Magnetisch. Elektrisch. Es ist photonisch. Nein, hier geht es nicht um ein neues Trio von Superhelden im Marvel-Universum. Hier geht es um unsere wertvollen digitalen Daten. Wir müssen es an einem sicheren und stabilen Ort aufbewahren, damit wir es schneller ändern können, als wir es halten und blinken können. Vergessen Sie Iron Man und Thor - wir sprechen über Speicherlaufwerke!

Jetzt machen wir uns bereit für das Theater, reinigen unsere Hände und schauen uns die Anatomie dessen an, was wir heute verwenden, um unsere Billionen digitaler Bits zu halten.

Wir haben die Anatomie eines Speicherlaufwerks in drei Teile unterteilt, die alle zur gleichzeitigen Überprüfung veröffentlicht wurden. Festplatte Fahrer, fester Zustand Lagerung und Optische Laufwerke. Folgen Sie den unten stehenden Links, um sie alle zusammen mit unseren zuvor veröffentlichten Arbeiten in der Reihe zu lesen.

TECH NEWS Anatomie der Computerhardwareserie

Sie können einen Desktop-Computer bei der Arbeit, in der Schule oder zu Hause haben. Sie können eine verwenden, um Steuererklärungen zu berechnen oder die neuesten Spiele zu spielen. Sie können sogar Computer einrichten und bearbeiten. Aber wie gut kennen Sie die Komponenten, aus denen ein PC besteht?

Du machst mich richtig, Baby

Lassen Sie uns zunächst die Eingeweide von Speicherplatten betrachten, die Magnetismus zum Speichern digitaler Daten verwenden. Mechanisch Festplatte (HDD) ist seit über 30 Jahren das Standardspeichersystem für Computer auf der ganzen Welt, aber die Technologie dahinter ist viel älter.




IBM bringt die erste Festplatte auf den Markt 1956'daalle 3,75 MB. Und im Allgemeinen hat sich die Gesamtstruktur zu diesem Zeitpunkt nicht wesentlich geändert. Es gibt Discs, die Magnetismus zum Speichern von Daten verwenden, und es gibt Geräte zum Lesen / Schreiben dieser Daten. Was hat geändert und weitgehend die Menge an Daten, die auf ihnen gespeichert werden können.




Im Jahr 1987 Kaufen Sie 20 MB Festplatte ungefähr $ 350; das ist heute etwas Geld bietet Ihnen 14 TB Speicherplatz: 700,000 mal mehr platz.

Wir werden etwas auseinander nehmen, das nicht so groß ist, aber heute noch ziemlich gut: speziell die 3,5-Zoll-Seagate Barracuda 3-TB-Festplatte ST3000DM001 ein schändliches Modell für sie hohe Ausfallrate ve nachfolgende Klagen. Dies ist auch tot, es ist also eher eine Autopsie als eine Anatomie-Lektion.







Der größte Teil der Festplatte besteht aus Metallguss. Bei starker Beanspruchung können die Kräfte im Inneren des Geräts sehr stark sein, sodass die Verwendung von dickem Metall verhindert, dass sich der Körper biegt und vibriert. Selbst kleine 1,8-Zoll-Festplatten verwenden Metall für den Körper, obwohl sie eher aus Aluminium als aus Stahl bestehen, da sie so leicht wie möglich sind.




Durch Umdrehen des Treibers sehen Sie eine Leiterplatte und eine Gruppe von Verbindungen. Die Oberseite der Platine ist für den Motor vorgesehen, der die Festplatten dreht, während die unteren drei Überbrückungsstifte von links nach rechts sind, damit das Laufwerk für bestimmte Einstellungen, SATA-Daten (Serial ATA) und SATA konfiguriert werden kann. Leistung.

Serial ATA wurde erstmals im Jahr 2000 eingeführt und ist das Standardsystem, das in Desktop-Computern zum Verbinden von Laufwerken mit dem Rest des Computers verwendet wird. Die Funktionen des Formats wurden seitdem mehrfach überarbeitet und wir befinden uns jetzt in Version 3.4. Unser Festplattenkadaver ist eine ältere Version, dies betrifft jedoch nur einen einzelnen Pin am Stromanschluss.




Verwendet sogenannte Datenverbindungen Differenzsignalisierung So senden und empfangen Sie Daten: A + und A- Pins Übertragung Wenn Sie der Festplatte Anweisungen und Daten geben, werden die B-Pins verwendet erhalten diese Signale. Durch die Verwendung solcher gekoppelter Kabel wird der Einfluss von elektrischem Rauschen auf das Signal erheblich reduziert, was bedeutet, dass es schneller laufen kann.

