Коженевский С.Р., Прокопенко С.Д., ООО «ЕПОС» 

Источник: http://www.epos.ua/

Среди всех других систем магнитной записи накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) являются доминирующими устройствами хранения данных. Благодаря большой емкости (сотни гигабайт), низкой удельной стоимости хранения (порядка 10 центов за ГБ), сравнительно небольшому времени доступа (порядка 10 мс) и зрелой инфраструктуре производства, они широко применяются в качестве основных носителей информации во всех современных компьютерах – от ноутбуков до серверов. В 2008 г. объем мирового рынка жестких дисков составил более 540 миллионов устройств. По оценкам экспертов, этот рынок растет даже во время экономического кризиса.
 

УСТРОЙСТВО ЖЕСТКИХ ДИСКОВ

Конструкция современных жестких дисков представляет собой сложнейшую систему, содержащую как электронные, так и механические компоненты. Структурная блок-схема типичного НЖМД представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема жесткого диска

Конструктивно он состоит из герметичной камеры и платы контроллера. К основным функциональным подсистемам жестких дисков относятся:

1. Магнитные головки записи/чтения и магнитные диски (пластины)

Интегрированные головки записи/чтения представляют собой объединенные в один миниатюрный узел тонкопленочные индуктивные головки записи и магниторезистивные головки чтения. Размеры головок чрезвычайно малы,  у современных накопителей они имеют порядок 30-50 нм, что в несколько тысяч раз меньше толщины человеческого волоса. Для защиты от повреждений головки закрепляются на кромке слайдера имеющего обтекаемую аэродинамическую форму, которая обеспечивает возможность «полета» головок на необходимой высоте над вращающимися с большой скоростью пластинами. Изображения слайдера и магнитной головки для популярных в середине 1990-х гг. жестких дисков приведены на рис. 2.

 Рис. 2. Слайдер и тонкопленочная головка записи/чтения

Слайдер закрепляется на конце пружинящего стального поводка, формируя т.н. блок поводков и головок (head-gimbal assembly, HGA) (рис. 3). Поводок, в свою очередь, фиксируется на жестком рычаге позиционера, обеспечивающего перемещение головок над пластинами в радиальном направлении. Система из нескольких позиционеров (по одному на каждую рабочую поверхность пластины) называется блоком магнитных головок (БМГ).

Рис. 3. Поводок жесткого диска с закрепленным на нем слайдером

Конструкция и принципы построения магнитных головок записи / чтения подробно описаны в книге «Магнитные головки» из серии «Взгляд на жесткий диск «изнутри» [2].

2.  Канал чтения-записи

Он содержит электронные цепи: цепь детектирования при чтении и цепь записи. Конструктивно он строится на основе микросхем очень большой степени интеграции, которые располагаются на плате контроллера жесткого диска (рис. 4).

Рис. 4. Плата контроллера современного жесткого диска:  

   
• 1) микросхема управления двигателем  
• 2) микросхема процессора жесткого диска
• 3) интерфейсный разъем (SATA)
     

В герметичной камере накопителя размещен только один элемент канала чтения-записи – предварительный усилитель-коммутатор, который крепится непосредственно на блоке магнитных головок. Он отвечает за формирование токов записи индивидуально для каждой записывающей головки и предварительное усиление сигналов чтения. Изображение корпусной микросхемы предварительного усилителя-коммутатора приведена на рис. 5.

Рис. 5. Микросхема усилителя-коммутатора

3. Интерфейс, расположенный на плате контроллера. Через него компьютер обменивается данными с жестким диском (рис. 4).

4. Механическая система и сервосистема [рис. 6], включающая в себя :

   
• поворотный двигатель позиционера, предназначенный для перемещения головок над пластинами [рис. 6];
• магнитную систему поворотного двигателя;
• шпиндельный двигатель, обеспечивающий вращение пакета пластин [рис. 7];
• управляющую электронику.

Рис. 6. Позиционер и магнитная система поворотного двигателя

Сервосистема обеспечивает высокоточное (с субмикронной точностью) позиционирование головок над необходимой дорожкой. Ее работа основана на считывании сигналов из специальных участков диска – сервосекторов, или сервометок, которые записываются на жесткий диск в процессе его производства. Из этих сигналов вычисляется сигнал ошибки положения головки, который передается через обратную связь на позиционер и служит для устранения отклонений головки от центра заданной дорожки.

Рис. 7. Элементы механической системы жесткого диска и конструкция шпиндельного двигателя

Более подробно принципы работы сервосистемы рассмотрены в книге «Механика и сервосистема» из серии «Взгляд на жесткий диск «изнутри» [3].

