Для чего винчестер в компьютере
Что такое HDD, жёсткий диск и винчестер
Для чего нужен HDD и его функционал
Операционная система, чаще всего это именно Windows, тоже устанавливается в раздел жёсткого диска.
Сама информация, сохранённая на компьютерном жёстком диске совсем не обязательно должна храниться на нём вечно, а даже наоборот, по мере её ненадобности, HDD нужно от неё очищать, путём её удаления.
Распространённые названия жёсткого диска, откуда появилось название «Винчестер»
Ответ на вопрос что такое HDD можно сформулировать как накопитель на жёстких магнитных дисках, пожалуй, самая профильная формулировка, но также этот накопитель правильно называть: HMDD (hard magnetic disk drive от англ.), жёсткий диск, винчестер и разными производными.
Основные моменты в работе HMDD
Запись ровно так же, как и чтение осуществляется при помощи частей подвижной считывающей головки. Хорошим и наглядным примером работы HDD будет сравнение с работой граммофона и его пластинками, но в отличие от его иглы, которая соприкасается с грампластинкой, головка жёсткого диска делает свою работу на расстояние. Само расстояние очень мало, что сквозь воздушный зазор могут пройти частицы пыли или даже табачного дыма.
По мнению экспертов, в прокуренных и запылённых помещения жёсткие диски выходят из строя гораздо чаще.
Головка парит во время работы, а точнее её части для записи и считывания данных, но во время отключения она возвращаются к месту окончанию работы и её же начала, парковочной зоне.
Так же к немаловажной внутренней составляющей жёсткого диска относятся:
Для хранения информации HDD форматируют, то есть он разбит на равные дорожки, которые разбиваются на секторы свою очередь образующие кластеры.
Необходимо знать, что сам жёсткий диск не герметичен, а герметичен его гермоблок, вскрытие которого непременно приведёт к неработоспособности всего жёсткого диска.
Внешний и гибридный жёсткий диск
Внешние HDD ещё называют переносными, сами по себе такие носители информации являются обыкновенными жёсткими дисками, но в их основе лежит низкое электропотребление, ведь они подключаются к интерфейсам USB и IEEE 1394, а их размеры должны быть наименьшими, это: 1.8 и 2.5 дюйма. Такие переносные устройства чаще всего имеют ударозащитный корпус и выполняют роль мобильный устройств хранения данных. Как же это удобно, когда необходимости взять всю нужную информацию с собой.
К гибридным HDD относятся те накопители в состав которой входит флешь память. Такие жёсткие диски можно назвать более быстрыми в обмене данных: при записи и чтение информации.
Основные особенности жёстких дисков
Существует довольно много особенностей HDD, но для выбора или работы необходимы лишь некоторые:
1. Объём HDD и скорость вращения шпинделя
Скорость обмена данными зависит от вращения шпинделя, на котором крепятся магнитные пластины с данными, принято считать обороты вращения в минуту:
7200 оборотов в минуту – наибольшее количество компьютерных систем оборудованы именно HDD с такой скоростью вращения шпинделя, более производительны чем винчестеры с более низкой скоростью вращения шпинделя. Так как ПК имеют постоянный источник питания в отличие от ноутбуков, энергопотребление не является главной характеристикой при выборе, но их производительность будет выше при больших оборотах вращения всё того же шпинделя. Такие носители информации являются оптимальными для большинства компьютеров.
2. Рамер кеш-памяти HDD
Кеш-память (cache memory англ.) работает по принципу оперативной памяти (буфера памяти), используется для хранения часто используемых данных и хранения информации которая пока ещё не передана жёсткому диску, но вот-вот будет на нём.
В современных винчестерах кеш-память имеет размер 8, 16, 32 и 64 мегабайта, что обуславливает производительность жёсткого диска, хотя не всегда используется в полной мере, поэтому кеш-память может быть 16 мегабайт, а в работе разницы от памяти 32 мегабайта можно совсем и не заметить.
3. Популярный HDD интерфейсы подключения
Интерфейс необходим для обеспечения взаимодействия HDD и системной платы ПК.