Auf der Leistungsseite können Sie sehen, dass es im Wesentlichen zwei von jeder Spannung gibt (+3,3, +5 und +12 V); Die meisten von ihnen werden nicht verwendet, da Festplatten nicht viel Strom benötigen. Dieses spezielle Seagate-Modell verbraucht unter schwerer Last weniger als 10 W. Mit PC gekennzeichnete Stromanschlüsse Vorladen one: Ermöglicht das Ein- und Ausziehen der Festplatte bei eingeschaltetem Computer (a.k.a. Heißer Tausch).

Dank des mit PWDIS gekennzeichneten Pins Remote-Reset Dies wird jedoch nur von SATA Version 3.3 unterstützt. Also nur eine weitere 3,3-V-Leitung in unserem Laufwerk. Der letzte zu verdeckende Pin, der mit SSU gekennzeichnete, teilt dem Computer lediglich mit, ob die Festplatte dies unterstützt herumstolpern.

Die Festplatten im Gerät - wir werden in wenigen Minuten sehen - müssen mit voller Geschwindigkeit gedreht werden, bevor der Computer sie verwenden kann. Wenn sich jedoch zu viele Festplatten in der Maschine befinden, kann es zu einem plötzlichen gleichzeitigen Strombedarf kommen, der das System ruiniert hat. Durch das Kaskadieren der Drehungen können solche Probleme vermieden werden. Sie müssen jedoch noch einige Sekunden warten, bis Sie mit der Festplatte Probleme haben.

Das Entfernen der Leiterplatte zeigt, wie die Leiterplatte mit den Komponenten in der Treibereinheit verbunden ist. Festplatten nicht Mit Ausnahme von luftdichten Laufwerken mit sehr großer Kapazität verwenden diese Helium anstelle von Luft, da sie viel weniger dicht sind und für Mehrscheibenlaufwerke weniger problematisch sind. Aber Sie möchten auch nicht, dass sie offen der Umwelt ausgesetzt sind.

Durch die Verwendung solcher Anschlüsse wird die Anzahl der Eintrittspunkte minimiert, an denen Schmutz und Staub in das Laufwerk gelangen können. Im Metallgehäuse befindet sich ein Loch - links neben dem Bild oben (großer weißer Punkt), um den Luftdruck relativ hoch zu halten.

Nachdem die Platine ausgeschaltet ist, schauen wir uns an, was hier passiert ist. Es gibt 4 Hauptchips, auf die man sich konzentrieren kann:

  • LSI B64002: Anweisungen, Ein- und Ausgang des Datenstroms, Fehlerkorrektur usw. Funktionierender Master-Controller-Chip.
  • Samsung K4T51163QJ: 64 MB DDR2-SDRAM mit 800 MHz zum Zwischenspeichern von Daten
  • Smooth MCKXL: Steuert den Motor, der die Discs dreht
  • Winbond 25Q40BWS05: 500 kB serieller Flash-Speicher zum Speichern der Firmware des Laufwerks (wie das BIOS eines Computers)

Es gibt kaum einen Unterschied zwischen der Vielzahl von Festplatten, wenn es um Komponenten auf der Leiterplatte geht. Größerer Speicher erfordert mehr Cache (Sie können bis zu 256 MB DDR3 in den neuesten Monstern finden) und der Haupt-Controller-Chip kann etwas komplizierter sein, wenn es um die Behandlung von Fehlern geht, aber es ist nicht viel drin.

Es ist einfach genug, das Laufwerk zu öffnen, schrauben Sie einfach ein paar Torx-Armaturen und Voila ab! Wir sind in ...

Da es den größten Teil der Einheit einnimmt, wird unsere Aufmerksamkeit sofort auf den großen Metallkreis gelenkt, sodass es nicht schwer zu erkennen ist, warum sie gesucht werden. Scheibe Treiber. Der richtige Name für sie ist eins Teller und sie bestehen aus Glas oder Aluminium, das mit mehreren Schichten verschiedener Verbindungen beschichtet ist. Dieses 3-TB-Laufwerk verfügt über drei Platten, sodass jede auf beiden Seiten 500 GB Speicher benötigt.

Das Aussehen dieser staubigen, borstigen Gerichte wird der für ihre Herstellung erforderlichen technischen und fertigungstechnischen Präzision nicht gerecht. In unserem HDD-Beispiel ist die Aluminiumscheibe selbst 1 mm dick, wurde jedoch poliert, sodass die durchschnittliche Höhe der Variationen auf der Oberfläche weniger als 0,000001 Zoll (ungefähr 30 nm) beträgt.

