Как работает жесткий диск - Before You Open!

Д ля всех тех, кому море по колено - посвящается. Перед Вами «очень» наглядная анимация работы жесткого диска сделанная Jacob O’Neal главным креативным директором Animagraffs. Мы надеемся, что теперь, у Вас будет меньше желания проверять «внутренности» вашего накопителя без надобности! И уверяем Вас, что полученные ощущения от вскрытия неисправного жесткого диска, будут равноценны тому, что Вы сможете проделать с данной интерактивной моделью жесткого диска - но без риска потери важной для Вас информации!

Устройство жесткого диска

Перед вами жесткий диск Seagate ST4000DM000 (ST4000VN000-1H4168), модель 2012 года выпуска, семейства Lombard. Снабженный 4-я алюминиевыми пластинами и 8-ю головами. Несущий слой изготовлен с применением
технологии PMR (CMR) 6-ого поколения Showa Denko

.

Поворотный привод VCM

Интерфейс подключения (SATA/SAS)

Плата электроники (PCB)

Пакет дисков (пластин)

Магнитная головка (чтения/записи)

Шпиндельный двигатель (Spindle motor)


Чтение и запись информации


Постоянные магниты (неодимовый)

Каждый постоянный магнит имеет «северный» и «южный» полюс, где северный притягивает южный и наоборот.

Звуковая катушка (Voice coil)

Электрический ток проходящий сквозь звуковую катушку создает электромагнитное поле, которое взаимодействует с постоянными магнитами. В зависимости от направления движения тока, меняется и полярность электромагнитного поля, что и приводит в движение катушку. Интенсивность и длительность тока определяют, насколько быстро и далеко будет перемещаться катушка.

Скорость передвижения катушки позволяет доставить головки от внешнего трека пластины до внутреннего (full stroke) более 50 раз в секунду!


Гибкий шлейф
(Flexible Printed Circuit)

Соединяет плату электроники с поворотным приводом VCM и коммутатором (preamp) головок.

Подвеска milli DSA

С установленным слайдером и шлейфом называется HGA. Улучшает позиционирование голов за счет PTZ-привода.

Магнитные головки
(чтения/записи)

Элементы располагаются вертикально относительно магнитной поверхности пластин, ближе к торцу слайдера. И разделены тонкопленочными слоями-барьерами.

Поверхность пластины


Слайдер (Slider)

Обращенная к диску поверхность слайдера имеет протравленные специальной формы, аэродинамические канавки. Которые стабилизируют высоту полёта слайдера. Вращение пластин создаёт «воздушный подшипник», которая удерживает головку на высоте ~ 2 нм над пластиной. А для более точного позиционирования элементов чтения/записи используется термопривод.




Головка чтения

Считывающая головка представляет собой TMR-датчик (сенсор туннельного магнитосопротивления), состоящий из изолятора, зажатого между двумя слоями ферромагнитного материала (свободный слой/контактный слой).

Вектор намагниченности контактного слоя фиксирован, а вектор свободного слоя меняется в соответствии с направлением «считанного» магнитного поля домена. При совпадении этих векторов, прохождение (туннелирование) электронов через изолятор к свободному слою возможен и общее сопротивление контура падает. Когда противоположны - прохождение электронов через контактный слой затруднено и тем самым, сопротивление контура возрастает.

Головка записи

При перпендикулярной магнитной записи используется поле, генерируемое между срезом полюса головки записи и отражающим слоем («Soft magnetic underlayer»), находящимся под рабочим слоем пластины. Который усиливает и отражает сгенерированное поле к возвратному полюсу пишущей головки. Таким образом перемагничивая домены рабочего слоя («Hard magnetic layer») пластины. Магнитный домен с северным полюсом вверх - 1, в то время как домен с северным полюсом вниз - 0.





Магнитный домен

Любой магнитный материал состоит из доменов - областей, внутри которых магнитные моменты всех атомов направлены в одну сторону. Под действием внешнего магнитного поля домены могут менять направление магнитного момента. Обычно домен состоит из 60-80 магнитных зерен, что приравнивается к 1 биту.


Запись на пластины (пакет дисков)

Вопреки расхожему мнению, запись на магнитные пластины происходит не единовременно. Очередность и размер записываемой зоны, по каждой голове, будет зависеть от качества пластин и голов, объёма модели и прошивки. И ещё типа файловой системы. Так что данный момент, оставим на совести производителей. Для примера, мы взяли отформатированный диск и записали на него несколько файлов, а затем с помощью PC3000, простроили карту занятого пространства и занесли в эту таблицу.

Для большей наглядности, процесса записи, мы предлагаем вам сыграть в магнитную змейку. Нумерация и последовательность ячеек, равна очередности и номеру головки при записи. Игра отображается, только, на ноутбуках и компьютерах!

StartScore: 0Press the start button to begin.


Пластины и шпиндельный двигатель


Прижимное кольцо
(platters clamp)

Жестко фиксирует собранный пакет пластин. Не позволяя им двигаться друг относительно друга.

Пластины (platters)

На данный момент встречаются два вида пластин для жестких дисков:



Пластины с алюминиевой подложкой
- имеют самое широкое применение из-за своей стоимости и веса. Самым крупным из поставщиков алюминиевых пластин, является корпорация Showa Denko. В январе 2019 г., компания анонсировала пластины с применением технологии традиционной магнитной записи PMR (CMR) 9-ого поколения.

Пластины со стеклянной подложкой
- хотя и обладают, более высокими показателями (меньшая толщина и вес, термостойкость, энергоэффективность и главное равномерность рабочей поверхности). Только сейчас добрались до 3.5" дисков.
Крупнейшим поставщиком стеклянных пластин для жестких дисков, является корпорация Hoya. Еще в сентябре 2017 г., она представила образы 3.5" дисков с пакетом из 10 (0,5мм) и 12 (0,381мм) пластин. А в феврале 2019 г., корпорация объявила о начале строительства завода по изготовлению платин для 2.5" дисков, а также дисков использующий технологии MAMR и HAMR.

Разделительные кольца
(spacer rings)

Разделительные кольца располагаются между пластинами и изготавливаются с высокой точностью (из немагнитного сплава или полимеров) для обеспечения наилучшего выравнивания пластин.

Гидродинамический (жидкостный) подшипник (FDB)

Вал шпинделя находится внутри герметичной камеры корпуса подшипника, плотно заполненной однородной вязкой жидкостью. Которая заполняет пространство между валом и корпусом и предотвращает их соприкосновение. Тем самым снижается коэффициента трения и износа, уровень шума и тепловыделения. А также увеличивается вибростойкость.

Шпиндель (spindle)

На внутренней стороне движущегося шпинделя закреплен постоянный магнит, который является частью бесколлекторного двигателя постоянного тока (BLDC). Большинство жестких дисков вращают пластинки со скоростью 5.400 (90 Гц), 5.900 (98 Гц), 7.200 (120 Гц), 10.000 (166 Гц) или 15.000 (250 Гц) RPMs (оборотов в минуту).

Структура слоёв
(Layer structure)

Смазочный слой (Lubricant layer)

Самым верхним слой пластины представляет собой полимерный смазочный материал перфторполиэфир PFPE (PFPE), толщиной 1-2нм. Который минимизирует трение между защитным слоем и головками (чтения/записи).


Защитный слой (Protective layer)

Выполнен из углеродного алмазоподобного покрытия (DLC) для обеспечения коррозионной стойкости и защиты слоя магнитной записи (Magnetic data layer). Толщина защитного слоя ~ 3-5нм.

Слой магнитной записи (Magnetic data layer)

Современные PMR-среды, называются обменно-сопряженными композитными (ECC) средами. Что подразумевает многослойность при формировании как рабочего слоя (hard magnetic layer), так и ориентирующего подслоя (soft magnetic underlayer). Которые в свою очередь, могут быть дополнены другими слоями, для улучшения характеристик.
«Hard magnetic layer» – определяет термостабильность среды и служит несущим слоем информации. Состав: CoCrPt, CoCrPtSiO2, CoCrTa, Co-PdSiO, CoPd, FePt.
«Intermediate layer» – обычно встраивается между hard-hard или hard-soft magnetic layers. Используется для получения желаемой кристаллографической текстуры. Состав: Ru, Ta, SiO2, RuCr.
«Seed layer» – в основном используется для повышения кристаллической ориентации и размера зерна. Состав: Ta, TaRu, Ru, CrTi.
«Soft magnetic underlayer» – отвечающим за ориентацию доменов в рабочем слое. Ещё его называют отражающим слоем. Состав: Сo, CoFe, CoNi, FeSiO, CoTaZr, FeCoB.

Подложка (Substrate)

Подложка «Substrate» пластины выполнена из немагнитного материала и обычно изготавливается из алюминия (0,635, 0,8, 1,0, 1,27, 1,5 и 1,8мм), стекла (0,381, 0,5 и 0.63мм) или других керамических материалов.
Далее на подложку осаждается так называемый «Adhensive» («Interlayer» или «Sublayer») слой, толщиной ~ 10-40нм. В большинстве выполненных из сплава никель-фосфора (NiP) для алюминиевых и никель-танталума (NiTa, Ti или Ta) для стеклянных/керамических подложек. Для выравнивания поверхности и улучшения адгезии, а также предотвращения влияния подложки на последующие тонкопленочные слои.





Интерфейс подключения (SATA/SAS)

Обычно 3.5" накопители имеют SATA (пользовательские/корпоративные) или SAS (серверные) интерфейсы для подключения. Когда как 2.5" и 1.8" диски обзавелись: USB3.2, Type-C, SFF-8784, ZIF, LIF и т.д.

Плата электроники (PCB)

На плате электроники сконцентрированы основные узлы управления жесткого диска: Система на кристалле (SoC), контроллер управления питанием (отвечает за VCM, SM, SoC и Preamp), RV-датчики, кэширующие микросхемы памяти ОЗУ (HDD - SDRAM или SSHD - SDRAM+NAND) и микросхема ПЗУ - содержащая загрузочную часть кода (индивидуальна для каждого диска).

Рециркуляционные фильтры (Recirculation filters/Breather hall)

Внутри гермозоны устанавливают специальные рециркуляционные фильтры. Цель которых предотвращать загрязнение поверхностей магнитных головок и пластин. Улавливая мельчайшие частицы материалов, трение которых, при эксплуатации жесткого диска, может привести к их образованию!
В накопителях, не использующих гелий в качестве наполнения гермозоны, имеются специальные отверстия (breather hall), закрытые с внутренней стороны фильтрами (из угля или силикагеля). Их присутствие предотвращает попадания пыли, паров и влаги внутрь.

Циркуляция воздушного потока

Воздушный поток, естественно, циркулирует внутри гермозоны при вращении пластин. В то время как отверстие (breather hall) обеспечивает выравнивание внутреннего давления с давлением воздуха снаружи гермозоны диска.



Полезные ссылки и использованные материалы

Исследовательская группа Исмаил-Бейги - Изготовление и материалы для жестких дисков (ENG)
HABR | IBM - В IBM предлагают новый способ сверхплотной записи информации: 1 бит к 1 атому (ENG)
Nims.go.jp - Спинтроника, типы магнитных материалов, ГМС (GMR) и ТМС (TMR). (ENG)
ISFT 2015 - 4-й международный симпозиум будущий технологий и науки 2015 (ENG|PDF)
Tmrc2018.ucsd.edu - 29-я конференция по магнитной записи (TMRC 2018) (ENG|PDF)
Nims.go.jp - 28-я конференция по магнитной записи (TMRC 2017) (ENG|PDF)
Tdk.com - TDK первопроходцы освоившие TMR головки
Aip.scitation.org - Математические расчёт о возможном применении 3-х голового накопителя
so01.tci-thaijo.org - Оптимизация материалов подвески и кронштейна (ENG|TH|PDF)
Repositorio.iscte-iul.pt - Проектирование адаптивных аналоговых фильтров для магнитных входных каналов чтения 2015 (ENG|PDF)
Sigmaaldrich.com - Применение тонкопленочных слоёв FePt с технологией HAMR (в примерах есть структура слоя PMR на стеклянной подложке) (ENG)
Books.google.ru - Технология визуального контроля в индустрии жестких дисков (ENG)
Optoelectronics.eecs.berkeley.edu - Что такое DLC (ENG)
Patents.google.com - Soft magnetic underlayer с высокой температурной стойкостью для PMR с высокой плотностью записи (ENG)
Researchgate.net - Симуляция соприкосновения магнитной головки с поверхностью в момент записи (ENG)
Books.google.ru - Перпендикулярная магнитная запись (ENG)
Books.google.ru - Справочник по тонким пленкам (ENG)
Researchgate.net - Функционал тонкопленочных слоёв перпендикулярном магнитной записи (ENG)
Nature.com - Влияние содержания SiO2 на CoCrPt (ENG)
En.wikipedia.org - Обменно-сопряженные композитные (ECC) среды (ENG)
Books.google.ru - Технические средства информационных технологий (RU)
Books.google.ru - Краткая энциклопедия магнитных и сверхпроводящих материалов (ENG)
Books.google.ru - Достижения в области хранения данных: перспектива материалов (ENG)
Aip.scitation.org - Использование CoTaZr в качестве Soft magnetic layer (ENG)
Books.google.ru - Магнитные наноматериалы: основы, синтез и применение (ENG)
Researchgate.net - Использование RuCr в качестве intermediate layer (ENG)
Magnetics.jp - Разработка медиа наноструктуры для PMR (ENG|PDF)
Books.google.ru - Магнитные материалы, процессы и устройства 10
Books.google.ru - Ультратонкие карбоновые покрытия для магнитной записи с чрезвычайно высокой плотностью (ENG)
Books.google.ru - Мишени для распыления и напыляемые пленки для микроэлектронной промышленности (ENG | PDF)
Ncbi.nlm.nih.gov - Перпендикулярная магнитная запись - ее разработка и реализация
Gore.com - Адсорбент для дисковых накопителей (фильтрация) (ENG)
Donaldson.com - Адсорбент для дисковых накопителей (фильтрация) (ENG)
Kojundo.co.jp - Изготовитель многослойных тонкоплёночных TMR/GMR элементов - химический состав (EN)
Minebeamitsumi.com - FDB подшипник HMF типа (ENG|PDF)
Minebeamitsumi.com - FDB подшипник ROF типа (ENG|PDF)
Nidec.com - Устройство шпиндельного двигателя для 2.5" накопителей (ENG)
Nidec.com - Изготовление корпусов и крышек для hdd (ENG)
Moresco.co.jp - Смазочный слой (Lubricant layer) (ENG)
Azonano.com - Устройства контроля качества при производстве HDD (ENG)
Kla-tencor.com - Устройства контроля качества при производстве HDD (ENG)
Intevac.com - Смазочный слой (Lubricant layer) (ENG)
Showadenkohd.com.my - Процесс производства алюминиевых пластин Showa Denko
Oharacorp.com - Изготовители стеклянных/керамический подложек (ENG)
Intevac.com - Оборудование для осаждения тонкопленочных слоёв и производства стеклянных/керамический пластин для жестких дисков (ENG)
Parksystems.com - Оборудование для контроля качества изготовления пластин (ENG)
Jcyinternational.com - Изготовление корпусных деталей и кронштейнов голов (Actuator Pivot Flex Circuit Assembly) (Ролик) (ENG) и список продукции (ENG)
Engis.co.jp - Процесс притирки и полировки магнитных головок (ENG)
Процесс очистки алюминиевой подложки NiP 2018 (JP)
Takex-elec.co.jp - Методы контроля при производстве стеклянных пластин (ENG)
Toyokohan.co.jp - Поставщик обработанных алюминиевых пластин (ENG)
Lion-specialty-chem.co.jp - Очистительные средства для полированных подложек (ENG)
Suncall.co.jp - DSA подвеска головок (ENG)
Ijsrp.org - Изучение материалов крепления HGA к основному кронштейну (ENG|PDF)
Nhkspg.co.th - Процесс сборки HGA и HSA (ENG)
Nhkspg.co.jp - Схема сборки SSA подвески (ENG)
Nhkspg.co.jp - Примеры CLA и DSA (PTZ) подвесок, крышек и т.д. (ENG)
Idema.org - Сравнение подвесок SSA и DSA (PZT) (ENG|PDF)зеркало
Myukk.org - Подвеска DSA (PTZ)
Fibo.kmutt.ac.th/fibo - Исследование необходимости использования колец гашения в APFA (Actuator Pivot Flex Assembly) (ENG|PDF)
Marposs.com - Устройство контроля качества сборки APFA
Tdk.com - Микро подвеска DSA (PZT)
Tdk.com - Что такое HSA (Head Stack Assembly) и HGA (Head Gimbal Assembly) (ENG)
Tdk.com - Общее о производстве головок (ENG)
Tdk.com - Работа подвески головки (ENG)
Tdk.com - Шлейфы или технология Trace Gimbal (TG) в действии! (ENG)
http://www2.iee.or.jp/~dmec/ - Управление высотой полета слайдера (Triple-stage actuator) или DSA (PTZ) vs DSA (PTZ) + Termal actuator (термопривода) + Тонкопленочная звуковая катушка (ENG)
Owensdesign.com - Поставщик заводского оборудования для сборки и производства устройств хранения данных (ENG)
Bigbearautomation.com - Проектирование, сборка и автоматизация сборочных линий - очень подробно расписана сборочная линия с перечнем оборудования (ENG)
Altechauto.com - Поставщик заводского оборудования для сборки HDD (ENG)
Uyemura.co.jp - Описан процесс производства пластин, состав слоёв (ENG)
Yac.co.jp - Производитель оборудования полного цикла производства пластин для жестких дисков (ENG)
Mipox.co.jp - Производитель смазок, фильтров, полировочных машин и систем контроля качества при производстве жестких дисков (ENG)
Techradar.com - Процесс изготовления алюминиевых пластин (ENG)
Ixbt.com - Как Western Digital делает винчестеры