла таких высот, потребовались десятки лет разработки и научных исследований, огромное количество сложных, нетривиальных, подчас остроумных и невероятных решений, о которых немного известно за пределами круга людей, по профессии связанных с производством жестких дисков. Мы побеседовали именно с таким человеком — ему можно задать все вопросы, приходящие в голову по поводу технологий жестких дисков, которые применяются сейчас и будут внедряться в будущем. Знакомьтесь: Алекс Блеквелл (Alex Blackwell), главный инженер компании Western Digital в регионе EMEA.

Блеквелл часто общается с компьютерной прессой, но это явно не тот случай, к которому подошло бы казенное «по долгу службы часто приходится общаться». Чувствуется, что ему действительно нравится рассказывать людям о технологиях. Алекс говорит так увлеченно и ярко, что двухчасовое интервью с ним пролетело на одном дыхании. Это, в общем-то, и было мало похоже на интервью. У Алекса не пришлось ничего «выспрашивать», и на один вопрос он выдавал гораздо больше интереснейшей информации, чем мы изначально рассчитывали получить. Получилась фактически полноформатная лекция об интересных и неочевидных фактах, касающихся жестких дисков.

Составляя список вопросов, мы постарались сократить банальности из разряда «как у WD дела сейчас и каковы планы на будущее?» и узнать больше о жестких дисках в целом, не боясь в чем-то показаться наивными и невежественными. Алекс с удовольствием позволяет собеседнику быть жадным до знаний «почемучкой».

А еще у Блэквелла очень яркая речь, насыщенная метафорами и юмором. Попытаемся передать это в тексте, сделав его максимально близким к «непричесанной» стенограмме. Тем не менее, поскольку разговор постоянно крутился вокруг одних и тех же вопросов, мы именно так его и скомпонуем — в виде конспекта нескольких главных тем. Никакого единого сюжета, просто сборник увлекательных историй про жесткие диски. Вся речь идет от лица Алекса Блеквелла, вопросы и комментарии автора — курсивом.

⇡ О парковке головок и встроенном электрогенераторе

3DNews : Мы не так давно узнали, что жесткий диск использует электрический генератор, чтобы можно было завершить запись сектора в случае аварийного отключения. Можно рассказать об этом поподробнее?

Алекс Блеквелл: Когда внезапно пропадает электропитание, первое и самое важное для безопасности привода — запарковать головки. Потому что если они приземлятся на магнитный носитель, то они просто прилипнут, и больше не смогут подняться (в работе головка фактически летит над поверхностью за счет потока воздуха. — прим. автора ) . Это конец. Настолько гладкие у них поверхности. Представьте себе два абсолютно гладких листа стекла, прижатые друг к другу. Сколько силы нужно, чтобы разорвать их! Если вы включите привод после того как головки прилипли к диску, то вращение шпинделя просто оторвет кончик актуатора. Поэтому для парковки мы поднимаем головки и относим их на отдельную пластиковую площадку. Вернее, опускаем актуатор, а сами головки на кончике висят в воздухе.

Кончик актуатора «упал» на пластину (фото c Wikimedia Commons)

На парковку головок при обрыве питания у нас всегда есть немного свободного времени. Эта операция осуществляется с помощью электрического генератора. Но генератора как отдельного устройства в жестком диске нет. Двигатель просто используется в «реверсе», что можно сделать с любым электрическим мотором.

Так обстоят дела в течение последних 15-20 лет. Диски более старых типов парковали головки прямо на поверхность диска, у внутреннего края. Там был магнитный замок, который удерживал актуатор на месте. Если вы помните, то, выключая такой старый привод, вы слышали щелчок. Это актуатор приближался к магниту и защелкивался там. Для Western Digital производство таких дисков закончилось в 2005-2006-м, может, даже в 2007 году.

Парковать головки прямо на диске можно было потому, что изначально поверхность была не столь гладкой и головки были крупнее. Вообще, тогда все было проще. Потом поверхность потребовалось сделать очень гладкой, чтобы головка летала очень близко (сейчас зазор между головкой и поверхностью диска составляет единицы нанометров. — прим. автора ) . И однажды она стала слишком гладкой, чтобы можно было взлететь с нее после парковки. Тогда мы начали использовать лазер, чтобы создать текстуру на поверхности диска в парковочной зоне. Теперь, с 2007 года, парковочная зона находится вне поверхности диска, на пластиковой площадке. То есть принцип парковки головок пережил всего три этапа развития, но, несмотря на это, в данной области задействовано очень много тонких технологий.

Однако вернемся к ситуации обрыва питания. Помимо того, чтобы запарковать головки, вторая задача — спасти настолько много пользовательских данных, насколько возможно. Нужно передать на носитель фрагмент информации, который записывается в данный момент, завершить запись текущего сектора. Для этого мы просто используем остаточное вращение носителя.

⇡ Некоторые впечатляющие цифры и двухступенчатый актуатор

Первый жесткий диск появился в 1956 году. Вспомните другие технологии из 1950-х. Например, радиолампы. С тех пор у нас появились транзисторы, затем первые интегральные схемы, а затем — LSI (Large Scale Integration, микросхемы с сотнями тысяч транзисторов) . Или возьмем аудиозапись. Большую часть времени мы использовали пластинки со скоростью вращения 78 об/мин. Сначала с пластиковыми иглами, потом с алмазными, потом появилась магнитная лента, CD, MP3. Некоторые технологии просто прыгнули вперед, но дисковые приводы все еще работают так же, как встарь. Есть вращающийся диск и актуатор, движущийся вдоль него, магнитная поверхность с индуктивным принципом записи и чтения. Разве что автомобили остались такими же, как в то время.

Но представьте себе первый жесткий диск от IBM. Допустим, размер одного бита на этом диске 50-х годов сопоставим со стадионом «Спартак». Насколько же тогда велик бит на современном диске? Размером с этот стол? Размером с эту комнату? Размером с мой большой палец? Правильно, именно палец! Площади, занимаемые одним битом сейчас и тогда, соотносятся в масштабе 10 8 . То есть 10 4 в каждом направлении.

IBM 350 (1956 г.) — самый первый жесткий диск. Предназначался для компьютера IBM 305 RAMAC (фото с Wikimedia Commons)

Геометрия жесткого диска постоянно сжимается. Сейчас дорожки на носителе находятся на расстоянии 50-60 нм друг от друга. А теперь вспомните микропроцессоры Intel, которые для производства по норме 28 нм используют фотолитографию, фабрики с гигантским оборудованием. А у нас в то же время есть вращающийся диск, и мы можем позиционировать головку в центре одной из дорожек, которые разделяют всего 60 нм, с точностью около 10 нм. Это настоящий хай-тек.

Вы знаете, что такое двухступенчатый актуатор (Dual Stage Actuator) ? Представьте, что моя рука — это акутатор с головками на конце. Вот поворотная точка в плечевом суставе. И если вам требуется улучшить позиционирование руки, то можно обратить внимание на сустав пальца. На двухступенчатом актуаторе есть своего рода дополнительный маленький актуатор, который может перемещаться всего на несколько дорожек влево и вправо. За счет этого мы можем повысить точность позиционирования. Мы используем эту технологию уже около двух лет в корпоративных продуктах (серия RE3), а в 2012 году внедрили в некоторых потребительских моделях. В терабайтном диске серии Green, нескольких Blue, всей линейке Red, а теперь и в Black.

Схема двухступенчатого актуатора (из патента United States Patent 6624983)

⇡ WD Black и терабайтные пластины

3DNews : Расскажите, почему диски серии WD Black показывают такую впечатляющую производительность, в особенности — в тестах произвольного доступа?

Алекс Блеквелл: Одна из основ высокой производительности — скорость вращения шпинделя. Вторая основа — быстрый актуатор, за счет которого уменьшается время поиска дорожки. В дисках серии WD Black и RE в двигателе актуатора используются два больших магнита. Более сильный магнит позволяет быстрее двигать головки. В других сериях, Blue и Green, устанавливают более компактный одинарный магнит, поэтому Black опережает Blue по скорости произвольного доступа, хотя последние тоже работают на 7200 об/мин.

3DNews : А когда же появятся диски WD Black с пластинами объемом 1 Тбайт?

Алекс Блеквелл: Это вопрос приоритетов. Нет технологической причины, по которой мы не можем этого сделать. Терабайтные пластины уже применяются в «зеленой» серии при объеме 1-3 Тбайт, в «синей». Понимаете, когда ты проектируешь жесткий диск и хочешь продать его с прибылью, то нужно сочетать много параметров: производительность, объем, выход годных компонентов при производстве и множество других. Важно сочетание факторов, а не просто обладание определенной технологией. Я полагаю, что для WD Black терабайтные пластины просто еще не пришли в зону оптимального сочетания характеристик.

⇡ Как устроены головки

3DNews : Что собой представляют головки типа GPP / GMR (Perpendicular to Plane / Giant Magnetoresistance), которые сегодня используются в жестких дисках? Как они работают?

Алекс Блеквелл: Оригинальный жесткий диск IBM и все последующие диски вплоть до 1996-1997 годов имели единые головки чтения/записи. Такая головка представляет собой разорванное кольцо с проволокой, накрученной сверху. Когда на проволоку подается ток, возникает магнитное поле, которое «вытекает» через разрыв в кольце. Если поднести разрыв к чему-то, что может быть намагничено, оно намагничивается. Что и происходит с поверхностью пластины в жестком диске: возникают участки, имеющие магнитные полюса — северный и южный. В то же время, если не подавать на головку напряжение, а просто провести вдоль намагниченного участка, в ней возникает ток.

