Для увеличения емкости жестких магнитных дисков (HDD) производители идут на различные технические ухищрения. Одним из них является использование внутри гермоблока HDD вместо обычного воздуха, газа гелия. Как это новшество способно повлиять на надежность и долговечность HDD?

Для успешной конкуренции жестких магнитных дисков (HDD) со стремительно развивающимися твердотельными накопителями (SSD) они должны также быстро эволюционировать. Направление их развития состоит в наращивании максимальной емкости за как можно минимальную цену. Но в определенный момент технология изготовления HDD с использованием обычного воздуха в гермоблоке достигла своего технического предела. И дальнейшее увеличение емкости стало очень трудновыполнимым. Здесь и пришла на помощь технология «HelioSeal» изготовления HDD с заполнением объема гермоблока гелием место воздуха. И да, она объективно дает много преимуществ и открывает новые возможности для дальнейшего увеличения емкости.

Применение гелия, ввиду его малой плотности, которая меньше чем у воздуха в 7 раз, позволило снизить силу трения между поверхностями магнитных пластин и газовой средой, а также снизить их нагрев. Благодаря этому появилась возможность дополнительно увеличить общую площадь магнитных пластин путем увеличения их количества, «безболезненно» уменьшая их толщину и размещая, ближе друг к другу для умещения в прежних габаритах гермоблока.

Уменьшение толщины магнитных пластин снизило их вес и привело к уменьшению вибрации. Это, вместе с уменьшением турбулентности гелия позволило увеличить точность позиционирования головок и уменьшить зазор между ними и магнитными пластинами. Чем удалось достичь увеличения плотности записи в среднем на 21%. Также в целях уменьшения вибрации успешно применена технология двухстороннего крепления шпинделя «StableTrac» и точная балансировка магнитных пластин.

Суммарный вес более тонких магнитных пластин, несмотря на их большее количество, стал меньше. Раскручивать двигателю их стало легче и потребление электроэнергии снизилось. Нагрев всего HDD в среднем снизился на 4 – 5 градусов.

Изменение эксплуатационных характеристик HDD при переходе на технологию HelioSeal

Теперь пришло время добавить во все это «благополучие» ложку, а вернее даже две ложки дегтя.

И первой оной будет неминуемая утечка  гелия из объема гермоблока, как бы производители не пытались этого избежать. И следуемая из этого, сложность изготовления гермоблоков высокой герметичности для минимизации потери гелия. Причиной утечки гелия является его высокая диффундирующая способность, то есть высокая способность атомов гелия проникать между молекулами или атомами других веществ. Это и приводит к постепенной утечке гелия из гермоблока HDD.

Каким же образом она происходит, ведь наука говорит, что диффузия гелия не происходит через металлы, например через алюминий, который применяется для гермоблоков. Да, действительно, если бы гермоблок был полностью цельной конструкцией, то утечки гелия не происходило бы, естественно при условии, что он не имел бы микротрещин, микропор или каких-либо других микродеффектов. Получить надлежащее качество корпуса гермоблока позволяют современные технологии многоэтапной ковки алюминия с последующей механической обработкой. Но «дырки» в корпусе гермоблока все же неизбежны, и ими являются проходные контакты, которых два. Через первый подается питание на двигатель в гермоблоке, а через второй, сигналы чтения/записи и управления блока головок. Слабым звеном в предотвращении утечки гелия являются именно проходные контакты.

В гелиевых накопителях HGST проходные контакты имеют конструкцию в виде стеклянного изолятора, герметично припаянного к корпусу гермоблока, сквозь который проходят электрические проводники, соединяющие  функциональные элементы накопителя находящиеся в гермоблоке с внешней платой. Компания Seagate использует проходные контакты, изготовленные по технологии LTCC (низкотемпературной совместно обжигаемой керамики) с фиксацией эпоксидной смолой. По заявлению производителей данные технологии обеспечивают высокую герметичность даже для гелия, при частых перепадах температур в широких пределах.

Но на самом деле невозможно добиться идеальной герметичности в местах соединения изолятора проходных контактов с металлическим корпусом гермоблока и изолятора с проходящими через него контактами (проводниками). Ведь никто не отменял разницу температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) этих материалов при перепадах температур.

