Головка чтения записи жесткого диска
Обновлено: 07.07.2024
Жёсткий диск или HDD — устройство хранения данных. До появления твердотельных накопителей (SSD) оно использовалось и для установки системы, и для размещения пользовательских файлов. Несмотря на конкуренцию со стороны более совершенной технологии, HDD продолжает оставаться важным элементом компьютером. Чтобы правильно пользоваться накопителем и продлить его работоспособность, нужно знать, из чего он состоит и как устроен.
Основы конструкции
Состав комплектующих в самых общих чертах раскрывается уже в полном названии — накопитель на жёстких магнитных дисках. Но это в большей степени описание технологии, а мы же начнём с элементарного — физического устройство носителя. Если взять его в руки и покрутить, то можно быстро выделить две части:
- Плата управления — служит для подключения диска к компьютеру, руководства всеми процессами внутри HDD и синхронизации с операционной системой.
- Герметичный блок — собранный из алюминия корпус, внутри которого располагаются остальные компоненты жёсткого диска.
Это очень общая классификация, которая пока ничего не говорит о том, как же всё работает. Чтобы разобраться в деталях, углубимся в разборку накопителя.
Плата управления
Начнём с изучения платы. В самом центре схемы расположен большой чип — микроконтроллер (MCU). Он состоит из двух компонентов:
- Центральный вычислительный блок — выполняет все расчёты.
- Канал чтения и записи — устройство, которое переводит аналоговый сигнал с головки в дискретный и наоборот — из цифрового сигнала в аналоговый.
На микропроцессоре также есть порты ввода/вывода, через которые он управляет остальными элементами в плате и обменивается информацией через интерфейс SATA, используемый для подключения к материнской плате.
Второй чип, который мы обнаруживаем на плате, — DDR SDRAM память. От его объёма зависит количество доступного кэша на диске. Чип разделён на память прошивки, которая частично содержится во флеш-накопителе, и буферную память, используемую процессором для загрузки прошивки.
Третий чип — контроллер управления двигателем и головками (VCM controller). Он также отвечает за работу дополнительных источников питания, расположенных на плате. От них получают энергию микропроцессор и предусилитель-коммутатор — элемент из герметичного блока, о котором мы поговорим ниже. VCM controller потребляет больше энергии, чем остальные компоненты, потому что занимается вращением шпинделя и движением головок.
Этот контроллер управляет механическим движением головок Этот контроллер управляет механическим движением головокНа схеме также есть датчик вибраций, который следит за уровнем тряски. Если интенсивность кажется ему опасной, то он посылает сигнал на контроллер управления двигателями и головками с требованием немедленно припарковать головки или вовсе остановить вращение HDD. Теоретически это должно защитить диск от механических повреждений, но на практике часто приводит к тому, что накопитель выходит из строя. Если его уронить, то датчики начинают реагировать на малейшую вибрацию и блокируют работу носителя.
Защитой HDD также занимается ограничитель переходного напряжения. Его задача — предотвратить выход диска из строя при скачке напряжения. Таких ограничителей на плате может быть несколько.
Благодаря ограничителю напряжения диск защищён от скачков Благодаря ограничителю напряжения диск защищён от скачковУстройство простое, но очень функциональное. Каждый элемент выполняет свою задачу и обеспечивает общую связь между всеми компонентами жёсткого диска.
Гермоблок
Гермоблок — это не просто коробка, в которой хранятся магнитные диски. Поверхность этого компонента тоже выполняет крайне важные задачи. Если мы открутим плату управления, то увидим под ней контакты от моторов и головок. Они осуществляют связь с платой. Рядом с ними — почти невидимое техническое отверстие, задача которого — выравнивание давления внутри и снаружи герметичной коробки. Внутренняя часть отверстия покрыта фильтром, который не пропускает влагу и пыль в хранилище магнитных дисков.
У гермоблока очень функциональная поверхность под платой управления У гермоблока очень функциональная поверхность под платой управленияКрышка герметичного блока с другой стороны представляет собой пласт металла с резиновой прокладкой, которая защищает внутренности от пыли и влаги. Снимаем её и видим магнитные диски — их ещё называют блинами и пластинами.
На этих пластинах хранится информация, которую мы записываем на жёсткий диск На этих пластинах хранится информация, которую мы записываем на жёсткий дискДиски обычно делают из стекла или предварительно отполированного алюминия. Пластины покрываются слоями разных веществ, среди которых ферромагнетик. Именно благодаря ему мы получаем возможность записывать, хранить и считывать данные. Над верхним блином и между остальными пластинами располагаются сепараторы. Они выравнивают воздушные потоки и снижают уровень шума. Разделители обычно изготавливают из пластика или алюминия — последние лучше справляются с понижением температуры внутри герметичной зоны.
Блок магнитных головок
Одно из самых сложных устройств в жёстком диске имеет блок магнитных головок (БМГ). Рассмотрим все элементы, которые он содержит. Начнём с головок чтения записи — они расположены на концах кронштейнов. Когда шпиндель остановлен, головки должны располагаться в препаровочной области — это специально выделенное место, которое задействовано, если вал не работает. На некоторых HDD препаровочные области находятся вне пластин.
Для нормального функционирования накопителя требуется чистый воздух с минимальным содержанием посторонних частиц. Для обеспечения такой атмосферы внутри накопителя устанавливаются циркуляционные фильтры. Они выводят частицы смазки и металла, которые собираются в гермокорпусе в процессе работы HDD. Фильтры стоят на пути воздушных потоков, появляющихся при вращении пластин.
