Пристрій жорсткого диска

Як виглядає сучасний жорсткий диск (HDD) всередині? Як його розібрати на частини? Як називаються частини і які функції в загальному механізмі зберігання інформації виконують? Відповіді на ці та інші питання можна дізнатися тут, нижче. Крім того, ми покажемо зв'язок між російськомовної та англомовної термінології, що описують компоненти жорстких дисків.

Для наочності, розберемо 3.5-дюймовий SATA диск. Це буде абсолютно новий терабайтнік Seagate ST31000333AS. Оглянемо нашого піддослідного кролика.

Зелена закріплена гвинтами пластина з проступають візерунком доріжок, роз'ємами живлення і SATA називається платою електроніки або платою управління (Printed Circuit Board, PCB). Вона виконує функції електронного управління роботою жорсткого диска. Її роботу можна порівняти з укладанням в магнітні відбитки цифрових даних і розпізнавання назад на першу вимогу. Наприклад, як старанний писар з текстами на папері. Чорний алюмінієвий корпус і його вміст називається гермоблок (Head and Disk Assembly, HDA). У середовищі фахівців прийнято називати його «банкою». Сам корпус без вмісту також називають гермоблок (base).

Тепер знімемо друковану плату (знадобитися викрутка «зірочка» T-6) і вивчимо розміщені на ній компоненти.

Першим в очі кидається великий чіп, розташований посередині - Система на кристалі (System On Chip, SOC). У ній можна виділити два великих складових:

1. Центральний процесор, який робить всі обчислення (Central Processor Unit, CPU). Процесор має порти введення-виведення (IO ports) для управління іншими компонентами, розташованими на друкованій платі, і передачі даних через SATA-інтерфейс.
2. Канал читання / запису (read / write channel) - пристрій, що перетворює надходить з головок аналоговий сигнал в цифрові дані під час операції читання і кодує цифрові дані в аналоговий сигнал при записі. Так само виконує стеження за позиціонуванням головок. Іншими словами, створює магнітні образи під час запису і розпізнає їх при читанні.

Чіп пам'яті (memory chip) являє собою звичайну DDR ​​SDRAM пам'ять. Об'єм пам'яті визначає розмір кешу жорсткого диска. На цій друкованій платі встановлена ​​пам'ять Samsung DDR об'ємом 32 Мб, що в теорії дає диску кеш в 32 Мб (і саме такий обсяг наводиться в технічних характеристиках жорсткого диска), але це не зовсім вірно. Справа в тому, що пам'ять логічно розділена на буферну пам'ять (кеш) і пам'ять прошивки (firmware). Процесору потрібно певний обсяг пам'яті для завантаження модулів прошивки. Наскільки відомо, тільки виробник HGST вказують дійсний обсяг кеша в описі технічних характеристик; щодо інших дисків, про реальний обсязі кеша залишається тільки гадати. У специфікації ATA укладачі не стали розширювати обмеження, закладене в ранніх версіях, рівне 16 мегабайт. Тому, програми не можуть відобразити обсяг більш максимального.

Наступний чіп - контролер управління двигуном шпінделя і звуковою котушкою, що переміщає блок головок (Voice Coil Motor and Spindle Motor controller, VCM & SM controller). На жаргоні фахівців - це «крутилка». Крім того, цей чіп управляє вторинними джерелами живлення, розташованими на платі, від яких живиться процесор і мікросхема підсилювача-комутатора (preamplifier, preamp), розташована в гермоблоке. Це головний споживач енергії на друкованій платі. Він керує обертанням шпинделя і рухом головок. Так само при відключенні харчування перемикає зупиняється двигун в режим генерації і отриману енергію подає на звукову котушку для плавної парковки магнітних головок. Ядро VCM-контролера може працювати навіть при температурі в 100 ° C.

Частина програми управління (прошивки) диска зберігається у флеш-пам'яті (на малюнку позначено: Flash). При подачі живлення на диск мікроконтролер завантажує спочатку маленьке boot-ПЗУ всередині себе, а далі переписує вміст флеш-чіпа в пам'ять і приступає до виконання коду вже з ОЗУ. Без коректно завантаженого коду, диск навіть не побажає запускати двигун. Якщо на платі відсутня флеш-чіп, значить, він вбудований в мікроконтролер. На сучасних дисках (десь з 2004 року і новіше, однак виняток становлять жорсткі диски Samsung і вони ж з наклейками від Seagate) flash-пам'ять містить таблиці з кодами налаштувань механіки і головок, які є унікальними для даного гермоблока і не підійдуть до іншого. Тому операція «перекинути контролер» завжди закінчується або тим, що диск «не визначається в BIOS», або визначається заводським внутрішнім назвою, але все одно доступ до даних не дає. Для розглянутого диска Seagate 7200.11 втрата оригінального вмісту flash-пам'яті призводить до повної втрати доступу до інформації, так як підібрати або вгадати настройки не вийде (у всякому разі, автору така методика не відома).

