⚠ 11.2023: Сайт знаходиться в стані перебудови. Можливо тимчасове порушення функціонування.

В надрах жорстких дисків

Сергій КРУШНЕВИЧ

Бібліографія: В недрах жестких дисков. Крушневич Сергей // Мой компьютер. 04.2004. - № 21. - C. 16-17, 41


Технології не стоять на місці. Ще недавно у мене був жорсткий диск розміром 130 Мбайт, тоді як сьогодні нормою вважається 80 Гбайт, а на завтра обіцяють більше 200 Гбайт. Жорсткий диск - це один із компонентів сучасного комп'ютера (та й не тільки) який розвивається великими кроками. Сьогодні я пропоную розглянути конструкцію сучасних жорстких дисків. - 2004 рік

Трохи історії

Шлях, який пройшли звичні нам накопичувачі на жорстких дисках (НЖМД) у процесі своєї еволюції ненабагато менше шляху електронних комп'ютерів. Вважають, що перший НЖМД був винайдено далекого 1956 року. Хоча за майже півстоліття НЖМД змінився практично до невпізнання - значно збільшилися швидкості читання/запису та зменшились габарити, основний принцип роботи залишився незмінним. Це все ті ж магнітні диски, що обертаються, над якими переміщуються магнітні головки, що виконують запис та зчитування

Сьогодні я хочу ознайомити читачів тижневика із принципом роботи та конструкції НЖМД.

Зовнішній вигляд сучасного жорсткого диска (HDD)

Загальні відомості

Сучасний НЖМД поєднує в собі "розумну" та швидкодіючу електроніку та дуже точну (прецензійну) механіку. Незважаючи на всі досягнення в науці та техніці він все ще залишається однією з самих ненадійних частин сучасного комп'ютера (через наявність рухомих механічних деталей, дисководи не в рахунок). І тим не менш, завдяки старанням розробників, гарантований термін безвідмовної роботи (при дотримання строгих умов експлуатації) перевищує 3-5 років, а в деяких домашніх компьютерах практичний термін служби перевищує 20 років, в залежності від інтенсивності використання

Основними складовими частинами НЖМД є: блок магнітних дисків, на яких власне, і зберігається вся інформація; блок головок, які служать для запису та читання інформації; сервоприводи головок та магнітних дисків (раніше - на базі крокових двигунів, а зараз на базі електромагнітів), служать для переміщення головок та обертання магнітних дисків; і нарешті електроніка, яка керує всією механікою та "спілкується" з зовнішнім світом (рис. 1). Тепер розглянемо кожну складову окремо. Почнемо з магнітних дисків

Блок-схема пристрою накопичувача НЖМД

Магнітні диски

Магнітні диски являють собою тонкий, але міцний диск із легкого матеріалу. Зараз в якості матеріалу використовуються сплави алюмінію та склокераміки. Диски зі склокераміки мають велику механічну міцність та меншу товщину, але вони більш тендітні (це накладає значні обмеження на удари та вібрації не тільки в робочому стані, а й у період транспортування). Диски з алюмінієвого сплаву навпаки менш тендітні, що дозволяє їм долати значно більші вібрації та удари, але вони при цьому можуть деформуватися (що у такій високоточній механіці неприпустимо).

Для того, щоб можна було записати, а потім і зчитувати інформацію, на дисках нанесений спеціальний магнітний шар. Цей шар має гарну пам'ять наведеної напруженності магнітного поля. Тобто, достатньо на короткий час створити поблизу цього шару сильне магнітне поле, і магнітний шар отримає залишкову намагніченість, яка може зберігатися вельми тривалий час.

Оксидна технологія магнітного шару передбачає використання як магнітного шару оксиду заліза (до речі, цей матеріал також був широко використаний в звичайних аудіокасетах). Ця технологія проіснувала досить довго, в тому числі і через через простоту одержання (рис. 2а). Але невисока міцність шару та мала роздільна здатність запису не дозволила подальше нарощування щільності запису (максимальна кількість інформації, яка може бути записана на одиниці обсягу).

Наступним кроком у створенні «магнітного» шару стало використання матеріалів, які наносяться по тонкоплівкової технології. В цій технології шар представляє собою «бутерброд» з магнітного та захистного шару. В якості магнітного частіше всього використовується сплави кобальту, а захисного - вуглець, хром або нікель. Захисний шар служить для зміцнення поверхні та запобігання руйнуванню магнітного шару в процесі роботи накопичувача (рис. 2б). Магнітний шар по цій технології зазвичай наноситься гальванічним нарощуванням. Суть методу полягає в наступному: диски та нарощуваний матеріал поміщаються у спеціальну рідину - електроліт, а потім між ними прикладається постійна напруга. В внаслідок цього матеріал під впливом струму переноситься на пластини. Рідше використовується метод осадження (Магнітний матеріал спочатку переводять у газоподібне стан (випаровують або сублімують), а потім конденсують на поверхні диска).

Структура поверхні диска

Рис 2.

Для підвищення щільності запису на диск, магнітне покриття наносять не на один бік, а одразу на обидві. Але в сучасних накопичувачах не завжди використовуються обидві сторони, наприклад, у тих випадках, коли виробник випускає дешевшу версію накопичувача з меншою ємністю. Виготовлення дисків з одностороннім покриттям економічно невигідно, тому всі диски виготовляють двосторонніми.

Зараз основний характеристикою магнітних дисків є щільність запису - Гбіт дюйм (1 дюйм = 1.54см), тобто. цей параметр характеризує кількість інформації, яке може бути записано на одиниці площі поверхні диска. Зараз щільність запису досягає рівня 90-100 Гбіт/дюйм2 (14-16 Гбіт/см2).

