👩🏾‍🔧 👁‍🗨 👨‍❤️‍👨 Drive Anatomy: Disques durs 🤹🏽 🕍 💶

C'est magnétique. Il est électrique. Il est photonique. Non, ce n'est pas un nouveau trio de super-héros de l'univers Marvel. Il s'agit de stocker nos précieuses données numériques. Nous devons les stocker quelque part, en toute sécurité et de manière stable, afin que nous puissions y avoir accès et les changer en un rien de temps. Oubliez Iron Man et Thor - nous parlons de disques durs!

Plongeons-nous donc dans l'anatomie des appareils que nous utilisons aujourd'hui pour stocker des milliards de bits de données.

Tu me fais tourner, bébé

Le lecteur mécanique sur disque dur (disque dur, disque dur) est le système de stockage standard pour les ordinateurs du monde entier depuis plus de 30 ans, mais la technologie sous-jacente est beaucoup plus ancienne.

La première société commerciale de disques durs IBM lancée en 1956 , sa capacité atteignait 3,75 Mo. Et en général, au cours de toutes ces années, la structure générale de l'entraînement n'a pas beaucoup changé. Il a toujours des disques qui utilisent la magnétisation pour stocker des données, et il existe des appareils pour lire / écrire ces données. La quantité de données qui peut y être stockée a changé , et beaucoup.

En 1987, vous pouviez acheter un disque dur de 20 Mo pour environ 350 $; aujourd'hui pour le même prix14 To peuvent être achetés: 700 000 fois le volume.

Nous examinerons un appareil qui n'est pas tout à fait de cette taille, mais qui mérite également les normes modernes: le HDD Seagate Barracuda 3 TB de 3,5 pouces, en particulier le modèle ST3000DM001 , réputé pour son pourcentage élevé de défaillances et de procédures légales en résultant . Le lecteur que nous étudions est déjà mort, ce sera donc plus une autopsie qu'une leçon d'anatomie.

La majeure partie du disque dur est en métal coulé. Les forces à l'intérieur de l'appareil pendant une utilisation active peuvent être assez graves, donc un métal épais empêche la flexion et les vibrations du boîtier. Même dans les minuscules disques durs de 1,8 pouces, le métal est utilisé comme matériau de boîtier, mais ils ne sont généralement pas en acier, mais en aluminium, car ils doivent être aussi légers que possible.

En retournant le lecteur, nous voyons une carte de circuit imprimé et plusieurs connecteurs. Le connecteur en haut de la carte est utilisé pour le moteur qui fait tourner les disques, et les trois derniers (de gauche à droite) sont des contacts de cavalier qui vous permettent de configurer le lecteur pour certaines configurations, le connecteur de données SATA (Serial ATA) et le connecteur d'alimentation SATA.

Le Serial ATA est apparu pour la première fois en 2000. Sur les ordinateurs de bureau, il s'agit du système standard utilisé pour connecter les lecteurs au reste de l'ordinateur. La spécification de format a subi de nombreuses révisions, et maintenant nous utilisons la version 3.4. Notre cadavre du disque dur a une version plus ancienne, mais la différence ne concerne qu'un seul contact dans le connecteur d'alimentation.

Dans les connexions de données, un signal différencié est utilisé pour recevoir et recevoir des données : les contacts A + et A- sont utilisés pour transférer des instructions et des données vers le disque dur, et les contacts B sont utilisés pour recevoir ces signaux. Une telle utilisation de conducteurs appariés réduit considérablement l'effet du bruit électrique sur le signal, c'est-à-dire que l'appareil peut fonctionner plus rapidement.

Si nous parlons de puissance, nous voyons que le connecteur a une paire de contacts de chaque tension (+3,3, +5 et + 12V); cependant, la plupart d'entre eux ne sont pas utilisés car le disque dur ne nécessite pas beaucoup d'énergie. Ce modèle Seagate particulier utilise moins de 10 watts de charge active. Les contacts marqués comme PC sont utilisés pour la précharge : cette fonction vous permet de retirer et de connecter le disque dur pendant que l'ordinateur continue de fonctionner (c'est ce qu'on appelle le remplacement à chaud ).

