квітень 2004
Статтю надруковано у тижневику "Мой компьютер"
Технологии не стоят на
месте. Еще недавно у меня был жесткий диском
размером 130 Мбайт, тогда как сегодня
нормой считается 80 Гбайт, а на завтра
обещают более 200 Гбайт. Жесткий диск –
это один из компонентов современного
компьютера (да и не только) который
развивается большими шагами,
порой быстрее,
чем процессоры. Сегодня я предлагаю
рассмотреть конструкцию современных
жестких дисков.
Путь, который прошли привычные нам накопители на жестких дисках (НЖМД) в процессе своей эволюции ненамного меньше пути электронных компьютеров. Принято считать, что первый НЖМД был изобретен в далеком 1956 году. Хотя за почти пол века НЖМД изменился практически до неузнаваемости - значительно увеличились скорости чтения/записи и уменьшились габариты, основной принцип работы остался неизменным. Это все те же вращающиеся магнитные диски, над которыми перемещаются считывающие/пишущие головки.
Сегодня я хочу ознакомить читателей еженедельника с принципом работы и конструкции НЖМД.
Современный НЖМД сочетает в себе умную и быстродействующею электронику и очень точную (прецензионную) механику. Несмотря на все достижения в науке и технике он все еще остается одной из самых ненадежных частей современного компьютера (из-за наличия подвижных механических деталей, дисководы не в счет). И тем не менее, благодаря стараниям разработчиков, гарантированный срок безотказной работы (при соблюдении строгих условий эксплуатации) превышает 3-5 лет.
Основными
составными частями НЖМД являются: блок
магнитных дисков (блинов), на которых
собственно и хранится вся информация; блок
головок, который служат для записи и чтения
информации; сервоприводы головок и
магнитных дисков, служат для перемещения
головок и вращения магнитных дисков; и
наконец электроника, которая управляет
всей механикой и общается с внешним миром (рис.
1). Теперь рассмотрим каждую составляющею по
отдельности. Начнем с магнитных дисков – «блинов».
Рис
1
Магнитные диски представляют собой тонкий, но прочный диск из легкого материала. Сейчас в качестве материала используется сплавы алюминия и стеклокерамики. Диски из стеклокерамики имеют большую механическую прочность и меньшую толщину, но они очень хрупкие (это накладывает значительные ограничения на удары и вибрации не только в рабочем состоянии, но и в период транспортировки). Диски из алюминиевого сплава наоборот менее хрупкие, что позволяет им преодолевать значительно бóльшие вибрации и удары, но они при этом могут деформироваться (что в высокоточной механике недопустимо).
Для того чтобы можно было записать, а позже и считать информацию, на диски наносят специальный магнитный слой. Этот слой обладает хорошей памятью на напряженность магнитного поля. То есть, достаточно на короткое время создать вблизи этого слоя сильное магнитное поле, как слой сразу приобретет остаточную намагниченность, которая может сохраняться весьма продолжительное время (годами).
Для получения «магнитного» слоя довольно часто используются оксидные или тонкопленочные технологии.
Оксидная технология подразумевает использования в качестве магнитного слоя оксид железа (кстати, этот материал также был широко использован в обычных аудиокассетах). Эта технология просуществовала довольно долго, прежде всего из-за простоты получения (рис. 2а). Но невысокая прочность слоя и малая разрешающая способность записи не позволила дальнейшее наращивание плотности записи (максимальное количество информации, которая может быть записана на единице объема).
Следующим шагом в создании «магнитного» слоя стало использование материалов, которые наносятся по тонкопленочной технологии. В этой технологии заветный слой представляет собой «бутерброд» из магнитного и защитного слоя. В качестве магнитного чаще всего используется сплавы кобальта, а защитного - углерод, хром или никель. Защитный слой служит для упрочнения поверхности и предотвращения разрушения магнитного слоя в процессе работы накопителя (рис. 2б). Магнитный слой по этой технологии обычно наносится гальваническим наращиванием. Суть метода состоит в следующем: диски и наращиваемый материал помещаются в специальную жидкость – электролит, а затем между ними прикладывается постоянное напряжение. В результате этого материал под воздействием тока переносится на пластины. Реже используется метод осаждения (Магнитный материал сначала переводят в газообразное состояние (испаряют или сублимируют), а затем конденсируют на поверхности диска).
Рис
2.
Для повышения плотности записи на диск, магнитное покрытие наносят не на одну сторону, а сразу на обе. Но в современных накопителях не всегда используются обе стороны, например, в тех случаях, когда производитель выпускает более дешевую версию накопителя с меньшей емкостью. Изготовление дисков с односторонним покрытием экономически невыгодно, поэтому все диски изготавливают двухсторонними.
Сейчас основной характеристикой магнитных дисков является плотность записи - Гбит на дюйм (1 дюйм = 1.54см), т.е. этот параметр характеризует количество информации, которое может быть записано на единице площади поверхности диска. Сейчас плотность записи достигает уровня 90-100 Гбит/дюйм2 (14-16 Гбит/см2).