На youtube-каналі R.Lab є кілька прикладів перестановки плати з перепайкой мікросхеми c несправної плати на справну:
PC-3000 HDD Toshiba MK2555GSX PCB change
PC-3000 HDD Samsung HD103SJ PCB change

Датчик удару (shock sensor) реагує на небезпечну для диска тряску і посилає сигнал про це контролера VCM. Контролер VCM негайно паркує головки і може зупинити обертання диска. Теоретично, такий механізм повинен захищати диск від додаткових ушкоджень, але на практиці він не працює, так що не упускайте диски. Ще при падінні може заклинити шпиндельний двигун, але про це пізніше. На деяких дисках датчик вібрації має підвищену чутливість, реагуючи на найменші механічні коливання. Отримані з датчика дані дозволяють контролеру VCM коригувати рух головок. На таких дисках встановлено, крім основного, ще два додаткових датчика вібрації. На нашій платі додаткові датчик не припаяні, але місця під них є - позначені на малюнку як «Vibration sensor».

На платі є ще одне захисний пристрій - обмежувач перехідного напруги (Transient Voltage Suppression, TVS). Він захищає плату від стрибків напруги. При стрибку напруги TVS перегорає, створюючи коротке замикання на землю. На цій платі встановлено два TVS, на 5 і 12 вольт.

Електроніка для старих дисків була менш інтегрована, і кожна функція була розділена на одну і більше мікросхем.

Тепер розглянемо гермоблок.

Під платою перебувають контакти мотора і головок. Крім того, на корпусі диска є маленьке, майже непомітне отвір (breath hole). Воно служить для вирівнювання тиску. Багато хто вважає, що всередині жорсткого диска знаходиться вакуум. Насправді це не так. Повітря потрібен для аеродинамічного зльоту головок над поверхнею. Цей отвір дозволяє диску вирівняти тиск всередині і зовні гермозони. З внутрішньої сторони цей отвір прикрито фільтром (breath filter), який затримує частинки пилу і вологи.

Тепер заглянемо всередину гермозони. Знімемо кришку диска.

Сама кришка не являє собою нічого цікавого. Це просто сталева пластина з гумовою прокладкою для захисту від пилу. Нарешті, розглянемо начинку гермозони.

Інформація зберігається на дисках, які називаються також «млинцями», магнітними поверхнями або пластинами (platters). Дані записуються з двох сторін. Але іноді з однієї зі сторін головка не встановлена, або фізично головка присутній, але відключена на заводі. На фотографії ви бачите верхню пластину, відповідну голівці з найбільшим номером. Пластини виготовляються з полірованого алюмінію або скла і покриваються декількома шарами різного складу, в тому числі феромагнітним речовиною, на якому, власне, і зберігаються дані. Між пластинами, а також над верхньою з них, ми бачимо спеціальні вставки, званими роздільниками або сепараторами (dampers or separators). Вони потрібні для вирівнювання потоків повітря і зниження акустичних шумів. Як правило, їх виготовляють з алюмінію або пластику. Алюмінієві роздільники успішніше справляються з охолодженням повітря всередині гермозони. Нижче наведено приклад моделі проходження потоку повітря всередині гермоблока.

Вид на пластини і сепаратори збоку.

Головки читання-запису (heads), встановлюються на кінцях кронштейнів блоку магнітних головок, або БМГ (Head Stack Assembly, HSA). Паркувальна зона - це область, в якій повинні знаходитися головки справного диска, якщо шпиндель зупинений. У цього диска, паркувальна зона розташована ближче до шпинделя, що видно на фотографії.

На деяких накопичувачах, парковка проводиться на спеціальних пластикових паркувальних майданчиках, розташованих за межами пластин.

Паркувальний майданчик накопичувача Western Digital 3.5 "

У разі паркування головок всередині пластин для знімання блоку магнітних головок потрібен спеціальний інструмент, без нього зняти БМГ дуже складно без пошкодження. Для зовнішньої парковки можна вставити між головками пластикові трубочки, які підходять за розміром, і вийняти блок. Хоча, і для цього випадку так само є знімачі, але вони більш простої конструкції.

Жорсткий диск - механізм точного позиціонування, і для його нормальної роботи потрібно дуже чисте повітря. У процесі використання всередині жорсткого диска можуть утворюватися мікроскопічні частки металу і мастила. Для негайної очищення повітря всередині диска є циркуляційний фільтр (recirculation filter). Це високотехнологічний пристрій, яке постійно збирає і затримує найдрібніші частинки. Фільтр знаходиться на шляху потоків повітря, що створюються обертанням пластин

Тепер знімемо верхній магніт і подивимося, що ховається під ним.