SATA (Serial ATA) – представляет из себя последовательный интерфейс, который стал хорошей заменой для устаревшего PATA и в отличие от него имеется возможность для подключения только одного устройства, но на бюджетных системных платах, имеется несколько разъёмов для подключения. Стандарт подразделяется на ревизии, имеющие разные скорости передачи/обмена данных:
Все вышеописанные интерфейсы подключения семейства SATA взаимозаменяемы, но подключив, например, жёсткий диск с интерфейсом SATA 2 в разъём материнской платы SATA, обмен данных с жёстким диском будет проходит на основе самой старшей ревизии, в данном случает SATA ревизии 1.0.
USB (Universal Serial Bus) – этот интерфейс и служит он для обмена/передачи данных с различных подключаемых к компьютеру устройств, в том числе и переносных жёстких дисков. В отличие от работы жесткого диска в других интерфейсах, данный, поддерживает извлечение устройства во время работы ПК, исключая возможность потери уже сохранённой информации. У USB rev 3.0 скорость обмена данных возросла до 380 Мб/с, а это 4,8 Гбит/с.
К другим интерфейсам подключения HDD относятся:
4. Наиболее популярные форм-факторы жёстких дисков
Технологии постоянно совершенствуются, то же происходит и с жёсткими дисками, и на момент публикации статьи широкое применение имели жёсткие диски с форм-факторами (габаритами) 2.5 и 3.5 дюйма. Фактором для применения является место их установки, в ноутбуке устанавливаются более меньшие по габаритам HDD, а в домашнем компьютере, где размеры не ограничиваются корпусом и энергопотреблением 3.5 дюйма.
Так же существуют и другие размеры винчестеров, но они илу уже устарели, такие как 5.25 и 8 дюймов или еще не получили широкого применения. Для внешних жёстких дисков подойдёт лучше именно HDD с размером корпуса 2.5 или 1.8 дюйма, менее энерготребовательны и более компактны.
RAID — это дисковый массив жёсткого диска
Что такое винчестер (HDD, жесткий диск) в компьютере?
Разобравшись, как подключить стационарный компьютер к Wi-Fi, установив и настроив на ПК необходимые программы, пользователь может сделать передышку и немного расширить свой кругозор. И в том числе узнать, что такое жёсткий диск и зачем он вообще нужен. Ниже будет рассказано о разновидностях HDD и значимых характеристиках устройств — ими следует руководствоваться при подборе винчестера для домашнего использования.
Что такое жёсткий диск?
Жёсткий диск, иначе называемый HDD (Hard Disk Drive), НЖМД (накопитель на жёстких магнитных дисках) или винчестер, — это универсальное устройство для хранения, миграции, планового и экстренного использования цифровых данных. На сегодня, несмотря на появление более прогрессивных и надёжных видов носителей, жёсткие диски по-прежнему занимают лидирующую позицию в этой области, и, вероятно, в ближайшие несколько лет ситуация не изменится.
В самом первом компьютере никаких жёстких дисков не было; первая модель, огромная, весящая чуть меньше тонны, появилась в 1956 году в США. Со временем размеры HDD уменьшались, производительность и ёмкость — увеличивались, а требования к материалам изготовления становились жёстче. Так, спустя полвека, и появились современные винчестеры — лёгкие и удобные, в достаточной степени защищённые от механических повреждений.
Жёсткими диски, на которых хранится информация, называются потому, что данные записываются не на гибкий магнитный слой, как в дискетах, а на твёрдые пластины, состоящие:
Теперь — несколько слов о названиях. Самое точное и наиболее редко встречающееся на практике (НМЖД) акцентирует внимание на фактическом наличии в винчестере нескольких магнитных дисков. Так оно и есть; современные накопители высокой ёмкости оснащены двумя, тремя или более «пластинками», посаженными на общую ось и обслуживаемыми каждая своей считывающей головкой, удерживаемой от непосредственного контакта с ферромагнетиком за счёт возникающей во время вращения воздушной подушки. Во время простоя эти головки отводятся в безопасную позицию, в которой просто не могут соприкасаться с дисками.
Второе по популярности наименование жёсткого диска (HDD), используемое, в частности, в названии программы Victoria HDD, означает точно то же самое; иногда оно заменяется русской калькой ХДД; главное её преимущество — отсутствие необходимости переключаться с кириллицы на латиницу и обратно.
