🏊 🔮 🚓 驱动器解剖：硬盘驱动器 👩🏿‍🤝‍👩🏼 📵 🏷️

它是磁性的。他是电动的。他是光子。不，这不是Marvel宇宙中的新超级英雄三人组。这是关于存储我们宝贵的数字数据。我们需要将它们安全，稳定地存储在某个地方，以便我们可以随时访问和更改它们。忘了钢铁侠和雷神-我们在谈论硬盘！

因此，让我们深入了解当今用于存储数十亿数据位的设备的结构。

宝贝，你向右转

30多年来，硬盘驱动器（硬盘驱动器，HDD）上的机械驱动器已成为世界范围内计算机的标准存储系统，但其基础技术要古老得多。

第一家商用硬盘驱动器公司IBM 于1956年发布，其容量高达3.75 MB。总体而言，这些年来，驱动器的总体结构并没有太大变化。它仍然具有使用磁化存储数据的磁盘，并且有用于读取/写入此数据的设备。可以存储在它们上面的数据量已经发生了很大变化。

1987年，您可以花大约350美元购买20 MB硬盘；今天用同样的钱可以购买14 TB：700,000倍的容量。

我们将看一看这种大小的设备，但它不符合现代标准：3.5英寸HDD希捷Barracuda 3 TB硬盘，尤其是ST3000DM001型号，以其由此引起的大量故障和合法程序而臭名昭著。我们正在研究的驱动器已经死了，所以它更像是验尸而不是解剖课。

硬盘驱动器的大部分是铸造金属。主动使用期间设备内部的力可能非常严重，因此厚金属可以防止外壳弯曲和振动。即使在1.8英寸微型硬盘驱动器中，金属也用作外壳材料，但通常它们不是由钢而是由铝制成，因为它们应尽可能轻。

将驱动器翻转过来，我们看到了一块印刷电路板和几个连接器。板顶部的连接器用于旋转磁盘的引擎，底部的三个（从左至右）是跨接触点，可用于为特定配置配置驱动器，SATA数据连接器（串行ATA）和SATA电源连接器。

串行ATA于2000年首次出现。在台式计算机上，这是用于将驱动器连接到计算机其余部分的标准系统。格式规范已进行了许多修订，现在我们使用的是3.4版。我们的硬盘尸体具有较旧的版本，但区别仅在于电源连接器中的一个接点。

在数据连接中，差分信号用于接收和接收数据：触点A +和A-用于将指令和数据传输到硬盘驱动器，触点B用于接收这些信号。配对导体的这种使用大大降低了电噪声对信号的影响，也就是说，该设备可以更快地工作。

如果谈及电源，我们会看到连接器有一对触点，每个触点的电压分别为（+ 3.3，+ 5和+ 12V）。但是，由于HDD不需要大量电源，因此大多数未使用。特定的Seagate型号使用不到10瓦的有效负载。标为PC的触点用于预充电：此功能使您可以在计算机继续工作时卸下并连接硬盘驱动器（这称为热插拔）。

与PWDIS标签接触允许远程重置硬盘驱动器，但是只有SATA 3.3支持此功能，因此在我的驱动器中，它只是另一根+ 3.3V电源线。最后一个标记为SSU的联系人仅告诉计算机硬盘是否支持交错旋转的主轴。

在计算机可以使用它们之前，设备内部的磁盘（我们将很快看到）必须旋转到最大速度。但是，如果计算机中安装了许多硬盘驱动器，则突然同时请求电源可能会损坏系统。逐渐放开主轴可完全消除此类问题的可能性，但是您必须等待几秒钟才能完全访问HDD。

卸下印刷电路板后，您可以看到它如何连接到设备内部的组件。HDD 并不是密封的，除了容量非常大的设备外-HDD使用氦气代替空气，因为它的密度要小得多，并且在带有大量磁盘的驱动器中产生的问题也更少。另一方面，您不应将常规驱动器暴露在开放环境中。

由于使用了这种连接器，灰尘和灰尘进入驱动器的输入点数量得以减少；金属外壳上有一个孔（图像左下角有一个大的白点），可以保留内部的环境压力。

现在，电路板已卸下，让我们看看里面有什么。有四个主要芯片：

LSI B64002：主控制器芯片，用于处理指令，进出数据流，纠错等。
三星K4T51163QJ：时钟频率为800 MHz的64 MB DDR2 SDRAM用于数据缓存
平滑的MCKXL：控制发动机旋转盘
Winbond 25Q40BWS05：500 KB的串行闪存用于存储驱动器固件（有点像计算机的BIOS）

不同HDD的PCB组件可能有所不同。对于大容量卷，则需要更多的缓存（在大多数现代设备中，最多可能有256 MB DDR3），并且主控制器芯片在错误处理方面可能会稍微复杂一些，但总的来说差别并不大。

打开驱动器很简单，只需拧下几个Torx螺栓，瞧！我们在里面...