И если в новых гелиевых накопителях все же достигается приемлемая  герметизация проходных контактов для недопущения утечки гелия. То со временем, по мере накопления количества перепадов температур происходят микроскопические разрушения в местах соединения материалов с различными коэффициентами расширения. Это снижает герметичность и открывает дорогу на свободу атомам гелия из заключения в объеме гермоблока. Даже не смотря на то, что для минимизации утечки гелия давление оного в гермоблоке создается меньшим атмосферного, все равно из-за высокой диффундирующей способности гелия будет происходить его постепенная утечка. Которая будет увеличиваться по мере эксплуатации, а давление гелия будет уменьшаться. А там уже будет недалеко и до попадания через эти дефекты боле крупных молекул воздуха извне в объем гермоблока. Уменьшение объема гелия в накопителе рано или поздно приведет к его полной неработоспособности.

Ввиду относительно недолгого использования гелиевых накопителей достоверная статистика причин выхода их из строя еще не накоплена в достаточной мере.

Второй ложкой дегтя является невозможность восстановления данных с гелиевых дисков при их выходе из строя, путем замены блока головок или других процедур требующих вскрытия гермоблока. Имеющееся оборудование в центрах восстановления данных пока предназначено только для работы с «атмосферными» накопителями.

Попытка восстановления данных с гелиевых накопителей на таком оборудовании приведет к потере гелия и замещения его воздухом. Из-за этого, при включении накопителя усилится вибрация магнитных пластин, так же многократно увеличится зазор между пластинами и головками, и считывание данных станет невозможным. Для считывания данных необходимо будет поместить разобранный накопитель в контейнер заполненный гелием, или закачать гелий в накопитель и временно восстановить его герметичность.

Технология Helium позволяет хранить гораздо больше ваших ценных данных в «облаке» с минимальными затратами

Люди создают огромные объемы цифровых данных. Каждая фотография или видео, которые вы снимаете, — это буквально мегабайт данных. Часть этих данных хранится локально на вашем мобильном телефоне или ноутбуке, но большая часть передается друзьям через сообщения или социальные сети. В этом случае компания (Facebook, YouTube, WeChat и т. д.) хранит ваш контент в своей собственной огромной базе данных . Термин «облако» относится к всемирной совокупности всех этих хранилищ и обработки данных. Аппаратное обеспечение облака находится в многочисленных огромных энергоемких зданиях, часто построенных вблизи крупных рек, которые могут обеспечивать дешевую гидроэлектроэнергию и охлаждающую воду.

В этих зданиях находятся миллионы отдельных устройств хранения данных. Большая часть данных хранится на жестких дисках, HDD . Эти диски записывают данные магнитным способом на поверхность вращающихся дисков. Чтобы сохранить как можно больше данных, диски записывают максимально возможное количество бит данных на квадратный дюйм диска, а затем также упаковывают как можно больше дисков в форм-фактор .

Добавление большего количества дисков — это механическая конструкторская задача, но что еще хуже, энергопотребление увеличивается, а жесткий диск становится слишком горячим. Кроме того, поскольку диски и рычаги приходится делать тоньше, внутренние вибрации, вызванные потоком, усиливаются, и это затрудняет отслеживание дорожек , содержащих данные.

Заполнение накопителя гелием вместо воздуха решает обе эти проблемы. Плотность гелия составляет 1/7 от плотности воздуха. Это значительно снижает потребляемую мощность и выделяемое тепло, а также улучшает отслеживание пути. Кроме того, гелиевые накопители работают тише, что ценят клиенты. Проблема с гелием заключается в том, как заставить его оставаться внутри накопителя! Гелий называют лучшим мастером побега. Атом гелия — самый маленький из всех атомов. Он движется очень быстро и очень «скользкий» (ни к чему не прилипает). Гелий легко диффундирует через большинство материалов (гелиевые шары для вечеринок должны быть металлизированы, чтобы замедлить утечку).

Попытки создать накопители Helium начались еще в 1970-х годах и ранее. Но прочного успеха удалось добиться только в 2013 году, когда HGST (теперь Western Digital) наконец-то выпустила Ultrastar® He6 — 3,5-дюймовый накопитель со скоростью вращения 7200 об/мин и емкостью 6 терабайт. Этот накопитель вмещал семь дисков (вместо пяти) в стандартную высоту 1 дюйм. В апреле 2017 года это число увеличилось до 8 дисков ( Ultrastar He12 ), а в марте 2018 года — до 9 дисков ( Toshiba MG07ACA ). Толщина диска уменьшилась с 1,27 мм до 0,635 мм. По состоянию на март 2020 года гелий используется во всех накопителях большой емкости для центров обработки данных. Они поставляются всеми тремя оставшимися производителями жестких дисков ( Western Digital , Seagate и Toshiba ).