Устройство винчестеров

Этой статьей мы открываем серию материалов в нашей «Энциклопедии…» о винчестерах компьютера. Винчестер или накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД) является одним из важнейших составляющих компьютера, без которого работа практически невозможна. В Европе и России более популярно обозначение HDD (Hard Digital Disk). От его надежности зависит стабильность операционной системы и других подсистем. Винчестер относится к подгруппе накопителей на магнитных дисках и очень популярны в наше время, так как имеют высокое быстродействие и плотность записи по сравнению с оптическими носителями.

Первый жесткий диск был сконструирован компанией IBM и носил маркировку «30/30», что соответствовало обозначению популярного ружья «винчестер», отсюда название и «переползло» на жесткие диски. Первым серийным HDD стал пятидюймовый ST-506 емкостью 6 Мбайт, который был выпущен компанией Seagate в 1979 году, и стал основой всех последующих накопителей.

Основа любого винчестера – это несколько круглых металлических несгибаемых пластин, покрытых магнитным слоем. Зачастую при разработке используются оригинальные конструкционные материалы, имеются отличия в расположении узлов, но принципы работы большинства накопителей одинаковы. Основными элементами конструкции типового на­копителя на жестких дисках являются:

Ø      Магнитные диски

Ø      Головки чтения/записи

Ø      Механизм привода головок

Ø      Двигатель привода дисков

Ø      Печатная плата с электронной схемой управления

Ø      Разъемы, элементы конфигурирования и монтажа

Чтобы понять формирование логической структуры HDD (и принципы установки операционных систем в том числе), необходимо знать его физическое устройство. Стандартный винчестер состоит из гермоблока (HDA – Head Disk Assembly) и платы электронного блока.  Гермоблок включает в себя все механические части (шасси, диски, двигатели), на плате — вся уп­равляющая электроника, за исключением предусилителя, размещенного внут­ри гермоблока вблизи головок.

Внутри гермоблока установлен шпиндель с одним или несколькими магнит­ными дисками, расположенными друг над другом. Под ними расположен двигатель. Ближе к разъемам, с левой или правой стороны от шпинделя, находится поворотный позиционер маг­нитных головок. Обмотка позиционера представляет собой постоянный магнит (статор). Позиционер раньше часто соединялся с платой предусилителя гибким ленточным кабелем, теперь они соединяются одно­жильными проводами. Гермоблок заполняется воздухом с давлением в одну атмосферу для создания «воздушной подушки» между дисками и головками. Требования к чистоте воздуха чрезвычайно велики – не должно быть пылинок размером более 0,3 мкм. В связи с этим винчестеры ни в коем случае нельзя разбирать. Плата схемы управления вставляется в разъем гермоблока.

Размеры винчестеров определяются форм-фактором. Накопители с самым популярным форм-фактором 3,5" имеют несколько стандартных значений высоты (толщины): 2,6; 1; 3/4; 0,5". В компью­терах обычно используются накопители типа Slimline с форм-фактором 3,5". Накопители 2,5" обычно применяются в PC типа Notebook.

Механизм привода головок

С помощью этого привода головки перемещаются от центра дисков к их краям и устанавливаются на заданный цилиндр. Типом привода головок во многом определяется быстродействие и надежность накопителя, его температурная стабильность, чувствительность к вибрациям и выбору рабочего положения, достоверность считанных данных. Существует два основных типа приводов: с шаговым двигателем и с подвижной катушкой.

У накопителей с приводом на шаговом двигателе среднее время доступа к дан­ным значительно больше, чем у накопителей с приводом на подвижной ка­тушке. По этой причине привод с шаговым двигателем нашел основное при­менение в дисководах для гибких магнитных дисков и в накопителях на жестких дисках малой (до 100 Мбайт) емкости. У шагового двигателя ротор может повора­чиваться ступенчато, каждый раз на строго определенный угол. Ротор двига­теля механически связан с блоком головок. Обычно каждому шагу ротора (повороту на фиксированный угол) соответствует перемещение голо­вок на одну дорожку. Головки перемещаются в соответствии с поданным на шаговый двигатель количеством импульсов. Накопители с шаговым двигателем очень чувствительны к колебаниям температуры, так как при изменении температуры диски меняют свои размеры, и становится невозможным спозиционировать головки на сектора.