Наконец, наименование «винчестер» обязано своим появлением рабочему названию разрабатываемой в 1970-х годах инженерами IBM модели с условным наименованием «30/30», совпавшим с одним из разработанных Winchester калибром патронов. Этот вариант почти совершенно вышел из употребления в европейских и американских странах, однако упорно сохраняется в СНГ — иногда сокращаясь до не менее известного пользователю «винта».
Важно: именно появление жёстких дисков дало развитие большинству современных технологий, связанных с разработкой, внедрением и обслуживанием операционных систем и сопутствующего программного обеспечения, в частности UEFI Boot.
Для чего нужен жёсткий диск?
Как уже упоминалось, основное назначение жёсткого диска — постоянное (в отличие от оперативной памяти) хранение виртуальных данных. Разница видна на простом примере: когда компьютер выключается, ОЗУ автоматически очищается, так как не обладает ресурсами для записи; в то же время файлы и незавершённые системные процессы сохраняются на HDD и остаются доступны после очередного включения.
Следовательно, пользователю не нужно каждый раз переписывать информацию на листочек, наносить на перфоленту, скидывать на оптический диск или дискету. Достаточно просто запустить компьютер или ноутбук — и почти мгновенно получить доступ к ранее созданным или просматриваемым данным.
Второе назначение НЖМД — перенос и распространение цифровой информации; в современных условиях возможны несколько вариантов процесса:
Винчестеры, выполняющие вторую функцию, могут входить в состав так называемых серверов — программно-аппаратных комплексов, обеспечивающих массовый доступ к уникальным, изначально хранящимся только в одном месте данным.
Важнейшая опция жёсткого диска, являющаяся частным случаем первой, — создание среды для запуска и использования на компьютере операционной системы. Именно благодаря НЖМД пользователю нет необходимости каждый раз запускаться с дискеты, CD, DVD или флешки — теперь эта необходимость возникает только при повреждении критически важных данных на HDD или при необходимости переустановки ОС.
Разновидности винчестеров
Классифицировать жёсткие диски, работающие в бытовых компьютерах, можно по нескольким признакам. Большая часть будет перечислена далее; сейчас же следует поговорить о самом «наглядном» — необходимости установки в корпус машины.
В соответствии с этим критерием все HDD, вне зависимости от других параметров, наименования производителя и модели, можно разделить на три категории:
Важно: сравнительно недавно появились так называемые «салазки» (или корпуса для несъёмных жёстких дисков), позволяющие подключать НЖМД через USB-разъём. При таком применении HDD фактически переходит из первой категории во вторую — со всеми её достоинствами и недостатками.
Как выбрать жёсткий диск?
Выбор жёсткого диска для компьютера легче всего сделать, по порядку отвечая на следующие вопросы:
Совет: узнать, какой интерфейс нужен, можно, взглянув на разъёмы старого жёсткого диска или свободные шлейфы внутри компьютера — отличить SATA от IDE не составит никакого труда.
Важно: ориентироваться при выборе винчестера на наименование производителя давно не имеет смысла. Практически весь рынок занят тремя корпорациями: Toshiba, Seagate и Western Digital — в итоге и разброс цен, и разница в качестве продукции при других равных условиях минимальны.
Теперь, определившись с требуемыми параметрами жёсткого диска для компьютера, можно отправляться в магазин — и подобрать для себя оптимальный вариант, не забыв взять у продавца гарантийный талон.
Подводим итоги
Жёсткий диск в компьютере используется для накопления, хранения и переноса цифровых данных. Другие названия носителя — HDD, винчестер или НЖМД. При выборе жёсткого диска следует обращать внимание на интерфейс, ёмкость, скорость вращения и уровень защиты; чем выше каждый из этих показателей, тем дольше проработает устройство, но тем значительнее будет его цена.
Что такое винчестер в компьютере
Что такое винчестер в компьютере — названия HDD, жесткий диск, хард, винчестер, все это относится к одному и тому же компоненту: компьютерное устройства хранения информации. В этой публикации мы поговорим о технической структуре составляющей основу подобных накопителей данных. Наглядно, в картинках покажем принцип их функционирования, как именно там накапливается и хранится информация.