У жорстких дисках використовуються дуже потужні неодимові магніти. Ці магніти настільки потужні, що можуть піднімати вагу в 1300 разів більший їх власного. Так що не варто класти палець між магнітом і металом або іншим магнітом - удар вийде дуже чутливим. На цій фотографії зображено обмежувачі БМГ. Їх завдання - обмежити рух головок, залишаючи їх на поверхні пластин. Обмежувачі БМГ різних моделей влаштовані по-різному, але їх завжди два, вони використовуються на всіх сучасних жорстких дисках. На нашому накопичувачі другий обмежувач розташований на нижньому магніті.

Ось що можна там побачити.

Ще ми бачимо тут котушку (voice coil), яка є частиною блоку магнітних головок. Котушка і магніти утворюють привід БМГ (Voice Coil Motor, VCM). Привід і блок магнітних головок утворюють позиционер (actuator) - пристрій, який переміщує головки.

Чорна пластикова деталь складної форми називається фіксатором (actuator latch). Він буває двох типів: магнітний і повітряний (air lock). Магнітний працює як проста магнітна клямка. Вивільнення здійснюється подачею електричного імпульсу. Повітряна засувка звільняє БМГ після того, як шпиндельний двигун набере достатню кількість оборотів, щоб тиск повітря відсунуло фіксатор зі шляху звукової котушки. Фіксатор захищає головки від вильоту головок в робочу область. Якщо з якоїсь причини фіксатор зі своєю функцією не впорався (диск упустили або вдарили у включеному стані), то головки пристане до поверхні. Для дисків 3.5 "подальше включення через більшої потужності мотора просто відірве головки. А ось у 2.5 "потужність мотора менше і шанси відновити дані, вивільнивши« з полону »рідні головки, досить високі.

Тепер знімемо блок магнітних головок.

Точність і плавність руху БМГ підтримується прецизійним підшипником. Найбільша деталь БМГ, виготовлена ​​з алюмінієвого сплаву, зазвичай називається кронштейном або коромислом (arm). На кінці коромисла знаходяться головки на пружинної підвісці (Heads Gimbal Assembly, HGA). Зазвичай самі головки і коромисла постачають різні виробники. Гнучкий кабель (Flexible Printed Circuit, FPC) йде до контактної майданчику, стикується з платою управління.

Розглянемо складові БМГ докладніше.

Котушка, поєднана з кабелем.

Підшипник.

На наступній фотографії зображено контакти БМГ.

Прокладка (gasket) забезпечує герметичність з'єднання. Таким чином, повітря може потрапити всередину блоку з дисками і головками тільки через отвір для вирівнювання тиску. У цього диска контакти покриті тонким шаром золота для запобігання окислення. А ось з боку плати електроніки окислення трапляється частенько, що призводить до несправності HDD. Видалити окислення з контактів можна стірательной гумкою (eraser).

Це класична конструкція коромисла.

Маленькі чорні деталі на кінцях пружинних підвісів називають слайдерами (sliders). Багато джерел вказують, що слайдери і головки - це одне і те ж. Насправді ж слайдер допомагає зчитувати і писати інформацію, піднімаючи голівку над поверхнею магнітних дисків. На сучасних жорстких дисках головки рухаються на відстані 5-10 нанометрів від поверхні. Для порівняння: людський волос має діаметр близько 25000 нанометрів. Якщо під слайдер потрапить якась частка, це може привести до перегріву головок через тертя і виходу їх з ладу, саме тому так важлива чистота повітря усередині гермозони. Ще потрапляння пилу може викликати подряпини. Від них утворюються нові пилинки, але вже магнітні, які прилипають до магнітного диску і викликають нові подряпини. Це призводить до того, що диск швидко покривається подряпинами або на жаргоні «запилюється». В такому стані ні тонкий магнітний шар, ні магнітні головки вже не працюють, і жорсткий диск стукає (клік смерті).

Самі зчитувальні та записувальні елементи головки знаходяться на кінці слайдера. Вони настільки малі, що розглянути їх можна тільки в хороший мікроскоп. Нижче наведено приклад фотографії (праворуч) через мікроскоп і схематичне зображення (зліва) взаємного розташування пише і читає елементів головки.

Розглянемо поверхню слайдера ближче.

Як бачите, поверхня слайдера не плоска, на ній є аеродинамічні канавки. Вони допомагають стабілізувати висоту польоту слайдера. Повітря під слайдером утворює повітряну подушку (Air Bearing Surface, ABS). Повітряна подушка підтримує майже паралельний поверхні млинця політ слайдера.

Ось ще одне зображення слайдера.

Тут добре видно контакти головок.

