👩🏼‍💼 🛁 🤘🏽 Drive Anatomy: Hard Drives 🧤 👨🏾‍🎤 ✌🏼

Itu magnet. Dia listrik. Dia fotonik. Tidak, ini bukan trio superhero baru dari alam semesta Marvel. Ini tentang menyimpan data digital berharga kami. Kita perlu menyimpannya di suatu tempat, dengan aman dan stabil, sehingga kita dapat memiliki akses ke sana dan mengubahnya dalam waktu singkat. Lupakan Iron Man dan Thor - kita berbicara tentang hard drive!

Jadi, mari selami anatomi perangkat yang kita gunakan hari ini untuk menyimpan miliaran bit data.

Anda memutar saya ke kanan, sayang

Drive mekanis pada hard drive (hard disk drive, HDD) telah menjadi sistem penyimpanan standar untuk komputer di seluruh dunia selama lebih dari 30 tahun, tetapi teknologi yang mendasarinya jauh lebih tua.

Perusahaan HDD komersial pertama yang dirilis IBM pada tahun 1956 , kapasitasnya mencapai 3,75 MB. Dan secara umum, selama bertahun-tahun, struktur umum drive tidak banyak berubah. Masih memiliki disk yang menggunakan magnetisasi untuk menyimpan data, dan ada perangkat untuk membaca / menulis data ini. Jumlah data yang dapat disimpan di dalamnya telah berubah , dan sangat banyak.

Pada tahun 1987, Anda dapat membeli HDD 20 MB dengan harga sekitar $ 350; hari ini untuk uang yang sama14 TB dapat dibeli: volume 700.000 kali lipat.

Kami akan mempertimbangkan perangkat yang tidak sebesar ini, tetapi juga layak dengan standar modern: Seagate Barracuda 3 TB HDD 3,5 inci, khususnya, model ST3000DM001 , terkenal dengan persentase kegagalan yang tinggi dan proses hukum yang disebabkan oleh hal ini . Dorongan yang kita pelajari sudah mati, jadi itu akan lebih seperti otopsi daripada pelajaran anatomi.

Sebagian besar hard drive terbuat dari logam. Kekuatan di dalam perangkat selama penggunaan aktif bisa sangat serius, sehingga logam tebal mencegah tekukan dan getaran casing. Bahkan dalam HDD 1,8 inci yang kecil, logam digunakan sebagai bahan penutup, tetapi biasanya terbuat dari baja, tetapi dari aluminium, karena mereka harus seringan mungkin.

Membalik drive, kita melihat papan sirkuit tercetak dan beberapa konektor. Konektor di bagian atas papan digunakan untuk mesin yang memutar disk, dan tiga terbawah (dari kiri ke kanan) adalah kontak jumper yang memungkinkan Anda untuk mengkonfigurasi drive untuk konfigurasi tertentu, konektor data SATA (Serial ATA) dan konektor daya SATA.

Serial ATA pertama kali muncul pada tahun 2000. Pada komputer desktop, ini adalah sistem standar yang digunakan untuk menghubungkan drive ke seluruh komputer. Spesifikasi format telah mengalami banyak revisi, dan sekarang kami menggunakan versi 3.4. Mayat kami dari hard drive memiliki versi yang lebih lama, tetapi perbedaannya hanya dalam satu kontak di konektor daya.

Dalam koneksi data, sinyal yang dibedakan digunakan untuk menerima dan menerima data : kontak A + dan A- digunakan untuk mentransfer instruksi dan data ke hard drive, dan kontak B digunakan untuk menerima sinyal-sinyal ini. Penggunaan konduktor berpasangan seperti ini secara signifikan mengurangi efek gangguan listrik pada sinyal, yaitu, perangkat dapat bekerja lebih cepat.

Jika kita berbicara tentang daya, kita melihat bahwa konektor memiliki sepasang kontak dari masing-masing tegangan (+3,3, +5 dan + 12V); Namun, kebanyakan dari mereka tidak digunakan karena HDD tidak membutuhkan banyak daya. Model Seagate khusus ini menggunakan kurang dari 10 watt beban aktif. Kontak yang ditandai sebagai PC digunakan untuk pengisian daya sebelumnya : fungsi ini memungkinkan Anda untuk melepas dan menghubungkan hard drive saat komputer terus bekerja (ini disebut hot swapping ).