Он магнитный. Он электрический. Он фотонный. Нет, это не новое супергеройское трио из вселенной Marvel. Речь идёт о хранении наших драгоценных цифровых данных. Нам нужно где-то их хранить, надёжно и стабильно, чтобы мы могли иметь к ним доступ и изменять за мгновение ока. Забудьте о Железном человеке и Торе — мы говорим о жёстких дисках!
Итак, давайте погрузимся в изучении анатомии устройств, которые мы сегодня используем для хранения миллиардов битов данных.
You spin me right round, baby
Механический накопитель на жёстких дисках (hard disk drive, HDD) был стандартом систем хранения для компьютеров по всему миру в течение более 30 лет, но лежащие в его основе технологии намного старше.
Первый коммерческий HDD компания IBM выпустила в 1956 году, его ёмкость составляла аж 3,75 МБ. И в целом, за все эти годы общая структура накопителя не сильно изменилась. В нём по-прежнему есть диски, которые используют для хранения данных намагниченность, и есть устройства для чтения/записи этих данных. Изменился же, и очень сильно, объём данных, который можно на них хранить.
В 1987 году можно было купить HDD на 20 МБ примерно за 350 долларов; сегодня за такие же деньги можно купить 14 ТБ: в 700 000 раз больший объём.
Мы рассмотрим устройство не совсем такого размера, но тоже достойное по современным меркам: 3,5-дюймовый HDD Seagate Barracuda 3 TB, в частности, модель ST3000DM001, печально известную своим высоким процентом сбоев и вызванных этим юридических процессов. Изучаемый нами накопитель уже мёртв, поэтому это будет больше похоже на аутопсию, чем на урок анатомии.
Перевернув накопитель, мы видим печатную плату и несколько разъёмов. Разъём в верхней части платы используется для двигателя, вращающего диски, а нижние три (слева направо) — это контакты под перемычки, позволяющие настраивать накопитель под определённые конфигурации, разъём данных SATA (Serial ATA) и разъём питания SATA.
Serial ATA впервые появился в 2000 году. В настольных компьютерах это стандартная система, используемая для подключения приводов к остальной части компьютера. Спецификация формата претерпела множество ревизий, и сейчас мы пользуемся версией 3.4. Наш труп жёсткого диска имеет более старую версию, но различие заключается только в одном контакте в разъёме питания.
В подключениях передачи данных для приёма и получения данных используется дифференцированный сигнал: контакты A+ и A- используются для передачи инструкций и данных в жёсткий диск, а контакты B — для получения этих сигналов. Подобное использование спаренных проводников значительно снижает влияние на сигнал электрического шума, то есть устройство может работать быстрее.
Если говорить о питании, то мы видим, что в разъёме есть по паре контактов каждого напряжения (+3.3, +5 и +12V); однако большинство из них не используется, потому что HDD не требуется много питания. Эта конкретная модель Seagate при активной нагрузке использует менее 10 Вт. Контакты, помеченные как PC, используются для precharge: эта функция позволяет вытаскивать и подключать жёсткий диск, пока компьютер продолжает работать (это называется горячей заменой (hot swapping)).
Контакт с меткой PWDIS позволяет удалённо перезагружать (remote reset) жёсткий диск, но эта функция поддерживается только с версии SATA 3.3, поэтому в моём диске это просто ещё одна линия питания +3.3V. А последний контакт, помеченный как SSU, просто сообщает компьютеру, поддерживает ли жёсткий диск технологию последовательной раскрутки шпинделей staggered spin up.
Перед тем, как компьютер сможет их использовать, диски внутри устройства (которые мы скоро увидим), должны раскрутиться до полной скорости. Но если в машине установлено много жёстких дисков, то внезапный одновременный запрос питания может навредить системе. Постепенная раскрутка шпинделей полностью устраняет возможность таких проблем, но при этом перед получением полного доступа к HDD придётся подождать несколько секунд.
Сняв печатную плату, можно увидеть, как она соединяется с компонентами внутри устройства. HDD не герметичны, за исключением устройств с очень большими ёмкостями — в них вместо воздуха используется гелий, потому что он намного менее плотный и создаёт меньше проблем в накопителях с большим количеством дисков. С другой стороны, не стоит и подвергать обычные накопители открытому воздействию окружающей среды.
Благодаря использованию таких разъёмов минимизируется количество входных точек, через которые внутрь накопителя могут попасть грязь и пыль; в металлическом корпусе есть отверстие (большая белая точка в левом нижнем углу изображения), позволяющее сохранять внутри давление окружающей среды.
Теперь, когда печатная плата снята, давайте посмотрим, что находится внутри. Тут есть четыре основных чипа:
- LSI B64002: чип основного контроллера, обрабатывающий инструкции, передающий потоки данных внутрь и наружу, корректирующий ошибки и т.п.
- Samsung K4T51163QJ: 64 МБ DDR2 SDRAM с тактовой частотой 800 МГц, используемые для кэширования данных
- Smooth MCKXL: управляет двигателем, крутящим диски
- Winbond 25Q40BWS05: 500 КБ последовательной флеш-памяти, используемой для хранения встроенного ПО накопителя (немного похожего на BIOS компьютера)
Открыть накопитель просто, достаточно открутить несколько болтов Torx и вуаля! Мы внутри…
Учитывая, что он занимает основную часть устройства, наше внимание сразу привлекает большой металлический круг; несложно понять, почему накопители называются дисковыми. Правильно их называть пластинами; они изготавливаются из стекла или алюминия и покрываются несколькими слоями различных материалов. Этот накопитель на 3 ТБ имеет три пластины, то есть на каждой стороне одной пластины должно храниться 500 ГБ.