Магнітні головки

Принцип роботи магнітних головок жорстких дисків нічим не відрізняється від таких у дисководів чи касетних магнітофонів. Для тих, хто забув, нагадаю. Головка, що зчитує (рис. 3) представляє собою магнітопровід з одним або двома зазорам, на який намотана котушка. При переміщення робочого зазору головки вздовж поверхні з різним рівнем намагніченості, у ньому наводиться магнітне поле, яке майже без втрат передається по магнітопроводу до котушки. Другий (неробочий) зазор служить для зменшення індуктивності головки під час запису, щоправда в універсальних (тобто. зчитує і записує) головках він зазвичай не виготовляється. Магнітне поле в котушці перетворюється на електричний струм, який потім вже обробляється електронікою.

Процес запису представляє зворотний процес - через котушку пропускається змінний струм. Струм у котушці створює магнітне поле, яке по магнітопроводу передається до робочого зазору. У робочому зазорі магнітне поле має найбільшу напруженість (оскільки «магнітна провідність» повітря на кілька порядків нижче), тим самим сприяє покращення якості та щільності запису. При зменшенні розмірів зазору збільшується щільність запису, але при цьому знижується рівень залишкового магнітного поля диска, що призводить до зменшення рівня корисного сигналу при подальшому зчитуванні інформації. Під час зчитування корисний сигнал все більше «утопає» у сторонніх шумах і виділити його стає все важче. Це й накладає певні обмеження на розміри робочого зазору та щільність запису.

Конструкція агнітної головки

Рис 3.

Магнітопровід магнітної головки представляє собою набір тонких пластин із матеріалу, який добре «проводить» магнітне поле (феромагнетик).

Першим представником магнітних головок можна назвати «пермалоєві», оскільки магнітопровід у них був виготовлений з пермалою. З цього ж матеріалу також виготовлялися і магнітні головки (тобто. магнітопроводи) для звичайних котушкових та касетних магнітофонів.

Наступним кроком стало застосування «феритових» головок. Вони були більш чутливими та легше піддавалися автоматизованому виробництву, оскільки вони виготовлялися методом пресування феритового порошку. У цих голівках іноді застосовувався також додатковий зазор (заповнений металом), який служив для зменшення індуктивності головки при запису, що дозволяло підняти рівень та частоту записуваного сигналу.

На зміну феритовим прийшли "тонкоплівкові" головки. Для їхнього створення використовують метод фотолітографії (див. «У надрах мікросхем»), що дозволило кардинально зменшити розміри головки. Це дозволило ще більше наблизити головки до поверхні диска, зменшити робочий зазор і як наслідок – підвищити густину запису. В якості магнітопроводи в основному використовували залізо-нікелевий сплав.

Розміри магнітних головок були доведені до мінімуму, та подальше зменшення стало неможливим. Потрібно було шукати альтернативу. Нею стала «магніторезестивна» головка. Принцип її роботи дещо відрізняється від описаних раніше. Серцем зчитуючої головки є матеріал, опір якого змінюється зі зміною напруженості магнітного поля - "магніторезист". За цією технологією для читання та записи використовують дві роздільні головки – магніторезестивну для читання та звичайну (тонкоплівкову) для запису. Цей тип головок застосовується і в сучасних накопичувачах.

Вільний політ

Для збільшення терміну служби головки та покриття магнітних дисків, сама головка в процесі роботи не торкається поверхні, а «парить» на невеликій висоті. Для підйому головки використовується потік повітря, який створюється магнітними дисками, що обертаються з великою швидкістю. Для утримання постійної висоти «польоту» використовуються "крила".

Конструкція крил передбачає зміну підйомної сили при переміщенні головки від центру диска до краю і назад, оскільки лінійна швидкість в центрі менша, ніж на краю диска. Цим і зберігається постійна висота "польоту" головки.

Для забезпечення нормальної висоти підйому, тиск повітря всередині НЖМД має перебувати у певних межах (ці цифри зазвичай вказуються в паспорті). Особливо небезпечним є знижений тиск, коли головки можуть не піднятися на потрібну висоту та при роботі торкатися поверхні. Підвищений тиск (у розумних межах) не завдасть шкоди, так як головки піднімуться на більшу висоту. При цьому можливі помилки під час зчитування або запису.

У зв'язку з тим, що головки парять над поверхнею за рахунок потоку повітря, то при вимкнення живлення швидкість обертання магнітних дисків починає стрімко знижуватись, головка опускається на поверхню диска. Для того, щоб при цьому не зашкодити головку (оскільки в момент зупинки і запуску головка ковзає по поверхні) на дисках використовується спеціальна паркувальна зона "Landing zone", в якій пошкодження головки в момент контакту з поверхнею мінімальні. Ця зона зазвичай знаходиться у центральній частині магнітного диска.

Сучасні жорсткі диски оснащені системою захисту магнітної поверхі та головки і в разі виявлення пропажі живлення, автоматично переміщують головку в паркувальну зону за рахунок залишкового зарядку в конденсаторах жорсткого диска. Більш старі жорсткі диски потребували спеціальної каоманди "паркування" перед вимкненням живлення, інакше магнітна головка падала на магнітну поверхню і пошкоджувала її

Продовження статті

Перелік частин:
В недрах жестких дисков. Частина 1. Магнітні диски та головки
В недрах жестких дисков. Частина 2. Сервопривід магнітної головки та привід дисків
В недрах жестких дисков. Частина 3. Зворотній зв'язок та діагностика через SMART
В недрах жестких дисков. Частина 4. Інтерфейси підключення
В недрах жестких дисков. Частина 5. Перспективні методи запису інформації

Опубліковано:

Оновленно: 16.10.2023


(SKNewVersion)(29032024)
Serhii K Home Page © 2003-2024