Od čega su napravljeni tvrdi diskovi? Tvrdi diskovi: nešto o čemu niste ni znali

Svaki tvrdi disk sadrži jedan ili više ravnih diskova koji pohranjuju korisničke podatke. Zovu se ploče i sastoje se od dvije komponente. Prije svega, ovo je materijal od kojeg je sam disk napravljen. Osim toga, koristi se raspršeni magnetski prah koji pohranjuje informacije u obliku impulsa. Tvrdi diskovi dobili su svoje ime upravo zbog upotrebe "tvrdih" diskova u njima (za razliku od disketnih pogona, gdje se mediji mogu savijati, ali pri savijanju diskete nema povjerenja u cjelovitost podataka na njoj). Postoje ploče razne veličine. Oni obično određuju faktor oblika tvrdog diska, ali, kao što ćemo vidjeti kasnije, ne uvijek. Prvi tvrdi diskovi koji su se koristili u zoru računala bili su izrađeni u formatu od 5,25". Danas većina tvrdih diskova ima format od 3,5". Da budemo precizni, tvrdi disk od 5,25" imao je ploče veličine 5,12". i 3,5" tvrdi diskovi obično imaju ploče promjera 3,74" mobilna računala koriste manje tvrde diskove - obično 2,5 inča Pogledajmo zašto su proizvođači prešli s većih tvrdih diskova većeg kapaciteta. s pločama od 5,25 na 3,5 i manjim Evo nekoliko argumenata u korist smanjenja ploča: 1. Povećana krutost: čvršće ploče su bolje pripremljene za vibracije i udarce, i kao rezultat toga, bolje su prilagođene za veće brzine rotacije diskova. Jednostavnost proizvodnje: ujednačenost i ravnost ploče ključ su kvalitete tvrdog diska. Manji diskovi imaju manje nedostataka tijekom proizvodnje 3. Smanjenje težine: proizvođači pokušavaju povećati brzinu motora. tvrdi disk. Manje ploče se lakše ubrzavaju, potrebno im je manje vremena, a sam motor može biti manje snažan. 4. Ušteda energije: Manji tvrdi diskovi troše manje energije. 5. Stvorena buka i toplina: Kao što se može vidjeti iz gore navedenog, oba ova parametra su smanjena. 6. Poboljšano vrijeme pristupa: Smanjenjem veličine ploča, smanjujemo udaljenost koju glava treba preletjeti od početka do kraja diska tijekom nasumičnog pristupa. To ubrzava nasumične procese čitanja i pisanja. Trendovi prema manjim napolitankama in tvrdi diskovi Seagate jasno demonstrira moderna računala i poslužitelje. Na svojih 10.000 okretaja u minuti. na tvrdim diskovima koristi diskove promjera 3 inča, te na 15.000 okretaja u minuti. -- 2,5 inča. U isto vrijeme, sami tvrdi diskovi ostaju u faktoru oblika 3.5. Tvrdi diskovi mogu imati najmanje jednu ploču. Međutim, često ih je puno više unutra. Standardni tvrdi diskovi za osobna računala obično imaju od jedne do pet ploča, a tvrdi diskovi za poslužitelje imaju do desetak. Stari tvrdi diskovi mogu ih imati više od deset. U svakom tvrdom disku, sve ploče su fizički montirane na osovinu. Pokreće ga namjenski motor. Ploče su razmaknute jedna od druge pomoću posebnih prstenova za odvajanje. Cijeli ovaj sustav je savršeno centriran. Svaka ploča ima dvije površine koje mogu sadržavati podatke. Iznad svakog od njih nalazi se glava za čitanje/pisanje. Obično se obje strane ploče koriste za pohranu podataka, ali ne uvijek. Neki stariji tvrdi diskovi imali su namjenski servo informacijski sustav. Dakle, jedna površina ploče sadržavala je specijalizirane informacije za pozicioniranje glava. Moderni tvrdi diskovi ne zahtijevaju takvu tehnologiju, ali se ipak ponekad ne koriste obje strane diska iz marketinških razloga, na primjer, za izradu modela različitih kapaciteta. U sljedećem članku ćemo pogledati materijale koji se koriste u proizvodnji tanjura.

