Get best of the week

تشريح محرك الأقراص: محركات الأقراص الصلبة

صورة

إنه مغناطيسي. إنه كهربائي. إنه فوتوني. لا ، هذا ليس بطلاً خارقًا جديدًا من عالم Marvel. يتعلق الأمر بتخزين بياناتنا الرقمية الثمينة. نحن بحاجة إلى تخزينها في مكان ما ، بشكل آمن ومستقر ، حتى نتمكن من الوصول إليها وتغييرها في أي وقت من الأوقات. انس أمر الرجل الحديدي وثور - نحن نتحدث عن الأقراص الصلبة!

لذا ، دعنا نتعمق في تشريح الأجهزة التي نستخدمها اليوم لتخزين مليارات من بتات البيانات.

أنت تدور لي الحق ، يا عزيزي


يعد محرك الأقراص الميكانيكي على محركات الأقراص الثابتة (محرك الأقراص الثابتة ، HDD) أنظمة التخزين القياسية لأجهزة الكمبيوتر في جميع أنحاء العالم لأكثر من 30 عامًا ، ولكن التكنولوجيا الأساسية أقدم بكثير.

أصدرت شركة IBM التجارية الأولى لمحركات الأقراص الصلبة في عام 1956 ، وكانت سعتها تصل إلى 3.75 ميجا بايت. وبشكل عام ، على مدار كل هذه السنوات ، لم يتغير الهيكل العام لمحرك الأقراص كثيرًا. لا تزال تحتوي على أقراص تستخدم التمغنط لتخزين البيانات ، وهناك أجهزة لقراءة / كتابة هذه البيانات. لقد تغير مقدار البيانات التي يمكن تخزينها عليها ، وكثيرًا.

في عام 1987 ، كان بإمكانك شراء قرص صلب 20 ميجا بايت مقابل 350 دولارًا أمريكيًا. اليوم لنفس الماليمكن شراء 14 تيرابايت: 700000 ضعف الحجم.

سننظر في الجهاز الذي هو ليس تماما بهذا الحجم، ولكن أيضا تستحق وفقا للمعايير الحديثة: 3.5 بوصة سيجيت باراكودا 3 TB HDD، على وجه الخصوص، ST3000DM001 النموذج ، والذي اشتهر به نسبة عالية من الفشل و الإجراءات القانونية الناجمة عن هذا . الدافع الذي ندرسه قد مات بالفعل ، لذلك سيكون أشبه بتشريح الجثة أكثر من درس التشريح.


الجزء الأكبر من محرك الأقراص الصلبة هو معدن مصبوب. يمكن أن تكون القوى الموجودة داخل الجهاز أثناء الاستخدام النشط خطيرة للغاية ، لذلك يمنع المعدن السميك ثني الهيكل واهتزازه. حتى في محركات الأقراص الصلبة 1.8 بوصة الصغيرة ، يتم استخدام المعدن كمادة الهيكل ، ولكن عادة ما تكون مصنوعة من الفولاذ ، ولكن من الألومنيوم ، لأنها يجب أن تكون خفيفة قدر الإمكان.


عند قلب محرك الأقراص ، نرى لوحة دائرة مطبوعة والعديد من الموصلات. يتم استخدام الموصل الموجود في الجزء العلوي من اللوحة للمحرك الذي يقوم بتدوير الأقراص ، والجزء السفلي الثلاثة (من اليسار إلى اليمين) عبارة عن جهات اتصال رابط تسمح لك بتكوين محرك الأقراص لتكوينات معينة وموصل بيانات SATA (Serial ATA) وموصل طاقة SATA.


ظهر Serial ATA لأول مرة في عام 2000. على أجهزة كمبيوتر سطح المكتب ، هذا هو النظام القياسي المستخدم لتوصيل محركات الأقراص ببقية الكمبيوتر. لقد خضعت مواصفات التنسيق للعديد من المراجعات ، والآن نستخدم الإصدار 3.4. تحتوي جثة محرك الأقراص الثابتة على إصدار أقدم ، ولكن الفرق يكمن فقط في جهة اتصال واحدة في موصل الطاقة.