Принцип взаимодействия блока головок и дисков основан на эффекте аэродинамического подшипника, который возникает между слайдером и вращающимся диском. Благодаря этому эффекту поддерживается постоянное расстояние, называемое высотой полета головки, между головкой и рабочей поверхностью. Фактически, при нормальной работе жесткого диска головка никогда не касается пластины, она «парит» над ней.

Высота полета головки современных жестких дисков составляет порядка 10 нм (рис. 8), при очень высокой относительной скорости между слайдером и диском (~10 м/с и более). В зарубежной литературе при описании взаимодействия слайдера и пластин традиционно приводится аналогия с Боинг-747, летящем на полной скорости непосредственно над поверхностью земли.

Рис. 8. Интерфейс головка-диск

Такая удивительная возможность достигнута благодаря совершенствованию знаний в области  трибологии. Трибология – это наука о трении, износе и смазочных характеристиках различных поверхностей. В приложении к магнитной записи это наука, изучающая взаимодействие (интерфейс) между головками и пластинами. 
 

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖЕСТКИХ ДИСКОВ

Форматированная емкость С – это объем накопителя, доступный для хранения пользовательских данных после форматирования накопителя. Емкость современных жестких дисков на начало 2010г. составляет до 2000 ГБ (2 терабайта). При обозначении емкости жестких дисков производители используют величины, кратные 1000, т.е. 1 ГБ = 1,000,000,000 байт.

Основным преимуществом магнитных жестких дисков над оптическими носителями является возможность размещения в одном корпусе большего количества блоков головок и дисков, благодаря значительно меньшим размерам магнитных головок по сравнению с оптическими. 

Время задержки из-за вращения диска t_r – это время, требуемое головке чтения для поворота от произвольного сектора до требуемого сектора на той же дорожке. Среднее время задержки из-за вращения диска определяется как время, за которое диск совершает половину оборота. Скорость вращения современных дисков находится в диапазоне от 3600 об/мин (в миниатюрных 1 дюймовых дисках) до 15000 об/мин (в высокопроизводительных серверных накопителях). Большинство жестких дисков, используемых в современных компьютерах, имеют скорость вращения 7200 об/мин, в ноутбуках часто применяются накопители со скоростью 5400 об/мин. Таким образом, типовое время задержки из-за вращения диска составляет около 4 мс.

Время доступа t_a – время, необходимое для перемещения головки чтения с текущей дорожки до начала считывания данных из заданного сектора. Представляет собой сумму трех величин:

t_a = t_sk + t_set + t_r                [1]

•    времени поиска t_sk – время, требуемое для перемещения с произвольной дорожки до заданной дорожки, но без готовности чтения
•    времени установки головки t_set – время, необходимое для стабилизации вибраций головки в конце этапа поиска
•    времени задержки из-за вращения диска t_r.

Характерное время доступа у современных НЖМД составляет порядка 5-10 мс.
 

Линейная плотность записи D_L определяет количество битовых ячеек на единицу длины дорожки жесткого диска и обычно измеряется в битах/дюйм (bits per inch, BPI) [рис.9].

Еще одной общеупотребительной единицей измерения линейной плотности является количество изменений направления намагниченности на дюйм (flux change per inch, FCI). В простейших схемах кодирования, например, БВНИ кодах, один бит соответствует одному переходу намагниченности или изменению направления намагниченности, в таком случае эти величины эквивалентны. В то же время, в большинстве практических систем магнитной записи существует разница между BPI и FCI.

Плотность дорожек D_t зависит от ширины и шага дорожек и определяет количество дорожек на пластине. Измеряется в дорожках на дюйм (tracks per inch, TPI). Под шагом дорожек подразумевают расстояние между центрами смежных дорожек [рис.9].

Рис. 9. Схематическое расположение битовых ячеек на дорожках

Поверхностная плотность записи D определяется как величина, обратная площади битовой ячейки, имеет размерность Гб/кв.дюйм. Очевидно, что поверхностная плотность записи является произведением линейной плотности и плотности дорожек. Одна из основных целей исследований магнитной записи – повышение одновременно линейной плотности и плотности дорожек для достижения максимальной поверхностной плотности записи. Повышение поверхностной плотности записи приводит к увеличению емкости накопителя, сокращению удельной стоимости хранения данных и уменьшению времени доступа.

Скорость передачи данных R – количество записанных/считанных бит в единицу времени, которые обрабатываются головкой. Она зависит от линейной плотности записи и скорости вращения дисков и различается на внешнем и внутреннем радиусе пластины. Типовые значения скорости передачи данных для современных накопителей составляют от 45-75 МБ/с (внутренний диаметр) до 60-120 МБ/с (внешний диаметр).

Форм-фактор FF (физический размер). Современные жесткие диски имеют стандартные размеры. Наиболее популярны компьютерные диски с шириной 3,5 дюйма и ноутбучные с шириной 2,5 дюйма. Выпускаются также диски в форм-факторах 1,8 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма.