Tvrdi diskovi: nešto što niste ni znali da postoji

Alex Blackwell glavni inženjer WD za EMEA govori o malo poznatim i iznenađujućim tehnologijama koje se danas koriste u HDD-ovima i koja će vam čudna i neočekivana rješenja omogućiti povećanje kapaciteta u budućnosti. Bonus: detalji o WD-ovom nadolazećem hibridnom pogonu

⇣ Sadržaj

Tvrdi disk jedna je od najčudesnijih komponenti moderno računalo. Zamislite samo da još uvijek pohranjujemo podatke pomoću magnetno-mehaničke tehnologije, koja postoji od 50-ih godina 20. stoljeća i koja je vidjela cijevnu elektroniku i ploče. Zamislite da živimo u alternativnom svemiru u kojem tvrdi disk nikada nije izumljen i svi se podaci zapisuju u Flash memoriju ili druge čvrste medije. Dakle, što mislite o prijedlogu za pohranjivanje informacija u obliku magnetiziranih područja na rotirajućem disku, gdje se glava za snimanje može precizno postaviti na staze, čiji je razmak veličine usporediv s tranzistorima stvorenim u integriranim krugovima pomoću fotolitografije ? Je li nemoguće, preteško, nepouzdano i kratkotrajno? Ne, ovo je stvarnost koju uzimamo zdravo za gotovo. Primjer tehnologije dovedene do početno nepredvidive, čak apsurdne razine.

Iako se HDD tehnologija temelji na jednostavnim principima, da bi dosegla takve visine, bila su potrebna desetljeća razvoja i znanstvenih istraživanja, veliki broj složenih, netrivijalnih, ponekad genijalnih i nevjerojatnih rješenja, o kojima se malo zna izvan svijeta. krug ljudi profesionalno povezanih s proizvodnjom tvrdih diskova. Razgovarali smo s upravo takvom osobom - možete mu postaviti sva pitanja koja vam padaju na pamet o tehnologijama tvrdog diska koje se sada koriste i koje će se implementirati u budućnosti. Upoznajte Alexa Blackwella, glavnog inženjera tvrtke Western Digital u regiji EMEA.

Blackwell često komunicira s informatičkim novinarima, ali to očito nije slučaj da bi mu pristupio službeni “često moram komunicirati na dužnosti”. Čini se da on stvarno voli podučavati ljude o tehnologiji. Alex govori toliko entuzijastično i vedro da je dvosatni intervju s njim proletio u jednom dahu. Ovo, općenito, nije baš nalikovalo intervjuu. Alexa nismo morali ništa "moliti", a na jedno pitanje dao je mnogo zanimljivije informacije nego što smo na početku očekivali. Rezultat je zapravo bilo cjelovečernje predavanje o zanimljivim i neočitim činjenicama o tvrdim diskovima.

Prilikom sastavljanja popisa pitanja pokušali smo smanjiti floskule iz kategorije “kako je WD sada i kakvi su mu planovi za budućnost?” i naučite više o tvrdim diskovima općenito, bez straha da ćete na neki način ispasti naivni i neupućeni. Alex rado dopušta svom sugovorniku da bude pohlepan "zašto" za znanjem.

Blackwell također ima vrlo živopisan govor, pun metafora i humora. Pokušat ćemo to prenijeti u tekstu, čineći ga što bližim “neurednom” prijepisu. Ipak, budući da se razgovor stalno vrtio oko istih pitanja, sastavit ćemo ga ovako - u obliku sažetka nekoliko glavnih tema. Nema pojedinačne radnje, samo zbirka fascinantnih priča o tvrdim diskovima. Sav govor je iz perspektive Alexa Blackwella, pitanja i komentari autora su u kurzivu.

⇡ O parkiranju glave i ugrađenom električnom generatoru

3DNevijesti : Nedavno smo saznali da tvrdi disk koristi električni generator koji mu omogućuje da dovrši pisanje sektora u slučaju nestanka struje. Možete li nam reći nešto više o ovome?

Alex Blackwell: Kada iznenada nestane struje, prva i najvažnija stvar za sigurnost vožnje je parkiranje glava. Jer ako padnu na magnetski nosač, jednostavno će se zalijepiti i više se neće moći podići (u radu, glava zapravo leti iznad površine zbog strujanja zraka. - cca. autor) . Ovo je kraj. Njihove površine su tako glatke. Zamislite dvije apsolutno glatke ploče stakla pritisnute jedna na drugu. Kolika je sila potrebna da ih se slomi! Ako uključite pogon nakon što su glave zalijepljene za disk, rotacija vretena jednostavno će otkinuti vrh aktuatora. Stoga, za parkiranje, podignemo glave i odnesemo ih na zasebnu plastičnu platformu. Ili bolje rečeno, spuštamo aktuator, a same glave vise u zraku na vrhu.

