Технологии: "HDD" Устройство и особенности⁠⁠

Несмотря на повсеместное распространение твердотельных накопителей, магнитные жесткие диски все еще имеются в продаже. Это самый дешевый способ получить свободные гигабайты для своей системы. Как устроен HDD, из каких деталей состоит и как работает?

Конструкция жесткого диска

В продаже можно встретить HDD двух основных форм-факторов — 3,5’’ и компактные 2,5’’. Есть модели и меньше, но они не так распространены.

Несмотря на различные размеры, принципиальная конструкция у всех жестких дисков одинаковая.

Это набор основных элементов, а вот так выглядит жесткий диск со всеми крепежами и другими мелкими элементами в разборе.

Давайте рассмотрим в подробностях каждый из основных элементов конструкции HDD.

Гермоблок. На самом деле внутри дисков совсем не вакуум, как многие думают. В большинстве моделей внутри циркулирует обычный воздух, так что корпус не обладает полной герметизацией. А вот в дисках большого объема внутреннее пространство может быть заполнено гелием для снижения силы трения — такие накопители действительно герметичны.

Корпус состоит из двух элементов — крышки, на которую обычно наносится этикетка со всеми характеристиками товара, а также основы. На последней закрепляются все остальные элементы конструкции.

Обратите внимание, что у негерметичных дисков имеется «дыхательное отверстие» (breath hole). Оно может располагаться в разных частях корпуса, а также быть защищено небольшим фильтром. Отверстие позволяет выравнивать давление воздуха внутри и снаружи корпуса. Другими словами, поддерживает давление на том же уровне, что и атмосферное.

Корпус обычно выполнен из металла, чаще всего алюминия. Он достаточно легкий, но при этом обеспечивает жесткость всей конструкции во время работы диска.

Плата управления. После снятия крышки корпуса жесткий диск с обеих сторон будет выглядеть приблизительно следующим образом:

На виду находится управляющая плата — она состоит из разъемов для подключения и непосредственно самой микросхемы с различными компонентами. За управление отвечает центральный микроконтроллер — это обычно самый большой чип на плате. Рядом можно найти SDRAM-память — это кэш диска. Для управления двигателем и головками имеется VCM контроллер. Прошивка диска хранится в небольшом чипе с флэш-памятью.

Различия обычно кроются в моделях чипов, объеме кэш-памяти и компоновке всех элементов. Недалеко от VCM-чипа располагаются контакты для управления шпинделем диска, а также шлейф.

Дисковые пластины (Platters). С обратной стороны накопителя вы можете заметить несколько основных компонентов. Большую часть пространства занимают круглые пластины (platters, «блины»).

Иногда над ними или между стоит сепаратор (damper, separator). Эти элементы используются для выравнивания потоков воздуха и улучшения акустических характеристик.

Сами диски изготавливаются из стекла или отполированного алюминия. Причем полировка настолько качественная, что отклонения по высоте на поверхности в среднем не превышают 30 нм. На пластины наносится ферромагнитный слой из сплава кобальта, хрома и тантала, который и используется для сохранения информации. Применяют гальваническое осаждение или вакуумное напыление. После наносят еще один слой — защитное углеродистое покрытие. Оно предотвращает потерю информации при случайном соприкосновении поверхности пластины с головкой.

Как правило, чем выше объем у диска, тем больше «блинов» предусмотрено в конструкции.

Шпиндель и крепежные элементы. Для вращения дисков используется небольшой электромотор в нижней части. Он в паре с верхним крепежным элементом (Top Cap) удерживает все пластины.

Также в конструкции при наличии нескольких блинов могут присутствовать небольшие разделительные кольца (Spacer Ring). Скорость вращения шпинделя — одна из ключевых характеристик HDD. Чем она выше — тем быстрее осуществляется запись/чтение данных. Типичное значение — 7200 RPM. Для серверных дисков характерны значения в 10К и 15К RPM.

Механизм привода головок отвечает за движение магнитных головок по поверхности диска.

В самом углу стоит пара неодимовых магнитов. Они генерируют постоянное магнитное поле. Последнее взаимодействует c полем катушки (Voice coil), за счет чего возможно движение всего блока на высоких скоростях.

Подвижная часть — блок магнитных головок (Head Stack Assembly, HSA) отвечает на считывание информации с пластин.

В свою очередь HSA состоит из нескольких частей:

• Катушка (Voice Coil) — используется в паре с магнитами для контроля над движениями.

• Подшипник (Bearing) — основание, благодаря которому возможно движение всего блока.

• Коромысло (Arm) — тонкая направляющая из сплава алюминия, на которой крепятся головки.

• Головки (HGA, Head Ginbal Assembly) — еще более тонкая конструкция для установки считывающих элементов.

• Слайдеры (Sliders) — элементы считывания и записи информации, которые «парят» на высоте 5–10 нм от поверхности металлических блинов.

Данные со слайдеров через специальный предусилитель (preamp) и шлейф попадают на управляющую плату жесткого диска.

Для защиты блока головок в HDD может быть предусмотрена зона парковки.

В бездействующем состоянии весь блок уходит в крайнюю сторону, что снижает общий риск повреждения головок. На некоторых дисках пользователи могут отключить или увеличить интервал перехода в эту зону программно.

Таким образом, практически любой жесткий диск состоит из нескольких ключевых узлов — корпуса, управляющей платы, магнитных пластин, вращающего шпинделя, блока считывающих головок и его привода.

Принцип работы жесткого диска

После подачи питания на жесткий диск управляющая плата дает команду на шпиндель, который раскручивает пластины до рабочих оборотов. Блок головок в это время находится либо в парковочной зоне, либо максимально близко к шпинделю, чтобы не повредить данные на диске.

При достижении нужных оборотов создается небольшая воздушная подушка, которая позволяет головкам парить над поверхностью, не задевая при этом сами пластины.

Далее управляющая плата подает сигнал на привод, и блок головок начинает «бегать» по пластинам. Контроллер выбирает нужный трек, а после получает доступ к сектору. У каждого сектора есть зона синхронизации/преамбула (сообщает скорость вращения диска и длину каждого бита данных), адрес сектора, данные и код коррекции ошибок.

Битами информации выступают «домены» — небольшие блоки размером 100×90×125 нм. Это миниатюрные ячейки, которые под воздействием слайдеров могут принимать одну из двух ориентаций.

На слайдерах установлен особый материал, который меняет свое удельное сопротивление в зависимости от силы магнитных полей, проходящих через него. Сильные магнитные поля говорят об изменениях ориентации домена — то есть условный переход с «1» на «0» или наоборот. Слабое поле говорит о последовательности из одинаковых доменов. Чтобы не запутаться в количество повторяющихся доменов как раз используется преамбула и код коррекции ошибок.

Пробегая по доменам на большой скорости, головка считывает биты. Данные поступают в кэш-память для дальнейшей перезаписи или используются в работе системы.