Что такое винчестер в компьютере — обзор конструкции HDD
Основываясь на официальном названии этого устройства хранения данных — hard (magnetic) disk drive или в переводе накопитель на жестких магнитных дисках. То из названия можно сразу догадаться о его назначении и принципе работы. Вследствие, его невысокой стоимости и большого срока эксплуатации эти накопители данных широко используются в разного рода компьютеров.
Характерная особенность винчестера — это возможность накапливать и хранить гигантские размеры информации, имея одновременно с этим незначительные габариты. Далее в статье мы расскажем, что такое жесткий диск в компьютере и о его конструктивных особенностях, какие установлены внутри компоненты и основах их работы.
Герметичный блок и электронная плата
Печатная плата управления выполнена из фольгированного стеклотекстолита с нанесенной на нее красивой зеленой паяльной маской. Также эта электронная плата содержит в себе установленные разъемы, к которым подключается напряжение питания и коннектор для SATA-интерфейса. Принцип работы этого электронного блока управления заключается в осуществлении синхронного функционирования HDD с другими компонентами компьютера. Корпус устройства выполнен из анодированного алюминия, в все расположенные внутри элементы являются герметичным блоком.
Чтобы более детально понять, что такое винчестер в компьютере, нужно хорошо изучить его устройство. Итак продолжим дальше: в центральной части платы управления встроена крупная микросхема — микроконтроллер. Его основное предназначение — это контроль и координация электронных приборов. Современные винчестеры обладают микропроцессорами включающих в себя два электронных модуля. Один, из которых является центральным процессорным блоком, выполняющий функцию основных вычислений. Другой модуль — это канал считывания и записи информации.
Именно это устройство выполняет конвертирование сигнала аналогового канала, поступающего с магнитной головки в дискретный сигнал. Происходит это в момент, когда магнитная головка выполняет чтение данных. И ровно наоборот конвертирует дискретный в аналоговый сигнал в период записи. Микропроцессор снабжен разъемами «ввод/вывод», с которых выполняются координирования остальных компонентов установленными в схеме. Обмен данными происходит с помощью SATA-интерфейса.
Что такое винчестер в компьютере — микросхема DDR SDRAM
Другая микросхема DDR SDRAM, установленная на плате, не что иное как чип памяти, имеющий удвоенную способность пропускания информации. Ее количественное выражение зависит от размера кеша жесткого диска. Данная микросхема разделена на два сегмента. Один раздел предназначен для памяти прошивки, в какой то степени находящейся на флеш-накопителе. Другой раздел — буферный, который нужен процессору, для обеспечения загрузки прошивки модуля. На первый взгляд кажется очень трудно разобраться во всей конструкции жесткого диска, поэтому хорошо понимать, что такое винчестер в компьютере.
Третья интегрированная микросхема является контроллером блока управления магнитными головками и мотором для вращения дисков. Контроллер VCM мгновенно выполняет парковку головки и способен прекратить вращение диска. Он также выполняет координирования вспомогательными источниками питания, которые установлены в схеме. От этого дополнительного источника, подается питание на микропроцессор и коммутирующий предварительный усилитель, расположенный в герметичном блоке.
Микросхема коммутатора предварительного усилителя
Данный микроконтроллер потребляет несколько больше мощности, относительно других компонентов имеющихся в схеме. Это обусловлено тем, что он нагружен мотором вращающем диски и механизмом парковки магнитных головок чтения/записи. Микросхема коммутатора предварительного усилителя HDD, может сохранять работоспособность, даже тогда, когда ее нагрев составляет 100°C!
Продолжаем изучать, что такое винчестер в компьютере. Во время поступления напряжения питания на накопитель на жестких магнитных дисках, контроллер передает данные хранящиеся во флеш-микросхеме в модуль памяти и приступает к реализации заложенных в ней установок.
В случае неудачной загрузки кода, винчестеру скорее всего не удастся даже выполнить раскрутку шпинделя. Что касается флеш-памяти, то она может быть интегрирована в микроконтроллер, а не встроена в электронную плату. Далее, все больше углубляясь в структуру HDD постепенно будем прояснять для себя, что такое винчестер в компьютере.