Це ще одна важлива частина БМГ, яка поки що не обговорювалася. Вона називається предусилителем (preamplifier, preamp). Предусилитель - це чіп, керуючий головками і підсилює надходить до них або від них сигнал.

Предусилитель розташовують прямо в БМГ по дуже простій причині - сигнал, що йде з головок, дуже слабкий. На сучасних дисках він має частоту більше 1 ГГц. Якщо винести попередній за межі гермозони, такий слабкий сигнал сильно загасне по шляху до плати управління. Встановити ж підсилювач прямо на голові не можна, так як вона суттєво нагрівається під час роботи, що робить неможливим роботу напівпровідникового підсилювача, вакуумно-лампових підсилювачів таких малих розмірів ще не придумали.

Від підсилювача до голівок (праворуч) веде більше доріжок, ніж до гермозоні (зліва). Справа в тому, що жорсткий диск не може одночасно працювати більш ніж з однієї голівкою (парою пишуть і зчитують елементів). Жорсткий диск посилає сигнали на попередній, і він вибирає головку, до якої в даний момент звертається жорсткий диск.

Досить про голівках, давайте розбирати диск далі. Знімемо верхній сепаратор.

Ось як він виглядає.

На наступній фотографії ви бачите гермозону зі знятими верхнім роздільником і блоком головок.

Стало видно нижній магніт.

Тепер притискне кільце (platters clamp).

Це кільце утримує блок пластин разом, аби дати їм рухатися одна відносно одної.

Млинці нанизані на шпиндель (spindle hub).

Тепер, коли млинці ніщо не утримує, знімемо верхній млинець. Ось що знаходиться під ним.

Тепер зрозуміло, за рахунок чого створюється простір для головок - між млинцями знаходяться розділові кільця (spacer rings). На фотографії видно другий млинець і другий сепаратор.

Розділову кільце - високоточна деталь, виготовлена ​​з немагнітного сплаву або полімерів. Знімемо його.

Витягнемо з диска все інше, щоб оглянути дно гермоблока.

Так виглядає отвір для вирівнювання тиску. Воно розташовується прямо під повітряним фільтром. Розглянемо фільтр уважніше.

Так як надходить зовні повітря обов'язково містить пил, фільтр має кілька шарів. Він набагато товщі циркуляційного фільтра. Іноді він містить частинки силикагеля для боротьби з вологістю повітря. Однак, якщо жорсткий диск помістити в воду, то вона набереться всередину через фільтр! І це зовсім не означає, що потрапила всередину вода буде чиста. На магнітних поверхнях кристалізуються солі і наждачка замість пластин забезпечена.

Трохи докладніше про шпиндельний двигун. Схематично його конструкція показана на малюнку.

Усередині spindle hub закріплений постійний магніт. Обмотки статора, змінюючи магнітне поле, змушують ротор обертатися.

Мотори бувають двох відів, з Кулькова підшіпнікамі и з гідродінамічнімі (Fluid Dynamic Bearing, FDB). Кулькові перестали використовуват більше 10 років тому. Це пов'язано з тим, что у них Бітті високе. У гідродінамічному підшіпніку Бітті набагато нижчих и працює ВІН значний тихіше. Альо є и пару мінусів. По-перше, ВІН может заклініті. З кулькова такого явіща НЕ відбувалося. Кулькові підшипники если и виходом з ладу, то починаю голосно шуміті, но інформація хоч Повільно, но читати. Зараз же, в разі клина підшипника, потрібно за допомогою спеціального інструменту зняти всі диски і встановити їх на справний шпиндельний двигун. Операція дуже складна і рідко призводить до вдалого відновлення даних. Клин може виникнути від різкої зміни положення за рахунок великого значення сили Коріоліса, що діє на вісь і приводить до її згинання. Наприклад, є зовнішні 3.5 "диски в коробочці. Стояла коробочка вертикально, зачепили, впала горизонтально. Здавалося б, не далеко відлетів то ?! А ні - клин двигуна, і ніякої інформації вже не дістати.

По-друге, з гідродинамічного підшипника може витекти мастило (вона там рідка, її досить багато, на відміну від мастила-гелю, що використовується кулькових), і потрапити на магнітні пластини. Щоб запобігти потраплянню мастила на магнітні поверхні використовують мастило з частинками, що мають магнітні властивості і уловлюють їх магнітні пастки. Ще використовують навколо місця можливої ​​протікання абсорбційну кільце. Витікання сприяє перегрів диска, тому важливо стежити за температурним режимом експлуатації.

Автор статті Артем Рубцов.

Уточнення зв'язку між російськомовної та англомовної термінологією виконано Леонідом Воржева.

Оновлення 2018, Сергій Яценко

Передрук або цитування дозволені за умови збереження посилання на першоджерело: R.LAB, відновлення інформації.