Kontak dengan tag PWDIS memungkinkan pengaturan ulang jarak jauhhard drive, tetapi fitur ini hanya didukung dengan SATA 3.3, jadi di drive saya itu hanyalah kabel listrik + 3.3V. Dan kontak terakhir, ditandai sebagai SSU, cukup memberi tahu komputer apakah hard drive mendukung spindle berputar terhuyung .

Sebelum komputer dapat menggunakannya, disk di dalam perangkat (yang akan segera kita lihat) harus berputar hingga kecepatan penuh. Tetapi jika banyak hard drive dipasang di mesin, maka permintaan daya secara tiba-tiba secara simultan dapat membahayakan sistem. Pelepasan spindel secara bertahap menghilangkan kemungkinan masalah seperti itu, tetapi Anda harus menunggu beberapa detik sebelum mendapatkan akses penuh ke HDD.

Setelah melepaskan papan sirkuit tercetak, Anda dapat melihat bagaimana itu terhubung ke komponen di dalam perangkat. HDD tidak kedap udara , dengan pengecualian perangkat dengan kapasitas yang sangat besar - mereka menggunakan helium alih-alih udara, karena jauh lebih padat dan menciptakan lebih sedikit masalah pada drive dengan sejumlah besar disk. Di sisi lain, Anda tidak boleh mengekspos drive konvensional ke lingkungan terbuka.

Berkat penggunaan konektor semacam itu, jumlah titik input yang memungkinkan kotoran dan debu masuk ke drive diminimalkan; ada lubang di kotak logam (titik putih besar di sudut kiri bawah gambar), yang memungkinkan menjaga tekanan lingkungan di dalamnya.

Sekarang setelah papan sirkuit dilepas, mari kita lihat apa yang ada di dalamnya. Ada empat chip utama:

LSI B64002: chip pengontrol utama yang memproses instruksi, mentransfer data masuk dan keluar, koreksi kesalahan, dll.
Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2 SDRAM clock pada 800 MHz digunakan untuk caching data
Smooth MCKXL: mengontrol cakram pemintalan mesin
Winbond 25Q40BWS05: 500 KB memori flash serial yang digunakan untuk menyimpan firmware drive (agak seperti BIOS komputer)

Komponen PCB dari HDD yang berbeda dapat bervariasi. Untuk volume besar, diperlukan lebih banyak cache (dalam monster paling modern bisa ada hingga 256 MB DDR3), dan chip pengontrol utama mungkin sedikit lebih canggih dalam penanganan kesalahan, tetapi secara umum perbedaannya tidak begitu besar.

Membuka drive itu sederhana, cukup buka beberapa baut Torx dan voila! Kami berada di dalam ...

Mengingat bahwa ia menempati bagian utama perangkat, perhatian kami segera menarik lingkaran logam besar; Sangat mudah untuk memahami mengapa drive disebut drive disk . Sebut dengan benar piring ; mereka terbuat dari kaca atau aluminium dan dilapisi dengan beberapa lapisan berbagai bahan. Drive 3 TB ini memiliki tiga pelat, yakni 500 GB harus disimpan di setiap sisi satu pelat.

Gambarnya sangat berdebu, pelat kotor semacam itu tidak sesuai dengan keakuratan desain dan produksi yang diperlukan untuk pembuatannya. Dalam contoh HDD kami, disk aluminium itu sendiri memiliki ketebalan 0,04 inci (1 mm), tetapi dipoles sedemikian rupa sehingga ketinggian rata-rata penyimpangan permukaan kurang dari 0,000001 inci (sekitar 30 nm).

Lapisan dasar memiliki kedalaman hanya 0,0004 inci (10 mikron) dan terdiri dari beberapa lapisan bahan yang diendapkan pada logam. Aplikasi ini dilakukan dengan menggunakan pelapisan nikel kimia , diikuti oleh pengendapan vakum , menyiapkan disk untuk bahan magnetik dasar yang digunakan untuk menyimpan data digital.

