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Drive Anatomy: Discos duros

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Es magnético. El es electrico. El es fotónico. No, este no es un nuevo trío de superhéroes del universo Marvel. Se trata de almacenar nuestros preciosos datos digitales. Necesitamos almacenarlos en algún lugar, de forma segura y estable, para que podamos tener acceso a ellos y cambiarlos en poco tiempo. Olvídate de Iron Man y Thor: ¡estamos hablando de discos duros!

Entonces, profundicemos en la anatomía de los dispositivos que usamos hoy para almacenar miles de millones de bits de datos.

Me haces girar, cariño


El disco mecánico en discos duros (disco duro, HDD) ha sido el sistema de almacenamiento estándar para computadoras en todo el mundo durante más de 30 años, pero la tecnología subyacente es mucho más antigua.

La primera compañía comercial de discos duros que IBM lanzó en 1956 , su capacidad era de hasta 3.75 MB. Y, en general, durante todos estos años, la estructura general de la unidad no ha cambiado mucho. Todavía tiene discos que usan magnetización para almacenar datos, y hay dispositivos para leer / escribir estos datos. La cantidad de datos que se pueden almacenar en ellos ha cambiado , y mucho.

En 1987, podría comprar un HDD de 20 MB por alrededor de $ 350; hoy por el mismo dineroSe pueden comprar 14 TB: 700,000 veces el volumen.

Consideraremos un dispositivo que no tiene este tamaño, pero que también es digno de los estándares modernos: el HDD Seagate Barracuda 3 TB de 3.5 pulgadas, en particular, el modelo ST3000DM001 , conocido por su alto porcentaje de fallas y procesos legales causados ​​por esto . El impulso que estamos estudiando ya está muerto, por lo que será más como una autopsia que una lección de anatomía.


La mayor parte del disco duro es de metal fundido. Las fuerzas dentro del dispositivo durante el uso activo pueden ser bastante graves, por lo que el metal grueso evita la flexión y la vibración de la carcasa. Incluso en pequeños discos duros de 1,8 pulgadas, el metal se usa como material de la carcasa, pero generalmente no están hechos de acero, sino de aluminio, ya que deben ser lo más livianos posible.


Al girar la unidad, vemos una placa de circuito impreso y varios conectores. El conector en la parte superior de la placa se usa para el motor que hace girar los discos, y los tres inferiores (de izquierda a derecha) son contactos de puente que le permiten configurar la unidad para configuraciones específicas, el conector de datos SATA (Serial ATA) y el conector de alimentación SATA.


Serial ATA apareció por primera vez en 2000. En las computadoras de escritorio, este es el sistema estándar utilizado para conectar unidades al resto de la computadora. La especificación de formato ha sufrido muchas revisiones, y ahora estamos utilizando la versión 3.4. Nuestro cadáver del disco duro tiene una versión anterior, pero la diferencia está solo en un contacto en el conector de alimentación.

En las conexiones de datos, se usa una señal diferenciada para recibir y recibir datos : los contactos A + y A- se usan para transferir instrucciones y datos al disco duro, y los contactos B se usan para recibir estas señales. Tal uso de conductores emparejados reduce significativamente el efecto del ruido eléctrico en la señal, es decir, el dispositivo puede funcionar más rápido.

Si hablamos de alimentación, vemos que el conector tiene un par de contactos de cada voltaje (+3.3, +5 y + 12V); sin embargo, la mayoría de ellos no se usan porque el HDD no requiere mucha energía. Este modelo particular de Seagate utiliza menos de 10 vatios de carga activa. Los contactos marcados como PC se utilizan para la precarga : esta función le permite extraer y conectar el disco duro mientras la computadora continúa funcionando (esto se denomina intercambio en caliente ).

El contacto con la etiqueta PWDIS permite el reinicio remotodisco duro, pero esta característica solo es compatible con SATA 3.3, por lo que en mi disco es solo otra línea de alimentación de + 3.3V. Y el último contacto, marcado como SSU, simplemente le dice a la computadora si el disco duro admite husillos escalonados escalonados .

Antes de que la computadora pueda usarlos, los discos dentro del dispositivo (que veremos pronto) deben girar a toda velocidad. Pero si se instalan muchos discos duros en la máquina, entonces una solicitud simultánea repentina de energía puede dañar el sistema. El desenrollado gradual de los husillos elimina por completo la posibilidad de tales problemas, pero tendrá que esperar unos segundos antes de obtener acceso completo al HDD.


Después de quitar la placa de circuito impreso, puede ver cómo se conecta a los componentes dentro del dispositivo. Los discos duros no son herméticos , con la excepción de los dispositivos con capacidades muy grandes: usan helio en lugar de aire, porque es mucho menos denso y crea menos problemas en unidades con una gran cantidad de discos. Por otro lado, no debe exponer las unidades convencionales al entorno abierto.

Gracias al uso de dichos conectores, se minimiza el número de puntos de entrada a través de los cuales la suciedad y el polvo pueden ingresar al disco; Hay un agujero en la carcasa de metal (un gran punto blanco en la esquina inferior izquierda de la imagen), que permite preservar la presión ambiental en el interior.


Ahora que se quitó la placa de circuito, veamos qué hay dentro. Hay cuatro chips principales:

  • LSI B64002: chip controlador principal que procesa instrucciones, transfiere flujos de datos dentro y fuera, corrección de errores, etc.
  • Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM con velocidad de reloj de 800 MHz utilizada para el almacenamiento en caché de datos
  • Smooth MCKXL: controla los discos giratorios del motor
  • Winbond 25Q40BWS05: 500 KB de memoria flash serie utilizada para almacenar el firmware de la unidad (un poco como el BIOS de una computadora)

Los componentes de PCB de diferentes discos duros pueden variar. Para grandes volúmenes, se requiere más caché (en los monstruos más modernos puede haber hasta 256 MB DDR3), y el chip controlador principal puede ser un poco más sofisticado en el manejo de errores, pero en general las diferencias no son tan grandes.

Abrir la unidad es simple, ¡simplemente desenrosque algunos tornillos Torx y listo! Estamos adentro ...


Dado que ocupa la parte principal del dispositivo, nuestra atención atrae inmediatamente un gran círculo de metal; Es fácil entender por qué las unidades se llaman unidades de disco . Correctamente llámalos platos ; Están hechos de vidrio o aluminio y están recubiertos con varias capas de diversos materiales. Esta unidad de 3 TB tiene tres placas, es decir, se deben almacenar 500 GB a cada lado de una placa.


La imagen es bastante polvorienta, tales placas sucias no corresponden a la precisión de diseño y producción necesaria para su fabricación. En nuestro ejemplo de HDD, el disco de aluminio en sí tiene un grosor de 0.04 pulgadas (1 mm), pero está pulido de tal manera que la altura promedio de las desviaciones de la superficie es menor a 0.000001 pulgadas (aproximadamente 30 nm).

La capa base tiene una profundidad de solo 0,0004 pulgadas (10 micras) y consta de varias capas de materiales depositados sobre el metal. La aplicación se lleva a cabo utilizando niquelado químico , seguido de deposición al vacío , preparando el disco para los materiales magnéticos básicos utilizados para almacenar datos digitales.

Este material es típicamente una aleación de cobalto y está compuesto de círculos concéntricos, cada uno de los cuales tiene aproximadamente 0.00001 pulgadas (aproximadamente 250 nm) de ancho y 0.000001 pulgadas (25 nm) de profundidad. A nivel micro, las aleaciones metálicas forman granos similares a las burbujas de jabón en la superficie del agua.

Cada grano tiene su propio campo magnético, pero se puede convertir en una dirección determinada. Agrupar dichos campos da como resultado bits de datos (0 y 1). Si desea obtener más información sobre este tema, lea este documento de la Universidad de Yale. Los recubrimientos finales son una capa de carbono para protección y luego un polímero para reducir la fricción de contacto. Juntos, su grosor no es más de 0.0000005 pulgadas (12 nm).

Pronto veremos por qué las placas deben fabricarse con tolerancias tan estrictas, pero aún así es sorprendente darse cuenta de que por solo $ 15 puede convertirse en el orgulloso propietario de un dispositivo hecho con precisión nanométrica.

Sin embargo, volvamos al HDD en sí y veamos qué más contiene.


La cubierta de metal se muestra en amarillo, que sujeta de forma segura la placa al motor eléctrico del accionamiento del husillo, el accionamiento eléctrico que hace girar los discos. En este HDD, giran a una frecuencia de 7200 rpm (rpm), pero en otros modelos pueden funcionar más lentamente. Las unidades más lentas tienen menos ruido y menor consumo de energía, pero también menor velocidad, y las unidades más rápidas pueden alcanzar velocidades de 15,000 rpm.

Para reducir el daño causado por el polvo y la humedad en el aire, se usa un filtro de recirculación (cuadrado verde) para recolectar partículas pequeñas y mantenerlas dentro. El aire movido por la rotación de las placas proporciona un flujo constante a través del filtro. Sobre los discos y al lado del filtro hay uno de los tres separadores de placas.: Ayuda a reducir la vibración y a mantener el flujo de aire lo más parejo posible.

En la parte superior izquierda de la imagen, uno de los dos imanes de barra permanentes se indica con un cuadrado azul. Proporcionan el campo magnético necesario para mover el componente indicado en rojo. Separemos estos detalles para verlos mejor.


