Устройство и принцип работы HDD

 

2.2.6. Отличие SATA1 от SATA2

 

   Жесткие диски  с интерфейсом SATA-2 равны по  производительности жестким дискам  с интерфейсом SATA-1! Так как  разницы между ними нет. Связано  это с тем что: 

1) Новые жесткие диски  с интерфейсом SATA-1 поддерживают те же свойства, что и жесткие диски с интерфейсом SATA-2, включая и NCQ (хотя изначально это была одна из основных особенностей SATA-2).

2) Если материнская  плата поддерживает интерфейс  SATA-2 то именно в этом режиме  будут работать жесткие диски с интерфейсом SATA.

    Поэтому можно  брать любой жесткий диск с  интерфейсом SATA, только надо обращать  внимание на маркировку, т.е. брать  диски с повышенной плотность  записи! Данное утверждение справедливо  не только для жестких дисков фирмы WD, но и других производителей.

 

2.3.Smart технлогия

 

SMART (Self Monitoring Analysing and Reporting Technology) - это  технология внутренней оценки  состояния диска, и механизм  предсказания возможного выхода  из строя жесткого диска. Важно  отметить то, что технология в принципе не решает возникающих проблем (основные из них показаны на рисунке чуть ниже), она способна лишь предупредить об уже возникшей проблеме либо об ожидающейся в ближайшем времени.

При этом нужно также сказать, что технология не в состоянии предсказать абсолютно все возможные проблемы и это логично: выход электроники в результате скачка напряжения, порча головок и поверхности в результате удара и т.п. никакая технология предсказать не в силах. Предсказуемы лишь те проблемы, которые связаны с постепенным ухудшением каких-либо характеристик, равномерной деградацией каких либо компонент.

SMART производит наблюдение за  основными характеристиками накопителя. Эти параметры называются атрибутами. Необходимые к мониторингу параметры  определяются производителем. Каждый атрибут имеет какую-то величину - Value. Обычно изменяется в диапазоне от 0 до 100 (хотя может быть в диапазоне до 200 или до 255), ее величина - это надежность конкретного атрибута относительно некоторого его эталонного значения (определяется производителем). Высокое значение говорит об отсутствии изменений данного параметра или, в зависимости от значения, его медленном ухудшении. Низкое значение говорит о быстрой деградации или о возможном скором сбое, т.е. чем выше значение Value атрибута, тем лучше.  

Некоторыми программами мониторинга  выводится значение Raw или Raw Value - это  значение атрибута во внутреннем формате (который так же различен у дисков разных моделей и разных производителей), в том, в котором он хранится в  накопителе. Для простого пользователя он малоинформативен, больший интерес представляет посчитанное из него значение Value.

Для каждого атрибута производителем определяется минимальное возможное  значение, при котором гарантируется  безотказная работа накопителя - Threshold. При значении атрибута ниже величины Threshold очень вероятен сбой в работе или полный отказ. Осталось только добавить, что атрибуты бывают критически важными и некритически. Выход критически важного параметра за пределы Threshold фактический означает выход из строя, выход за переделы допустимых значений некритически важного параметра свидетельствует о наличии проблемы, но диск может сохранять свою работоспособность (хотя, возможно, с некоторым ухудшением некоторых характеристик: производительности например).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Специальная часть

 

3.1.Принцип работы жесткого  диска (винчестера, HDD)

 

Жесткий диск (или как его еще  называют - винчестер, HDD) является одним  из самых сложных устройств в  современном персональном компьютере. На жестком диске хранятся огромные объемы данных, которые передаются с большой скоростью. Жесткий диск состоит из механических и электронных элементов. 

Основные принципы работы жестких  дисков почти не изменились с момента  его изобретения. Устройство жесткого диска напоминает обыкновенный проигрыватель грампластинок. Только внутри корпуса может быть несколько пластин, имеющих общую ось, и головки могут считывать данные сразу с обеих сторон каждой пластины. Скорость вращения пластин постоянна и является одной из главных характеристик жесткого диска. Головка перемещается вдоль пластины на некотором фиксированном расстоянии от поверхности. Чем меньше это расстояние, тем больше точность считывания данных, и тем больше может быть плотность записи данных. 

Если посмотреть на жесткий диск, то можно увидеть только прочный  металлический корпус, полностью  герметичный и защищающий диск от пыли. Корпус экранирует жесткий диск от электромагнитных помех. Внутри корпуса  находятся все механизмы и  некоторые электронные узлы. Механизмы - это сами диски, на которых хранятся данные, головки, которые записывают и считывают данные с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение. Диск представляет собой круглую пластину с очень ровной поверхностью чаще из алюминия, реже - из керамики или стекла, покрытую тонким ферромагнитным слоем. 
Количество дисков может быть различным (от 1 до 5), количество рабочих поверхностей, соответственно, в два раза больше (по две на каждом диске). 

Магнитные головки считывают и  записывают данные на диски. Принцип записи в целом похож на тот, который используется в обычном магнитофоне. Цифровые данные преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и запомнить.

 Магнитное покрытие диска  представляет собой множество  мельчайших областей самопроизвольной  намагниченности. Для наглядности  представьте себе, что диск покрыт  слоем очень маленьких стрелок  от компаса, направленных в разные стороны. Такие частицы-стрелки называются доменами.

 Под воздействием внешнего  магнитного поля собственные  магнитные поля доменов ориентируются  в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего  поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск информация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности. Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, расположенным под ним. Скорость вращения дисков, как правило, составляет 7200 об./мин. Головки жесткого диска перемещаются с помощью прецизионного шагового двигателя, они как бы плывут на расстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. На поверхности дисков в результате записи данных образуются намагниченные участки, в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками. Перемещаясь, головки останавливаются над каждой следующей дорожкой. Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех поверхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми номерами.