Bahan ini biasanya merupakan paduan kobalt dan terdiri dari lingkaran konsentris, yang masing-masing lebarnya sekitar 0,00001 inci (sekitar 250 nm) dan kedalaman 0,000001 inci (25 nm). Pada tingkat mikro, paduan logam membentuk butiran yang mirip dengan gelembung sabun di permukaan air.

Setiap butir memiliki medan magnetnya sendiri, tetapi dapat dikonversi ke arah tertentu. Pengelompokan bidang tersebut menghasilkan bit data (0 dan 1). Jika Anda ingin mempelajari lebih lanjut tentang topik ini, maka baca dokumen ini dari Universitas Yale. Lapisan akhir adalah lapisan karbon untuk perlindungan, dan kemudian polimer untuk mengurangi gesekan kontak. Bersama-sama, ketebalannya tidak lebih dari 0,0000005 inci (12 nm).

Segera kita akan melihat mengapa pelat harus dibuat dengan toleransi yang sangat ketat, tetapi tetap menakjubkan untuk menyadari bahwa hanya dengan $ 15 Anda dapat menjadi pemilik bangga perangkat yang dibuat dengan akurasi nanometer!

Namun, mari kita kembali ke HDD itu sendiri dan melihat apa lagi yang ada di dalamnya.

Penutup logam ditunjukkan dengan warna kuning, yang mengikat pelat dengan aman ke motor listrik penggerak poros - penggerak listrik yang memutar disk. Dalam HDD ini, mereka berputar pada frekuensi 7200 rpm (rpm), tetapi dalam model lain mereka dapat bekerja lebih lambat. Drive yang lebih lambat memiliki kebisingan dan konsumsi daya yang lebih rendah, tetapi juga kecepatan yang lebih rendah, dan drive yang lebih cepat dapat mencapai kecepatan 15.000 rpm.

Untuk mengurangi kerusakan yang disebabkan oleh debu dan kelembaban di udara, filter resirkulasi (kotak hijau) digunakan untuk mengumpulkan partikel kecil dan menahannya di dalam. Udara yang digerakkan oleh rotasi lempeng memberikan aliran konstan melalui filter. Di atas cakram dan di sebelah filter ada satu dari tiga pemisah plat: Membantu mengurangi getaran dan menjaga aliran udara semaksimal mungkin.

Di bagian kiri atas gambar, salah satu dari dua magnet batang permanen ditunjukkan oleh kotak biru. Mereka memberikan medan magnet yang diperlukan untuk memindahkan komponen yang ditunjukkan dengan warna merah. Mari kita pisahkan detail ini untuk melihatnya lebih baik.

Apa yang tampak seperti tambalan putih adalah filter lain, hanya itu memurnikan partikel dan gas yang masuk dari luar melalui lubang yang kita lihat di atas. Paku logam adalah tuas untuk memindahkan kepala yang merupakan kepala baca / tulis dari hard disk. Mereka bergerak dengan sangat cepat di sepanjang permukaan lempeng (atas dan bawah).

Lihat video ini yang dibuat oleh The Slow Mo Guys untuk melihat seberapa cepat mereka:

Desainnya tidak menggunakan sesuatu seperti motor stepper ; Untuk menggerakkan tuas di sepanjang solenoid, arus listrik dilakukan di dasar tuas.

Secara umum, mereka disebut kumparan suara , karena mereka menggunakan prinsip yang sama yang digunakan pada speaker dan mikrofon untuk menggerakkan membran. Arus menghasilkan medan magnet di sekelilingnya, yang merespons medan yang dibuat oleh magnet permanen batang.

Ingat bahwa trek data kecil , sehingga posisi tuas harus sangat akurat, seperti semua yang ada di drive. Beberapa hard drive memiliki tuas multi-tahap yang membuat perubahan kecil ke arah hanya satu bagian dari tuas keseluruhan.

Pada beberapa hard drive, trek data tumpang tindih. Teknologi ini disebut rekaman magnetik ubin. (rekaman magnetik shingled), dan persyaratannya untuk akurasi dan posisi (yaitu, untuk memukul terus-menerus pada satu titik) bahkan lebih ketat.