Le contact avec la balise PWDIS permet une réinitialisation à distancedisque dur, mais cette fonctionnalité n'est prise en charge qu'avec SATA 3.3, donc sur mon disque, c'est juste une autre ligne d'alimentation + 3,3 V. Et le dernier contact, marqué comme SSU, indique simplement à l'ordinateur si le disque dur prend en charge les broches de rotation décalées .

Avant que l'ordinateur puisse les utiliser, les disques à l'intérieur de l'appareil (que nous verrons bientôt) doivent tourner à pleine vitesse. Mais si de nombreux disques durs sont installés dans la machine, une demande d'alimentation simultanée soudaine peut endommager le système. Le déroulement progressif des broches élimine complètement la possibilité de tels problèmes, mais vous devrez attendre quelques secondes avant d'accéder pleinement au disque dur.

Après avoir retiré la carte de circuit imprimé, vous pouvez voir comment elle se connecte aux composants à l'intérieur de l'appareil. Les disques durs ne sont pas hermétiques , à l'exception des appareils de très grandes capacités - ils utilisent de l'hélium au lieu de l'air, car il est beaucoup moins dense et crée moins de problèmes dans les lecteurs avec un grand nombre de disques. D'un autre côté, vous ne devez pas exposer les lecteurs conventionnels à l'environnement ouvert.

Grâce à l'utilisation de tels connecteurs, le nombre de points d'entrée par lesquels la saleté et la poussière peuvent pénétrer dans le lecteur est minimisé; il y a un trou dans le boîtier métallique (un gros point blanc dans le coin inférieur gauche de l'image), ce qui permet de préserver la pression environnementale à l'intérieur.

Maintenant que le circuit imprimé est retiré, voyons ce qu'il y a à l'intérieur. Il existe quatre puces principales:

LSI B64002: puce de contrôleur principale qui traite les instructions, transfère les flux de données vers l'intérieur et vers l'extérieur, la correction des erreurs, etc.
Samsung K4T51163QJ: SDRAM DDR2 de 64 Mo cadencée à 800 MHz utilisée pour la mise en cache des données
Smooth MCKXL: contrôle les disques de rotation du moteur
Winbond 25Q40BWS05: 500 Ko de mémoire flash série utilisée pour stocker le firmware du lecteur (un peu comme le BIOS de l'ordinateur)

Les composants PCB de différents disques durs peuvent varier. Pour les gros volumes, plus de cache est requis (dans les monstres les plus modernes, il peut y avoir jusqu'à 256 Mo de DDR3), et la puce du contrôleur principal peut être un peu plus sophistiquée dans la gestion des erreurs, mais en général, les différences ne sont pas si grandes.

L'ouverture du lecteur est simple, il suffit de dévisser quelques boulons Torx et le tour est joué! Nous sommes à l'intérieur ...

Étant donné qu'il occupe la partie principale de l'appareil, notre attention attire immédiatement un grand cercle métallique; Il est facile de comprendre pourquoi les lecteurs sont appelés lecteurs de disque . Appelez-les correctement les assiettes ; ils sont en verre ou en aluminium et sont recouverts de plusieurs couches de matériaux divers. Ce lecteur de 3 To a trois plaques, c'est-à-dire que 500 Go doivent être stockés de chaque côté d'une plaque.

L'image est assez poussiéreuse, de telles plaques sales ne correspondent pas à la précision de conception et de production nécessaire à leur fabrication. Dans notre exemple de disque dur, le disque d'aluminium lui-même a une épaisseur de 0,04 pouce (1 mm), mais est poli à un point tel que la hauteur moyenne des écarts de surface est inférieure à 0,000001 pouce (environ 30 nm).