Eine Basisschicht mit einer Tiefe von nur 10 Mikrometern (0,0004 Zoll), die mehrere Schichten Verbundwerkstoff enthielt, wurde auf das Metall aufgebracht. Dies geschieht durch stromlose Beschichtung und dann Dampfansammlungbereitet die Platte auf wichtiges magnetisches Material vor, das zum Speichern digitaler Daten verwendet wird.

Dieses Material ist normalerweise eine komplexe Kobaltlegierung und befindet sich in konzentrischen Ringen mit einer Breite von jeweils etwa 0,00001 Zoll (etwa 250 nm) und einer Tiefe von 0,000001 Zoll (25 nm). Im mikroskopischen Maßstab bilden Metalllegierungen Körner wie Seifenblasen, die auf Wasser schwimmen.

Jedes Korn hat sein eigenes Magnetfeld, kann aber in eine bestimmte Richtung ausgerichtet werden. Das Gruppieren dieser Felder zeigt 0 und 1 Datenbits. Wenn Sie sich eingehender mit diesem Thema befassen möchten, lesen Sie weiter: dieses Dokument Yale University Final Coatings sind eine Kohlenstoffschicht zum Schutz und dann ein Polymer zur Verringerung der Kontaktreibung. Zusammen erreichen sie eine maximale Dicke von 12 nm (0,0000005 Zoll).

Wir werden sehen, warum die Platten gleichzeitig mit so hohen Toleranzen hergestellt werden müssen, aber es ist überraschend, darüber nachzudenken. Schon 15 US-Dollarkönnen Sie der stolze Besitzer der Produktion im Nanometerbereich sein!

Gehen wir zurück zur gesamten Festplatte und sehen, was es sonst noch gibt.

Das gelbe Kästchen hebt einen Metalldeckel hervor, der die Platte fest in Position hält. Spindelmotor - elektrischer Antrieb, der die Scheiben dreht. Sie drehen sich auf dieser Festplatte mit 7200 U / min, andere Modelle laufen jedoch langsamer. Langsamere Antriebe reduzieren den Geräusch- und Energieverbrauch, verringern jedoch die Leistung, während andere schnellere Antriebe 15.000 U / min erreichen können.

Um die schädlichen Auswirkungen von Staub und Luftfeuchtigkeit zu verringern, Umwälzfilter (grüne Box) nimmt kleine Partikel und fängt sie ein. Die durch die Drehung der Platten bewegte Luft sorgt für einen konstanten Durchfluss über den Filter. Eine von drei befindet sich oben auf den Discs und neben dem Filter Plattentrenner: Diese reduzieren Vibrationen und halten gleichzeitig den Luftstrom so regelmäßig wie möglich.

In der oberen linken Ecke des Bildes befindet sich einer der beiden permanenten Stabmagnete, die durch ein blaues Kästchen gekennzeichnet sind. Diese liefern das Magnetfeld, das erforderlich ist, um die rote Markierung der Komponente zu verschieben. Lassen Sie uns einige dieser Teile löschen, um dies besser zu sehen.

Es ist ein weiterer Filter, der wie ein klobiges Pflaster aussieht, aber ansonsten Partikel und Gase von außen entfernt, wenn er in das Loch eintritt, das wir zuvor gesehen haben. Metallspitzen Aktuatorarme Halten Sie die Festplatte Köpfe lesen / schreiben - Sie bewegen sich mit lächerlich hoher Geschwindigkeit über die Oberfläche der Platten (oben und unten).

Mit freundlicher Genehmigung dieses Videos Slow Mo Jungs Um zu sehen, wie schnell:

Anstatt so etwas zu benutzen SchrittmotorEin elektrischer Strom wird um eine Drahtspule an der Basis des Arms geleitet, um die Arme in Position zu halten.

Dies sind normalerweise Schwingspulenweil das Prinzip, mit dem Lautsprecher und Mikrofone weiche Kegel bewegen, dasselbe ist. Der Strom erzeugt ein Magnetfeld um ihn herum, das auf das Feld reagiert, das von Permanentstabmagneten erzeugt wird.

Datenbusse sehr kleinDeshalb muss die Positionierung der Hebel äußerst präzise sein - genau wie alles andere beim Fahren. Einige Festplatten verfügen über mehrstufige Aktuatoren, die mit nur einem Teil des gesamten Arms kleinere Richtungsänderungen vornehmen können.

Auf bestimmten Festplatten überlappen sich Datenspuren tatsächlich. Zu dieser Technologie gemischte magnetische Aufnahmeund die Anforderung an Genauigkeit und Präzision (dh wiederholtes Schlagen der richtigen Position) ist noch größer.