Di akhir tuas ada kepala baca / tulis yang sangat sensitif. HDD kami berisi 3 piring dan 6 kepala, dan masing-masing melayang di atas disk selama rotasi. Untuk ini, kepala ditangguhkan pada strip logam ultra-tipis.

Dan di sini kita dapat melihat mengapa spesimen anatomi kita mati - setidaknya satu dari kepala kendur, dan tidak peduli apa yang menyebabkan kerusakan awal, itu juga menekuk salah satu tuas. Seluruh komponen kepala sangat kecil sehingga, seperti dapat dilihat di bawah, sangat sulit untuk mendapatkan gambar berkualitas tinggi dengan kamera konvensional.

Namun, kita dapat membongkar bagian-bagian individual. Blok abu-abu adalah bagian yang dibuat khusus yang disebut "slider" : ketika disk berputar di bawahnya, aliran udara menciptakan daya angkat dengan mengangkat kepala dari permukaan. Dan ketika kita mengatakan "memunculkan," yang kita maksudkan adalah lebar selebar 0,0000002 inci atau kurang dari 5 nm.

Sedikit lebih jauh, dan head tidak akan bisa mengenali perubahan medan magnet trek; jika kepala berada di permukaan, maka mereka hanya akan menggores pelapis. Itulah sebabnya mengapa perlu menyaring udara di dalam casing drive: debu dan kelembaban pada permukaan disk hanya akan mematahkan kepala.

"Tiang" logam kecil di ujung kepala membantu aerodinamika keseluruhan. Namun, untuk melihat bagian yang membaca dan menulis, kita memerlukan foto yang lebih baik.

Dalam gambar hard drive lain ini, pembaca dan penulis berada di bawah semua koneksi listrik. Perekaman Sistem dilakukan dengan induktansi TFT (induksi film tipis, TFI), dan pembacaan - perangkat magnetoresisten terowongan (tunneling magnetoresistive device, TMR). Sinyal TMR yang dihasilkan sangat lemah dan harus dilewatkan melalui amplifier sebelum dikirim untuk menambah level. Chip yang bertanggung jawab untuk ini terletak di dekat pangkal tuas pada gambar di bawah ini.

Sebagaimana dinyatakan dalam pengantar artikel, komponen mekanis dan prinsip pengoperasian hard drive tidak banyak berubah selama bertahun-tahun. Yang paling penting, teknologi track magnetik dan head baca-tulis ditingkatkan, menciptakan track yang lebih sempit dan lebih padat, yang pada akhirnya menyebabkan peningkatan volume informasi yang disimpan.

Namun, hard drive mekanis memiliki batas kecepatan yang jelas. Butuh waktu untuk memindahkan tuas ke posisi yang diinginkan, dan jika data tersebar di trek yang berbeda di piring yang berbeda, drive akan menghabiskan beberapa mikrodetik untuk mencari bit.

Sebelum beralih ke jenis drive lain, mari kita berikan indikator kecepatan indikatif untuk HDD biasa. Kami menggunakan tolok ukur CrystalDiskMark untuk mengevaluasi hard drive.WD 3.5 "5400 RPM 2 TB :

Dua baris pertama menunjukkan jumlah MB per detik selama berurutan (panjang, daftar kontinu) dan acak (transisi di seluruh drive) membaca dan menulis. Baris berikutnya menunjukkan nilai IOPS, yaitu, jumlah operasi I / O yang dilakukan setiap detik. Baris terakhir menunjukkan penundaan rata-rata (waktu dalam mikrodetik) antara mentransmisikan operasi baca atau tulis dan menerima nilai data.

Dalam kasus umum, kami berusaha untuk memastikan bahwa nilai dalam tiga baris pertama adalah sebesar mungkin, dan di baris terakhir sekecil mungkin. Jangan khawatir tentang angka itu sendiri, kami hanya menggunakannya untuk perbandingan ketika kita melihat jenis drive lain: solid state drive.

Drive Anatomy: Hard Drives

Anda memutar saya ke kanan, sayang

More articles: