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Antriebsanatomie: Festplatten

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Es ist magnetisch. Er ist elektrisch. Er ist photonisch. Nein, dies ist kein neues Superhelden-Trio aus dem Marvel-Universum. Es geht darum, unsere wertvollen digitalen Daten zu speichern. Wir müssen sie irgendwo sicher und stabil aufbewahren, damit wir in kürzester Zeit auf sie zugreifen und sie ändern können. Vergessen Sie Iron Man und Thor - wir sprechen von Festplatten!

Tauchen wir also in die Anatomie der Geräte ein, mit denen wir heute Milliarden von Datenbits speichern.

Du drehst mich richtig herum, Baby


Mechanische Laufwerke auf Festplatten (Festplattenlaufwerk, Festplatte) sind seit mehr als 30 Jahren die Standardspeichersysteme für Computer auf der ganzen Welt, aber die zugrunde liegende Technologie ist viel älter.

Das erste kommerzielle HDD-Unternehmen, das IBM 1956 herausbrachte , hatte eine Kapazität von bis zu 3,75 MB. Im Allgemeinen hat sich in all den Jahren an der allgemeinen Struktur des Laufwerks nicht viel geändert. Es gibt immer noch Festplatten, die Magnetisierung zum Speichern von Daten verwenden, und es gibt Geräte zum Lesen / Schreiben dieser Daten. Die Datenmenge, die auf ihnen gespeichert werden kann, hat sich stark geändert .

Im Jahr 1987 konnte man eine 20-MB-Festplatte für etwa 350 US-Dollar kaufen . heute für das gleiche GeldEs können 14 TB gekauft werden: das 700.000- fache des Volumens.

Wir werden uns ein Gerät ansehen, das nicht ganz so groß ist, aber auch nach modernen Maßstäben würdig: die 3,5-Zoll-Festplatte Seagate Barracuda 3 TB, insbesondere das Modell ST3000DM001 , das für seinen hohen Anteil an Fehlern und rechtlichen Prozessen bekannt ist . Der Antrieb, den wir studieren, ist bereits tot, es wird also eher eine Autopsie als eine Anatomie-Lektion sein.


Der Großteil der Festplatte besteht aus Metallguss. Die Kräfte im Inneren des Geräts während des aktiven Gebrauchs können sehr schwerwiegend sein, sodass dickes Metall ein Verbiegen und Vibrieren des Gehäuses verhindert. Selbst bei winzigen 1,8-Zoll-Festplatten wird Metall als Gehäusematerial verwendet. In der Regel bestehen sie jedoch nicht aus Stahl, sondern aus Aluminium, da sie so leicht wie möglich sein sollten.


Beim Umdrehen des Laufwerks sehen wir eine Leiterplatte und mehrere Anschlüsse. Der Anschluss oben auf der Platine wird für den Motor verwendet, der die Festplatten dreht, und die unteren drei (von links nach rechts) sind Überbrückungskontakte, mit denen Sie das Laufwerk für bestimmte Konfigurationen konfigurieren können, den SATA-Datenanschluss (Serial ATA) und den SATA-Stromanschluss.


Serial ATA erschien erstmals im Jahr 2000. Auf Desktop-Computern ist dies das Standardsystem, mit dem Laufwerke mit dem Rest des Computers verbunden werden. Die Formatspezifikation wurde mehrfach überarbeitet, und jetzt verwenden wir Version 3.4. Unsere Leiche der Festplatte hat eine ältere Version, aber der Unterschied besteht nur in einem Kontakt im Stromanschluss.

Bei Datenverbindungen wird ein differenziertes Signal zum Empfangen und Empfangen von Daten verwendet : Die Kontakte A + und A- werden zum Übertragen von Anweisungen und Daten auf die Festplatte verwendet, und die Kontakte B werden zum Empfangen dieser Signale verwendet. Eine solche Verwendung von gepaarten Leitern verringert die Auswirkung von elektrischem Rauschen auf das Signal erheblich, dh das Gerät kann schneller arbeiten.

Wenn wir über Strom sprechen, sehen wir, dass der Stecker ein Kontaktpaar jeder Spannung hat (+3,3, +5 und +12 V); Die meisten von ihnen werden jedoch nicht verwendet, da die Festplatte nicht viel Strom benötigt. Dieses spezielle Seagate-Modell verbraucht weniger als 10 Watt aktive Last. Als PC gekennzeichnete Kontakte werden zum Vorladen verwendet : Mit dieser Funktion können Sie die Festplatte entfernen und anschließen, während der Computer weiterarbeitet (dies wird als Hot-Swapping bezeichnet ).