Lo que parece un parche blanco es otro filtro, solo que purifica partículas y gases que ingresan desde el exterior a través del orificio que vimos arriba. Los picos de metal son palancas para mover cabezas en las que se encuentran las cabezas de lectura / escritura de un disco duro. Se mueven con gran velocidad a lo largo de la superficie de las placas (superior e inferior).

Mira este video creado por The Slow Mo Guys para ver qué tan rápido son:


El diseño no usa algo como un motor paso a paso ; Para mover las palancas a lo largo del solenoide, se conduce una corriente eléctrica en la base de las palancas.


En general, se llaman bobinas de voz , porque usan el mismo principio que se usa en los altavoces y micrófonos para mover las membranas. La corriente genera un campo magnético a su alrededor, que responde al campo creado por la barra de imanes permanentes.

Recuerde que las pistas de datos son pequeñas , por lo que el posicionamiento de las palancas debe ser extremadamente preciso, como todo lo demás en el disco. Algunos discos duros tienen palancas de etapas múltiples que hacen pequeños cambios en la dirección de solo una parte de la palanca completa.

En algunos discos duros, las pistas de datos se superponen. Esta tecnología se llama grabación magnética en mosaico. (grabación magnética escalonada), y sus requisitos de precisión y posicionamiento (es decir, golpear constantemente en un punto) son aún más estrictos.


Al final de las palancas hay cabezales de lectura / escritura muy sensibles. Nuestro HDD contiene 3 placas y 6 cabezales, y cada uno de ellos flota sobre el disco durante su rotación. Para esto, las cabezas se suspenden en tiras de metal ultrafinas.

Y aquí podemos ver por qué murió nuestro espécimen anatómico: al menos una de las cabezas se aflojó y, sin importar qué causó el daño inicial, también dobló una de las palancas. El componente completo de la cabeza es tan pequeño que, como se puede ver a continuación, es muy difícil obtener su imagen de alta calidad con una cámara convencional.


Sin embargo, podemos desmontar las partes individuales. El bloque gris es una parte especialmente hecha llamada "deslizador" : cuando el disco gira debajo de él, el flujo de aire crea elevación al levantar la cabeza de la superficie. Y cuando decimos "aumentos", nos referimos a un espacio con un ancho de solo 0.0000002 pulgadas o menos de 5 nm.

Un poco más lejos, y las cabezas no podrán reconocer los cambios en los campos magnéticos de la pista; Si las cabezas estuvieran en la superficie, simplemente rayarían el revestimiento. Por eso es necesario filtrar el aire dentro del cuerpo de la unidad: el polvo y la humedad en la superficie del disco simplemente romperán los cabezales.

El pequeño "poste" de metal al final de la cabeza ayuda con la aerodinámica general. Sin embargo, para ver las partes que leen y escriben, necesitamos una mejor foto.


En esta imagen de otro disco duro, los lectores y escritores están bajo todas las conexiones eléctricas. La grabación del sistema se realiza con inductancia TFT (inducción de película delgada, TFI) y la lectura de un dispositivo de magnetorresistencia de túnel (dispositivo de magnetorresistencia de túnel, TMR). Las señales TMR generadas son muy débiles y deben pasar a través de un amplificador antes de enviarse para aumentar los niveles. El chip responsable de esto se encuentra cerca de la base de las palancas en la imagen a continuación.




Como se indicó en la introducción del artículo, los componentes mecánicos y el principio de funcionamiento del disco duro no han cambiado mucho a lo largo de los años. Sobre todo, se mejoró la tecnología de pistas magnéticas y cabezales de lectura-escritura, creando pistas más angostas y densas, lo que finalmente condujo a un aumento en el volumen de información almacenada.

Sin embargo, los discos duros mecánicos tienen límites de velocidad obvios. Lleva tiempo mover las palancas a la posición deseada, y si los datos se encuentran dispersos en diferentes pistas en diferentes placas, la unidad pasará unos pocos microsegundos para buscar bits.

Antes de pasar a otro tipo de unidad, demos indicadores de velocidad indicativos para un HDD típico. Utilizamos el punto de referencia CrystalDiskMark para evaluar el disco duro.WD 3.5 "5400 RPM 2 TB :


Las primeras dos líneas indican la cantidad de MB por segundo durante la lectura y escritura secuencial (larga, continua) y aleatoria (transiciones en toda la unidad). La siguiente línea muestra el valor de IOPS, es decir, el número de operaciones de E / S realizadas cada segundo. La última línea muestra el retraso promedio (tiempo en microsegundos) entre la transmisión de una operación de lectura o escritura y la recepción de valores de datos.

En el caso general, nos esforzamos por garantizar que los valores en las primeras tres líneas sean lo más grandes posible, y en la última línea lo más pequeños posible. No se preocupe por los números en sí, solo los usamos para comparar cuando miramos otro tipo de unidad: una unidad de estado sólido.

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