Актуатор и его кончик под микроскопом (за фото спасибо Andrew Hazelden, www.andrewhazelden.com)

Со временем стало очевидно, что единое устройство представляет собой компромисс. Что хорошо для записи, может быть неоптимальным для чтения. Тогда нашла применение идея магниторезистивности. В качестве считывающей головки стали использовать резистор, который меняет сопротивление в присутствии магнитного поля. А в качестве записывающей головки — отдельную индуктивную часть. И больше никакого компромисса. Позже появилось второе поколение этой технологии — GMR (Giant Magnetoresistance), где Giant указывает на величину напряжения, которое позволяет развить резистивный элемент. Он просто стал более чувствительным. А на будущее после GMR у нас есть вот какая штука: TuMR — Tunneling Magnetoresistance, которая еще больше повысит эффективность головки.

Теперь о записи. Катушка с разрывом в середине, о которой я говорил изначально, используется для так называемой продольной магнитной записи. Намагниченные участки на пластине образуются в продольной ориентации. Подобно тому, как машины паркуются на улице.

Продольная и перпендикулярная запись

Но теперь мы берем и устанавливаем эти магнитики вертикально. Получается перпендикулярная запись. Не зная технологии, трудно себе представить, как это делается. На самом деле, нужно добавить к магнитной пластине еще один слой, который как бы отражает один из полюсов катушки и создает слабый магнитный эффект, распределенный по большой площади. Вот как работает перпендикулярная запись. Для машин также было бы лучше, чтобы они парковались вертикально, особенно в Москве. Главное — не забыть убрать кофе из подстаканника.

⇣ Содержание

25.06.2005

Подложечный материал, из которого изготовлена пластина, образует основу, на которой будут храниться данные. Слоем, хранящим данные, является очень тонкое покрытие магнитным материалом поверхности пластины. Толщина этого слоя - несколько миллионных дюйма.

В качестве магнитного материала в старых винчестерах использовался оксидный материал, а именно - оксид железа. Если посмотреть на пластины старых винчестеров, они будут иметь характерный светло-коричневый цвет. Тип магнитного материала, используемого в старых винчестеров, схож с материалом, используемом в аудиокассетах: они тоже используют оксид железа в качестве хранителя и переносчика звуковой информации, именно поэтому пленка в аудиокассетах тоже светло-коричневая.

Оксидный материал не дорог для использования, но у него имелись некоторые недостатки. Первый недостаток - это то, что это - мягкий материал, и может быть легко поврежден при контакте с головкой чтения/записи. Второй недостаток - этот материал годиться только для относительно низких плотностей записи. Оксид железа хорошо отработал свой срок в старых винчестерах, где была низкая плотность записи, но в то время, как разработчики увеличивали и увеличивали плотность записи на единицу поверхности, стало ясно, что этот материал перестает справляться с задачей правильного и беспроблемного хранения информации.

Сегодняшние винчестеры используют тонкопленочное покрытие. Как видно из названия, очень тонкий слой магнитного материала прикреплен к подложке пластины. При производстве таких пластин используются специальные производственные технологии. Одна из технологий - это гальванопокрытие. Другая технология - распыление. Пластины, произведенные по технологии распыления, имеют лучшую однородность, чем пластины, произведенные с помощью гальванопокрытия. В силу возросших требований к качеству пластин в современных жестких дисках, используются пластины, произведенные по технологии напыления магнитного материала.

По сравнению с оксидным материалом, тонкопленочный материал более однороден и гладок. Он также имеет намного лучшие магнитные свойства, позволяющие хранить намного больше данных на единицу поверхности. Кроме того, этот материал намного устойчивее к физическим воздействиям.

Пластины после нанесения магнитного материалом покрывается тонким защитным слоем, состоящим из карбона. В конце концов, получившийся "бутерброд" покрывают очень тонким слоем смазывающего материала. Этот материал используется для защиты пластин от случайного соприкосновения с магнитными головками, сводя к минимуму последствия таких случайностей.

В настоящее время разработчики в фирме IBM работают над экспериментальным многообещающим материалом, который заменит тонкопленочное покрытие в будущем. Вместо металлической пленки, распыленной на поверхности, будет использован состав из органических молекул и частиц железа и платины. Этот состав будет распыляться на пластину, после чего пластину нагреют. Вследствие этой процедуры, частицы железа и платины образуют кристаллическую решетку. Фирма IBM называет эту структуру как "нанокристаллическая пространственная решетка". У этой технологии имеется потенциал увеличения поверхностной плотности записи в 10-100 раз! Конечно, эта технология потребует изменения и других частей жесткого диска, в особенности головок чтения/записи и сервосистемы.

На приведенном рисунке сделана фотография двух 5,25" пластин: верхняя - с тонкопленочным напылением, а нижняя - с использованием оксида железа. Тонкопленочные пластины очень хорошо отражают свет. Если фотографировать такую пластину под прямым углом, это будет аналогично попытке сфотографировать зеркало. Именно по этой причине компании представляют фотографии своих винчестеров, сделанные под некоторым углом.