 

3.2.Технология перпендикулярной записи информации.

PMR(perpendicular magnetic recording – перпендикулярная  магнитная запись) - это технология, в которой запись осуществляется перпендикулярно к поверхности носителя (до этого использовалась продольная запись). Точнее, векторы намагничивания в магнитном слое расположены не в плоскости диска, как у современных дисков, а перпендикулярно ей. Благодаря этому, домены с разным направлением намагниченности не отталкиваются друг от друга, так как повернуты друг к другу разными полюсами. Перпендикулярную запись информации уже внедрили в промышленность большинство компаний, занимающихся производством жестких дисков. Началось все с того, что Toshiba весной 2005 года анонсировала диск с плотностью записи 230 Мб/дюйм². Напомним, что в современных дисках, использующих продольную запись, максимальная плотность около 170Мб/дюйм². На рисунках, представленных ниже, показаны направления векторов намагниченности в магнитных слоях, записанных с применением продольной и перпендикулярной записи.

На самом деле эта  технология не столь уж и нова, в  этом году ей исполнится 31год. Все началось с того, что в 1977 году профессор Shun-ichi Iwasaki впервые продемонстрировал  перпендикулярную магнитную запись для записи информации на магнитную  пленку. 

Толщина магнитного слоя CoCr в такой пленке была 1 мкм. При этом, линейная плотность записи информации равнялась 30 Кб/дюйм, а коэрцитивная сила - 1200 Эрстед. В то время накопители на жестких магнитных дисках (НЖМГ) использовали продольную запись информации, линейная плотность записи которых была 6 Кб/дюйм, а в опытных образцах только 20 Кб/дюйм. Магнитным веществом выступал 50-нанометровый слой сплава на основе кобальта. 

В 1979 году Iwasaki, используя  двухслойный носитель (CoCr 0.5um / NiFe 0.5um), достиг плотности записи 100 Кб/дюйм. При этом величина тока записи была в десять раз меньше используемой в экспериментах 1977 года. Но после этого эксперименты были прекращены. И лишь в декабре 2003 года компания Seagate заявила о том, что получены образцы магнитного вещества, подходящего для перпендикулярной записи информации. Коэрцитивная сила такого сплава 7 килоэрстед, а плотность записи 169 Мб/дюйм². Неиспользование результатов профессора Shun-ichi Iwasaki в промышленности объясняется их невостребованностью. Рынок на тот момент вполне устраивали накопители с продольной записью информации. 

Какими характеристиками должна обладать магнитная пленка, чтобы выступать в качестве носителя перпендикулярной записи информации? Ниже приведена таблица результатов, полученных с помощью моделирования.

 

Величина	Значение
Saturation magnetization	Ms=600emu/cm3;
Squareness	S=1;
VSM Coercivity	Hc=12,5kOe;
1 ns dynamic Coercivity	Ho=15kOe;
Negative nucleation field	Hn=5kOe;
Anisotropy field	Hk=20kOe;
Hk dispersion	5% Hk;
Magnetization easy axis dispersion	Dy50 ? 21;
Thickness	d=20nm;
Average grain size (center-to-center)	hDi=5nm
hDi dispersion	28% /DS;
Grain-to-grain separation	l=0.5 nm;
Intergranular exchange integral	Jex=0,5ergs/cm2;

 

В настоящее время  существует несколько способов получения материала, который может выступать в качестве несущего слоя в перпендикулярной записи. 

Гранулированная пленка.

 

Гранулированная пленка CoCr была одной из первых, которые  стали использовать для перпендикулярной записи. Плюсом этого метода является то, что не надо так контролировать размер зерна, как в случае с обычной продольной записью, где этот фактор сильно влияет на соотношение сигнал/шум. Но в случае гранулированной пленки анизотропия существенно ниже. Это может быть связано или с формированием большого количества дефектов упаковки в гранецентрированной решетке или присутствием небольшого количества кубической фазы.

Многослойная пленка.

 

Успехи в области  техники позволили выращивать совершенные  сверхрешетки на основе множества слоев Co/Pt или Co/Pd. Регулирование толщины одного слоя и количества слоев позволяет регулировать магнитные свойства такого носителя.

Связанная постоянная и  гранулированная.

 

Приведенные выше технологии, однако, обладают существенными недостатками. Так, в гранулированной пленке есть температурная нестабильность, а в многослойных пленках существует большое обменное взаимодействие в плоскости пленки. По заявлениям разработчиков метод связанной постоянной и гранулированной пленки не имеет ни одной из приведенных выше проблем.

 

3.3.Перспективы  развития технологии магнитной  записи

Уже многие годы, если не сказать десятилетия, накопители на жестких магнитных  дисках, в простонародье именуемые  винчестерами, являются основным средством  хранения информации на персональных компьютерах. История HDD началась в далеком 1956 году с изделия компании IBM, и к настоящему моменту они проделали длиннейший путь развития, емкость их увеличилась более чем в 80 тысяч раз. Разумеется, существенно изменились и такие показатели, как скорость чтения / записи, время доступа к данным, размеры и энергопотребление, устойчивость к внешним воздействиям. Но для жестких дисков одним из главных показателей, определяющих его возможности, является поверхностная плотность записи, измеряемая обычно в гигабитах на квадратный дюйм.

И как рост количества транзисторов в ядре ЦП подчиняется так называемому  закону Мура, согласно которому плотность  размещения элементов на интегральных схемах увеличивается в два раза примерно каждые полтора года, - так  и плотность записи на пластины винчестеров растет по экспоненциальному закону. И еще одна аналогия. В последние годы внедрение все более тонких проектных норм производства процессоров дается все большей "кровью", что заставляет усомниться в абсолютной истинности утверждения, сформулированного когда-то Муром.