В отличие от систем с шаговыми двигателями, в приводе с подвижной ка­тушкой используется сигнал обратной связи для точного определения местоположения головок и коррекции их относительно дорожек. В типичной конструкции привода подвижная катушка жестко соединена с блоком головок и размещается в поле постоянного магнита. Электрический импульс, по­ступая на катушку, вызывает ее смещение относительно жестко закреплен­ного постоянного магнита, перемещая при этом блок головок. Механизм оказывается более быстродействующим и не столь шумным, как привод с шаго­вым двигателем.

В приводах с подвижной катушкой используется специальная система позиционирования головок, называемая сервоприводом, в основе которой лежит использование сигнала обратной связи, несущего информацию о ре­альном взаимном расположении дорожек и головок. Существует три способа построения петли обратной связи, которые отличаются друг от дру­га своей реализацией. Независимо от используемого способа необходима предварительная запись на диск (при его изготовлении) специ­альной технической информации (сервокодов). Различия между ними сводятся к тому, на каких участках дисков записываются сервокоды. Они не стираются ни при одном из видов форматирования. Температурные колебания не сказываются на точности работы привода с подвижной катушкой, посколь­ку сервокод считывается непрерывно, то в процессе нагрева работающего накопителя и расширения дисков система наведения головок отслеживает дорожку и проблем со считыванием данных не возникает. Практически во всех накопителях сейчас используются петли обратной связи с использованием специализированного диска и сервоголовки (обычно шестнадцатой).

Механизмы привода головок с подвижной катушкой бывают двух типов: ли­нейные и поворотные. Поворотный механизм привода с подвижной катушкой используется почти всеми фирмами- производителями накопителей на жестких дисках, ведь эта конструкция очень легка и может двигаться с большими ускорениями.

Автоматическая парковка головок

Современные накопители на жестких дисках имеют функцию автоматичес­кой парковки магнитных головок, т. е. при отключении питания головки устанавливаются на определенный, чаще всего последний, цилиндр. Эта парковочная секция называется Landing Zone, или сокращенно L-Zone.

Одно из достоинств привода с подвижной катушкой состоит в автоматичес­кой парковке головок. При включенном накопителе головки удерживаются над определенным цилиндром за счет взаимодействия магнитных полей подвижной катушки и постоянного магнита. После выключения питания головки под действием возвратной пружины перемещаются в зону парковки. Износ механизма автопарковки почти невозможен.

В накопителях более ранних выпусков нужно устанавливать головки в парковочную позицию при помощи специальных утилит. При этом в качестве парковочной позиции автоматически определяется последний цилиндр.

Двигатель привода дисков

Магнитные диски во вращение приводит шпиндельный двигатель (Spindle). Шпиндельный двигатель непосредственно связан с пакетом дисков («блинов») единой осью (шпинделем), на которую они насажены. Скорость вращения двигателя совре­менных накопителей колеблется от 3600 до 7200 об/мин (Rotations per minute — rpm). Эта характеристика в значительной мере определяет производительность накопителей и их температуру. В 1997 г. компания Seagate Technology Inc. приступила к выпуску семейства накопителей Cheetah с интерфейсом SCSI и скоростью вращения двигателя 10000 об/мин.

В первых моделях накопителей на жестких дисках шпиндельный двигатель располагался в их нижней части, под гермоблоком. Во многих современных устройствах двигатель встраивается внутрь пакета дисков, представляя со­бой центральную его часть, и находится под ними. Такая конструкция позволяет, не изменяя разме­ра накопителя по высоте, увеличивать количество дисков.

Электроника

Прочие узлы накопителя, не входящие в гермоблок, — печатная плата блока управления, элементы конфигурации и монтажные детали — являются съемными. На печатной плате монтируются электронные схемы управления шпиндельным двигателем и приводом головок, схема для обмена данными с контроллером.

В большинстве накопителей используются два напряжения питания (5 и 12 В), а в малогабаритных портативных компьютерах — лишь 5 В. Как правило, напряжение 12В необходимо для схемы управления шпиндельным двигателем и приводом магнитных головок. В большинстве накопителей на жестких дисках имеется несколько разъемов для подключения к системе подачи питания и, иногда, для заземления корпу­са. Если шасси винчестера не металлическое, то необходимо заземление проводом на корпус.