 


Рис. 10. Жесткие диски форм-факторов 5 дюймов, 3,5 дюймов, 2,5 дюймов, 1,8 дюйма, 1 дюйм

ИСТОРИЯ И ТЕНДЕНЦИИ ЦИФРОВОЙ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ

Накопители на жестких магнитных дисках, называемые также устройствами хранения данных с прямым доступом, впервые были разработаны специалистами IBM в конце 1950-х гг в Сан-Хосе, Калифорния. Первый жесткий диск RAMAC (или IBM 350) был представлен в 1956 году. Аббревиатура RAMAC означает  Random Access Method Of Accounting And Control (метод расчетов и управления со случайным доступом). IBM 350 RAMAC состоял из 50 дисков (100 рабочих поверхностей) диаметром 24 дюйма. Каждая поверхность содержала 100 дорожек, диски вращались со скоростью 1200 об/мин. Общая емкость первого жесткого диска составляла 5МБ при скорости передачи данных 8,8 КБ/с. Поверхностная плотность составляла приблизительно 2 Кб/кв.дюйм. RAMAC без сомнения стал эпохальным изобретением [рис.11]. 

Рис. 11. Первый жесткий диск RAMAC

В нем использовался гидростатический воздушный подшипник, но в следующих поколениях НЖМД применялись гидродинамические воздушные подшипники. Первые слайдеры изготавливались путем механического закрепления на нем головок записи/ чтения. В процессе производства сборка отдельных головок (до 22 штук в одном жестком  диске) в блок магнитных головок осуществлялась с помощью специального высокоточного оборудования.

Для замены индивидуальных головок в БМГ при восстановлении информации на жестких дисках старых моделей в компании ЕПОС® было разработано прецизионное устройство выпрессовки / запрессовки головок (рис. 12). Применение устройства в технологическом процессе Центра восстановления информации ЕПОС позволило снизить временные затраты и значительно повысить вероятность успешного восстановления данных на жестких дисках с большим количеством головок.

Рис. 12. Устройство выпрессовки головок

Заслуживает отдельного упоминания представленная в 1973 г. модель диска IBM 3340, в котором впервые в одном неразборном корпусе были объединены пластины и головки. При ее разработке использовалось внутреннее кодовое название «30-30», поэтому в честь популярного в США ружья Winchester .30-30 эту модель начали называть «винчестер» [рис.14]. В ней впервые использовались ферритовые слайдеры с небольшим весом и диски с защитным смазочным слоем. Слайдер «винчестера» изготавливался целиком из феррита. Конструкция содержала два (или четыре) диска диаметром 14 дюймов. Емкость такого накопителя была 35 (или 70) МБ, скорость передачи данных составляла 0,8МБ/с, поверхностная плотность – 1,69 Мб/кв.дюйм.

         
  
а) ферритовая монолитная головка                         б) конструкция и внешний вид слайдера

Рис. 13. Конструкции головок чтения записи первых поколений жестких дисков

 
Рис. 14. Ружье Winchester Model 1894, давшее название «винчестер»

Современные жесткие диски, несмотря на значительно возросшую емкость, часто называют винчестерами, хотя это больше характерно для русскоязычных источников.

С момента изобретения жестких дисков их технологии эволюционно и революционно развивались с огромной скоростью. Среднегодовой показатель роста составлял 30% в 70-80-е гг., достигнув поразительно значения 60% в 90-х гг. Такой скачок в 90-х годах был вызван в первую очередь благодаря внедрению магниторезистивных головок и канала чтения на основе PRML. Среднегодовой рост на уровне 60% означает, что поверхностная плотность записи удваивается каждые 18 месяцев – аналогично закону Мура, говорящему об удвоении производительности процессоров каждые 18 мес.

Технологии магнитной записи в настоящее время являются доминирующими в большинстве компьютеров. Они широко применяются в современных компьютерах, включая ноутбуки, настольные ПК и серверы, несмотря на непрерывно муссирующуюся в прессе проблему достижения т.н. суперпарамагнитного эффекта. Этот эффект заключается в потере битами температурной стабильности (с самопроизвольным перемагничиванием) при уменьшении их размеров и является фундаментальным ограничением на увеличение плотности записи.

Тем не менее, за последнее десятилетие суперпарамагнитный предел непрерывно смещается вверх с разработкой и внедрением новых технологий магнитной записи. Так, если в конце 90-хх гг. прошлого столетия он оценивался на уровне 40-70 Гб/кв.дюйм, то сегодня ученые говорят о близкой перспективе достижения поверхностной плотности записи на уровне 1 Тб/кв.дюйм. Последние практические успехи в повышении плотности записи связаны с внедрением технологии перпендикулярной магнитной записи, которая начала широко применяться в жестких дисках с 2005 г.