Магнитные
головки
Принцип работы магнитных головок жестких дисков ничем не отличается от таковых у дисководов или кассетных магнитофонов. Для тех, кто забыл, напомню. Считывающая головка (рис. 3) представляет собой магнитопровод с одним или двумя зазорам, на который намотана катушка. При перемещении рабочего зазора головки вдоль поверхности с разным уровнем намагниченности, в нем наводится магнитное поле, которое почти без потерь передается по магнитопроводу к катушке. Второй (нерабочий) зазор служит для уменьшения индуктивности головки при записи, правда в универсальных (т.е. считывающей и записывающей) головках он обычно не изготавливается. Магнитное поле в катушке преобразуется в электрический ток (вспоминаем явление ЭДС из курса физикиJ), который затем уже обрабатывается электроникой.
Процесс записи представляет обратный процесс - через катушку пропускается переменный ток. Ток в катушке создает магнитное поле, которое по магнитопроводу передается к рабочему зазору. В рабочем зазоре магнитное поле имеет наибольшую напряженность (так как «магнитная проводимость» воздуха на несколько порядков ниже), тем самым способствует улучшению качества и плотности записи. При уменьшении размеров зазора увеличивается плотность записи, но при этом снижается уровень остаточного магнитного поля диска, что приводит к уменьшению уровня полезного сигнала при последующем считывании информации. Во время считывания полезный сигнал все более «утопает» в посторонних шумах и выделить его становится все труднее. Это и накладывает определенные ограничения на размеры рабочего зазора и плотность записи.
Рис
3.
Магнитопровод магнитной головки представляет собой набор тонких пластин из материала, который хорошо «проводит» магнитное поле (ферромагнетик).
Первыми представителем магнитных головок можно назвать «пермалоевые», так как магнитопровод у них был изготовлен из пермалоя. Из этого же материала также изготавливались и магнитные головки (т.е. магнитопроводы) для обычных катушечных и кассетных магнитофонов.
Следующим шагом стало применение «ферритовых» головок. Они были более чувствительными и легче поддавались автоматизированному производству, так как они изготавливались методом прессовки ферритового порошка. В этих головках иногда применялся также и дополнительный зазор (заполненный металлом), который служил для уменшения индуктивности головки при записи, что позволяло поднять уровень и частоту записываемого сигнала.
На смену ферритовым пришли «тонкопленочные» головки. Так как для их получения используют метод фотолитографии (см. «В недрах микросхем»), то и размеры головки стали значительно меньше. Это позволило еще больше приблизить головки к поверхности диска, уменьшить рабочий зазор и как следствие – повысить плотность записи. В качестве магнитопровода в основном использовали железо-никелевый сплав.
Размеры магнитных головок были доведены до минимума, и дальнейшее уменьшение стало невозможным. Нужно было искать альтернативу. Ею стала «магниторезестивная» головка. Принцип ее работы несколько отличается от описанных ранее. Сердцем считывающей головки является материал, сопротивление которого меняется с изменением напряженности магнитного поля – «магниторезист». По этой технологии для чтения и записи используют две раздельные головки – магниторезестивную для чтения и обычную (тонкопленочную - катушечнуюJ) для записи. Этот тип головок применяется и в современных накопителях.
Свободный полет
Для увеличения срока службы головки и покрытия магнитных дисков, сама головка в процессе работы не касается поверхности, а так сказать «парит» не небольшой высоте. Для подъема головки используется поток воздуха, который создается вращающимися с большой скоростью магнитными дисками. Для удерживания постоянной высоты «полета» используются крылья.
Конструкция крыльев предусматривает изменение подъемной силы, при перемещении головки от центра диска к его краю и обратно, так как линейная скорость в центре меньше, чем на краю диска. Этим и сохраняется постоянная высота «полета» головки.
Для обеспечения нормальной высоты подъема, давление воздуха внутри НЖМД должно находится в определенных пределах (эти цифры обычно указываются в паспорте). Особо опасным является пониженное давление, когда головки могут не подняться на нужную высоту и при работе касаться поверхности. Повышенное давление (в разумных пределах) не причинит вреда, так как головки поднимутся на большую высоту. При этом возможны ошибки при чтении или записи.
Так как головки парят над поверхностью за счет потока воздуха, то при выключении питания и остановке магнитных дисков, головка опускается на поверхность диска. Для того чтобы при этом не повредить головку (так как в момент остановки и запуска головка скользит по поверхности) на дисках используется специальная парковочная зона (Landing zone), в которой ущерб наносимый головке в момент соприкосновения минимальный. Эта зона обычно находится в центральной части магнитного диска.
На сегодня все, в следующий раз мы поговорим о взаимодействии магнитных дисков и головок. До встречи!