Датчик вибрации
Установленный в схеме датчик контролирующий уровень вибрации, четко определяет критический момент колебаний. И если он посчитает, что степень вибрации превышает норму, то отправляется сигнал контроллеру. В свою очередь контроллер, корректирующий работу шпинделя и парковку магнитных головок, мгновенно реагирует на это.
И после этого сразу же припарковываются головки либо прекращается вращение шпинделя жесткого диска. На самом деле это устройство предназначено гарантировать защиту винчестеру от всевозможных повреждений. Хотя в процессе эксплуатации это у него не всегда получается. В связи с этим, не допускайте падений HDD на твердую поверхность, дабы избежать выхода из строя датчика вибрации.
И как следствие, прихода в негодность всего устройства. Существую накопители на жестких магнитных дисках снабженные особо чувствительными приборами вибрации способные улавливать незначительный уровень колебания. Информацию, которая приходит на блок управления головками и мотором, способствует регулированию движения головок. Вследствие этого, диски комплектуются как правило парой таких датчиков. И чтобы хорошо себе представлять принцип их работы, нужно знать, что такое винчестер в компьютере.
Есть еще один компонент установленный на плате электроники и служащий для защиты контроллера — это элемент ограничения импульсного напряжения. Одна электронная схема винчестера может содержать в себе от одного и более таких ограничителей.
Наружная плоскость герметичного блока
Под нижней частью электронной платы установлены разъемы для подключения шпиндель-мотора и блока магнитных головок. Здесь же расположено очень маленькое специальное отверстие(Вreath hole), с помощью которого выравнивается давление внутри HDD. Хотя, существует утверждение, что внутри жесткого диска содержится вакуум, но если досконально знать, что такое винчестер в компьютере, то вы поймете — это вымысел. С внутренней стороны гермоблок обработан специальным фильтрующим компонентом, который препятствует проникновению в него влаги и пыли.
Герметичный блок изнутри
Верхняя панель гермоблока выполнена из листового металла специальной конфигурации. С внутренней ее стороны имеется резиновая прокладка, которая обеспечивает защиту от проникновения внутрь пыли. Внутри герметичного блока, расположен механизм магнитных дисковых накопителей.
На компьютерном сленге, эти диски называют еще пластинами (platters). Производят их чаще всего из специального стекла либо из алюминия, прошедший предварительную полировку. Далее на диски наносят несколько слоев определенных субстанций, в составе которых присутствует материал имеющий свойства самопроизвольной намагниченности. Именно эта особенность данного материала дает возможность писать и сохранять данные на винчестере. Пластины имеют между собой разделители, а их функция заключается в выравнивании воздушного потока и уменьшения акустических шумов. Материал для их изготовления обычно применяют либо пластик либо алюминий
Алюминиевые разделительные пластины, как показала практика, лучше всего выполняют работу по снижению температуры нагретого воздуха в герметичном блоке.
Что такое винчестер в компьютере — блок магнитных головок
Консольная опора, установленная в механизме магнитных головок, на ее концах установлены головки чтения и записи. Во время остановки мотор-шпинделя они паркуются в отведенную для них пространство.
Одно из условий гарантирующих стабильную и долговременную работу HDD, является наличие чистого воздуха в системном блоке компьютера. Дело в том, что загрязненный воздух в корпусе ПК содержит в себе микрочастицы различных материалов, в том числе и металла. Вот именно они создают большие проблемы для жесткого диска в процессе эксплуатации. Хотя винчестеры и оборудованы фильтрами циркуляции, которые значительно снижают риск попадания внутрь харда этих микрочастиц. Тем не менее, со временем они все же туда попадают.
Анатомия накопителей: жёсткие диски
Он магнитный. Он электрический. Он фотонный. Нет, это не новое супергеройское трио из вселенной Marvel. Речь идёт о хранении наших драгоценных цифровых данных. Нам нужно где-то их хранить, надёжно и стабильно, чтобы мы могли иметь к ним доступ и изменять за мгновение ока. Забудьте о Железном человеке и Торе — мы говорим о жёстких дисках!
Итак, давайте погрузимся в изучении анатомии устройств, которые мы сегодня используем для хранения миллиардов битов данных.