La couche de base a une profondeur de seulement 0,0004 pouces (10 microns) et se compose de plusieurs couches de matériaux déposés sur le métal. L'application est réalisée à l'aide d' un nickelage chimique suivi d' un dépôt sous vide , préparant le disque aux matériaux magnétiques de base utilisés pour stocker les données numériques.

Ce matériau est généralement un alliage de cobalt et est composé de cercles concentriques, dont chacun mesure environ 0,00001 pouce (environ 250 nm) de large et 0,000001 pouce (25 nm) de profondeur. Au niveau micro, les alliages métalliques forment des grains similaires à des bulles de savon à la surface de l'eau.

Chaque grain a son propre champ magnétique, mais il peut être converti dans une direction donnée. Le regroupement de ces champs donne des bits de données (0 et 1). Si vous souhaitez en savoir plus sur ce sujet, lisez ce document de l'Université de Yale. Les revêtements finaux sont une couche de carbone pour la protection, puis un polymère pour réduire la friction de contact. Ensemble, leur épaisseur ne dépasse pas 0,000000005 pouce (12 nm).

Bientôt, nous verrons pourquoi les plaques doivent être fabriquées avec des tolérances aussi strictes, mais il est quand même étonnant de réaliser que pour seulement 15 $, vous pouvez devenir l'heureux propriétaire d'un appareil fabriqué avec une précision nanométrique!

Cependant, revenons au disque dur lui-même et voyons ce qu'il y a d'autre.

Le couvercle métallique est représenté en jaune, ce qui fixe solidement la plaque au moteur électrique d'entraînement de la broche - l'entraînement électrique qui fait tourner les disques. Dans ce disque dur, ils tournent à une fréquence de 7200 tr / min (tr / min), mais dans d'autres modèles, ils peuvent fonctionner plus lentement. Les disques plus lents ont moins de bruit et de consommation d'énergie, mais aussi une vitesse plus faible, et les disques plus rapides peuvent atteindre des vitesses de 15 000 tr / min.

Pour réduire les dommages causés par la poussière et l'humidité dans l'air, un filtre de recirculation (carré vert) est utilisé pour collecter les petites particules et les maintenir à l'intérieur. L'air déplacé par la rotation des plaques assure un débit constant à travers le filtre. Au-dessus des disques et à côté du filtre, il y a l'un des trois séparateurs à plaques: Aide à réduire les vibrations et à maintenir le flux d'air aussi uniforme que possible.

Dans la partie supérieure gauche de l'image, l'un des deux aimants permanents est indiqué par un carré bleu. Ils fournissent le champ magnétique nécessaire pour déplacer le composant indiqué en rouge. Séparons ces détails pour mieux les voir.

Ce qui ressemble à une tache blanche est un autre filtre, seulement il purifie les particules et les gaz qui entrent de l'extérieur par le trou que nous avons vu ci-dessus. Les pointes métalliques sont des leviers pour déplacer des têtes sur lesquelles se trouvent des têtes de lecture / écriture d'un disque dur. Ils se déplacent à grande vitesse le long de la surface des plaques (supérieure et inférieure).

Découvrez cette vidéo créée par The Slow Mo Guys pour voir à quelle vitesse ils sont:

La conception n'utilise pas quelque chose comme un moteur pas à pas ; Pour déplacer les leviers le long du solénoïde, un courant électrique est conduit à la base des leviers.

En général, ils sont appelés bobines vocales , car ils utilisent le même principe que celui utilisé dans les haut-parleurs et les microphones pour déplacer les membranes. Le courant génère un champ magnétique autour d'eux, qui répond au champ créé par des aimants permanents à barres.

N'oubliez pas que les pistes de données sont minuscules , donc le positionnement des leviers doit être extrêmement précis, comme tout le reste dans le lecteur. Certains disques durs ont des leviers à plusieurs niveaux qui font de petits changements dans la direction d'une seule partie de l'ensemble du levier.

Sur certains disques durs, les pistes de données se chevauchent. Cette technologie est appelée enregistrement magnétique en mosaïque. (enregistrement magnétique bardé), et ses exigences de précision et de positionnement (c'est-à-dire de frapper constamment à un moment donné) sont encore plus strictes.