Изображение довольно пыльное, такие грязные пластины не соответствуют точности проектирования и производства, необходимого для их изготовления. В нашем примере HDD сам алюминиевый диск имеет толщину 0,04 дюйма (1 мм), но отполирован до такой степени, что средняя высота отклонений на поверхности меньше 0,000001 дюйма (примерно 30 нм).
Базовый слой имеет глубину всего 0,0004 дюйма (10 микронов) и состоит из нескольких слоёв материалов, нанесённых на металл. Нанесение выполняется при помощи химического никелирования с последующим вакуумным напылением, подготавливающих диск для основных магнитных материалов, используемых для хранения цифровых данных.
Этот материал обычно является сложным кобальтовым сплавом и составлен из концентрических кругов, каждый из которых примерно 0,00001 дюйма (примерно 250 нм) в ширину и 0,000001 дюйма (25 нм) в глубину. На микроуровне сплавы металлов образуют зёрна, похожие на мыльные пузыри на поверхности воды.
Каждое зерно обладает собственным магнитным полем, но его можно преобразовать в заданном направлении. Группирование таких полей приводит к возникновению битов данных (0 и 1). Если вы хотите подробнее узнать об этой теме, то прочитайте этот документ Йельского университета. Последними покрытиями становятся слой углерода для защиты, а потом полимер для снижения контактного трения. Вместе их толщина составляет не больше 0,0000005 дюйма (12 нм).
Скоро мы увидим, почему пластины должны изготавливаться с такими строгими допусками, но всё-таки удивительно осознавать, что всего за 15 долларов можно стать гордым владельцем устройства, изготовленного с нанометровой точностью!
Однако давайте снова вернёмся к самому HDD и посмотрим, что же в нём есть ещё.
Жёлтым цветом показана металлическая крышка, надёжно крепящая пластину к электродвигателю привода шпинделя — электроприводу, вращающему диски. В этом HDD они вращаются с частотой 7200 rpm (оборотов/мин), но в других моделях могут работать медленнее. Медленные накопители имеют пониженный шум и энергопотребление, но и меньшую скорость, а более быстрые накопители могут достигать скорости 15 000 rpm.
Чтобы снизить урон, наносимый пылью и влагой воздуха, используется фильтр рециркуляции (зелёный квадрат), собирающий мелкие частицы и удерживающий их внутри. Воздух, перемещаемый вращением пластин, обеспечивает постоянный поток через фильтр. Над дисками и рядом с фильтром есть один из трёх разделителей пластин: помогающих снижать вибрации и поддерживать как можно более равномерный поток воздуха.
В левой верхней части изображения синим квадратом указан один из двух постоянных стержневых магнитов. Они обеспечивают магнитное поле, необходимое для перемещения компонента, указанного красным цветом. Давайте отделим эти детали, чтобы видеть их лучше.
То, что выглядит как белый пластырь — это ещё один фильтр, только он очищает частицы и газы, попадающие снаружи через отверстие, которое мы видели выше. Металлические шипы — это рычаги перемещения головок, на которых находятся головки чтения-записи жёсткого диска. Они с огромной скоростью движутся по поверхности пластин (верхней и нижней).
Посмотрите это видео, созданное The Slow Mo Guys, чтобы увидеть, насколько они быстрые:
В конструкции не используется чего-то вроде шагового электродвигателя; для перемещения рычагов по соленоиду в основании рычагов проводится электрический ток.
Обобщённо их называют звуковыми катушками, потому что они используют тот же принцип, который применяется в динамиках и микрофонах для перемещения мембран. Ток генерирует вокруг них магнитное поле, которое реагирует на поле, созданное стержневыми постоянными магнитами.
Не забывайте, что дорожки данных крошечны, поэтому позиционирование рычагов должно быть чрезвычайно точным, как и всё остальное в накопителе. У некоторых жёстких дисков есть многоступенчатые рычаги, которые вносят небольшие изменения в направление только одной части целого рычага.
В некоторых жёстких дисках дорожки данных накладываются друг на друга. Эта технология называется черепичной магнитной записью (shingled magnetic recording), и её требования к точности и позиционированию (то есть к попаданию постоянно в одну точку) ещё строже.
На самом конце рычагов есть очень чувствительные головки чтения-записи. В нашем HDD содержится 3 пластины и 6 головок, и каждая из них плавает над диском при его вращении. Для этого головки подвешены на сверхтонких полосках металла.
И здесь мы можем увидеть, почему умер наш анатомический образец — по крайней мере одна из головок разболталась, и что бы ни вызвало изначальный повреждение, оно также погнуло один из рычагов. Весь компонент головки настолько мал, что, как видно ниже, очень сложно получить её качественный снимок обычной камерой.
Однако мы можем разобрать отдельные части. Серый блок — это специально изготовленная деталь под названием «слайдер»: когда диск вращается под ним, поток воздуха создаёт подъёмную силу, поднимая головку от поверхности. И когда мы говорим «поднимает», то имеем в виду зазор шириной всего 0,0000002 дюйма или меньше 5 нм.
