🐱 💳 🐬 Anatomia da unidade: discos rígidos 🛬 🐚 🎐

É magnético. Ele é elétrico. Ele é fotônico. Não, este não é um novo trio de super-heróis do universo Marvel. Trata-se de armazenar nossos preciosos dados digitais. Precisamos armazená-los em algum lugar, com segurança e estabilidade, para que possamos ter acesso a eles e alterá-los rapidamente. Esqueça Iron Man e Thor - estamos falando de discos rígidos!

Então, vamos mergulhar na anatomia dos dispositivos que usamos hoje para armazenar bilhões de bits de dados.

Você me gira, baby

A unidade mecânica em discos rígidos (unidade de disco rígido, HDD) é o sistema de armazenamento padrão para computadores em todo o mundo há mais de 30 anos, mas a tecnologia subjacente é muito mais antiga.

A primeira empresa comercial de discos rígidos IBM lançada em 1956 , sua capacidade era de 3,75 MB. E, em geral, ao longo de todos esses anos, a estrutura geral da unidade não mudou muito. Ele ainda possui discos que usam magnetização para armazenar dados e existem dispositivos para ler / gravar esses dados. A quantidade de dados que pode ser armazenada neles mudou e muito.

Em 1987, você poderia comprar um disco rígido de 20 MB por cerca de US $ 350; hoje pelo mesmo dinheiro14 TB podem ser comprados: 700.000 vezes o volume.

Consideraremos um dispositivo que não é desse tamanho, mas também é digno de padrões modernos: o HDD Seagate Barracuda 3 TB de 3,5 polegadas, em particular, o modelo ST3000DM001 , notório por sua alta porcentagem de falhas e processos legais causados por isso . A pulsão que estamos estudando já está morta, então será mais uma autópsia do que uma lição de anatomia.

A maior parte do disco rígido é de metal fundido. As forças dentro do dispositivo durante o uso ativo podem ser bastante sérias, de modo que o metal espesso impede a flexão e a vibração da caixa. Mesmo em pequenos HDDs de 1,8 polegadas, o metal é usado como material da caixa, mas geralmente eles são feitos não de aço, mas de alumínio, porque devem ser o mais leve possível.

Virando a unidade, vemos uma placa de circuito impresso e vários conectores. O conector na parte superior da placa é usado para o mecanismo que gira os discos e os três inferiores (da esquerda para a direita) são contatos de jumper que permitem configurar a unidade para determinadas configurações, o conector de dados SATA (Serial ATA) e o conector de alimentação SATA.

O ATA serial apareceu pela primeira vez em 2000. Em computadores de mesa, esse é o sistema padrão usado para conectar unidades ao restante do computador. A especificação do formato passou por muitas revisões e agora estamos usando a versão 3.4. Nosso cadáver do disco rígido tem uma versão mais antiga, mas a diferença está apenas em um contato no conector de alimentação.

Nas conexões de dados, um sinal diferenciado é usado para receber e receber dados : os contatos A + e A- são usados para transferir instruções e dados para o disco rígido e os contatos B são usados para receber esses sinais. Esse uso de condutores emparelhados reduz significativamente o efeito do ruído elétrico no sinal, ou seja, o dispositivo pode funcionar mais rapidamente.

Se falamos de energia, vemos que o conector tem um par de contatos de cada tensão (+3,3, +5 e + 12V); no entanto, a maioria deles não é usada porque o HDD não requer muita energia. Esse modelo específico da Seagate usa menos de 10 watts de carga ativa. Os contatos marcados como PC são usados para pré - carga : essa função permite remover e conectar o disco rígido enquanto o computador continua funcionando (isso é chamado de troca a quente ).

Contato com etiqueta PWDIS permite redefinição remotadisco rígido, mas esse recurso é suportado apenas pelo SATA 3.3, portanto, no meu disco, é apenas mais uma linha de energia de + 3.3V. E o último contato, marcado como SSU, simplesmente informa ao computador se o disco rígido suporta eixos de rotação escalonados .

Antes que o computador possa usá-los, os discos dentro do dispositivo (que veremos em breve) devem girar a toda velocidade. Porém, se muitos discos rígidos estiverem instalados na máquina, uma súbita solicitação simultânea de energia poderá prejudicar o sistema. O desenrolar gradual dos eixos elimina completamente a possibilidade de tais problemas, mas você terá que esperar alguns segundos antes de obter acesso total ao disco rígido.

Após remover a placa de circuito impresso, você pode ver como ela se conecta aos componentes dentro do dispositivo. Os HDDs não são herméticos , com exceção de dispositivos com capacidades muito grandes - eles usam hélio em vez de ar, porque é muito menos denso e cria menos problemas em unidades com um grande número de discos. Por outro lado, você não deve expor as unidades convencionais ao ambiente aberto.

Graças ao uso de tais conectores, o número de pontos de entrada através dos quais sujeira e poeira podem entrar no inversor é minimizado; existe um orifício na caixa de metal (um grande ponto branco no canto inferior esquerdo da imagem), que permite preservar a pressão ambiental interna.

Agora que a placa de circuito foi removida, vamos ver o que está dentro. Existem quatro chips principais:

LSI B64002: chip controlador principal que processa instruções, transfere fluxos de dados dentro e fora, correção de erros, etc.
Samsung K4T51163QJ: SDRAM DDR2 de 64 MB com clock de 800 MHz usado para cache de dados
MCKXL suave: controla os discos giratórios do motor
Winbond 25Q40BWS05: 500 KB de memória flash serial usada para armazenar o firmware da unidade (um pouco como o BIOS do computador)

Os componentes da PCB de diferentes HDDs podem variar. Para grandes volumes, é necessário mais cache (nos monstros mais modernos, pode haver até 256 MB DDR3), e o chip controlador principal pode ser um pouco mais sofisticado no tratamento de erros, mas, em geral, as diferenças não são tão grandes.

Abrir a unidade é simples, basta desaparafusar alguns parafusos Torx e pronto! Estamos dentro ...

Dado que ocupa a parte principal do dispositivo, nossa atenção atrai imediatamente um grande círculo de metal; É fácil entender por que as unidades são chamadas de unidades de disco . Chame-os corretamente de pratos ; eles são feitos de vidro ou alumínio e revestidos com várias camadas de vários materiais. Esta unidade de 3 TB possui três placas, ou seja, 500 GB devem ser armazenados em cada lado de uma placa.

A imagem é bastante empoeirada, essas placas sujas não correspondem à precisão do projeto e da produção necessários para sua fabricação. No nosso exemplo de disco rígido, o próprio disco de alumínio tem uma espessura de 0,04 polegadas (1 mm), mas é polido a tal ponto que a altura média dos desvios da superfície é inferior a 0,000001 polegadas (cerca de 30 nm).

A camada base tem uma profundidade de apenas 0,0004 polegadas (10 mícrons) e consiste em várias camadas de materiais depositados no metal. A aplicação é realizada utilizando niquelagem química seguida de deposição a vácuo , preparando o disco para os materiais magnéticos básicos utilizados para armazenar dados digitais.

Esse material geralmente é uma liga de cobalto e é composto por círculos concêntricos, cada um com aproximadamente 0,00001 polegadas (aproximadamente 250 nm) de largura e 0,000001 polegadas (25 nm) de profundidade. No nível micro, as ligas metálicas formam grãos semelhantes a bolhas de sabão na superfície da água.

Cada grão tem seu próprio campo magnético, mas pode ser convertido em uma determinada direção. O agrupamento desses campos resulta em bits de dados (0 e 1). Se você quiser saber mais sobre este tópico, leia este documento da Universidade de Yale. Os revestimentos finais são uma camada de carbono para proteção e, em seguida, um polímero para reduzir o atrito de contato. Juntas, a espessura não é superior a 0,0000005 polegadas (12 nm).

Em breve veremos por que as placas devem ser fabricadas com tolerâncias tão rígidas, mas ainda assim, é incrível perceber que por apenas US $ 15 você pode se tornar o orgulhoso proprietário de um dispositivo fabricado com precisão de nanômetros!

No entanto, vamos voltar ao próprio disco rígido e ver o que mais há nele.

A tampa de metal é mostrada em amarelo, que prende firmemente a placa ao motor elétrico de acionamento do eixo - o acionamento elétrico que gira os discos. Nesse disco rígido, eles rodam a uma frequência de 7200 rpm (rpm), mas em outros modelos, eles podem trabalhar mais lentamente. Unidades mais lentas têm menor ruído e consumo de energia, mas também menor velocidade, e unidades mais rápidas podem atingir velocidades de 15.000 rpm.

Para reduzir os danos causados pela poeira e umidade no ar, um filtro de recirculação (quadrado verde) é usado para coletar pequenas partículas e segurá-las dentro. O ar movido pela rotação das placas fornece um fluxo constante através do filtro. Acima dos discos e próximo ao filtro, há um dos três separadores de placas: Ajuda a reduzir a vibração e a manter o fluxo de ar o mais uniforme possível.

Na parte superior esquerda da imagem, um dos dois ímãs de barra permanentes é indicado por um quadrado azul. Eles fornecem o campo magnético necessário para mover o componente indicado em vermelho. Vamos separar esses detalhes para vê-los melhor.