Der Kontakt mit dem PWDIS-Tag ermöglicht das Zurücksetzen per FernzugriffFestplatte, aber diese Funktion wird nur mit SATA 3.3 unterstützt, sodass es sich bei meiner Festplatte nur um eine weitere + 3,3-V-Stromleitung handelt. Und der letzte Kontakt, der als SSU markiert ist, teilt dem Computer einfach mit, ob die Festplatte versetzte Spin-Up- Spindeln unterstützt .

Bevor der Computer sie verwenden kann, müssen sich die Festplatten im Gerät (die wir bald sehen werden) auf volle Geschwindigkeit drehen. Wenn jedoch viele Festplatten in der Maschine installiert sind, kann eine plötzliche gleichzeitige Anforderung von Strom das System beschädigen. Durch das allmähliche Abwickeln der Spindeln werden solche Probleme vollständig ausgeschlossen. Sie müssen jedoch einige Sekunden warten, bevor Sie vollen Zugriff auf die Festplatte erhalten.


Nachdem Sie die Leiterplatte entfernt haben, können Sie sehen, wie sie mit den Komponenten im Gerät verbunden ist. Festplatten sind nicht hermetisch , mit Ausnahme von Geräten mit sehr großen Kapazitäten - sie verwenden Helium anstelle von Luft, da es viel weniger dicht ist und bei Laufwerken mit einer großen Anzahl von Festplatten weniger Probleme verursacht. Auf der anderen Seite sollten Sie herkömmliche Laufwerke nicht der offenen Umgebung aussetzen.

Dank der Verwendung solcher Anschlüsse wird die Anzahl der Eingangspunkte, durch die Schmutz und Staub in das Laufwerk gelangen können, minimiert. Im Metallgehäuse befindet sich ein Loch (ein großer weißer Punkt in der unteren linken Ecke des Bildes), durch das der Umgebungsdruck im Inneren erhalten bleibt.


Nachdem die Platine entfernt wurde, wollen wir sehen, was sich darin befindet. Es gibt vier Hauptchips:

  • LSI B64002: Hauptcontroller-Chip, der Anweisungen verarbeitet, Datenströme ein- und ausgibt, Fehlerkorrekturen usw.
  • Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2-SDRAM mit 800 MHz für das Daten-Caching
  • Smooth MCKXL: Steuert die sich drehenden Motorscheiben
  • Winbond 25Q40BWS05: 500 KB serieller Flash-Speicher zum Speichern der Laufwerksfirmware (ähnlich dem BIOS des Computers)

PCB-Komponenten verschiedener Festplatten können variieren. Für große Volumes ist mehr Cache erforderlich (in den modernsten Monstern können bis zu 256 MB DDR3 vorhanden sein), und der Hauptcontroller-Chip kann bei der Fehlerbehandlung etwas ausgefeilter sein, aber im Allgemeinen sind die Unterschiede nicht so groß.

Das Öffnen des Laufwerks ist einfach. Lösen Sie einfach ein paar Torx-Schrauben und voila! Wir sind drinnen ...


Da es den Hauptteil des Geräts einnimmt, zieht unsere Aufmerksamkeit sofort einen großen Metallkreis an. Es ist leicht zu verstehen, warum Laufwerke als Festplattenlaufwerke bezeichnet werden . Nennen Sie sie richtig Teller ; Sie bestehen aus Glas oder Aluminium und sind mit mehreren Schichten verschiedener Materialien beschichtet. Dieses 3-TB-Laufwerk hat drei Platten, d. H. 500 GB sollten auf jeder Seite einer Platte gespeichert werden.


Das Bild ist ziemlich staubig, solche schmutzigen Platten entsprechen nicht der Genauigkeit von Design und Produktion, die für ihre Herstellung erforderlich sind. In unserem HDD-Beispiel hat die Aluminiumscheibe selbst eine Dicke von 0,04 Zoll (1 mm), ist jedoch so poliert, dass die durchschnittliche Höhe der Oberflächenabweichungen weniger als 0,000001 Zoll (etwa 30 nm) beträgt.

Die Basisschicht hat eine Tiefe von nur 10 Mikrometern und besteht aus mehreren Materialschichten, die auf dem Metall abgeschieden sind. Die Anwendung erfolgt unter Verwendung einer chemischen Vernickelung, gefolgt von einer Vakuumabscheidung , wobei die Scheibe für die magnetischen Grundmaterialien vorbereitet wird, die zum Speichern digitaler Daten verwendet werden.

