Устройство и принцип работы HDD

А на пути компаний - производителей жестких  дисков встает серьезная проблема, - каким образом еще сильнее  уменьшить битовые ячейки (читай  увеличить плотность записи) в  рамках существующей магнитной технологии.

Словосочетание "суперпарамагнитный эффект" впервые было услышано мною еще несколько лет назад, но лишь недавно я всерьез заинтересовался, что же это такое и какое  отношение, данное физическое явление  имеет к возникновению проблемы нехватки свободного места на "винте". В результате поисков я получил в свое распоряжение много весьма интересной информации, которая, к сожалению, была плохо систематизирована. Проделав эту работу самостоятельно, предлагаю вам, уважаемые читатели, ознакомиться с тем, что же представляет собой электронно-механическое устройство под названием "жесткий диск", как оно функционирует и имеет ли смысл надеяться на существенное увеличение поверхностной плотности записи в будущем. А под конец (во второй части статьи) мы кратко рассмотрим новые перспективные технологии хранения данных, принципиально отличающиеся от магнитной записи, чтобы приблизительно оценить, с чем мы будем иметь дело лет через 10-15.

3.3.1.Немного физики

Если вы в школьные годы были более  или менее прилежным учеником, а посещение уроков физики не вызывало у вас острой аллергической реакции, то вы должны помнить, что практически все вещества можно разделить на два больших класса - магнетики и немагнетики (все остальные). Отличительной особенностью первых является их способность к намагничиванию во внешнем магнитном поле, за что они и получили такое название. Их, в свою очередь, можно разбить на три группы в зависимости от степени магнитной проницаемости. Эта физическая величина показывает, во сколько раз вектор магнитной индукции в данном веществе отличается от вектора магнитной индукции в той же точке пространства в вакууме.

Парамагнетики и диамагнетики обладают магнитной проницаемостью, мало отличающейся от единицы, и разница между ними заключается лишь в том, что возникающее в диамагнитных материалах поле направлено противоположно внешнему, вызвавшему его, а в парамагнитных направления полей совпадают

Больший интерес для отрасли  хранения данных представляет третья группа магнетиков - ферромагнетики. Их магнитная проницаемость много больше единицы, что обуславливается наличием у электронов устойчивой параллельной ориентации спиновых магнитных моментов, разрушающейся под воздействием теплового движения атомов. К таким веществам относятся в первую очередь железо, кобальт, никель и их окислы, а также некоторые другие. Если приложить к такому веществу внешнее магнитное поле, то векторы магнитных моментов будут выстраиваться в направлении приложенного поля и вещество приобретет намагниченность.

Однако, в отличие от пара- и диамагнетиков, ферромагнетики обладают следующим свойством: при снятии внешнего поля их намагниченность падает не до нуля, а до некоторого отличного от него значения. Эта величина называется остаточной намагниченностью, и это явление чем-то схоже с так называемым эффектом памяти, свойственным обычным аккумуляторным батареям. Но если в случае с аккумуляторами данный эффект является проблемой, с которой усиленно борются разработчики, то существование остаточной намагниченности дает принципиальную возможность для создания магнитных носителей постоянной энергонезависимой памяти. Попробуем теперь разобраться с тем, как это все работает в конкретных устройствах.

3.3.2.Заглядываем внутрь

Накопитель на жестких магнитных  дисках состоит из одной или нескольких пластин с магнитным слоем, головок чтения / записи, позиционирующего устройства, корпуса и контроллера. Контроллер управляет всеми электрическими и электромеханическими узлами накопителя и обеспечивает передачу информации от компьютера к девайсу и обратно. Корпус служит для крепления остальных элементов конструкции и для защиты пластин и головок от механических повреждений и пыли.

На каждую рабочую магнитную  поверхность приходится отдельная  головка чтения / записи (в действительности отдельные головки применяются для каждой из операций), так что общее их количество в современных накопителях может достигать 8-10 штук. Но, например, в харде модели Barracuda 180 от компании Seagate, внутри которого со скоростью 7200 оборотов в минуту вращались 12 дисков, трудились 24 головки. Во время работы накопителя за счет высокой скорости вращения пластин образуется поток воздуха, так что головки удерживаются над поверхностью дисков на воздушной подушке, на расстоянии порядка 40 нм.