À l'extrémité des leviers se trouvent des têtes de lecture / écriture très sensibles. Notre disque dur contient 3 plaques et 6 têtes, et chacune d'entre elles flotte au-dessus du disque pendant sa rotation. Pour cela, les têtes sont suspendues sur des bandes de métal ultrafines.

Et ici, nous pouvons voir pourquoi notre spécimen anatomique est mort - au moins une des têtes s'est desserrée, et peu importe ce qui a causé les dommages initiaux, elle a également plié l'un des leviers. Le composant entier de la tête est si petit que, comme on peut le voir ci-dessous, il est très difficile d'obtenir son image de haute qualité avec un appareil photo conventionnel.

Cependant, nous pouvons démonter les pièces individuelles. Le bloc gris est une pièce spécialement conçue appelée «curseur» : lorsque le disque tourne en dessous, le flux d'air crée une portance en soulevant la tête de la surface. Et quand nous disons «soulève», nous voulons dire un écart d'une largeur de seulement 0,000000002 pouce ou moins de 5 nm.

Un peu plus loin, et les têtes ne pourront pas reconnaître les changements dans les champs magnétiques de la piste; si les têtes étaient à la surface, elles rayeraient simplement le revêtement. C'est pourquoi il est nécessaire de filtrer l'air à l'intérieur du boîtier du lecteur: la poussière et l'humidité sur la surface du disque vont simplement casser les têtes.

Le minuscule «poteau» métallique à l'extrémité de la tête contribue à l'aérodynamique globale. Cependant, pour voir les parties qui lisent et écrivent, nous avons besoin d'une meilleure photo.

Dans cette image d'un autre disque dur, les lecteurs et les écrivains sont sous toutes les connexions électriques. L'enregistrement du système est effectué par inductance TFT (induction en couches minces, TFI), et la lecture d' un - dispositif de magnétorésistance tunnel (dispositif de magnétorésistance tunnel, TMR). Les signaux TMR générés sont très faibles et doivent être passés à travers un amplificateur avant d'être envoyés pour augmenter les niveaux. La puce responsable est située près de la base des leviers dans l'image ci-dessous.

Comme indiqué dans l'introduction de l'article, les composants mécaniques et le principe de fonctionnement du disque dur n'ont pas beaucoup changé au fil des ans. Surtout, la technologie des pistes magnétiques et des têtes de lecture-écriture a été améliorée, créant des pistes plus étroites et plus denses, ce qui a finalement conduit à une augmentation du volume des informations stockées.

Cependant, les disques durs mécaniques ont des limites de vitesse évidentes. Il faut du temps pour déplacer les leviers à la position souhaitée, et si les données sont dispersées sur différentes pistes sur différentes plaques, le lecteur passera quelques microsecondes à rechercher des bits.

Avant de passer à un autre type de lecteur, donnons des indicateurs de vitesse indicatifs pour un disque dur typique. Nous avons utilisé le benchmark CrystalDiskMark pour évaluer le disque dur.WD 3,5 "5400 tr / min 2 To :

Les deux premières lignes indiquent le nombre de Mo par seconde pendant la lecture et l'écriture séquentielles (longue liste continue) et aléatoires (transitions dans le lecteur). La ligne suivante affiche la valeur IOPS, c'est-à-dire le nombre d'opérations d'E / S effectuées chaque seconde. La dernière ligne indique le délai moyen (temps en microsecondes) entre la transmission d'une opération de lecture ou d'écriture et la réception de valeurs de données.

Dans le cas général, nous nous efforçons de faire en sorte que les valeurs des trois premières lignes soient aussi grandes que possible et de la dernière ligne aussi petites que possible. Ne vous inquiétez pas des chiffres eux-mêmes, nous les utilisons simplement à des fins de comparaison lorsque nous examinons un autre type de disque: un disque SSD.

Drive Anatomy: Disques durs

Tu me fais tourner, bébé

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