You spin me right round, baby
Механический накопитель на жёстких дисках (hard disk drive, HDD) был стандартом систем хранения для компьютеров по всему миру в течение более 30 лет, но лежащие в его основе технологии намного старше.
Первый коммерческий HDD компания IBM выпустила в 1956 году, его ёмкость составляла аж 3,75 МБ. И в целом, за все эти годы общая структура накопителя не сильно изменилась. В нём по-прежнему есть диски, которые используют для хранения данных намагниченность, и есть устройства для чтения/записи этих данных. Изменился же, и очень сильно, объём данных, который можно на них хранить.
В 1987 году можно было купить HDD на 20 МБ примерно за 350 долларов; сегодня за такие же деньги можно купить 14 ТБ: в 700 000 раз больший объём.
Мы рассмотрим устройство не совсем такого размера, но тоже достойное по современным меркам: 3,5-дюймовый HDD Seagate Barracuda 3 TB, в частности, модель ST3000DM001, печально известную своим высоким процентом сбоев и вызванных этим юридических процессов. Изучаемый нами накопитель уже мёртв, поэтому это будет больше похоже на аутопсию, чем на урок анатомии.
Основную массу жёсткого диска составляет литой металл. Силы внутри устройства при активном использовании могут быть довольно серьёзными, поэтому толстый металл препятствует изгибанию и вибрациям корпуса. Даже в крошечных 1,8-дюймовых HDD в качестве материала корпуса используются металл, однако обычно они делаются не из стали, а из алюминия, потому что должны быть как можно более лёгкими.
Перевернув накопитель, мы видим печатную плату и несколько разъёмов. Разъём в верхней части платы используется для двигателя, вращающего диски, а нижние три (слева направо) — это контакты под перемычки, позволяющие настраивать накопитель под определённые конфигурации, разъём данных SATA (Serial ATA) и разъём питания SATA.
Serial ATA впервые появился в 2000 году. В настольных компьютерах это стандартная система, используемая для подключения приводов к остальной части компьютера. Спецификация формата претерпела множество ревизий, и сейчас мы пользуемся версией 3.4. Наш труп жёсткого диска имеет более старую версию, но различие заключается только в одном контакте в разъёме питания.
В подключениях передачи данных для приёма и получения данных используется дифференцированный сигнал: контакты A+ и A- используются для передачи инструкций и данных в жёсткий диск, а контакты B — для получения этих сигналов. Подобное использование спаренных проводников значительно снижает влияние на сигнал электрического шума, то есть устройство может работать быстрее.
Если говорить о питании, то мы видим, что в разъёме есть по паре контактов каждого напряжения (+3.3, +5 и +12V); однако большинство из них не используется, потому что HDD не требуется много питания. Эта конкретная модель Seagate при активной нагрузке использует менее 10 Вт. Контакты, помеченные как PC, используются для precharge: эта функция позволяет вытаскивать и подключать жёсткий диск, пока компьютер продолжает работать (это называется горячей заменой (hot swapping)).
Контакт с меткой PWDIS позволяет удалённо перезагружать (remote reset) жёсткий диск, но эта функция поддерживается только с версии SATA 3.3, поэтому в моём диске это просто ещё одна линия питания +3.3V. А последний контакт, помеченный как SSU, просто сообщает компьютеру, поддерживает ли жёсткий диск технологию последовательной раскрутки шпинделей staggered spin up.
Перед тем, как компьютер сможет их использовать, диски внутри устройства (которые мы скоро увидим), должны раскрутиться до полной скорости. Но если в машине установлено много жёстких дисков, то внезапный одновременный запрос питания может навредить системе. Постепенная раскрутка шпинделей полностью устраняет возможность таких проблем, но при этом перед получением полного доступа к HDD придётся подождать несколько секунд.
Сняв печатную плату, можно увидеть, как она соединяется с компонентами внутри устройства. HDD не герметичны, за исключением устройств с очень большими ёмкостями — в них вместо воздуха используется гелий, потому что он намного менее плотный и создаёт меньше проблем в накопителях с большим количеством дисков. С другой стороны, не стоит и подвергать обычные накопители открытому воздействию окружающей среды.