في اتصالات البيانات ، يتم استخدام إشارة متباينة لاستقبال البيانات واستلامها : يتم استخدام جهات الاتصال A + و A- لنقل الإرشادات والبيانات إلى محرك الأقراص الثابتة ، ويتم استخدام جهات الاتصال B لاستقبال هذه الإشارات. يقلل استخدام الموصلات المزدوجة بشكل كبير من تأثير الضوضاء الكهربائية على الإشارة ، أي أن الجهاز يمكن أن يعمل بشكل أسرع.

إذا تحدثنا عن الطاقة ، نرى أن الموصل يحتوي على زوج من الاتصالات لكل جهد (+3.3 و +5 و + 12 فولت) ؛ ومع ذلك ، لا يتم استخدام معظمها لأن محرك الأقراص الثابتة لا يتطلب الكثير من الطاقة. يستخدم هذا الطراز المعين من Seagate أقل من 10 واط من الحمل النشط. يتم استخدام جهات الاتصال التي تم وضع علامة عليها على أنها جهاز كمبيوتر للشحن المسبق : تتيح لك هذه الوظيفة إزالة القرص الصلب وتوصيله أثناء استمرار الكمبيوتر في العمل (وهذا ما يسمى التبديل السريع ).

الاتصال مع علامة PWDIS يسمح بإعادة التعيين عن بعدمحرك الأقراص الثابتة ، ولكن هذه الميزة مدعومة فقط مع SATA 3.3 ، لذلك في محرك الأقراص الخاص بي هو مجرد خط كهرباء آخر + 3.3V. وآخر جهة اتصال ، تم تمييزها على أنها SSU ، تخبر الكمبيوتر ببساطة ما إذا كان القرص الصلب يدعم دوران المغزل المتدرج .

قبل أن يتمكن الكمبيوتر من استخدامها ، يجب أن تدور الأقراص داخل الجهاز (التي سنراها قريبًا) بأقصى سرعة. ولكن إذا تم تثبيت الكثير من محركات الأقراص الثابتة في الجهاز ، فقد يؤدي طلب الطاقة المتزامن المفاجئ إلى الإضرار بالنظام. يزيل الفك التدريجي للمغزل تمامًا إمكانية حدوث مثل هذه المشاكل ، ولكن سيتعين عليك الانتظار لبضع ثوان قبل الوصول الكامل إلى محرك الأقراص الصلبة.


بعد إزالة لوحة الدوائر المطبوعة ، يمكنك رؤية كيفية توصيلها بالمكونات الموجودة داخل الجهاز. محركات الأقراص الصلبة ليست محكمة الإغلاق ، باستثناء الأجهزة ذات السعات الكبيرة جدًا - فهي تستخدم الهليوم بدلاً من الهواء ، لأنها أقل كثافة بكثير وتخلق مشاكل أقل في محركات الأقراص التي تحتوي على عدد كبير من الأقراص. من ناحية أخرى ، يجب ألا تعرض محركات الأقراص التقليدية للبيئة المفتوحة.

بفضل استخدام هذه الموصلات ، يتم تقليل عدد نقاط الإدخال التي يمكن من خلالها دخول الأوساخ والغبار إلى محرك الأقراص إلى الحد الأدنى ؛ يوجد ثقب في العلبة المعدنية (نقطة بيضاء كبيرة في الزاوية اليسرى السفلية من الصورة) ، مما يسمح بالحفاظ على الضغط البيئي بالداخل.


الآن بعد إزالة لوحة الدائرة ، لنرى ما بداخلها. هناك أربع شرائح رئيسية:

  • LSI B64002: رقاقة التحكم الرئيسية التي تعالج التعليمات وتحول تدفقات البيانات إلى الداخل والخارج وتصحيح الأخطاء وما إلى ذلك.
  • Samsung K4T51163QJ: 64 ميجابايت DDR2 SDRAM تم تسجيلها بسرعة 800 ميجاهرتز تستخدم في تخزين البيانات مؤقتًا
  • سلسة MCKXL: يتحكم في أقراص دوران المحرك
  • Winbond 25Q40BWS05: 500 كيلو بايت من ذاكرة الفلاش التسلسلية المستخدمة لتخزين البرامج الثابتة لمحرك الأقراص (يشبه إلى حد ما BIOS الكمبيوتر)

قد تختلف مكونات ثنائي الفينيل متعدد الكلور لمحركات الأقراص الصلبة المختلفة. بالنسبة للأحجام الكبيرة ، يلزم المزيد من ذاكرة التخزين المؤقت (في الوحوش الأكثر حداثة يمكن أن يصل حجمها إلى 256 ميجابايت DDR3) ، وقد تكون شريحة وحدة التحكم الرئيسية أكثر تعقيدًا قليلاً في معالجة الأخطاء ، ولكن بشكل عام فإن الاختلافات ليست كبيرة.

فتح محرك الأقراص بسيط ، فقط قم بفك عدد قليل من مسامير Torx و voila! نحن بالداخل ...


بالنظر إلى أنه يشغل الجزء الرئيسي من الجهاز ، يجذب انتباهنا على الفور دائرة معدنية كبيرة ؛ من السهل فهم سبب تسمية محركات الأقراص بمحركات الأقراص . استدعاء لوحات بشكل صحيح ؛ وهي مصنوعة من الزجاج أو الألمنيوم ومغطاة بطبقات من مواد مختلفة. يحتوي محرك الأقراص 3 تيرابايت هذا على ثلاث لوحات ، أي يجب تخزين 500 جيجابايت على كل جانب من لوحة واحدة.


الصورة متربة تمامًا ، مثل هذه اللوحات القذرة لا تتوافق مع دقة التصميم والإنتاج الضروري لتصنيعها. في مثال محرك الأقراص الصلبة لدينا ، يبلغ سمك قرص الألومنيوم نفسه 0.04 بوصة (1 مم) ، ولكنه مصقول لدرجة أن متوسط ​​ارتفاع انحرافات السطح أقل من 0.000001 بوصة (حوالي 30 نانومتر).

يبلغ عمق الطبقة الأساسية 0.0004 بوصة فقط (10 ميكرون) وتتكون من عدة طبقات من المواد المودعة على المعدن. يتم تنفيذ التطبيق باستخدام طلاء النيكل الكيميائي متبوعًا بترسيب الفراغ ، وإعداد القرص للمواد المغناطيسية الأساسية المستخدمة لتخزين البيانات الرقمية.

عادة ما تكون هذه المادة عبارة عن سبيكة كوبالت وتتكون من دوائر متحدة المركز ، يبلغ عرض كل منها حوالي 0.00001 بوصة (حوالي 250 نانومتر) وعمق 0.000001 بوصة (25 نانومتر). على المستوى الجزئي ، تشكل السبائك المعدنية حبيبات تشبه فقاعات الصابون على سطح الماء.

كل حبة لها مجال مغناطيسي خاص بها ، ولكن يمكن تحويلها في اتجاه معين. يؤدي تجميع هذه الحقول إلى بتات البيانات (0 و 1). إذا كنت تريد معرفة المزيد عن هذا الموضوع ، فاقرأ هذا المستند من جامعة Yale. الطلاء النهائي عبارة عن طبقة كربون للحماية ، ثم بوليمر لتقليل احتكاك التلامس. معًا ، لا يزيد سمكها عن 0.0000005 بوصة (12 نانومتر).

سرعان ما سنرى لماذا يجب أن تصنع اللوحات بمثل هذه التحمل الصارم ، ولكن لا يزال من المدهش أن ندرك أنه مقابل 15 دولارًا فقط ، يمكنك أن تصبح المالك الفخور لجهاز تم تصنيعه بدقة النانومتر!

ومع ذلك ، دعنا نعود إلى محرك الأقراص الثابتة نفسه ونرى ما هو آخر فيه.