Vrh aktuatora je “pao” na ploču (fotografija s Wikimedia Commons)

Uvijek imamo malo slobodnog vremena da parkiramo glave za vrijeme nestanka struje. Ova operacija se izvodi pomoću električnog generatora. Ali što je s generatorom? odvojeni uređaj ne na tvrdom disku. Motor se jednostavno koristi u "rikvercu", što može biti s bilo kojim elektromotorom.

Tako stvari stoje zadnjih 15-20 godina. Stariji tipovi diskova stavljali su glave izravno na površinu diska, blizu unutarnjeg ruba. Postojala je magnetska brava koja je držala pokretač na mjestu. Ako se sjećate, kada ste isključili tako stari disk, čuli ste klik. Ovaj aktuator je prišao magnetu i zabravio se tamo. Za Western Digital je proizvodnja takvih diskova završila 2005-2006, možda čak i 2007. godine.

Bilo je moguće staviti glave izravno na disk jer u početku površina nije bila tako glatka i glave su bile veće. Općenito, tada je sve bilo jednostavnije. Tada je površina morala biti vrlo glatka kako bi glava letjela vrlo blizu (trenutno je razmak između glave i površine diska nekoliko nanometara. - cca. autor) . I jednog dana postalo je previše glatko da bi se skinuo s njega nakon parkiranja. Zatim smo počeli koristiti laser za stvaranje teksture na površini diska na parkiralištu. Sada, od 2007. godine, parking se nalazi izvan površine diska, na plastičnoj podlozi. Odnosno, princip parkiranja glave preživio je samo tri faze razvoja, ali unatoč tome, puno je suptilnih tehnologija uključeno u ovo područje.

Ipak, vratimo se situaciji s nestankom struje. Osim parkiranja glava, drugi zadatak je sačuvati što više korisničkih podataka. Na medij je potrebno prenijeti informaciju koja je zapisana u u trenutku, kraj snimanja trenutnog sektora. Da bismo to učinili, jednostavno koristimo preostalu rotaciju nosača.

⇡ Neke impresivne brojke i dvostupanjski aktuator

Prvi tvrdi disk pojavio se 1956. godine. Razmislite o drugim tehnologijama iz 1950-ih. Na primjer, radio cijevi. Od tada imamo tranzistore, pa prve integrirani krugovi, a zatim LSI (Velika integracija, čipovi sa stotinama tisuća tranzistora). Ili uzmimo audio zapis. Većinu vremena koristili smo ploče od 78 okretaja u minuti. Najprije s plastičnim iglama, zatim s dijamantnim, zatim se pojavila magnetska vrpca, CD, MP3. Neke su tehnologije jednostavno skočile naprijed, ali diskovni pogoni i dalje rade isto kao prije. Postoji rotirajući disk i po njemu se kreće aktuator, magnetska površina s induktivnim principom pisanja i čitanja. Samo što su automobili ostali isti kao u to vrijeme.

Ali zamislite IBM-ov prvi tvrdi disk. Recimo da je veličina jednog bita na ovom disku iz 50-ih usporediva sa stadionom Spartak. Koliki je onda bit? moderan pogon? Veličina ovog stola? Veličina ove sobe? Veličina mog palca? Tako je, upravo prst! Područja koja tu i tamo zauzima jedan bit su u korelaciji na ljestvici od 10 8 . To je 10 4 u svakom smjeru.

IBM 350 (1956.) - prvi tvrdi disk. Namijenjeno za računalo IBM 305 RAMAC (fotografija s Wikimedia Commons)

Geometrija tvrdog diska stalno se smanjuje. Sada se staze na mediju nalaze na udaljenosti od 50-60 nm jedna od druge. Sjetite se sada Intelovih mikroprocesora koji koriste fotolitografiju i tvornica s gigantskom opremom za proizvodnju na 28 nm. A u isto vrijeme imamo rotirajući disk, i možemo postaviti glavu u središte jedne od staza, koje su odvojene samo 60 nm, s točnošću od oko 10 nm. Ovo je pravi hi-tech.