Чуть дальше, и головки не смогут распознавать изменения магнитных полей дорожки; если бы головки лежали на поверхности, то просто поцарапали бы покрытие. Именно поэтому нужно фильтровать воздух внутри корпуса накопителя: пыль и влага на поверхности диска просто сломают головки.
Крошечный металлический «шест» на конце головки помогает с общей аэродинамикой. Однако чтобы увидеть части, выполняющие чтение и запись, нам нужна фотография получше.
На этом изображении другого жёсткого диска устройства чтения и записи находятся под всеми электрическими соединениями. Запись выполняется системой тонкоплёночной индуктивности (thin film induction, TFI), а чтение — туннельным магнеторезистивным устройством (tunneling magnetoresistive device, TMR).
Создаваемые TMR сигналы очень слабы и перед отправкой должны проходить через усилитель для повышения уровней. Отвечающий за это чип находится рядом с основанием рычагов на изображении ниже.
Как сказано во введении к статье, механические компоненты и принцип работы жёсткого диска почти не изменились за многие годы. Больше всего совершенствовалась технология магнитных дорожек и головок чтения-записи, создавая всё более узкие и плотные дорожки, что в конечном итоге приводило к увеличению объёма хранимой информации.
Однако механические жёсткие диски имеют очевидные ограничения скорости. На перемещение рычагов в нужное положение требуется время, а если данные разбросаны по разным дорожкам на различных пластинах, то на поиски битов накопитель будет тратить довольно много микросекунд.
Прежде чем переходить к другому типу накопителей, давайте укажем ориентировочные показатели скорости типичного HDD. Мы использовали бенчмарк CrystalDiskMark для оценки жёсткого диска WD 3.5" 5400 RPM 2 TB:
В первых двух строчках указано количество МБ в секунду при выполнении последовательных (длинный, непрерывный список) и случайных (переходы по всему накопителю) чтения и записи. В следующей строке показано значение IOPS, то есть количество операций ввода-вывода, выполняемых каждую секунду. В последней строке показана средняя задержка (время в микросекундах) между передачей операции чтения или записи и получением значений данных.
В общем случае мы стремимся к тому, чтобы значения в первых трёх строчках были как можно больше, а в последней строчке — как можно меньше. Не беспокойтесь о самих числах, мы просто используем их для сравнения, когда будем рассматривать другой тип накопителя: твердотельный накопитель.
Михаил Тычков aka Hard
Доброго времени суток.
Как известно, жесткий диск состоит из многих сложных устройств и механизмов. Сейчас нас интересуют только головки чтения/записи, а также система привода и управления ими. Представим схематично диски и головки так:
На каждую поверхность каждого диска приходится своя головка. В тот момент, когда комп выключен, головки лежат на внешнем крае дисков, в той области, где нет никакой информации. С включением компа, головки поднимаются. Среднее рабочее расстояние от поверхности диска до головки в среднем примерно 0,1 мкм. Согласитесь, расстояние мизерное. Если учесть тот факт, что рабочее покрытие дисков очень хрупкое (сам пробовал царапать отверткой), а скорость вращения очень высокая (7200 об/мин и выше), то становятся понятны высокие требования фирм-производителей к аккуратности в пользовании жесткими дисками. Наиболее уязвим винт во время работы, хотя скажу Вам, что я видел комп с вмятиной на корпусе от удара ногой во время работы. И ничего, винт выдержал! Но это так, из жизни. А вообще-то, в жестких дисках применяется множество систем и приемов, для продления срока службы. Вот хотя бы такая фича: головки во время работы не касаются дисков, но между ними возникает воздушная подушка, если головка надолго зависает над одной дорожкой в ожидании следующей команды, то через определенное время, автоматически, головки будут передвинуты на произвольно выбранную, но уже другую дорожку. Это делается во избежание износа поверхности диска из-за трения о воздух.
Существует несколько типов головок. Вот они:
3. С металлом в зазоре.
Обо всех типах я постараюсь более менее подробно рассказать.
Электромагнитные.
Этот тип головок применялся в первых жестких дисках. Головки представляли собой сердечники с обмоткой. С повышением требований к плотности записи такие головки утратили актуальность, да и размеры их оставляли желать лучшего. Но, не смотря ни на что, электромагнитные головки продержались довольно долго. Больше я на них задерживаться не буду.
Ферритовые.
Этот тип головок изготавливался из прессованного феррита, изготовленного на основе окиси железа. Затем появились стеклоферритовые головки, которые еще назывались композитными. Разница заключалось в том, что ферритовый сердечник заключался в керамический корпус. Сия конструкция позволяла увеличить плотность размещения дорожек (ширина то ферритового сердечника уменьшилась). Упрощенный принцип работы таков: при протекании тока через обмотку, в зазоре появлялось магнитное поле. При изменении напряженности поля вблизи зазора в обмотке наводится электродвижущая сила. Впервые ферритовые головки применила фирма IBM в 1966 году. В принципе и все.
С металлом в зазоре (MIG).