O que parece uma mancha branca é outro filtro, só que purifica partículas e gases que entram do lado de fora pelo buraco que vimos acima. Pontas de metal são alavancas para mover cabeças nas quais são cabeças de leitura / gravação de um disco rígido. Eles se movem com grande velocidade ao longo da superfície das placas (superior e inferior).

Confira este vídeo criado por The Slow Mo Guys para ver a rapidez com que eles são:

O design não usa algo como um motor de passo ; Para mover as alavancas ao longo do solenóide, uma corrente elétrica é conduzida na base das alavancas.

Em geral, eles são chamados de bobinas de voz , porque usam o mesmo princípio usado em alto-falantes e microfones para mover membranas. A corrente gera um campo magnético ao seu redor, que responde ao campo criado por barras de ímãs permanentes.

Lembre-se de que as faixas de dados são pequenas , portanto o posicionamento das alavancas deve ser extremamente preciso, como tudo o mais no inversor. Alguns discos rígidos possuem alavancas de vários estágios que fazem pequenas alterações na direção de apenas uma parte de toda a alavanca.

Em alguns discos rígidos, as faixas de dados se sobrepõem. Essa tecnologia é chamada de gravação magnética em mosaico. (gravação magnética shingled) e seus requisitos de precisão e posicionamento (ou seja, bater constantemente em um ponto) são ainda mais rigorosos.

No final das alavancas, existem cabeças de leitura / gravação muito sensíveis. Nosso HDD contém 3 placas e 6 cabeças, e cada uma delas flutua acima do disco durante sua rotação. Para isso, as cabeças são suspensas em tiras ultrafinas de metal.

E aqui podemos ver por que nosso espécime anatômico morreu - pelo menos uma das cabeças se soltou e, independentemente do que causou o dano inicial, também dobrou uma das alavancas. Todo o componente da cabeça é tão pequeno que, como pode ser visto abaixo, é muito difícil obter uma imagem de alta qualidade com uma câmera convencional.

No entanto, podemos desmontar as partes individuais. O bloco cinza é uma peça especialmente fabricada chamada “controle deslizante” : quando o disco gira sob ele, o fluxo de ar cria elevação ao levantar a cabeça da superfície. E quando dizemos "aumentos", queremos dizer uma lacuna com uma largura de apenas 0,0000002 polegadas ou menos que 5 nm.

Um pouco mais adiante, e as cabeças não serão capazes de reconhecer mudanças nos campos magnéticos da pista; se as cabeças estivessem na superfície, elas apenas arranhariam o revestimento. É por isso que é necessário filtrar o ar dentro da caixa da unidade: poeira e umidade na superfície do disco simplesmente quebram as cabeças.

O minúsculo “poste” de metal no final da cabeça ajuda na aerodinâmica geral. No entanto, para ver as partes que lêem e escrevem, precisamos de uma foto melhor.

Nesta imagem de outro disco rígido, leitores e gravadores estão sob todas as conexões elétricas. A Gravação do sistema é realizada com indutância TFT (indução de película fina, TFI) e a leitura de - um dispositivo de magnetorresistência de túnel (dispositivo magnetoresistivo de tunelamento, TMR). Os sinais TMR gerados são muito fracos e devem ser passados através de um amplificador antes de serem enviados para aumentar os níveis. O chip responsável por isso está localizado próximo à base das alavancas na imagem abaixo.

Conforme declarado na introdução ao artigo, os componentes mecânicos e o princípio de operação do disco rígido não mudaram muito ao longo dos anos. Acima de tudo, a tecnologia de trilhas magnéticas e cabeças de leitura e gravação foi aprimorada, criando trilhas mais estreitas e densas, o que levou a um aumento no volume de informações armazenadas.

No entanto, os discos rígidos mecânicos têm limites de velocidade óbvios. Leva tempo para mover as alavancas para a posição desejada e, se os dados estiverem espalhados por diferentes faixas em placas diferentes, o inversor gastará alguns microssegundos para procurar bits.

Antes de passar para outro tipo de unidade, vamos dar indicadores indicativos de velocidade para um HDD típico. Usamos o benchmark CrystalDiskMark para avaliar o disco rígido.WD 3,5 "5400 RPM 2 TB :

As duas primeiras linhas indicam o número de MB por segundo durante a leitura e gravação sequencial (lista longa e contínua) e aleatória (transições pela unidade). A próxima linha mostra o valor de IOPS, ou seja, o número de operações de E / S executadas a cada segundo. A última linha mostra o atraso médio (tempo em microssegundos) entre transmitir uma operação de leitura ou gravação e receber valores de dados.

No caso geral, nos esforçamos para garantir que os valores nas três primeiras linhas sejam o maior possível e na última linha o menor possível. Não se preocupe com os números, apenas os usamos para comparação quando analisamos outro tipo de unidade: uma unidade de estado sólido.

Anatomia da unidade: discos rígidos

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