Präzise Lese- / Schreibköpfe befinden sich an der Spitze der Arme. Unsere Festplatte hat 3 Platten und 6 Köpfe und jeweils schwebend dreht sich auf der Platte. Dazu werden die Köpfe an zwei ultradünnen Metallstreifen aufgehängt.

Hier können wir sehen, warum unser Anatomiebeispiel gestorben ist - mindestens ein Kopf war entspannt und was den ursprünglichen Schaden verursachte, verdrehte auch einige der Stützarme. Die gesamte Kopfkomponente ist so klein, dass es wirklich schwierig ist, mit einer normalen Kamera ein gutes Bild zu erhalten, wie wir unten sehen können.

Wir können jedoch einige Teile herstellen. Grauer Block, speziell verarbeitet und SchiebereglerWenn sich die Scheibe darunter dreht, hebt der Luftstrom die Höhe von der Oberfläche ab und erzeugt einen Auftrieb. Und wenn wir "geschlossen" sagen, sprechen wir nur von einer Lücke von weniger als 0,0000002 Zoll oder 5 nm.

Weiter und Köpfe konnten keine Änderungen der Magnetfelder auf der Landebahn erkennen. Wenn die Köpfe tatsächlich an der Oberfläche anliegen würden, würden sie nur die Beschichtung entfernen. Aus diesem Grund muss die Luft im Laufwerkskasten gefiltert werden: Staub und Feuchtigkeit auf der Plattenoberfläche zerstören nur die Köpfe.

Die kleine Metallstange am Ende des Kopfes unterstützt die allgemeine Aerodynamik. Wir brauchen jedoch ein besseres Bild, um die Teile zu sehen, die tatsächlich lesen und schreiben.

Im obigen Bild sind Lese- und Schreibteile von einer anderen Festplatte allen Stromspuren ausgesetzt. Schreiben ein Film Induktion (TFI) -System, Lesen ist a Tunnelbau magnetischer Widerstand (TMR) Gerät.

Die vom TMR erzeugten Signale sind sehr schwach und müssen durch einen Verstärker geleitet werden, um die Pegel zu erhöhen, bevor ihre Pegel gesendet werden. Der dafür verantwortliche Chip ist im Bild unten in der Nähe der Basis der Aktuatorarme zu sehen.

Wie in der Einleitung zu diesem Artikel erwähnt, haben sich die mechanischen Komponenten und der Betrieb eines Festplattenlaufwerks im Laufe der Jahre nicht wesentlich geändert. Die Technologie hinter dem Magnetteil und den Lese- / Schreibköpfen erzeugt schmalere und dichtere Spuren und bietet letztendlich mehr Speicherkapazität.

Mechanische Festplattenlaufwerke weisen jedoch deutliche Leistungsbeschränkungen auf. Es dauert einige Zeit, bis sich die Aktuatorarme in die erforderliche Position bewegen. Wenn die Daten auf verschiedenen Schienen auf einzelnen Platten verteilt sind, verbringt das Laufwerk eine relativ große Anzahl von Mikrosekunden mit der Jagd. bisschen nach unten.

Bevor wir mit der Zuweisung eines anderen Speicherlaufwerkstyps beginnen, erstellen wir einen Benchmark für die Leistung einer typischen Festplatte. Wir haben CrystalDiskMark zum Vergleichen verwendet WD 3,5 "5400 U / min 2 TB Sabit Disk:

Die ersten beiden Zeilen zeigen die Anzahl der MB Daten pro Sekunde, die nacheinander (eine lange, fortlaufende Liste) und zufällig (Überspringen des Festplattenlaufwerks) ausgeführt und geschrieben werden müssen. Die nächste Zeile zeigt einen IOPS-Wert, der die Anzahl der Eingabe- / Ausgabetransaktionen pro Sekunde angibt. Die letzte Zeile zeigt die durchschnittliche Verzögerung (Zeit in Mikrosekunden) zwischen der angegebenen Lese- / Schreiboperation und dem empfangenen Datenwert.

Im Allgemeinen möchten Sie, dass die Werte in den ersten drei Zeilen so groß wie möglich und in der letzten Zeile so klein wie möglich sind. Machen Sie sich keine Sorgen um die Zahlen selbst. Wenn wir uns das nächste Laufwerk ansehen, werden wir es zum Vergleich verwenden: Festkörperspeicher.

Lesen Sie hier weiter Anatomie von SSDs.

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Masthead Kredit: Patrick Lindenberg