Смешное название, мне напоминает что-то типа «с гвоздем в голове» (MIG – Metal-In-Gap, что дословно – метал в зазоре). Но сие название появилось не спроста и идет оно от конструктивных особенностей. Этот тип был разработан на основе композитных головок. Разница в том, что в нерабочий, обратный поверхности диска зазор заполнен металлом, что снижает склонность материала сердечника к магнитному насыщению. В свою очередь, это позволяет повысить магнитную индукцию в зазоре между головкой и диском. Такие головки формируют на поверхности диска намагниченные участки с более выраженными границами, что позволяет использовать более тонкопленочный слой. К тому же, более яркие границы участков уменьшают длину зон перехода от знака к знаку (зона смены знака), а значит, и повысить плотность. В последствии появились двухслойные MIG-головки в которых метал нанесен с обеих сторон сердечника, то есть в нерабочий и в рабочий зазоры. Такая фишка позволила улучшить качества однослойных головок. Следует отметить, что в MIG – головках сердечник меньших размеров, чем в ферритовых, а значит и масса самих головок меньше, а это позволяет уменьшить зазор между дисками и головками.
Тонкопленочные (TF).
Первые тонкопленочные головки появились в 1979 году. Thin Film Heads (так звучит по-английски полное название) произвели небольшую революцию среди головок чтения/записи, так как они производились путем фотолитографии (такой же принцип применяется для производства интегральных микросхем). Это позволяет резко уменьшить размер головок и уменьшить их вес. Более того, конструкция нового типа позволяла изменять зазор между головкой и диском путем наращивания слоев алюминиевого сплава на рабочую поверхность головки. Уменьшение зазора дает увеличение остаточной намагниченности и повышается отношение «сигнал - шум», так как увеличивается амплитуда сигнала. Кроме этого, алюминиевый сплав предотвращает повреждения головки о поверхность диска. Большим преимуществом TF-головок является уменьшение зоны смены знака, что позволяет увеличить плотность записи.
Магниторезистивные (MR).
Появились эти головки в 1990 году благодаря инженерам фирмой IBM (куда ни плюнь, всюду IBM). По сути дела MR (Magneto-Resistive) головки представляют собой симбиоз двух типов головок: магниторезистивная часть предназначена для чтения, а для записи – индуктивная тонкопленочная часть. Почему так? Через MR-головку протекает ток, когда головка проходит над участками диска с разным значением намагниченности ее сопротивление изменяется. А раз меняется сопротивление, то меняется и ток. Вот и все (в упрощенном варианте, конечно). Применение двух типов головок потребовало применение системы изменения зазора во время работы. Дело в том, что для записи зазор должен быть больше, чем для считывания. Это несколько усложнило конструкцию, зато полоса записи во время записи получается немного шире, чем это необходимо для считывания, а значит, уменьшаются помехи от соседних дорожек при чтении.
Теперь поговорим о приводе головок. Сами головки чтения/записи крепятся на рычагах, которые перемещают их над поверхностью дисков. Рычаги же, в свою очередь приводятся в движение приводом.
Существует два типа привода:
-
1. Шаговый двигатель.
Шаговый двигатель. Если взять в руки такой двигатель и покрутить его за ось, то можно ощутить щелчки. Это и есть шаги, то есть двигатель за один шаг (от щелчка до щелчка) поворачивается на заданный угол. Говоря умным языком, ротор шагового двигателя поворачивается ступенчато. При повороте привода на шаг, рычаг переносит головку от одной дорожки к другой.
Недостаток такого привода в том, что ротор двигателя может останавливаться только в фиксированных положениях. Но при нагреве диски увеличиваются, а значит, дорожки смещаются относительно своего первоначального положения. И вот тут вот начинается геморрой, ведь шаговый двигатель может передвинуть головки только с дорожки на дорожку, а вот скомпенсировать тепловое расширение – нет. Сказать по правде, шаговые двигатели в приводе головок чтения/записи жестких дисков – это анахронизм. Такие винты теперь еще поискать надо.
Подвижная катушка. Здесь все предельно просто в плане передвижения: есть магниты, есть катушка. При подаче тока через катушку, она начинает передвигаться. К ней прикреплены рычаги с головками. Понятно, что фиксированных положений такой привод не имеет, а имеется система позиционирования, которая использует сигнал обратной связи от головки. Она то и задает нужный угол поворота или расстояние для перемещения.
Почему я так сказал? А потому, что подвижные катушки бывают двух типов: линейные и поворотные. В линейной катушке головки движутся вдоль радиуса дисков по прямой. Недостаток таких приводов заключается в том, что он довольно громоздок и тяжел. Достоинства: нет необходимости учитывать азимут (угол между плоскостью рабочего зазора и направлением дорожки записи). А вот в поворотной катушке рычаги перемещаются вдоль диска на заданный угол. Так как угол между головками и дорожками на диске постоянно меняется, то его необходимо постоянно учитывать. А это уже недостаток. Зато такой привод легче и быстрее. Почти все современные жесткие диски используют привод с поворотной катушкой.
Ну и напоследок кое-что об обратной связи. Для позиционирования головок применяются специальные сервокоды, записанные с помощью кода Грея (это когда при переходе от одного числа к следующему изменяется только один двоичный разряд, при переходе к предыдущему числу происходит то же самое). По началу эти сервокоды записывались в один клин. Понятно, что такое расположение затормаживает работу винта, так как чтобы считать очередной сервокод, необходимо ждать пока диски сделают оборот. Поэтому стали использовать встроенные сервокоды. Фактически, они записываются перед началом каждого сектора. Теперь нет необходимости ждать целого оборота, что существенно повысило быстродействие жестких дисков. Существует также система со специальным диском. Смысл тут вот в чем: одна поверхность диска предназначена для записи данных, а вторая – для сервокодов и прочей служебной информации. Головки работают в паре. Добавлю, что сервокоды записываются производителем жесткого диска и не стираются даже при низкоуровневом форматировании.
