Основні компоненти накопичувачів на жорстких дисках

Основні компоненти накопичувачів на жорстких дисках

Існує багато різних типів накопичувачів на жорстких дисках, але практично всі вони складаються з одних і тих же основних вузлів. Конструкції цих вузлів, а також якість використовуваних матеріалів можуть бути різними, але основні їх робочі характеристики і принципи функціонування однакові. До основних елементів конструкції типового накопичувача на жорсткому диску (мал. 10.6) відносяться наступні:

• диски;
• голівки чтения/записи;
• механізм приводу голівок;
• двигун приводу дисків;
• друкарська плата з схемами управління;
• кабелі і роз'єми;
• елементи конфігурації (перемички і перемикачі).

Диски, двигун приводу дисків, голівки і механізм приводу голівок зазвичай размещаются в герметичному корпусі, який називається HDA (Head Disk Assembly — блок голівок і дисків). Зазвичай цей блок розглядається як єдиний вузол; його майже ніколи не вскрывают. Інші вузли, що не входять в блок HDA (друкарська плата, лицьова панель, елементи конфигурации і монтажні деталі) є знімними.

       

 

 

 

       Привод головок

 

Отверстия для воздуха (воздушный фильтр располагается снизу)

 

                                                                                                                           Диски

 

                                                                            Рычаг перемещения головок

                                                                                                                                                  Крепежные отверстия

 

 

 

 

 

Диски

Зазвичай в накопичувачі міститься один або декілька магнітних дисків. За минулі роки встановлений ряд стандартних розмірів накопичувачів, які визначаються в основному розмірами дисків, а саме:

• 5,25 дюйма (насправді — 130 мм, або 5,12 дюйма);
• 3,5 дюйма (насправді — 95 мм, або 3,74 дюйма);
• 2,5 дюйма (насправді — 65 мм, або 2,56 дюйма);
• 1,8 дюйма (насправді — 48 мм або 1,89 дюйма);
• 1 дюйм (насправді — 34 мм, або 1,33 дюйма).

Існують також накопичувачі з дисками великих розмірів, наприклад 8 дюймів, 14 дюймов і навіть більше, але, як правило, ці пристрої в ПК не використовуються. Зараз в настольных і деяких портативних моделях найчастіше встановлюються накопичувачі формату 3,5 дюйма, а малогабаритні пристрої (формату 2,5 дюйма і менше) — в портативних системах.

У 1998 році IBM представила накопичувач, що отримав назву MicroDrive, кожен жесткий диск якої в даний час може містити до 4 Гбайт даних при розмірах, составляющих приблизно чверть діаметру стандартного диска! Ці накопичувачі існують у физическом і електричному форматі плати Compact Flash (CF) Type II, тобто можуть використовуватися практично в будь-якому пристрої, який підтримує CF-платы. До подібних пристроїв відносяться цифрові камери, кишенькові персональні комп'ютери (КПК), МРЗ-проигрыватели і інші пристрої, що використовують модулі пам'яті Compact Flash.

Через декілька років ряд компаній, зокрема HP, Calluna і Toshiba, почали розробку 1,8-дюймових накопичувачів. В даний час лише Toshiba продовжує виробляти накопители цього формату. У 2000 році фахівці компанії Toshiba представили 1,8-дюймовий накопичувач, створений у фізичному форматі РС Card Type II. Ці накопичувачі, ємкість которых досягає 5 Гбайт і більш, можуть використовуватися в портативних комп'ютерах, а також в любом іншому пристрої, що дозволяє встановити стандартну плату РС Card.В большинстве накопителей устанавливается минимум два диска, хотя в некоторых малых моделях бывает и по одному. Количество дисков ограничивается физическими размерами накопителя, а именно высотой его корпуса. Самое большое количество дисков в накопителях формата 3,5 дюйма, с которым мне приходилось встречаться, равно 11.Раньше почти все диски производились из алюминиевого сплава, довольно прочного и легкого. Но со временем возникла потребность в накопителях, сочетающих малые размеры и большую емкость. Поэтому в качестве основного материала для дисков стало использоваться стекло, а точнее, композитный материал на основе стекла и керамики. Один из таких материалов называется МетСог и производится компанией Dow Corning. Он значительно прочнее, чем каждый из его компонентов в отдельности. Стеклянные диски отличаются большей прочностью и жесткостью, поэтому их можно сделать в два раза тоньше алюминиевых (а иногда еще тоньше). Кроме того, они менее восприимчивы к перепадам температур, т.е. их размеры при нагреве и охлаждении изменяются весьма незначительно. В настоящее время в некоторых накопителях, выпускаемых такими компаниями, как IBM, Seagate, Toshiba, Areal Technology, Western Digital и Maxtor, уже используются стеклянные или стеклокерамические диски. А в ближайшие годы большинство производителей перейдут на выпуск стеклянных дисков, которые заменят стандартные алюминиевые.