Znate li što je dvostupanjski aktuator? (dvostupanjski aktuator)? Zamislite da je moja ruka oštrica s glavama na kraju. Ovdje je prekretnica u ramenom zglobu. A ako trebate poboljšati položaj ruke, obratite pozornost na zglob prsta. Na dvostupanjskom aktuatoru postoji neka vrsta dodatnog malog aktuatora koji može pomicati samo nekoliko staza lijevo-desno. Zbog toga možemo poboljšati točnost pozicioniranja. Ovu tehnologiju koristimo oko dvije godine u proizvodima za poduzeća (serija RE3), a 2012. uveli smo je u neke potrošačke modele. U terabajtnom pogonu zelene serije nekoliko plavih, cijela crvena linija, a sada i crna.

Shema dvostupanjskog aktuatora (iz patenta Sjedinjenih Država 6624983)

⇡ WD Black i terabajtne ploče

3DNevijesti : Recite nam zašto serija diskova W.D. Crna pokazati tako impresivne performanse, posebno u testovima nasumičnog pristupa?

Alex Blackwell: Jedan od temelja visoke produktivnosti je brzina vretena. Druga osnova je brzi pokretač, koji smanjuje vrijeme traženja staze. Pogoni serije WD Black i RE koriste dva velika magneta u motoru pokretača. Jači magnet omogućuje brže kretanje glava. Druge serije, Blue i Green, koriste kompaktniji pojedinačni magnet, tako da je Black ispred Blue u brzini nasumičnog pristupa, iako potonji također rade na 7200 okretaja u minuti.

3DNevijesti : Kada će se pojaviti diskovi? W.D. Crna s pločama od 1TB?

Alex Blackwell: To je stvar prioriteta. Nema tehnološkog razloga zašto to ne bismo mogli učiniti. Terabajtne ploče već se koriste u "zelenoj" seriji s volumenom od 1-3 TB, u "plavoj" seriji. Vidite, kada dizajnirate tvrdi disk i želite ga prodati uz profit, morate kombinirati mnoge parametre: performanse, volumen, prinos odgovarajućih komponenti tijekom proizvodnje i mnoge druge. Važna je kombinacija čimbenika, a ne samo posjedovanje određene tehnologije. Vjerujem da za WD Black terabajtne ploče jednostavno još nisu dosegle zonu optimalne kombinacije karakteristika.

⇡ Kako su glavice raspoređene

3DNevijesti : Što su tipske glave? GPP / GMR (Okomito na ravninu / Veliki magnetski otpor) koji se danas koriste u tvrdim diskovima? Kako rade?

Alex Blackwell: Izvorni IBM tvrdi disk i svi kasniji pogoni do 1996.-1997. imali su jednu glavu za čitanje/pisanje. Ova glava je razderan prsten sa žicom namotanom na vrhu. Kada se struja primijeni na žicu, stvara se magnetsko polje koje "curi" kroz otvor u prstenu. Ako prekid približite nečemu što se može magnetizirati, ono postaje magnetizirano. To je ono što se događa s površinom ploče u tvrdom disku: pojavljuju se područja koja imaju magnetske polove - sjeverni i južni. Istodobno, ako ne primijenite napon na glavu, već ga jednostavno pomičete duž magnetiziranog područja, u njemu se javlja struja.

Aktuator i njegov vrh pod mikroskopom (zahvaljujući Andrewu Hazeldenu, www.andrewhazelden.com za fotografiju)

S vremenom je postalo očito da jedan uređaj predstavlja kompromis. Ono što je dobro za pisanje ne mora biti optimalno za čitanje. Tada je ideja o magnetskom otporu pronašla primjenu. Kao glava za čitanje korišten je otpornik koji mijenja otpor u prisutnosti magnetskog polja. A kao glava za snimanje postoji zaseban induktivni dio. I nema više kompromisa. Kasnije se pojavila druga generacija ove tehnologije - GMR (Giant Magnetoresistance), gdje Giant označava količinu napona koja omogućuje razvoj otpornog elementa. Samo je postao osjetljiviji. A za budućnost nakon GMR-a, imamo ovu stvar: TuMR - Tunelski magnetski otpor, koji će dodatno povećati učinkovitost glave.

Sada o snimanju. Zavojnica s prekidom u sredini, o kojoj sam na početku govorio, služi za tzv. longitudinalno magnetsko snimanje. Magnetizirana područja na ploči formirana su uzdužno. Kao što se automobili parkiraju na ulici.