Фильтры

В винчестерах используются два воздушных фильтра: один из них – фильтр рециркуляции, второй – барометрический. Они не сменные, поэтому располагаются внутри HDA. Фильтр рециркуляции служит для очистки внутренней «атмосферы» от небольших частиц и крошек магнитного слоя. Барометрический фильтр служит для выравнивания давления изнутри и снаружи гермоблока. Таким образом, HDA плотно закрыт, но не герметизирован. Через вентиляционные отверстия и фильтр также проникает и влага, появляющаяся в результате конденсации или испарения. Это приводит к необходимости акклиматизации носителей. Например, полная акклиматизация винчестера, принесенного с улицы при температуре -1°С занимает 15 часов.

Магнитные диски

Магнитные диски – стеклокерамические или алюминиевые «блины», покрытые магнитным материалом, на которых можно хранить информацию. Наиболее распространены на сегодняшний день накопители, содержащие диски следующих размеров: 5,25", 3,5", 2,5", 1,8".

Накопители 3,5" чаще используются в настоль­ных компьютерах, а 2,5" и менее — в ноутбуках. В большинстве накопителей устанавливается один-два диска. Количество дисков ограничивается высотой корпуса. По мере совершенство­вания технологии изготовления дисков возрастает их количество, т. е. увели­чивается емкость накопителя. Бывают накопители, имеющие до 10 дисков.

До 80-х годов основа дисков изготавливалась из алюминиевого сплава (с не­большим добавлением магния). С ростом требований к объему, массе и надежности накопителей в качестве основного материала для дисковых плас­тин стал использоваться композиционный материал из стекла и керамики. Диски из стеклокерамики менее восприимчивы к колебаниям температуры, более тонки и прочны. Сейчас стеклокерамические диски выпускаются большинством фирм-производителей накопителей и вскоре.

Независимо от того, какой материал используется в качестве основы диска, он покрывается тонким слоем магнитного вещества (рабочим слоем), способ­ным сохранять намагниченность после прекращения воздействия внешнего магнитного поля. Рабочий слой может быть двух типов: оксидный и на основе тонких пленок.

Оксидный рабочий слой

Оксидный рабочий слой представляет собой полимерное покрытие из окиси железа. Технология производства таких дисков чрезвычайно проста. На поверхность вращающейся болванки диска попадает окись железа в виде суспензии в растворе полимера и равномерно растекается по поверхности. После полимеризации раствора поверхность шлифуется. Затем наносится второй слой, который также  шлифуется и полируется. Диски с таким рабочим слоем производились и использова­лись с середины 50-х годов, и прожили столь длительный срок из-за про­стоты и дешевизны процесса их изготовления. Однако добиться нужного для накопителей большой емкости качества рабочей поверхности в рамках этой технологии оказалось невозможно, поэтому на смену ей пришла тонкопленочная технология.

Рабочий слой на основе тонких пленок

Рабочий слой на основе тонких пленок имеет меньшую толщину и более про­чен, а качество его поверхности гораздо выше. Эта технология легла в основу производства современных накопителей, в которых удалось значительно уменьшить зазор между головками и поверхностями дисков, и, следовательно, повысить плотность записи данных. Уменьшить толщину рабочего слоя удалось за счет гальванического наращивания (хромирование и никелирование) и напыления материала. В методе гальванизированного рабочего слоя подложка диска последовательно погружается в ванны с различными растворами, покрываясь при этом несколькими слоями металлической пленки. Рабочим магнитным слоем служит пленка из сплава кобальта толщиной около 0,08 мкм. Обычно это слой коричневого или желтоватого цвета.

При использовании метода напыления рабочего слоя сплавы в газообразном состоянии осаждаются на под­ложку. Таким методом достигается толщина магнитного слоя в 0,025 мкм. Эта технология позволила сократить просвет между дисками и головками до небывалых 0,04 мкм. Чем ближе располагается головка к поверхности рабочего слоя, тем ближе друг к другу могут располагаться зоны смены направления намагни­ченности на дорожке и, следовательно, тем выше емкость диска. Возраста­ет также амплитуда воспроизводимого сигнала и увеличивается отношение сигнал/шум.

В конце 2002 года стали использоваться диски с плотностью до 60 ГБ на поверхность (одна головка).

Повреждения поверхности диска

Частицы грязи и пыли, попавшие в гермоблок накопителя, сравнимы с сосульками падающими с крыш домов. Поясню: человеческий волос примерно в 5—10 раз толще, чем воздушная прослойка (подушка) под магнитной головкой, а частичка та­бачного дыма больше в два раза. Для головки чтения/записи «встреча» с таки­ми частицами станет с сильным ударом, который может привести к отклонению головки от ее рабочей траектории, касанию и повреждению по­верхности диска.

Чтобы не допустить этого, не разбирайте гермоблок накопи­теля. Это может быть сделано только в абсолютно свободном от пыли поме­щении, которое обычно бывает только в фирменных лабораториях по изго­товлению жестких дисков.

К тем же последствиям может привести тряска или перемещение накопителя во время процесса чтения/записи. Поэтому необходимо внимательно следить за тем, чтобы привод был качественно закреплен в корпусе симметрично, на весь крепеж.

Охлаждение диска

Второй причиной сокращения срока службы накопителей на жестких дис­ках является высокая температура окружающей среды. В связи с этим нельзя устанавливать компьютер близи источников тепла и помещениях, не имеющих конвекции. Избыток теплого воздуха уменьшает воздушную подушку под головками накопителя из-за чего могут возникнуть повреждения. Изгото­вители гарантируют безотказную работу накопителей в диапазоне темпе­ратур от 0 до 50 "С. Однако, практика показывает, что стабильно винчестеры работают в диапазоне от 15 до 45 градусов. Новые винчестеры с частотой вращения 7200 об/мин, работающие в закрытом корпусе, требуют дополнительного охлаждения.

Головки чтения/записи

В HDD для каждой стороны (поверхности) диска предусмотрена своя головка чтения/записи. Все головки смонтированы на общем подвиж­ном каркасе и перемещаются одновременно.

Каждая головка установлена на конце подпружиненного рычага. Когда нако­питель выключен, головки касаются дисков под действием пружин. При раскручивании дисков головки отрываются от рабочих поверхностей. Для поддержания головки на нужном расстоянии от диска используется ползунок.

По форме он напоминает катамаран с двумя боковыми «поплавками», меж­ду которыми расположена магнитная головка. В новейших конструкциях ползунков их нижней поверхности придается специальная форма, благода­ря которой величина просвета между диском и головкой под­держивается примерно одинаковой при работе как на внешних, так и на внутренних цилиндрах. При использовании обычных ползунков просвет меж­ду головкой и рабочим слоем диска существенно изменяется при переходе от внешних дорожек к внутренним вследствие увеличения относительной ли­нейной скорости.

Сердечники первых головок были выполнены из ферромагнитного сплава — пермаллоя. По современным меркам их размеры были огромны, а вследствие этого плотность записи данных на диск чрезвычайно низка, впрочем как и соотношение сигнал/шум. За прошедшие годы были разработаны четыре базовых типа головок: ферритовые, с металлом в зазоре, тонкопленочные, магниторезистивные.

Ферритовые головки

Ферритовые головки впервые были использованы в накопителях фирмы IBM. Сердечники головок выполнены из прессованного феррита. Магнит­ное поле в зазоре головки возникает при протекании через обмотку электри­ческого тока, а при изменении напряженности магнитного поля вблизи зазора головки в ее обмотке возникает электродвижущая сила. Таким образом, маг­нитная головка может использоваться как для записи, так и для считывания информации.

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. По мере увеличения емкости накопителей ферритовые головки были вытеснены другими типами головок и сейчас они не применяются. Ферритовые головки непригодны для записи на носители с большой коэрцитивной силой.

Головки с металлом в зазоре (MIG)

На смену композитной ферритовой головке пришли MIG-головки (MIG — Metal in Gap} — головки с металлом в зазоре. Благодаря заполнению заднего технологического зазора, уменьшилась склонность материала сердечника к магнитному насыщению, что позволяет увеличить магнитную индукцию и записывать данные с большей плотностью за счет увеличения коэрцитивной силы. Ин­дукция насыщения магнитного сплава вдвое выше, чем самого ферритового сердечника головки. Существует также разновидность MIG-головок с напылением магнитного сплава и в рабочий зазор.

Благодаря своим преимуществам MIG-головки в 80-е годы заменили в высо­кокачественных накопителях традиционные ферритовые, но все возрастаю­щие требования к емкости жестких дисков привели к тому, что их, в свою очередь, вытеснили тонкопленочные головки (TF — Thin Film).

Тонкопленочные головки (TF)

Тонкопленочные головки производятся путем фотолитографии (аналогично микросхемам). На подложку наносятся тонкие пленки будущих фрагментов головки. Таким способом получаются гораздо более тонкие головки с меньшими технологическим и рабочим зазорами. Размер зазоров регулируется напылением слоев алюминия. На одну подложку можно нанести несколько тысяч фрагментов головки, которая по­лучается легкой и миниатюрной.

В ТF-головках напыляется сердечник из железоникелевого сплава, величи­на индукции насыщения которого в 2-4 раза больше, чем  у пермаллоя (ферромагнитного сплава), формируемые на рабочей поверхности диска участки остаточной намагниченности имеют четко выраженные границы, чем достигается очень высокая плотность записи данных. Малый вес и малые габариты TF-головок позволяют до 0,03 мкм уменьшить про­свет между поверхностью диска и головкой. Благодаря небольшой высоте TF-головок в накопителе удается разместить при тех же размерах HDA большее количество магнитных дисков. Эти головки также имели хорошую остаточную намагниченность участков поверхности носителя. Хорошие показатели тонко­пленочных головок по плотности записи данных на дорожку и, соответственно, отношению сигнал/шум, привели к их широкому распространению. Еще 3-5 лет назад TF-головки использовались в большин­стве накопителей известных фирм-производителей, особенно в малогаба­ритных моделях. Конструкция и характеристики ТF-головок постоянно улучшались, следствием чего стало появление разработанных фирмой IBM магниторезистивных (Magneto-Resistive — MR) головок, которые в настоя­щее время являются лучшими.

Магниторезистивные головки (MR)

Магниторезистивные головки позволяют добиться чрезвычайно высокой плотности записи данных и быстродействия накопителей. MR-головки используются в большинстве накопителей 3,5", емкость которых превышает 1 Гбайт. 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 восприимчива не к изменениям, а к самим значени­ям намагниченности рабочего слоя. В конструкцию головки включена доба­вочная обмотка, через которую протекает постоянный измерительный ток, и при изменении сопротивления обмотки, по мере перемещения над носи­телем, изменяется падение напряжения на ней. Амплитуда выходного сиг­нала такой головки в несколько раз больше, чем тонкопленочной. Главной особенностью MR-головки является то, что она представляет собой резистивный датчик магнитного поля, а не генератор электродвижущей силы, как головки описанных выше типов. Другими отличительными особенностями являются:

Ø      Дополнительная обмотка резистивного датчика

Ø      Использование в процессе производства дополнительных 4—6 фото­масштабов (масок)

Ø      Необходимость тщательного экранирования вследствие высокой чув­ствительности MR-головки к внешним магнитным полям

Поскольку на основе магниторезистивного эффекта можно построить толь­ко считывающее устройство, MR-головка конструктивно состоит из двух раздельных ча­стей — записывающей и считывающей. Записывающая часть представляет собой обычную тонкопленочную головку. Во всех рассмотренных ранее головках применяется один рабочий зазор как для чтения, так и для записи, а в MR-головке их два — каждый для своей опера­ции. В MR-головках величина каждого зазора подбирается опти­мальной: у считывающего узла зазор должен быть узким (для увеличения раз­решающей способности), а у записывающего — более широким (для более глубокого проникновения магнитного потока в рабочий слой носителя). Кроме того, записывающая TF-головка создает более широкие дорожки (благо дорожки занимают небольшую часть поверхности), чем это нужно для считывающей MR-головки. Таким образом, при считывании не захватываются шумы с соседних дорожек.

Хотя стоимость MR-головок выше, чем стоимость MIG- и ТР-головок, этот их недостаток окупается чрезвычайно высокой плотностью записи и надежностью.

Теперь поняв структуру и основные принципы функционирования базовых узлов накопителей можно перейти к рассмотрению логической структуры жестких дисков, о чем речь пойдет в следующем номере.

Александр Дудкин