Рабочий слой диска

Независимо от того, какой материал используется в качестве основы диска, он покрывается тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным, и именно в нем сохраняется записанная информация. Самыми распространенными являются следующие типы рабочего слоя:

• оксидный;
• тонкопленочный;
• двойной антиферромагнитный (antiferromagnetically coupled — AFC).

Оксидный слой

Оксидный слой представляет собой полимерное покрытие с наполнителем из окиси железа. Наносят его следующим образом. Сначала на поверхность быстро вращающегося алюминиевого диска разбрызгивается суспензия порошка оксида железа в растворе полимера. За счет действия центробежных сил она равномерно растекается по поверхности диска от его центра к внешнему краю. После полимеризации раствора поверхность шлифуется. Затем на нее наносится еще один слой чистого полимера, обладающего достаточной прочностью и низким коэффициентом трения, и диск окончательно полируется. Если вам удастся заглянуть внутрь накопителя с такими дисками, то вы увидите, что они коричневого или желтого цвета.

Чем выше емкость накопителя, тем более тонким и гладким должен быть рабочий слой дисков. Но добиться качества покрытия, необходимого для накопителей большой емкости, в рамках традиционной технологии оказалось невозможным. Поскольку оксидный слой довольно мягкий, он крошится при "столкновениях" с головками (например, при случайных сотрясениях накопителя). Диски с таким рабочим слоем использовались с 1955 года, и продержались они так долго благодаря простоте технологии и низкой стоимости. Однако в современных моделях накопителей они полностью уступили место тонкопленочным дискам.

Тонкопленочный слой

Тонкопленочный рабочий слой имеет меньшую толщину, он прочнее, и качество его покрытия гораздо выше. Эта технология легла в основу производства накопителей нового поколения, в которых удалось существенно уменьшить величину зазора между головками и поверхностями дисков, что позволило повысить плотность записи. Сначала тонкопленочные диски использовались только в высококачественных накопителях большой емкости, но сейчас они применяются практически во всех накопителях.

Термин тонкопленочный рабочий слой очень удачен, так как это покрытие гораздо тоньше, чем оксидное. Тонкопленочный рабочий слой называют также гальванизированным или напыленным, поскольку наносить тонкую пленку на поверхность дисков можно по-разному.

Тонкопленочный гальванизированный рабочий слой получают путем электролиза. Это происходит почти так же, как при хромировании бампера автомобиля. Алюминиевую подложку диска последовательно погружают в ванны с различными растворами, в результате чего она покрывается несколькими слоями металлической пленки. Рабочим слоем служит слой из сплава кобальта толщиной всего около 1 микродюйма (приблизительно 0,025 мкм).

Метод напыления рабочего слоя заимствован из полупроводниковой технологии. Суть его сводится к тому, что в специальных вакуумных камерах вещества и сплавы вначале переводятся в газообразное состояние, а затем осаждаются на подложку. На алюминиевый диск сначала наносится слой фосфорита никеля, а затем магнитный кобальтовый сплав. Его толщина при этом всего 1-2 микродюйма (0,025-0,05 мкм). Аналогично поверх магнитного слоя на диск наносится очень тонкое (порядка 0,025 мкм) углеродное защитное покрытие, обладающее исключительной прочностью. Это самый дорогостоящий процесс из всех описанных выше, так как для его проведения необходимы условия, приближенные к полному вакууму.

Как уже отмечалось, толщина магнитного слоя, полученного методом напыления, составляет около 0,025 мкм. Его исключительно гладкая поверхность позволяет сделать зазор между головками и поверхностями дисков гораздо меньшим, чем это было возможно раньше (0,076 мкм). Чем ближе к поверхности рабочего слоя располагается головка, тем выше плотность расположения зон смены знака на дорожке записи и, следовательно, плотность диска. Кроме того, при увеличении напряженности магнитного поля по мере приближения головки к магнитному слою увеличивается амплитуда сигнала; в результате соотношение "сигнал-шум" становится более благоприятным.

И при гальваническом осаждении, и при напылении рабочий слой получается очень тонким и прочным. Поэтому вероятность "выживания" головок и дисков в случае их контакта друг с другом на большой скорости существенно повышается. И действительно, современные накопители с дисками, имеющими тонкопленочные рабочие слои, практически не выходят из строя при вибрациях и сотрясениях. Оксидные покрытия в этом отношении гораздо менее надежны. Если бы вы смогли заглянуть внутрь корпуса накопителя, то увидели бы, что тонкопленочные покрытия дисков напоминают серебристую поверхность зеркал.