Dieses Material ist normalerweise eine Kobaltlegierung und besteht aus konzentrischen Kreisen, von denen jeder ungefähr 0,00001 Zoll (ungefähr 250 nm) breit und 0,000001 Zoll (25 nm) tief ist. Auf Mikroebene bilden Metalllegierungen Körner ähnlich wie Seifenblasen auf der Wasseroberfläche.

Jedes Korn hat sein eigenes Magnetfeld, kann aber in eine bestimmte Richtung umgewandelt werden. Das Gruppieren solcher Felder führt zu Datenbits (0 und 1). Wenn Sie mehr über dieses Thema erfahren möchten, lesen Sie dieses Dokument von der Yale University. Die endgültigen Beschichtungen sind eine Kohlenstoffschicht zum Schutz und dann ein Polymer zur Verringerung der Kontaktreibung. Zusammen beträgt ihre Dicke nicht mehr als 0,0000005 Zoll (12 nm).

Bald werden wir sehen, warum die Platten mit so strengen Toleranzen hergestellt werden sollten, aber es ist immer noch erstaunlich zu erkennen, dass Sie für nur 15 US-Dollar stolzer Besitzer eines Geräts werden können, das mit Nanometer-Präzision hergestellt wurde!

Kehren wir jedoch zur Festplatte selbst zurück und sehen, was noch darin enthalten ist.


Die Metallabdeckung ist gelb dargestellt, wodurch die Platte sicher am Elektromotor des Spindelantriebs befestigt wird - dem elektrischen Antrieb, der die Scheiben dreht. Bei dieser Festplatte drehen sie sich mit einer Frequenz von 7200 U / min (U / min), bei anderen Modellen können sie jedoch langsamer arbeiten. Langsamere Antriebe haben einen geringeren Geräusch- und Stromverbrauch, aber auch eine geringere Drehzahl, und schnellere Antriebe können Drehzahlen von 15.000 U / min erreichen.

Um die durch Staub und Feuchtigkeit in der Luft verursachten Schäden zu verringern, wird ein Umwälzfilter (grünes Quadrat) verwendet, um kleine Partikel zu sammeln und im Inneren zu halten. Die durch die Drehung der Platten bewegte Luft sorgt für einen konstanten Durchfluss durch den Filter. Über den Scheiben und neben dem Filter befindet sich einer von drei Plattentrennern: Reduziert Vibrationen und hält den Luftstrom so gleichmäßig wie möglich.

Im oberen linken Teil des Bildes wird einer der beiden Permanentbalkenmagnete durch ein blaues Quadrat angezeigt. Sie liefern das Magnetfeld, das zum Bewegen der rot angezeigten Komponente erforderlich ist. Lassen Sie uns diese Details trennen, um sie besser zu sehen.


Was wie ein weißer Fleck aussieht, ist ein weiterer Filter, der nur Partikel und Gase reinigt, die von außen durch das Loch eintreten, das wir oben gesehen haben. Metallspitzen sind Hebel für bewegliche Köpfe, auf denen Lese- / Schreibköpfe einer Festplatte liegen. Sie bewegen sich mit großer Geschwindigkeit entlang der Oberfläche der Platten (oben und unten).

Schauen Sie sich dieses Video an, das von The Slow Mo Guys erstellt wurde, um zu sehen, wie schnell sie sind:


Das Design verwendet nicht so etwas wie einen Schrittmotor ; Um die Hebel entlang des Magneten zu bewegen, wird an der Basis der Hebel ein elektrischer Strom geleitet.


Im Allgemeinen werden sie Schwingspulen genannt , da sie dasselbe Prinzip verwenden, das in Lautsprechern und Mikrofonen zum Bewegen von Membranen verwendet wird. Der Strom erzeugt um sie herum ein Magnetfeld, das auf das Feld reagiert, das durch Stabpermanentmagnete erzeugt wird.

Denken Sie daran, dass die Datenspuren winzig sind , daher muss die Positionierung der Hebel wie alles andere im Laufwerk äußerst genau sein. Einige Festplatten verfügen über mehrstufige Hebel, die kleine Änderungen in Richtung nur eines Teils des gesamten Hebels vornehmen.

Auf einigen Festplatten überlappen sich Datenspuren. Diese Technologie wird als gekachelte magnetische Aufzeichnung bezeichnet. Noch strenger sind die Anforderungen an die Genauigkeit und Positionierung (dh das ständige Schlagen an einem Punkt).