Uzdužno i okomito snimanje

Ali sada uzimamo i postavljamo ove magnete okomito. To rezultira okomitim zapisom. Bez poznavanja tehnologije teško je zamisliti kako se to radi. Zapravo, morate dodati još jedan sloj na magnetsku ploču, koja, takoreći, reflektira jedan od polova zavojnice i stvara slabi magnetski učinak raspoređen na velikom području. Ovako radi okomito snimanje. Također bi bilo bolje da se automobili parkiraju okomito, pogotovo u Moskvi. Glavna stvar je ne zaboraviti izvaditi kavu iz držača za šalicu.

⇣ Sadržaj

25.06.2005

Materijal supstrata od kojeg je izrađena pločica čini osnovu na kojoj će se pohranjivati ​​podaci. Sloj za pohranu podataka vrlo je tanak sloj magnetskog materijala na površini ploče. Debljina ovog sloja je nekoliko milijuntih dijelova inča.

Magnetski materijal korišten u starijim tvrdim diskovima bio je oksidni materijal, odnosno željezni oksid. Ako pogledate ploče starih tvrdih diskova, one će imati karakterističnu svijetlosmeđu boju. Vrsta magnetskog materijala koji se koristi u starijim tvrdim diskovima sličan je materijalu koji se koristi u audio kazetama: oni također koriste željezni oksid kao pohranitelj i prijenosnik zvučnih informacija, zbog čega je film u audio kazetama također svijetlosmeđe boje.

Oksidni materijal nije bio skup za korištenje, ali je imao neke nedostatke. Prvi nedostatak je to što se radi o mekanom materijalu, koji se lako može oštetiti kontaktom s glavom za čitanje/pisanje. Drugi nedostatak je taj što je ovaj materijal prikladan samo za relativno niske gustoće snimanja. Željezni oksid dobro je funkcionirao u starim tvrdim diskovima, gdje je bila niska gustoća snimanja, ali dok su programeri povećavali i povećavali gustoću snimanja po jedinici površine, postalo je jasno da ovaj materijal više nije u stanju nositi se sa zadatkom ispravnog pohranjivanja informacija i bez problema.

Današnji tvrdi diskovi imaju premaz tankog filma. Kao što naziv sugerira, vrlo tanak sloj magnetskog materijala pričvršćen je na podlogu pločice. U proizvodnji takvih ploča, poseban proizvodne tehnologije. Jedna od tehnologija je galvanizacija. Druga tehnologija je prskanje. Ploče proizvedene tehnologijom raspršivanja imaju bolju ujednačenost od ploča proizvedenih galvaniziranjem. Zbog povećanih zahtjeva za kvalitetom ploča u modernim tvrdim diskovima, koriste se ploče proizvedene tehnologijom magnetskog taloženja materijala.

U usporedbi s oksidnim materijalom, tankoslojni materijal je ujednačeniji i glatkiji. Također ima mnogo bolja magnetska svojstva, omogućujući pohranjivanje mnogo više podataka po jedinici površine. Osim toga, ovaj materijal je mnogo otporniji na fizičke utjecaje.

Nakon nanošenja magnetskog materijala, ploče se prekrivaju tankom zaštitni sloj, koji se sastoji od ugljika. Na kraju se dobiveni “sendvič” premaže vrlo tankim slojem lubrikanta. Ovaj materijal se koristi za zaštitu ploča od slučajnog kontakta s magnetskim glavama, minimizirajući posljedice takvih nezgoda.

Trenutno programeri u IBM-u rade na eksperimentalnom obećavajućem materijalu koji će u budućnosti zamijeniti tankoslojni premaz. Umjesto metalnog filma raspršenog po površini, koristit će se sastav organskih molekula i čestica željeza i platine. Ovaj sastav će se raspršiti na ploču, nakon čega će se ploča zagrijati. Kao rezultat ovog postupka, čestice željeza i platine formiraju kristalnu rešetku. IBM ovu strukturu naziva "nanokristalnom prostornom rešetkom". Ova tehnologija ima potencijal povećati površinsku gustoću snimanja za 10-100 puta! Naravno, ova će tehnologija zahtijevati promjene na drugim dijelovima tvrdog diska, posebice glavama za čitanje/pisanje i servo sustavu.

Gornja slika je fotografija dviju ploča od 5,25": gornje s premazom tankog filma, a donje pomoću željeznog oksida. Ploče tankog filma vrlo dobro reflektiraju svjetlost. Ako fotografirate takvu ploču pod pravim kutom, bit će slično kao da pokušavate fotografirati ogledalo. Zbog toga tvrtke predstavljaju fotografije svojih tvrdih diskova snimljene iz određenog kuta.