Двойной антиферромагнитный слой

Последним достижением в технологии изготовления носителей жестких дисков является использование антиферромагнитных двойных слоев (antiferromagnetically coupled — AFC), позволяющих существенно увеличить плотность рабочего слоя, превысив наложенные ранее ограничения. Увеличение плотности материала дает возможность уменьшить толщину магнитного слоя диска. Плотность записи жестких дисков (которая выражается в количестве дорожек на дюйм или в числе бит на дюйм) достигла той точки, в которой кристаллы магнитного слоя, используемые для хранения данных, становятся настолько малы, что это приводит к их нестабильности и, как следствие, к низкой надежности запоминающего устройства. Границы плотности, получившие название суперпарамагнитного ограничения, должны находиться в пределах от 30 до 50 Гбит/дюйм2. В настоящее время плотность записи данных уже достигла 35 Гбит/дюйм2, т.е. суперпарамагнитное ограничение становится довольно существенным фактором, определяющим свойства создаваемых накопителей.

Носители AFC состоят из двух магнитных слоев, разделенных довольно тонкой пленкой металлического рутения, толщина которой 3 атома (6 ангстрем). Для описания этого сверхтонкого слоя рутения использовался шутливый термин "пыльца эльфов" (pixie dust), придуманный в IBM. Подобная многослойная конструкция образует антиферромагнитное соединение, состоящее из верхнего и нижнего магнитных слоев, что позволяет различать эти слои по всей видимой высоте жесткого диска. Такая конструкция дает возможность использовать

фізично товщі магнітні шари, стійкіші кристали великого розміру, що мають, завдяки чому носії можуть функціонувати як одинарний шар, отличающийся набагато меншою загальною товщиною.

У 2001 році IBM використовувала технологію AFC при створенні цілої серії 2,5-дюймових накопичувачів Travelstar 30GN для портативних комп'ютерів; жорсткі диски цього типа стали першими накопичувачами з робочим шаром AFC, що з'явилися на ринку. Крім того, IBM начала створювати 3,5-дюймові накопичувачі з робочим шаром AFC, використовувані в настільних комп'ютерах. Першим накопичувачем цього типа став Deskstar 120 GXP. Я вважаю, що незабаром і інші виробники почнуть виготовляти жорсткі диски за цією технологією. Іспользованіє робітника шаруючи AFC дозволить, як очікується, підвищити щільність запису даних до 1000 Гбіт/дюйм2 і більш.

Голівки чтения/записи

У накопичувачах на жорстких дисках для кожної із сторін кожного диска передбачена власна голівка чтения/записи. Всі голівки змонтовані на загальному рухливому каркасе і переміщаються одночасно.

Конструкція каркаса з голівками досить проста. Кожна голівка встановлена на кінці важеля, закріпленого на пружині і злегка притискуючого її до диска. Мало хто знає про те, що диск як би затиснутий між парою голівок (зверху і знизу). І якби це не спричинило жодних наслідків, можна було б провести невеликий експеримент: відкрити накопитель і підвести пальцем верхню голівку. Як тільки б ви її відпустили, вона вернулась би в первинне положення (те ж саме сталося б і з нижньою голівкою).

На мал. 10.7 показана стандартна конструкція механізму приводу голівок з рухливою котушкою.

Коли накопичувач вимкнений, голівки стосуються дисків під дією пружин. При раскручивании дисків аеродинамічний тиск під голівками підвищується і вони отрываются від робочих поверхонь ("злітають"). Коли диск обертається на повній швидкості, зазор між ним і голівками може складати 0,5-5 мікродюймів і навіть більше.

На початку 1960-х років величина зазору між диском і голівками складала 200-300 микродюймов; у сучасних накопичувачах вона досягає 10 нм, або 0,4 мікродюйма.Именно поэтому сборка блоков HDA выполняется только в чистых помещениях, соответствующих требованиям класса 100 (или даже более высоким). Это означает, что в одном кубическом футе воздуха может присутствовать не более 100 пылинок размером до 0,5 мкм. Для сравнения: стоящий неподвижно человек каждую минуту выдыхает порядка 500 таких частиц! Поэтому помещения оснащаются специальными системами фильтрации и очистки воздуха. Блоки HDA можно вскрывать только в таких условиях.Поддержка столь стерильных условий стоит немалых денег. Некоторые фирмы выпускают "чистые цеха" в настольном исполнении. Стоят они всего несколько тысяч долларов и выглядят, как большие ящики с прозрачными стенками, в которые вмонтированы перчатки для рук оператора. Прежде чем приступить к работе, оператор должен вставить в ящик устройство и все необходимые инструменты, затем закрыть ящик и включить систему фильтрации. Через некоторое время можно будет начинать разборку и прочие манипуляции с накопичувачем.Існують і інші способи створення стерильних умов. Уявіть собі, например, монтажний стіл, відгороджений від довколишнього простору повітряною завісою, причем безпосередньо на робоче місце під тиском постійно подається очищене повітря. Це нагадує встановлювані на зиму в дверях магазинів "завіски" з гарячого воздуха, які не заважають проходу, але і не дають теплу з приміщення вийти назовні.Оскільки подібне устаткування коштує досить дорого, за ремонт накопичувачів на жстких дисках зазвичай беруться лише їх виробники