由于它占据了设备的主要部分，因此我们的注意力立即吸引了一个大的金属圈。很容易理解为什么将驱动器称为磁盘驱动器。正确称呼他们为盘子 ;它们由玻璃或铝制成，并涂有几层各种材料。此3 TB驱动器具有三个板块，即一个板块的每一侧应存储500 GB。

图像上尘土飞扬，这种脏版不符合其制造所需的设计和生产精度。在我们的HDD示例中，铝盘本身的厚度为0.04英寸（1毫米），但经过抛光的程度使得表面偏差的平均高度小于0.000001英寸（约30纳米）。

基础层的深度只有0.0004英寸（10微米），由沉积在金属上的几层材料组成。应用是通过化学镀镍，然后进行真空沉积，为用于存储数字数据的基本磁性材料准备磁盘。

该材料通常是钴合金，由同心圆组成，每个同心圆的宽度大约为0.00001英寸（大约250 nm），深度为0.000001英寸（25 nm）。在微观水平上，金属合金在水表面形成类似于肥皂泡的晶粒。

每个晶粒都有自己的磁场，但是可以在给定方向上转换。对这些字段进行分组会产生数据位（0和1）。如果要了解有关此主题的更多信息，请从耶鲁大学阅读此文档。最终的涂层是用于保护的碳层，然后是减少接触摩擦的聚合物。它们的厚度加在一起不超过0.0000005英寸（12 nm）。

很快，我们将明白为什么要在如此严格的公差范围内制作平板，但令人惊奇的是，只需15美元，您就可以成为拥有纳米精度的设备的骄傲拥有者！

但是，让我们回到HDD本身，看看其中还有什么。

金属盖显示为黄色，该金属盖将板牢固地固定到主轴驱动电动机 -旋转磁盘的电动机。在此HDD中，它们以7200 rpm（rpm）的频率旋转，但是在其他型号中，它们可以更慢地工作。较慢的驱动器具有较低的噪声和功耗，但速度也较低，较快的驱动器可以达到15,000 rpm的速度。

为减少空气中的灰尘和湿气造成的损坏，使用了再循环过滤器（绿色正方形）来收集小颗粒并将其固定在内部。通过板的旋转而移动的空气提供了恒定的流量通过过滤器。圆盘上方和过滤器旁边是三个板分离器之一：有助于减少振动并尽可能保持空气流通。

在图像的左上部分，两个永久性条形磁铁之一用蓝色正方形表示。它们提供了移动以红色表示的组件所需的磁场。让我们将这些细节分开以更好地查看它们。

看起来像白色补丁的是另一个过滤器，只有它可以净化从外部通过我们在上面看到的孔进入的颗粒和气体。金属钉是用于移动磁头的杠杆，在磁头上是硬盘的读/写磁头。它们沿着板的表面（上部和下部）高速移动。

观看由The Slow Mo Guys创建的视频，以了解它们的速度：

该设计不使用步进电动机 ; 为了使控制杆沿着螺线管移动，在控制杆的底部传导了电流。

通常，它们被称为音圈，因为它们使用的原理与扬声器和麦克风中用于移动膜的原理相同。电流在它们周围产生磁场，该磁场对条形永磁体产生的磁场做出响应。

请记住，数据磁道很小，因此杠杆的位置必须非常精确，就像驱动器中的所有其他部件一样。一些硬盘驱动器具有多级操纵杆，这些操纵杆仅在整个操纵杆的一部分方向上进行很小的改变。

在某些硬盘驱动器上，数据磁道重叠。这项技术称为平铺磁记录。 （带状磁记录）及其对准确性和定位（即始终击中某一点）的要求更加严格。

在控制杆的最末端有非常灵敏的读/写头。我们的HDD包含3个板和6个磁头，它们在旋转过程中每个都漂浮在磁盘上方。为此，将磁头悬挂在超薄金属条上。

在这里，我们可以看到解剖标本为何死亡-至少一个头松动了，无论是什么原因造成了最初的损害，它也弯曲了其中一个杠杆。头部的整个组件是如此之小，以至于如下所示，很难用传统的摄像机获得高质量的图像。

但是，我们可以拆卸各个零件。灰色块是一个特殊制作的部件，称为“滑块”：当磁盘在磁盘下方旋转时，气流通过将磁头抬离表面而产生升力。当我们说“凸起”时，是指宽度仅为0.0000002英寸或小于5 nm的间隙。

再往前一点，磁头将无法识别轨道磁场的变化。如果头部在表面上，那么它们只会刮擦涂层。这就是为什么必须过滤驱动器壳体内的空气的原因：磁盘表面上的灰尘和湿气只会损坏磁头。

头部末端的微小金属“杆”有助于整体空气动力学。但是，要看读写部分，我们需要一张更好的照片。

在另一个硬盘驱动器的图像中，读写器处于所有电气连接之下。系统记录是通过TFT 电感（薄膜感应，TFI），以及- 隧道磁阻器件（隧道磁阻器件，TMR）的读取来进行的。

生成的TMR信号非常微弱，必须先通过放大器，然后再发送以提高电平。负责此操作的芯片位于下图中的杠杆底部附近。

如本文引言所述，多年来，硬盘驱动器的机械组件和操作原理没有太大变化。最重要的是，磁道和读写头的技术得到了改进，产生了更窄和更密集的磁道，最终导致存储信息量的增加。

但是，机械硬盘驱动器具有明显的速度限制。将控制杆移动到所需位置需要花费时间，并且如果数据分散在不同板上的不同轨道上，则驱动器将花费相当多的微秒来搜索位。

在继续使用另一种类型的驱动器之前，让我们为典型的HDD提供指示性的速度指示器。我们使用了CrystalDiskMark基准测试来评估硬盘。WD 3.5“ 5400 RPM 2 TB：

前两行表示在顺序（长，连续列表）和随机（整个驱动器的转换）读取和写入期间每秒的MB数。下一行显示IOPS值，即每秒执行的I / O操作数。最后一行显示了发送读或写操作与接收数据值之间的平均延迟（以微秒为单位的时间）。

在一般情况下，我们努力确保前三行中的值尽可能大，而最后一行中的值则尽可能小。不用担心数字本身，在查看另一种类型的驱动器：固态驱动器时，我们仅将它们用于比较。

驱动器解剖：硬盘驱动器

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