Ganz am Ende der Hebel befinden sich sehr empfindliche Lese- / Schreibköpfe. Unsere Festplatte enthält 3 Platten und 6 Köpfe, von denen jede während ihrer Drehung über der Platte schwebt . Dazu werden die Köpfe an ultradünnen Metallstreifen aufgehängt.

Und hier können wir sehen, warum unsere anatomische Probe gestorben ist - mindestens einer der Köpfe hat sich gelockert, und unabhängig davon, was den anfänglichen Schaden verursacht hat, hat er auch einen der Hebel verbogen. Die gesamte Komponente des Kopfes ist so klein, dass es, wie unten zu sehen ist, mit einer herkömmlichen Kamera sehr schwierig ist, ein qualitativ hochwertiges Bild davon zu erhalten.


Wir können jedoch die einzelnen Teile zerlegen. Der graue Block ist ein speziell angefertigtes Teil, das als „Schieber“ bezeichnet wird : Wenn sich die Scheibe darunter dreht, erzeugt der Luftstrom einen Auftrieb, indem der Kopf von der Oberfläche abgehoben wird. Und wenn wir "Erhöhungen" sagen, meinen wir eine Lücke mit einer Breite von nur 0,0000002 Zoll oder weniger als 5 nm.

Ein wenig weiter, und die Köpfe werden Änderungen in den Magnetfeldern der Spur nicht erkennen können; Wenn die Köpfe auf der Oberfläche wären, würden sie nur die Beschichtung zerkratzen. Aus diesem Grund muss die Luft im Laufwerksgehäuse gefiltert werden: Staub und Feuchtigkeit auf der Oberfläche der Festplatte brechen einfach die Köpfe.

Die winzige Metallstange am Ende des Kopfes trägt zur allgemeinen Aerodynamik bei. Um jedoch die Teile zu sehen, die lesen und schreiben, benötigen wir ein besseres Foto.


In diesem Bild einer anderen Festplatte befinden sich Leser und Schreiber unter allen elektrischen Verbindungen. Die Systemaufzeichnung erfolgt durch TFT- Induktivität (Dünnschichtinduktion, TFI) und Ablesen einer Tunnelmagnetowiderstandsvorrichtung (Tunnelmagnetowiderstandsvorrichtung, TMR).

Die erzeugten TMR-Signale sind sehr schwach und müssen durch einen Verstärker geleitet werden, bevor sie gesendet werden, um die Pegel zu erhöhen. Der dafür verantwortliche Chip befindet sich in der Nähe der Basis der Hebel im Bild unten.


Wie in der Einleitung des Artikels angegeben, haben sich die mechanischen Komponenten und das Funktionsprinzip der Festplatte im Laufe der Jahre nicht wesentlich geändert. Vor allem wurde die Technologie von Magnetspuren und Lese- / Schreibköpfen verbessert, wodurch schmalere und dichtere Spuren erzeugt wurden, was letztendlich zu einer Erhöhung des Volumens gespeicherter Informationen führte.

Mechanische Festplatten haben jedoch offensichtliche Geschwindigkeitsbegrenzungen. Es braucht Zeit, um die Hebel an die gewünschte Position zu bringen, und wenn die Daten auf verschiedenen Spuren auf verschiedenen Platten verteilt sind, benötigt das Laufwerk einige Mikrosekunden, um nach Bits zu suchen.

Bevor Sie zu einem anderen Laufwerkstyp übergehen, geben wir indikative Geschwindigkeitsanzeigen für eine typische Festplatte an. Wir haben den CrystalDiskMark- Benchmark verwendet , um die Festplatte zu bewerten.WD 3,5 "5400 U / min 2 TB :


Die ersten beiden Zeilen geben die Anzahl der MB pro Sekunde beim sequentiellen (lange, fortlaufende Liste) und zufälligen (Übergänge im gesamten Laufwerk) Lesen und Schreiben an. Die nächste Zeile zeigt den IOPS-Wert, dh die Anzahl der pro Sekunde ausgeführten E / A-Operationen. Die letzte Zeile zeigt die durchschnittliche Verzögerung (Zeit in Mikrosekunden) zwischen dem Senden einer Lese- oder Schreiboperation und dem Empfangen von Datenwerten.

Im allgemeinen Fall bemühen wir uns sicherzustellen, dass die Werte in den ersten drei Zeilen so groß wie möglich und in der letzten Zeile so klein wie möglich sind. Machen Sie sich keine Sorgen um die Zahlen selbst, wir verwenden sie nur zum Vergleich, wenn wir uns einen anderen Laufwerkstyp ansehen: ein Solid-State-Laufwerk.

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