Головки чтения/записи накопителей HDD.Часть первая.
Плотность записи накопителей на жестких дисках (HDD) в первую очередь определяется размером и конструкцией головок чтения/записи. Именно в направлении развития и совершенствования головок очень долгое время работала вся отрасль "жестких дисков". Результатом долгой, кропотливой и "умной" работы инженеров стал целый ряд новейших разработок своего времени. Каждый новый тип головки чтения/записи становился поворотным моментом в развитии накопителей и проводил к увеличению плотности записи и емкости дисков на порядок, а иногда и на несколько порядков. Знание важнейших этапов развития жестких дисков является неотъемлемой чертой хорошего специалиста по ремонту дисков и восстановлению информации.
Практически в любой публикации по устройству накопителей HDD, которыми пестрит Internet, мы сможем найти поверхностный обзор головок чтения/записи. Однако тема головок чтения/записи на самом деле гораздо шире и занимательнее, чем это можно представить себе, читая отрывочные и бессистемные заметки на данную тему. Кроме того, бросается в глаза то, что во всех Internet-публикациях классификация головок практически одна и та же, причем эта классификация явно страдает неполнотой представленной информации. В реальности же, типов головок чтения/записи гораздо больше, чем это принято считать в рунете, и поэтому, как нам кажется, разговор на данную тему вполне буде актуальным.
Итак, не откладывая в долгий ящик, приступим к обзору головок чтения/записи накопителей HDD, в котором в той или иной степени буду затронуты следующие их типы:
1. Ферритовые головки чтения-записи (FH)
2. Головки чтения-записи с металлом в зазоре (MIG)
3. Тонкопленочные головки чтения-записи (TF)
4. Магниторезистивные головки чтения (MR)
5. Гигантские магниторезистивные головки чтения (GMR), они же SPIN-VALVE головки (SV GMR)
6. GMR-головки чтения для продольной записи (GMR CIP)
7. GMR-головки чтения для перпендикулярной записи (GMR CPP)
8. Зеркальные GMR головки чтения
9. Двойные зеркальные GMR-головки чтения
10. Туннельные ферромагнитные головки чтения (MTJ)
11. Колоссальные магниторезистивные головки чтения (CMR)
12. Туннельные магниторезистивные головки чтения (TMR)
13. Головки для магнитной записи с помощью нагрева (HAMR-головки)
Так как в рамках одной статьи рассмотреть все эти технологии даже поверхностно является достаточно трудной задачей, то данный обзор мы разбили на несколько частей, которые будут публиковаться в нескольких номерах нашего журнала.
Ферритовые головки
Ферритовые головки были самыми первыми головками чтения/записи, использовавшимися фирмой IBM в накопителях типа "винчестер". Эти головки имеют самую простую конструкцию и самый простой принцип работы. Сердечник головки выполнен из прессованного феррита, изготовленного на основе окиси железа, и имеет U-образную форму. Вокруг этого сердечника наматывается обмотка, в которой и создается ток записи или чтения. Фактически, ферритовая головка представляет собой классический электромагнит очень малых размеров. Таким образом, на концах U-образного магнита формируются магнитные полюса (южный и северный), создающие магнитное поле. При этом направление силовых линий данного магнитного поля определяется направлением тока в обмотке головки. Сердечник головки состоит из двух половинок, между которыми имеется зазор (рис.1).
При выполнении операции записи на диск, электрический ток, протекающий через обмотку головки, создает магнитное поле в зазоре между полюсами сердечника (рис.2), в результате чего и происходит намагничивание поверхности дискового накопителя. Смена направления тока в обмотке головки приводит к изменению полярности магнитного поля, а, соответственно, и к изменению направления намагничивающей силы (рис.2-a и рис.2-б).
При чтении же, наоборот, намагниченная область диска, "пролетая" под головкой, создает в U-образном сердечнике изменяющееся магнитное поле, что, в свою очередь, приводит к появлению в обмотке электрического тока. Направление тока в обмотке зависит от полярности намагниченной области диска (рис.3).
Таким образом, ферритовая головка является универсальной, т.е. может использоваться как для записи, так и для чтения информации с диска.
Ферритовые головки имели значительные габариты и были довольно громоздкими, в результате чего их размещали на достаточно большом расстоянии от дисковой поверхности. Это обстоятельство, в свою очередь, приводило к необходимости увеличивать массу и габариты магнитных доменов диска для того, чтобы они могли обеспечить значительную напряженность магнитного поля. Таким образом, с помощью ферритовых головок невозможно добиться высокой плотности записи, и их применение ограничивалось дисками, емкостью до 50 Мбайт.
Устройство ферритовой головки чтения-записи и ее внешний вид показаны на рис.4. На этой фотографии очень хорошо виден ползунок (слайдер), который к головке чтения-записи прямого отношения не имеет, а предназначен для того, чтобы задавать необходимое расстояние между головкой и поверхностью диска. Слайдер позволяет головке "порхать" над поверхностью диска на заданной высоте. Конструкция, габариты и другие параметры слайдера имеют очень большое значение, но об этом чуть позже.
Вскоре ферритовые головки были усовершенствованы путем помещения сердечника в керамический корпус, что позволило увеличить плотность записи. Такие головки широко использовались в накопителях до середины 80-х годов. Ферритовые головки непригодны для записи на носители с большой коэрцитивной силой.