يظهر الغطاء المعدني باللون الأصفر ، والذي يثبت بشكل آمن اللوحة إلى المحرك الكهربائي لمحرك المغزل - المحرك الكهربائي الذي يدور الأقراص. في محرك الأقراص الثابتة هذا ، يدوران بتردد 7200 دورة في الدقيقة (دورة في الدقيقة) ، ولكن في النماذج الأخرى يمكنهم العمل بشكل أبطأ. تتميز المحركات البطيئة بضوضاء أقل واستهلاك طاقة ، ولكن أيضًا بسرعة أقل ، ويمكن أن تصل محركات الأقراص السريعة إلى سرعات تبلغ 15000 دورة في الدقيقة.

لتقليل الضرر الناتج عن الغبار والرطوبة في الهواء ، يتم استخدام مرشح إعادة التدوير (المربع الأخضر) لجمع الجسيمات الصغيرة والاحتفاظ بها في الداخل. يوفر الهواء المتحرك من خلال دوران الألواح تدفقًا مستمرًا عبر الفلتر. فوق الأقراص وبجوار المرشح يوجد واحد من ثلاثة فواصل للوحات: يساعد على تقليل الاهتزاز والحفاظ على تدفق الهواء قدر الإمكان.

في الجزء العلوي الأيسر من الصورة ، يتم الإشارة إلى واحد من اثنين من مغناطيسات الشريط الدائم بمربع أزرق. أنها توفر المجال المغناطيسي اللازم لتحريك المكون المشار إليه باللون الأحمر. دعونا نفصل هذه التفاصيل لرؤيتها بشكل أفضل.


ما يشبه الرقعة البيضاء هو مرشح آخر ، فهو فقط ينقي الجسيمات والغازات التي تدخل من الخارج من خلال الثقب الذي رأيناه أعلاه. المسامير المعدنية هي الروافع لتحريك رؤوس التي يتم رؤوس القراءة / الكتابة على القرص الثابت. تتحرك بسرعة كبيرة على طول سطح الألواح (العلوية والسفلية).

تحقق من هذا الفيديو الذي أنشأه The Slow Mo Guys لمعرفة مدى سرعتهم:


لا يستخدم التصميم شيئًا مثل محرك السائر ؛ لتحريك الأذرع على طول الملف اللولبي ، يتم إجراء تيار كهربائي عند قاعدة الأذرع.


بشكل عام ، تسمى الملفات الصوتية ، لأنها تستخدم نفس المبدأ المستخدم في مكبرات الصوت والميكروفونات لتحريك الأغشية. يولد التيار مجالًا مغناطيسيًا حولهم ، يستجيب للحقل الذي تم إنشاؤه بواسطة شريط مغناطيسي دائم.

تذكر أن مسارات البيانات صغيرة ، لذا يجب أن يكون تحديد المواقع للرافعات دقيقًا للغاية ، مثل أي شيء آخر في محرك الأقراص. تحتوي بعض محركات الأقراص الصلبة على أذرع متعددة المراحل تقوم بإجراء تغييرات صغيرة في اتجاه جزء واحد فقط من الذراع الكامل.

تتداخل مسارات البيانات على بعض محركات الأقراص الثابتة. تسمى هذه التقنية التسجيل المغناطيسي المبلط. (تسجيل مغناطيسي مختلط) ، ومتطلباته للدقة وتحديد المواقع (أي للضرب باستمرار عند نقطة واحدة) أكثر صرامة.


في نهاية الرافعات توجد رؤوس قراءة / كتابة حساسة للغاية. يحتوي محرك الأقراص الصلبة (HDD) الخاص بنا على 3 لوحات و 6 رؤوس ، وكل منها يطفو فوق القرص أثناء الدوران. لهذا ، يتم تعليق الرؤوس على شرائح معدنية رقيقة جدًا.

وهنا يمكننا أن نرى لماذا ماتت عينةنا التشريحية - على الأقل واحد من الرخويات ، وبغض النظر عن سبب الضرر الأولي ، فقد عانت أيضًا من أحد الأذرع. إن المكون الكامل للرأس صغير للغاية ، كما هو موضح أدناه ، من الصعب جدًا الحصول على صورته عالية الجودة باستخدام كاميرا تقليدية.