Благодаря использованию таких разъёмов минимизируется количество входных точек, через которые внутрь накопителя могут попасть грязь и пыль; в металлическом корпусе есть отверстие (большая белая точка в левом нижнем углу изображения), позволяющее сохранять внутри давление окружающей среды.
Теперь, когда печатная плата снята, давайте посмотрим, что находится внутри. Тут есть четыре основных чипа:
Открыть накопитель просто, достаточно открутить несколько болтов Torx и вуаля! Мы внутри…
Учитывая, что он занимает основную часть устройства, наше внимание сразу привлекает большой металлический круг; несложно понять, почему накопители называются дисковыми. Правильно их называть пластинами; они изготавливаются из стекла или алюминия и покрываются несколькими слоями различных материалов. Этот накопитель на 3 ТБ имеет три пластины, то есть на каждой стороне одной пластины должно храниться 500 ГБ.
Изображение довольно пыльное, такие грязные пластины не соответствуют точности проектирования и производства, необходимого для их изготовления. В нашем примере HDD сам алюминиевый диск имеет толщину 0,04 дюйма (1 мм), но отполирован до такой степени, что средняя высота отклонений на поверхности меньше 0,000001 дюйма (примерно 30 нм).
Базовый слой имеет глубину всего 0,0004 дюйма (10 микронов) и состоит из нескольких слоёв материалов, нанесённых на металл. Нанесение выполняется при помощи химического никелирования с последующим вакуумным напылением, подготавливающих диск для основных магнитных материалов, используемых для хранения цифровых данных.
Этот материал обычно является сложным кобальтовым сплавом и составлен из концентрических кругов, каждый из которых примерно 0,00001 дюйма (примерно 250 нм) в ширину и 0,000001 дюйма (25 нм) в глубину. На микроуровне сплавы металлов образуют зёрна, похожие на мыльные пузыри на поверхности воды.
Каждое зерно обладает собственным магнитным полем, но его можно преобразовать в заданном направлении. Группирование таких полей приводит к возникновению битов данных (0 и 1). Если вы хотите подробнее узнать об этой теме, то прочитайте этот документ Йельского университета. Последними покрытиями становятся слой углерода для защиты, а потом полимер для снижения контактного трения. Вместе их толщина составляет не больше 0,0000005 дюйма (12 нм).
Скоро мы увидим, почему пластины должны изготавливаться с такими строгими допусками, но всё-таки удивительно осознавать, что всего за 15 долларов можно стать гордым владельцем устройства, изготовленного с нанометровой точностью!
Однако давайте снова вернёмся к самому HDD и посмотрим, что же в нём есть ещё.
Жёлтым цветом показана металлическая крышка, надёжно крепящая пластину к электродвигателю привода шпинделя — электроприводу, вращающему диски. В этом HDD они вращаются с частотой 7200 rpm (оборотов/мин), но в других моделях могут работать медленнее. Медленные накопители имеют пониженный шум и энергопотребление, но и меньшую скорость, а более быстрые накопители могут достигать скорости 15 000 rpm.
Чтобы снизить урон, наносимый пылью и влагой воздуха, используется фильтр рециркуляции (зелёный квадрат), собирающий мелкие частицы и удерживающий их внутри. Воздух, перемещаемый вращением пластин, обеспечивает постоянный поток через фильтр. Над дисками и рядом с фильтром есть один из трёх разделителей пластин: помогающих снижать вибрации и поддерживать как можно более равномерный поток воздуха.
В левой верхней части изображения синим квадратом указан один из двух постоянных стержневых магнитов. Они обеспечивают магнитное поле, необходимое для перемещения компонента, указанного красным цветом. Давайте отделим эти детали, чтобы видеть их лучше.
То, что выглядит как белый пластырь — это ещё один фильтр, только он очищает частицы и газы, попадающие снаружи через отверстие, которое мы видели выше. Металлические шипы — это рычаги перемещения головок, на которых находятся головки чтения-записи жёсткого диска. Они с огромной скоростью движутся по поверхности пластин (верхней и нижней).
Посмотрите это видео, созданное The Slow Mo Guys, чтобы увидеть, насколько они быстрые:
В конструкции не используется чего-то вроде шагового электродвигателя; для перемещения рычагов по соленоиду в основании рычагов проводится электрический ток.
Обобщённо их называют звуковыми катушками, потому что они используют тот же принцип, который применяется в динамиках и микрофонах для перемещения мембран. Ток генерирует вокруг них магнитное поле, которое реагирует на поле, созданное стержневыми постоянными магнитами.
Не забывайте, что дорожки данных крошечны, поэтому позиционирование рычагов должно быть чрезвычайно точным, как и всё остальное в накопителе. У некоторых жёстких дисков есть многоступенчатые рычаги, которые вносят небольшие изменения в направление только одной части целого рычага.
В некоторых жёстких дисках дорожки данных накладываются друг на друга. Эта технология называется черепичной магнитной записью (shingled magnetic recording), и её требования к точности и позиционированию (то есть к попаданию постоянно в одну точку) ещё строже.
На самом конце рычагов есть очень чувствительные головки чтения-записи. В нашем HDD содержится 3 пластины и 6 головок, и каждая из них плавает над диском при его вращении. Для этого головки подвешены на сверхтонких полосках металла.
И здесь мы можем увидеть, почему умер наш анатомический образец — по крайней мере одна из головок разболталась, и что бы ни вызвало изначальный повреждение, оно также погнуло один из рычагов. Весь компонент головки настолько мал, что, как видно ниже, очень сложно получить её качественный снимок обычной камерой.
Однако мы можем разобрать отдельные части. Серый блок — это специально изготовленная деталь под названием «слайдер»: когда диск вращается под ним, поток воздуха создаёт подъёмную силу, поднимая головку от поверхности. И когда мы говорим «поднимает», то имеем в виду зазор шириной всего 0,0000002 дюйма или меньше 5 нм.
Чуть дальше, и головки не смогут распознавать изменения магнитных полей дорожки; если бы головки лежали на поверхности, то просто поцарапали бы покрытие. Именно поэтому нужно фильтровать воздух внутри корпуса накопителя: пыль и влага на поверхности диска просто сломают головки.
Крошечный металлический «шест» на конце головки помогает с общей аэродинамикой. Однако чтобы увидеть части, выполняющие чтение и запись, нам нужна фотография получше.
На этом изображении другого жёсткого диска устройства чтения и записи находятся под всеми электрическими соединениями. Запись выполняется системой тонкоплёночной индуктивности (thin film induction, TFI), а чтение — туннельным магнеторезистивным устройством (tunneling magnetoresistive device, TMR).
Создаваемые TMR сигналы очень слабы и перед отправкой должны проходить через усилитель для повышения уровней. Отвечающий за это чип находится рядом с основанием рычагов на изображении ниже.
Как сказано во введении к статье, механические компоненты и принцип работы жёсткого диска почти не изменились за многие годы. Больше всего совершенствовалась технология магнитных дорожек и головок чтения-записи, создавая всё более узкие и плотные дорожки, что в конечном итоге приводило к увеличению объёма хранимой информации.
Однако механические жёсткие диски имеют очевидные ограничения скорости. На перемещение рычагов в нужное положение требуется время, а если данные разбросаны по разным дорожкам на различных пластинах, то на поиски битов накопитель будет тратить довольно много микросекунд.
Прежде чем переходить к другому типу накопителей, давайте укажем ориентировочные показатели скорости типичного HDD. Мы использовали бенчмарк CrystalDiskMark для оценки жёсткого диска WD 3.5″ 5400 RPM 2 TB:
В первых двух строчках указано количество МБ в секунду при выполнении последовательных (длинный, непрерывный список) и случайных (переходы по всему накопителю) чтения и записи. В следующей строке показано значение IOPS, то есть количество операций ввода-вывода, выполняемых каждую секунду. В последней строке показана средняя задержка (время в микросекундах) между передачей операции чтения или записи и получением значений данных.
В общем случае мы стремимся к тому, чтобы значения в первых трёх строчках были как можно больше, а в последней строчке — как можно меньше. Не беспокойтесь о самих числах, мы просто используем их для сравнения, когда будем рассматривать другой тип накопителя: твердотельный накопитель.