MIG-головки
MIG - Metal-In-Gap (метал в зазоре) – это композитные головки, в которых нерабочий (обратный поверхности диска) зазор заполнен металлом (рис.5).
Такая конструкция позволяет значительно уменьшать магнитное насыщение сердечника головки. Благодаря заполнению заднего технологического зазора, склонность материала сердечника к магнитному насыщению уменьшается, что позволяет увеличить магнитную индукцию (индукция насыщения магнитного сплава вдвое выше, чем самого ферритового сердечника головки) и записывать данные с большей плотностью за счет увеличения коэрцитивной силы. Технология MIG позволяет увеличить магнитную индукцию в зазоре между головкой и диском. MIG-головки формируют на поверхности диска намагниченные участки с более выраженными границами намагниченных зон, что позволяет использовать более тонкий магнитный слой. Сердечник MIG-головок имеет значительно меньшие размеры, по сравнению с сердечниками ферритовых головок, что приводит к уменьшению их массы, а, следовательно, и к уменьшению зазора между головкой и поверхностью диска. Один из вариантов конструкции MIG-головки показан на рис.6.
Существовала также разновидность MIG-головок с напылением магнитного сплава и в рабочий зазор – так называемые, двухслойные MIG-головки. Такой подход позволял улучшить характеристики головок.
Так как MIG-головки, являются разновидностью ферритовых головок, то они являются универсальными головками чтения-записи.
Конструкция MIG-головок позволяла производить дисковые накопители с емкостью от 50 до 100 Мбайт.
Тонкопленочные головки
Первые тонкопленочные (Think Film – TF) головки получили практическое применение в 1979 году, хотя их конструкция разрабатывалась с 1960 года. В литературе можно встретить еще и такое название этих головок, как тонкопленочные индуктивные головки –Thin Film Inductive (TFI). Производились тонкопленочные головки путем фотолитографии, т.е. так же как и интегральные микросхемы. Данная технология производства позволяет резко уменьшить размер и массу головок.
Сердечник тонкопленочной головки получается следующим образом. На подложку головки по специальному шаблону наносится очень тонкий слой проводящего материала – железоникелевого сплава, величина индукции насыщения которого в 2-4 раза больше, чем у пермаллоя (ферромагнитного сплава). В результате, сердечник, на который наматывается обмотка, получается очень компактным. Малый вес и малые габариты TF-головок позволяют до 0,03 мкм уменьшить просвет между поверхностью диска и головкой. Небольшая высота TF-головок способствует тому, что в накопителе удается разместить большее количество магнитных дисков, без увеличения его высоты. Эти головки также имели хорошую остаточную намагниченность участков поверхности носителя.
Конструкция TF-головок позволяет изменять зазор между головкой и диском путем наращивания слоев алюминиевого сплава на рабочую поверхность головки. Уменьшение зазора дает увеличение остаточной намагниченности и повышается отношение «сигнал—шум», так как увеличивается амплитуда сигнала. Кроме этого, алюминиевый сплав предотвращает повреждения головки о поверхность диска. Большим преимуществом TF-головок является уменьшение магнитных доменов на дисковой поверхности, что позволяет увеличить плотность записи.
Временем "расцвета" технологии TF-головок можно считать конец восьмидесятых – середина девяностых годов 20 века. С использованием тонкопленочных головок производились накопители емкостью от 100 МБ до нескольких Гбайт.
Пример тонкопленочной головки чтения-записи представлен на рис.7.
Магниторезистивные головки
Во-первых, сразу стоит оговориться, что магниторезистивный эффект используется только для построения головки чтения. Таким образом, магниторезистивные головки, в отличие от рассмотренных выше типов головок, состоят уже из двух частей:
Модель такой разделенной по функциям головки чтения/записи демонстрируется на рис.8, где очень хорошо видно, что запись и чтение осуществляется разными элементами головками. (Головки записи на рис.8 показана для простоты понимания в виде индуктивной ферритовой головки, хотя на самом деле она является тонкопленочной).
Впоследствии тонкопленочная головка записи во многих накопителях была несколько модернизирована и приобрела такой вид, как это показано на рис.9.
Высокая чувствительность MR-головки чтения требует обязательного наличия экранирующих элементов, предотвращающих воздействие на головку внешних магнитных полей.
Свою историю магниторезистивные головки (Magnitoresitive – MR) начинают с начала 90-х. Первые поколения этих головок являлись анизотропными магниторезистивными головками (Anisotropic Magnitoresistive – AMR), и именно термином AMR обозначали их в различной документации. Позже данный тип головок стали обозначать просто MR, но сейчас в некоторых случаях возникает путаница, связанная с тем, что термином MR называют иногда и следующее поколение головок GMR. Именно поэтому в современных публикациях зачастую опять возвращаются к термину AMR для обозначения магниторезистивных головок. Фотография магниторезистивной головки демонстрируется на рис.10.
Рис.10
Применение магниторезистивных головок позволяет добиться чрезвычайно высокой плотности записи данных и высокого быстродействия накопителя. Принцип работы головки основан на том, что при считывании данных реактивное сопротивление обмотки MR-головки оказывается различным при прохождении над участками с разными значениями остаточной намагниченности. Таким образом, магниторезистивная головка регистрирует не на изменения намагниченности (как это было в головках рассмотренных выше), а на величину намагниченности рабочего слоя диска.