ومع ذلك ، يمكننا تحديد الأجزاء الفردية. الكتلة الرمادية هي جزء مصنوع خصيصًا يسمى "المنزلق" : عندما يدور القرص تحته ، يخلق تدفق الهواء رفعًا عن طريق رفع الرأس عن السطح. وعندما نقول "يرفع" ، نعني فجوة بعرض 0.0000002 بوصة فقط أو أقل من 5 نانومتر.

أبعد قليلاً ، ولن تتمكن الرؤوس من التعرف على التغييرات في المجالات المغناطيسية للمسار ؛ إذا كانت الرؤوس على السطح ، فإنهم سيخدشون الطلاء. هذا هو السبب في أنه من الضروري تصفية الهواء داخل غلاف محرك الأقراص: الغبار والرطوبة على سطح القرص سوف يكسر الرؤوس ببساطة.

يساعد "القطب" المعدني الصغير الموجود في نهاية الرأس في الديناميكا الهوائية الإجمالية. ومع ذلك ، لرؤية الأجزاء التي تقرأ وتكتب ، نحتاج إلى صورة أفضل.


في هذه الصورة لمحرك أقراص ثابت آخر ، يخضع القراء والكُتاب لجميع التوصيلات الكهربائية. يتم تنفيذ تسجيل النظام في محاثة TFT (تحريض الأغشية الرقيقة ، TFI) ، وقراءة - جهاز مقاومة مغناطيسية للنفق (جهاز مقاوم للتمدد المغناطيسي النفقي ، TMR). إشارات TMR التي تم إنشاؤها ضعيفة جدًا ويجب تمريرها من خلال مكبر للصوت قبل إرسالها لزيادة المستويات. تقع الرقاقة المسؤولة عن ذلك بالقرب من قاعدة الرافعات في الصورة أدناه.




كما جاء في مقدمة المقال ، لم تتغير المكونات الميكانيكية ومبدأ تشغيل القرص الصلب كثيرًا على مر السنين. الأهم من ذلك كله ، تم تحسين تقنية المسارات المغناطيسية ورؤوس القراءة والكتابة ، مما أدى إلى إنشاء مسارات أضيق وأكثر كثافة ، مما أدى في النهاية إلى زيادة في حجم المعلومات المخزنة.

ومع ذلك ، فإن محركات الأقراص الصلبة الميكانيكية لها حدود سرعة واضحة. يستغرق الأمر وقتًا لتحريك الروافع إلى الموضع المطلوب ، وإذا كانت البيانات متناثرة عبر مسارات مختلفة على لوحات مختلفة ، فإن محرك الأقراص سوف يقضي بضعة ميكروثانية للبحث عن البتات.

قبل الانتقال إلى نوع آخر من محركات الأقراص ، دعنا نعطي مؤشرات سرعة إرشادية لمحرك أقراص ثابتة نموذجي. استخدمنا معيار CrystalDiskMark لتقييم القرص الصلب.WD 3.5 "5400 لفة في الدقيقة 2 تيرابايت :


يشير أول سطرين إلى عدد وحدات الميغابايت في الثانية أثناء القراءة التسلسلية (القائمة الطويلة والمستمرة) والعشوائية (التحولات عبر محرك الأقراص) للقراءة والكتابة. يوضح السطر التالي قيمة IOPS ، أي عدد عمليات الإدخال / الإخراج التي يتم إجراؤها كل ثانية. يوضح السطر الأخير متوسط ​​التأخير (الوقت بالميكروثانية) بين إرسال عملية قراءة أو كتابة واستلام قيم البيانات.

في الحالة العامة ، نسعى جاهدين لضمان أن تكون القيم في الأسطر الثلاثة الأولى كبيرة قدر الإمكان ، وفي السطر الأخير أصغر ما يمكن. لا تقلق بشأن الأرقام نفسها ، فنحن نستخدمها فقط للمقارنة عندما ننظر إلى نوع آخر من محركات الأقراص: محرك أقراص ذو حالة صلبة.

More articles:


All Articles