Разумеется, попадание даже мельчайших инородных частиц внутрь герметичного пространства жесткого диска неминуемо приведет к выходу девайса из строя. Также очевидно, что такие требования, как надежное крепление накопителей во время работы и тем более отсутствие внешних механических воздействий, взяты отнюдь не с потолка - в лучшем случае нарушение данных условий чревато ошибками чтения / записи, а в худшем случае опять же придется смириться с преждевременной кончиной винчестера.

Позиционирующее устройство, или привод головок, служит для перемещения  последних к необходимому сектору на поверхности пластин. Сами головки закреплены на металлическом рычаге, приводимом в движение специальным приводом, который относится к одному из двух типов.

Шаговый двигатель применялся в  более ранних моделях накопителей  и в настоящее время практически не используется. Ротор такого двигателя не может поворачиваться на любой сколь угодно малый угол, он делает это ступенчато. Соответственно, шаг двигателя определял минимальное расстояние между дорожками. Недостаток такого движка заключается в том, что ротор останавливается только в определенных фиксированных положениях, но во время работы диски нагреваются, и повышение температуры приводит к некоторому изменению их геометрических размеров и смещению дорожек относительно их первоначального положения. Поэтому применение шаговых двигателей было оправданно только при сравнительно низкой плотности записи.

Второй тип двигателей, которые  ныне используются повсеместно, - индукционные, или приводы с подвижной катушкой. Устройство такого привода весьма просто. На противоположной от головок стороне рычага закреплена катушка, а вокруг нее на шасси жесткого диска размещены постоянные магниты. Когда через катушку пропускается электрический ток, рычаг приводится в движение. Управляя силой тока и направлением его протекания, можно подвести головки чтения / записи к любому необходимому сектору. Понятно, что фиксированных положений такой привод не имеет, поэтому для точного позиционирования используется система обратной связи с головками. Вообще говоря, существуют две разновидности индукционных приводов - линейные и поворотные.

В первом случае головки передвигаются  вдоль радиуса диска по прямой; во втором случае перемещение происходит по круговой траектории. У линейного  привода есть одно очевидное преимущество: плоскость рабочего зазора электромагнитной головки всегда совпадает с направлением дорожки записи, так что не возникает необходимости в корректировке. Но такой привод оказывается тяжелее, что увеличивает время перемещения головок до заданного сектора, поэтому наиболее широкое распространение получили приводы с поворотным механизмом.

3.3.3Блинные дела

Пластины жесткого диска надежно  закреплены на одном шпинделе и приводятся в движение мотором, который раскручивает их до заданной скорости вращения - она варьируется от 5400 до 15 000 оборотов в минуту. Чтобы вы лучше представили себе, насколько чудовищна скорость вращения 15 000 оборотов в минуту, советую перевести это значение в обороты в секунду (получается 250). За какую-то смехотворную секунду блины успевают обернуться вокруг своей оси двести пятьдесят раз!  
Не секрет, что наибольшая часть себестоимости конечного изделия приходится на механику винчестера.

 
Конструкция и принцип действия поворотного двигателя. В старых накопителях вместо него применялся шаговый двигатель.

Изготовление как самих пластин, так и подшипников, на которых  они вращаются, осуществляется в  соответствии с самыми жесткими нормами - при столь высоких скоростях  без этого не обойтись. Ведь даже малейшее отклонение в работе подшипника (а совершенных подшипников не существует) вызывает биения, затрудняющие считывание и запись информации, а также приводящие к более скорому износу самого подшипника. Именно поэтому несколько лет назад были введены в эксплуатацию так называемые гидродинамические подшипники (fluid dynamic bearing), в которых вместо шариков применяется жидкость.

Сами пластины обычно изготавливаются  из алюминиевого сплава, реже - из стекла или керамики. Мало того что они  самым тщательным образом сбалансированы, их рабочие поверхности отшлифованы буквально до зеркального блеска, ибо при тех расстояниях, на которых головки парят над рабочей поверхностью, это актуально: любая шероховатость может "принять на себя" удар головки, и тогда HDD придется выкинуть. К слову, в накопителях класса high-end со скоростью вращения шпинделя 15 000 оборотов в минуту используются пластины уменьшенного диаметра, потому что даже жидкостные подшипники при таких скоростях не позволяют снизить вибрации до приемлемого уровня.

На поверхность пластин методом напыления нанесен ферромагнитный материал, который и является носителем записи. В современных дисках рабочий слой состоит из нескольких отдельных слоев. Собственно магнитный слой, толщина которого составляет порядка 30 нм, в целях противостояния коррозии и увеличения механической прочности сверху покрыт вдвое более тонким углеродным слоем.

3.3.4.Как это работает

Принцип записи информации на движущийся магнитный носитель основан на описанном  выше явлении остаточной намагниченности. Запись производится путем преобразования электрических сигналов в соответствующие изменения магнитного поля, воздействия им на магнитный носитель и сохранения следов этих воздействий в магнитном материале в течение длительного времени за счет остаточного магнетизма. Чтение данных осуществляется путем обратного преобразования. При записи на головку поступает ток, а поле через определенные промежутки времени изменяет свое направление на противоположное.

 
Силовые линии магнитного поля в  кольцевой тонкопленочной головке записи. Вектор намагниченности лежит в плоскости диска.

В результате под действием поля рассеяния магнитной головки  происходит намагничивание или перемагничивание отдельных участков носителя. При  периодическом изменении направления  поля записи в рабочем слое носителя формируется цепочка участков с противоположным направлением намагниченности, соприкасающихся друг с другом одинаковыми полюсами. Такой вид записи, при котором участки рабочего слоя намагничиваются вдоль линии движения диска (точнее, вектор намагниченности лежит в плоскости магнитного слоя), называется продольной записью.

 
Гранулярная структура магнитного слоя

Теоретически процессы записи и  считывания информации с магнитного носителя происходят с одинаковой скоростью: в обоих случаях она определяется продольной плотностью записи и скоростью вращения диска. Но в действительности мы наблюдаем довольно существенное расхождение между скоростями чтения и записи. Дело в том, что время позиционирования головок для двух этих процессов различно: при записи оно всегда больше. При этом для чтения и записи используются разные головки, но размещены они на одном подвесе и перемещаются синхронно. Почему же возникает разница во времени выполнения операций? Объясняется это тем, что любая механическая система инертна, то есть неспособна мгновенно изменять свою скорость.

В идеале головка должна двигаться  в направлении требуемой дорожки  и по достижении цели сразу же останавливаться. Однако такое поведение требует  пропускания тока бесконечно большой  величины через катушку индукционного привода, что, ясное дело, невозможно. Поэтому либо приближение головки к нужной дорожке происходит по экспоненте, либо возникают затухающие колебания - головка некоторое время колеблется возле дорожки. Из этого и следуют различия в реальных скоростях.

Для проведения операции чтения достаточно, чтобы сигнал, наводимый на головку  текущей дорожкой, был сильнее, чем  сигнал от соседней, то есть чтобы можно  начинать чтение уже тогда, когда  амплитуда механических колебаний  головки снизилась до половины расстояния между дорожками. Если такие же требования предъявлять и к процессу записи, то возникает риск потерять данные на соседних дорожках. Кроме того, потом будет весьма затруднительно прочитать данные, записанные не посередине дорожки, а на ее краю. Таким образом, необходимо, чтобы при записи отводилось большее время на затухание колебаний головки.

Чередующиеся участки с различным  направлением намагниченности являются магнитными доменами и представляют собой отдельные битовые ячейки. Чем меньше размер ячейки, тем выше плотность записи информации. Однако с уменьшением ее размера возрастает взаимное влияние размагничивающих полей, направленных в сторону, противоположную направлению намагниченности в пределах ячейки. Увеличивать объем накопителя в жестких магнитных дисках возможно двумя принципиально различными способами. Один подход состоит в банальном наращивании количества пластин внутри накопителя.

Он относительно легко реализуется, но, во-первых, при сохранении соответствия существующему форм-фактору 3,5 дюйма (а тем более 2,5 дюйма) невозможно разместить в компактном корпусе много блинов, а во-вторых, чем больше пластин содержит устройство, тем оно, вообще говоря, менее надежно и более шумно. Другой подход тоже очевиден, но его практическая реализация требует несравнимо больших затрат (в первую очередь подразумеваются научные исследования) со стороны компании-производителя.

3.3.5. Плотность записи

Поверхностную плотность записи информации на жесткие диски можно повышать двумя путями: либо увеличивать линейную плотность записи, определяемую как количество битовых ячеек на единицу длины дорожки, либо плотнее размещать сами дорожки на поверхности пластины. Разумеется, никто не запрещает улучшать одновременно оба параметра. Для увеличения линейной плотности записи необходимо не только сокращать длину битовых ячеек, но и делать переходы между ними максимально резкими, что является сложной инженерно-технической задачей. Дело в том, что из-за невозможности мгновенного изменения магнитного поля головки переходы между битами имеют некоторую отличную от нуля длину, которая определяется градиентом поля головки и полями размагничивания.