В составе магниторезистивной головки чтения имеется добавочная обмотка, в которой создается постоянный измерительный ток. В момент, когда головка проходит над зоной намагниченности, сопротивление этой обмотки изменяется, а соответственно изменяется величина измерительного тока. Контролируя величину этого тока, управляющая схема регистрирует наличие полезного сигнала на выходе головки чтения. Амплитуда выходного сигнала MR-головки в несколько раз больше, чем тонкопленочной. Фактически, главным отличием MR-головки является то, что она представляет собой резистивный датчик магнитного поля, а не генератор электродвижущей силы, как описанные ранее головки.
В ферритовых, MIG и TF головках рабочий зазор между головкой и поверхностью накопителя один – и для операций записи и для операций чтения – и это логично, ведь данные головки одновременно являются и головками чтения, и головками записи. А вот в MR-головке рабочих зазоров два – каждый для своей операции (рис.11). В MR-головках у считывающего узла зазор должен быть меньшим (для увеличения разрешающей способности), а у записывающего – более широким (для более глубокого проникновения магнитного потока в рабочий слой носителя). Поэтому записывающая головка создает более широкие дорожки, чем это необходимо для считывающей MR-головки. Таким образом, при считывании не захватываются шумы с соседних дорожек, что, несомненно, повышает привлекательность использования MR-головок в накопителях.
Рис.11
Кроме того, стоит отметить, что между головками чтения и записи и поверхностью диска также получаются разные зазоры. Головка чтения оказывается на большем расстоянии от поверхности диска, чем головка записи, поэтому чувствительность MR-сенсора имеет весьма большое значение для уверенного приемам сигнала от магнитного домена. Разность зазоров чтения и записи обусловлена наклонным положением слайдера головки (рис.12).
Рис.12
Представление о реальном устройстве магниторезистивной головки и ее положении относительно магнитного носителя информации (дорожек на диске) дает рис.13.
Рис.13
Магниторезистивная головка имеет сложную, многослойную структуру (рис.14), а основой головки является железо-никелевый сплав (NiFe), который и является датчиком магнитного поля, на выходе которого формируется электрический сигнал при прохождении под головкой намагниченного участка (рис.15).
Рис.14
В железо-никелевом сенсоре течет постоянный ток, но в момент прохождения под головкой магнитного домена, магнитное поле искажает траекторию электронов сенсора, что приводит к изменению сопротивления железо-никелевой пластины. В результате, величина тока в магнитном сенсоре возрастает, или, наоборот, уменьшается, в зависимости от направления магнитного поля.
Рис.15
MR-головки используются в большинстве накопителей емкость от 1 Гбайт до 30 Гбайт.
Устройство жесткого диска включает в себя следующие компоненты — магнитные пластины, на которые записывается информация; головки чтения/записи; двигатели, которые заставляют вращаться пластины на высокой скорости ну и также блок электроники, который играет большую роль в производительности жестких дисков.
В связи с этим устройство жесткого диска можно разбить на три блока.
Первый блок – хранилище информации, состоящее из одного или нескольких стеклянных/металлических дисков, покрытых с двух сторон магнитным слоем, на которые и записываются данные. Магнитная поверхность дисков разделена на концентрические дорожки, которые в свою очередь делятся на секторы. Имеется еще одно деление – цилиндры. Цилиндры – это сумма всех совпадающих друг с другом дорожек по вертикали, по всем рабочим поверхностям.
Второй блок – это механическая часть, отвечающая за вращение дисков первого блока, а также четкое позиционирование считывающих/записывающих головок. Каждой поверхности диска назначается своя головка и располагаются они по вертикали точным столбиком. Таким образом, в любой момент времени все головки находятся на дорожках с одинаковым номером и работают в пределах одного цилиндра. В качестве технологических параметров жесткого диска указывается число считывающих головок, а не количество рабочих поверхностей.
Головка жесткого диска
Головка жесткого диска — это крошечный объект, которая «парит» на очень маленьком расстоянии над магнитной поверхностью диска. Она прикрепляется на кончик несущей и состоит из двух частей (невидно невооруженным глазом) – головки чтения и головки записи.
Работа головки чтения заключается в определении изменений магнитного потока, которые модулируют нулевой и единичный биты. Головка чтения изготавливается из магниторезистивного материала — его электрическое сопротивление меняется как функция проходящего сквозь него магнитного поля. Головка записи имеет более сложную конструкцию, поскольку ей нужно создавать магнитное поле, достаточно сильное, чтобы менять ориентацию магнитных доменов в пластине. Для данной задачи используется одна или большее число катушек.
Размеры головки жёсткого диска впечатляют. Ширина составляет меньше сотни нанометров, а толщина — около десяти. Головка парит над пластиной, вращающейся со скоростью 15 000 об/мин, на высоте, эквивалентной 40 атомам. Все элементы головки изготавливаются по технологиям, схожим с производством микропроцессоров. То есть головки вырезаются из подложек, на которых они формируются методом фотолитографии и осаждения нужных материалов. Таким образом, производство магнитных головок свойственно только крупным компаниям, т.к. изготовление магнитных головок требует значительных финансовых и интеллектуальных затрат.
Третий блок – это блок электроники, включающий в себя микросхемы, ответственные за обработку данных, коррекцию возможных ошибок и управление механической памятью, а также микросхемы кэш-памяти.
Читайте также: