Мой Компьютер, №09 (513), 14.07.2008

Часть 1

Немного истории

Наверное, каждый юзер задавал себе вопрос, почему диск именно жесткий. Это название к нему приклеилось потому, что помимо жесткого диска существовали дискеты, которые назывались гибкими дисками (НГМД — накопитель на гибком магнитном диске). Они были упакованы в картонные кассеты и их в прямом смысле слова можно было согнуть. Чуть позже дискеты обзавелись пластиковым корпусом, но в лексиконе так и остались гибкими (корпус-то стал более-менее жёстким, но сама дискета оставалась мягкой. — Прим. ред.). А жесткий диск, как вы понимаете, согнуть нельзя (только поломать :-). — Прим. ред.), и пластины, которые в нем применяются, также не гнутся. Вот по такой нехитрой причине жёсткий диск получил своё общепринятое название. Наряду с этим его еще называют HDD, что в переводе с английского языка означает… «жёсткий диск» (Hard Disk Drive). В русскоязычной литературе жесткие диски называются НЖМД (накопитель на жестких магнитных дисках). В терминологии пользователей его кличут и винчестером, и веником, и винтом, и винчаком, да мало ли как его называют. Главное не это, главное то, что важная роль HDD при этом остается неизменной.

Рис. 1

Но особенное внимание хочется уделить старому названию «винчестер». Все мы смотрели голливудские вестерны, где главный герой расправляется с кучкой бандитов посредством полуавтоматической винтовки с особым механизмом подачи патронов в затвор (рис. 1), а фирма, которая производит эти винтовки, называется Winchester. Спросите, какое это отношение имеет к компьютерным накопителям данных? В далеком 1973 году компанией IBM был впущен накопитель Model 3340 Winchester со сдвоенными пластинами по 30 мегабайт каждая (30-30), характеристики которого перекликались с характеристиками патрона, предназначенного для этой винтовки (калибр 0.30 дюйма и пороховой заряд 30 грамм, патрон имел характеристику 30/30). Но это неофициальная версия, не стоит безоглядно принимать ее на веру. К тому же, многие издания эту версию опровергают. Давайте лучше заглянем в пыльную книжицу истории и вспомним, как появлялись различные модели накопителей на жестких магнитных дисках.

Рис. 2

Самый первый накопитель выпустила компания IBM, ведь она в то время задавала тон всей компьютерной индустрии, а случилось это в сентябре 1956 года. Накопитель назывался RAMAC 305, и, по сути, был устройством для хранения данных вычислительной машины IBM 305. Слово RAMAC в переводе означает Random Access Method of Accounting and Control, по-нашему это «метод с произвольной выборкой и контролем». Выглядел этот накопитель по сегодняшним меркам просто монстроподобно (рис. 2), как большой шкаф с огромными магнитными дисками. Весил RAMAC почти тонну и состоял из пятидесяти 24-дюймовых алюминиевых пластин. В то время пластины покрывались оксидом железа, и потому были коричневого цвета, совсем как кассетная пленка (прошу не путать коричневую пленку Fe с хромовыми FeCr и Metal, которые отличались по цвету). Блок головок приводился в действие специальными рычагами, при этом пластины вращались со скоростью 1200 оборотов в минуту, емкость накопителя составляла 4.4 мегабайта при плотности записи 2000 бит на квадратный дюйм (гигантские показатели, если вспомнить о том, что в то время ещё перфокарты в ходу были! — Прим. ред.). Скорость передачи данных составляла 8800 бит/сек, а расстояние между головкой и пластинами 250 микродюймов.

Чуть позже, в 1961 году, компания IBM выпустила накопитель, устанавливавшийся в вычислительную машину Bryant Computer 4240, этот накопитель уже имел объем 90 мегабайт и состоял из двадцати четырех 39-дюймовых дисков. Стомегабайтный диск был выпущен спустя десять лет, назывался он Merlyn и состоял из одиннадцати 14-дюймовых дисков. В ходе эволюции копания IBM продолжала совершенствовать свои накопители, и в 1976 году на свет появился накопитель IBM 62PC «Piccolo», имеющий шесть пластин диаметром восемь дюймов. Емкость накопителя при этом составляла всего 64.5 мегабайта. Но, несмотря на то, что компания IBM по-прежнему оставалась лидером в производстве высокотехнологического железа, к ней присоединились такие корпорации, как Seagate, Fujitsu, Quantum, Sony, Rodime, Hitachi, Shugart Associates, Maxtor и Control Data и много других, часть из которых правят рынком жестких дисков и сейчас.

Рояль в кустах

Рис. 3

Шотландская компания Rodime сейчас практически никому не известна, но именно она подарила нам жесткий диск с пластинами диаметром три с половиной дюйма, который по сей день используется в компьютерах. Это произошло в 1983 году, когда никому больше и в голову не приходило сменить устоявшийся форм-фактор 5.25″ на что-нибудь другое. Накопитель-революционер назывался RO-352 (рис. 3), его характеристики не блещут на фоне сегодняшних накопителей, но на то время для нового форм-фактора они были не такими уж и плохими. Емкость составляла 10 мегабайт, а количество пластин равнялось двум. Очень долго компании-конкуренты не хотели переходить с восьмидюймовых и пятидюймовых пластин на новую технологию, и лишь в 1985 году Quantum отважилась на переход к новому форм-фактору. Емкость ее накопителя также равнялась десяти мегабайтам, но дисков уже было не два, а один.

С этого момента началась эра форм-фактора 3.5 дюйма, которая сопровождалась судебными разбирательствами. В ходе судебных процессов обанкротившаяся компания Rodime, в штате которой насчитывалось всего три человека, получила солидное вознаграждение в сумме 24 миллиона долларов. Судебные разбирательства в основном происходили по той причине, что Rodime подгребла под себя кучу патентов на разработки в области накопителей, и 3.5-дюймовые накопители были в их числе. События на фронте миниатюризации накопителей на этом не закончились, ведь хорошему нет предела.

Многие знают, что накопители, которые используются в ноутбуках, имеют форм-фактор 2.5 дюйма, так вот, впервые они появились в 1988 году, благодаря компании PrairieTek. Компания из штата Колорадо и впоследствии занималась разработками накопителей форм-фактора 2.5 дюйма, но первое ее творение, Prairie 220, надолго запомнилось производителям винчестеров. Накопитель имел две пластины, и его объем составлял смешные 20 мегабайт — но это сейчас смешные, на то время это была очередная революция в форм-факторе. Как и многие из тех, кто претендовал на звание лидера в IT-индустрии, компания PrairieTek развалилась в августе 1991 года (в одно время с развалом Советского Союза), и ее предприятия отошли Conner и Alps, скупившим все акции. В том же 1991 году компанией Integral Peripherals был выпущен накопитель форм-фактора 1.8 дюйма, который сейчас принято называть «микродрайвом». Но и там не обошлось без патентных драк, поскольку компания IBM двумя годами раньше запатентовала технологию «Sub 2-inch», которая позволяла создавать накопители форм-фактора меньше двух дюймов. Как видите, практически все значимые события в жизни накопителей произошли до начала девяностых, и последние 18-20 лет технология лишь совершенствуется — я бы даже сказал, отшлифовывается, поскольку большинство узлов принципиально не изменились с середины семидесятых.

Что в имени тебе моем?

В разделе исторического экскурса в мир жестких дисков я уже упоминал о том, что компаний-производителей HDD существовало великое множество. Одни обанкротились, другие слились с более сильными конкурентами, чтобы выжить, а третьи выжили и стали гигантами рынка. Сегодня из основных игроков рынка HDD можно выделить такие компании, как Samsung, Western Digital, Fujitsu, Hitachi, Seagate и Maxtor. Quantum был поглощен «Макстором» и накопители под своей маркой уже не производит. Компания Toshiba активно работает в сфере накопителей для портативных устройств, но, как мне кажется, она больше OEM-партнер некоторых компаний и собирает накопители из чужих комплектующих. Хотя это единственный известный мне производитель, который всерьез занимается жесткими дисками для бортовых компьютеров автомобилей. Есть, конечно, компании и помимо перечисленных мной, но они находятся в тени, и не так известны, чтобы мы о них сейчас говорили.

Каждая компания заполняет определенные сегменты рынка, кто-то все силы бросил на серверный рынок, кто-то силен только на рынке ноутбучных и десктопных моделей, а кому-то удается «лупить» по всем направлениям. Яркий пример — компания Fujitsu, ушедшая с арены десктопных накопителей и, можно сказать, отдавшая своего клиента тогда еще набирающей обороты Samsung. Поэтому сегодня накопители Fujitsu можно встретить лишь в ноутбуках или в серверах, десктопными моделями они уже не занимаются. А вот компания Hewlett Packard производит накопители исключительно для серверов высокого уровня SAS и SCSI, причём этот факт не слишком широко известен. Компания Hitachi в свое время произвела слияние с компанией IBM, что позволило ей повысить технологический уровень своих жестких дисков. IBM, напротив, ушла с арены, и жесткие диски с известным логотипом теперь можно встретить разве что на радиорынке (в основном Travelstar и IBM DTLA). Нынче все ее наработки и инновации воплощаются в изделия под брэндом Hitachi. А вот компания Samsung, это, можно сказать, уникум. Судите сами, «темная лошадка» вошла в игру далеко не самой первой, но за десять лет продвинула свои накопители к первому месту, по крайней мере в десктопном сегменте уж точно.

Довольно глупо считать, что тот или иной брэнд лучше своего конкурента, ведь и у гигантов автомобилестроения бывают отзывы на завод по причине недоработки какого-либо узла, но это же не повод считать Pontiac хуже, чем Toyota. Примерно такая же картина вырисовывается и у накопителей. Бывает, компания с очень громким именем выпускает накопитель, у которого после пары-тройки подключений шлейфа отходит контакт в месте припайки, но сама механика и электроника накопителя находятся на достойном уровне. Поэтому ни один уважающий себя специалист не станет говорить, что какой-то брэнд считается самым лучшим, и ему нет конкурентов. Заявления типа «ххх — это круто, а yyy — это фигня» всегда меня удивляли. Категоричность необъективна.

Помимо индексных имен накопителей, из которых можно почерпнуть начальную характеристику жесткого диска (что-то типа ST380011A), все производители HDD наделяют свои творения красивыми именами, которые определяют принадлежность того или иного накопителя к различным семействам. Так, у компании Samsung чаще всего вы встретите накопители под маркой SpinPoint, Seagate довольно продолжительное время держит на рынке серию Barracuda 7200.xx, где две последние цифры определяют поколение накопителей с частотой вращения шпинделя 7200 rpm. Помимо этого у Seagate еще имеются и ноутбучные винчестеры, которые входят в серию Momentus (с частотой вращения шпинделя 7200 rpm) и серия Cheetah, нацеленная на рынок производительных серверов. Компания Hitachi сегодня радует своих поклонников такими линейками, как Travelstar для ноутбуков, Deskstar для десктопов и, конечно же, Ultrastar для серверов (как говорил Брежнев в анекдоте, я стар, я очень стар, я — суперстар :-). Western Digital имеет в своем активе линейки Caviar для десктопов, Scorpio для ноутбуков, а также Raptor для серверов и производительных станций. Fujitsu старается не баловаться названиями линеек, а Maxtor по-прежнему кличет свои десктопные модели DiamondMax, а серверные Atlas. Я, конечно же, некоторые моменты упустил, чтобы не вдаваться в несущественные подробности — но, думаю, идея ясна. В конце этого раздела замечу, что на рынке внешних накопителей присутствуют такие компании, как Transcend, Lacie, Verbatim и Buffalo, которые хоть и дают своим накопителям красивые названия, но реально их не производят. Они занимаются лишь корпусами и программным обеспечением, поэтому их я во внимание не принимаю.

Формы и факторы

Многие люди не любят иностранных названий, которых толком не могут понять. Такие термины, как «размеры» или «габариты», многим понятны, но что такое «форм-фактор», для многих покупателей HDD остается загадкой. Говоря о накопителях, под термином форм-фактор нужно подразумевать диаметр их пластин. Они бывают 3.5 дюйма, 3.0 дюйма (очень редко), 2.5 дюйма (на самом деле чуть больше, 2.75 дюйма), 1.8 дюйма, 1 дюйм и 0.85 дюйма. Кроме этого, у всех накопителей стандартизированы размеры корпусов, а точнее — некоторые их величины. Каждый форм-фактор рассчитан на определенный круг задач. Так, накопители 3.5 дюйма применяются и в серверах, и в десктопах, накопители форм-фактора 2.5 дюйма — в основном в ноутбуках и портативной технике, но в последнее время и в серверах. Как яркий пример, могу привести линейку Seagate Savvio, в которую входят SAS-накопители форм-фактора 2.5 дюйма. Микродрайвы обычно применяются в таких устройствах, как плееры, коммуникаторы, игровые приставки, автокомпьютеры и различные GPS-навигаторы. Так что, говоря «форм-фактор», можно подразумевать как корпусные габариты винчестера, так и диаметр его пластин, хотя последнее более грамотно, поскольку некоторые серверные HDD имеют размеры корпуса, характерные для 3.5-дюймовых накопителей, но построены на базе пластин диаметром 2.5 дюйма.

На лицо привычные, странные внутри

Чтобы понять, как работает жесткий диск, нужно заглянуть к нему внутрь, потому что графики и схемы не могут удовлетворить запросы любознательных пользователей ПК. Именно для этой цели я обзавелся однопластинным жестким диском Samsung емкостью 40 гигабайт, и сейчас мы с вами займемся подробным изучением его внутренностей. Но сперва я сделаю одно маленькое предупреждение: не пытайтесь разобрать свой накопитель в домашних условиях. Вопреки всем байкам и рассказам компьютерных «гениев», побывавший на запыленном воздухе накопитель не подлежит дальнейшему использованию. Впрочем, все тонкости я расскажу после ознакомления с внутренним строением жесткого диска.

Рис. 4

Итак, каждый накопитель форм-фактора 3.5 дюйма состоит из двух основных частей, платы с электроникой и гермокамеры, в которой расположены магнитные пластины, механизмы считывания и записи. Плата электроники крепится несколькими винтами к корпусу накопителя, микросхемами кверху или микросхемами вниз (если не носить винчестер без защитного чехла в рюкзаке, то принципиальной разницы между этими вариантами нет) (рис. 4). На плате находится вся логика накопителя, включая контроллер, один или несколько процессоров, микросхему памяти и, конечно же, разъемы для кабелей питания и передачи данных. Плата электроники тесно связана как с двигателем, так и с блоком магнитных головок (сокращённо — БМГ). Связь эта происходит по специальным шлейфам, примерно по таким же передаются данные в телефонах-слайдерах и раскладушках. Шлейф, который связывает контроллер накопителя и двигатель, крепится на специальных зажимах, и отсоединить его не составляет труда.

Рис. 5

А вот передачей данных к БМГ, который находится в герметической зоне, не все так просто. Дело в том, что в месте контакта контроллера и шлейфа БМГ не должна просачиваться пыль, иначе произойдет катастрофа. Поэтому шлейф при помощи специальных штырей из гермокамеры сквозь резиновую прокладку высовывается наружу и вставляется в дырочки на плате (рис. 5). Никакой пайки в этом месте нет, чистая механика.

Максим ДЕРКАЧ aka Astra

Часть 2

Мой Компьютер, №10 (514), 21.07.2008

Гермозона — особая зона

Гермозона накопителя как бы отрезана от привычной нам атмосферы, вернее от той пыли, которую мы с вами глотаем ежесекундно, ведь механизм жесткого диска настолько точен, что ему пылинка — как нам кирпич на голову. Гермозона состоит из двух половинок, одна из них — это крышка (рис. 1), другая — это собственно и есть весь жесткий диск (рис. 2). Крышка накопителя и сам корпус выполнены из прочного легкоплавкого материала, что-то вроде силумина. Как-то раз парни из стрелкового клуба расстреливали компьютер из пистолета «Глок-21», так вот, пара пуль так и застряла в накопителе, хоть и переломила его в одном месте (рис. 3). Варвары, понимаю, но теперь мы знаем, на что способен корпус винчестера.

Рис. 1	Рис. 2

Если присмотреться к внутренней стенке крышки винчестера, то обнаружится маленький пылеуловитель (фильтр рециркуляции), который нужен для того, чтобы собирать мельчайшие частицы, которые появляются в процессе трения деталей (рис. 4). Этот пылевик является чем-то вроде памперса, внутрь его пыль попадает под сильным воздушным потоком, издаваемым пластинами, а наружу вылететь уже не может.

Рис. 3	Рис. 4

В накопителях фирмы Hitachi на верхней части расположен барометр, который многие пользователи принимают за глазок в гермокамеру. Роль этого барометра сложно переоценить, он своими показаниями может уберечь хозяина от потери данных, потому что в случае изменения атмосферного давления головки могут либо взлететь слишком высоко над пластинами, либо коснуться их, что значительно хуже. Но особо переживать не стоит. Если только вы не отправитесь со своим компьютером покорять Эверест или не спуститесь на пару километров ниже уровня моря, данным ничто не угрожает. Да, развею ещё один миф: внутри накопителя нет никакого давления или инертного газа, давление окружающей среды и давление внутри гермокамеры абсолютно одинаково. Разница состоит лишь в том, что сообщение между нашим миром и внутривинчестерным происходит через систему фильтров, которые призваны удалить всю пыль, способную повредить накопитель.

Рис. 5

Сборка жестких дисков в заводских условиях происходит в так называемых «чистых комнатах класса 100», в которых на один кубометр воздуха допустимо наличие лишь ста мелких частиц (пылинок) (рис. 5). Персонал, который допускается в эти комнаты, одет в специальные скафандры и, прежде чем войти в зону повышенной чистоты, должен пройти спецобработку. Чистая комната по своей стоимости обходится заводам в сотни тысяч долларов, и ее годовое содержание тоже стоит немалых денег, поэтому в условиях фирменных сервисных центров применяются «чистые верстаки», в которые вставляются только руки через резиновые перчатки. Каким бы забавным это не казалось, ремонт гермокамеры накопителя является самой настоящей операцией, и для ее проведения нужны стерильные инструменты, а также стерильные условия.

Блок магнитных головок

Основными механизмами накопителя считаются блок магнитных головок (БМГ), магнитные пластины и шпиндельный двигатель. Блок магнитных головок выполнен по принципу соленоидной катушки, которую мы привыкли видеть в динамиках громкоговорителей. Её даже называют Voice Coil. Кроме этого у нее есть еще парочка названий, например, сервопривод и актуатор. В прежние времена сервопривод был шаговым, с дискретным ходом, и когда накопитель нагревался, такая система позиционирования начинала «терять» дорожки. А поскольку соленоидная катушка не имеет дискретности, то ее можно переместить на любое расстояние. Шаговые позиционеры сегодня можно встретить лишь в флоппи-дисководах, их незабываемый треск известен каждому.

Рис. 6	Рис. 7

Принцип работы катушки довольно прост: обмотка заключена в статор (неподвижный магнит), и ток, подаваемый с различной полярностью и силой, заставляет ее точно позиционировать актуатор с головками по радиальной траектории (рис. 6). Шлейф от этой звуковой катушки при помощи штырьков соединяется с платой электроники, а передает он туда «сырые» данные с предусилителя, который находится на коромысле (рис. 7). Предусилитель расположен в непосредственной близости от головок чтения/записи, для того чтобы данные не успели обрасти наводками. Головки чтения/записи закреплены на актуаторе и расположены между пластинами жесткого диска с каждой стороны пластины (хотя бывают и одноголовочные модели Super-Slim). Зазор между головкой и пластиной составляет 10-20 нанометров (рис. 8), поэтому пыль, попавшая под головку, немедленно повредит магнитное покрытие, имеющее толщину всего несколько микрон.

Рис. 8

Таким образом, если пластин несколько, головки продеваются между ними и синхронно передвигаются и снизу и сверху, считывая или записывая данные. У новичков нередко возникает ощущение того, что каждая головка накопителя автономна и гуляет там, где ей захочется. На самом деле это заблуждение, головки перемещаются целым блоком синхронно, потому БМГ и называют блоком, а не как-то иначе.

От скорости работы БМГ зависит время поиска данных на поверхности пластин, но вот возникает вопрос: если с этой задачей один БМГ справляется слишком медленно, почему бы не установить в накопитель два или даже четыре блока магнитных головок? Представляете, как бы это повысило скорость работы диска? Вопрос хороший, и им в свое время задалась компания Connor. Еще до того, как она стала банкротом и была «съедена» компанией Seagate. Этой компанией была разработана система позиционирования, включающая два и четыре набора БМГ. Но компания Seagate не стала развивать проекты поглощенного конкурента, потому что даже два набора БМГ, не говоря уже о четырех, сильно удорожили бы конечный продукт. Ведь головка — это самый дорогостоящий компонент HDD, а кроме установки вдвое большего количества головок пришлось бы оснащать накопители и более серьезной логикой, которая также стоит денег. В придачу к финансовым неувязкам, подобные накопители стали бы основным источником шума и тепла в системе. Сегодня в качестве альтернативы многоблочному устройству позиционирования можно предложить RAID-массив из четырех дисков, который и по цене, и по надежности не уступил бы монстру компании Connor.

Термокалибровка HDD

Для того чтобы подвести головки к нужному участку на магнитной поверхности, нужно знать, где в данный момент находятся эти самые головки, и от какой печки танцевать. Навигационными делами накопителя занимается сервосистема, часть которой наносится на магнитную поверхность еще при изготовлении пластин, и низкоуровневое форматирование происходит, уже опираясь на сервосистему. Раньше под сервосистему отводилась одна сторона пластины, сейчас же сервометки расположены вперемешку с данными, непосредственно на треках. И в процессе работы накопителя контроллеру посылаются координаты той сервометки, над которой расположены головки, чтобы пустить их по кратчайшему пути к запрашиваемым данным. С увеличившейся плотностью записи усложняется и система позицинирования, тем более что при нагреве пластин накопителя происходит так называемый дрейф треков, при котором расстояние между дорожками увеличивается, и точность наведения нужно менять прямо на лету. Поэтому некоторые накопители производят так называемую термокалибровку, которая происходит каждые 20-30 минут после включения накопителя, и как бы подстраивают сервисистему под разогретую магнитную поверхность. Во время операции термокалибровки накопитель становится занятым на 100 процентов (это можно заметить по горящей лампочке на передней панели системного блока), а сам процесс сопровождается характерным треском БМГ, как во время поиска. Ничего не скажешь, процесс сей весьма полезен, но далеко не во всех случаях. Представьте, что вы работаете с данными, которые очень критично относятся к прямопотоковым операциям чтения/записи. Как вариант, аудиоданные высокого разрешения или прямопотоковое копирование видео (видеозахват, запись программы из ТВ-эфира). И теперь представьте, что, по мнению вашего накопителя, ему пора бы произвести термокалибровку, иначе треки уедут со своих мест и жди беды. Конечно, современный накопитель не станет калибровать сервосистему в момент занятости накопителя, но представьте, что калибровка запущена, а ТВ-тюнер начал запись программы по таймеру. Именно по этой причине некоторые профессиональные модели накопителей имеют возможность принудительного отключения системы калибровки головок.

Почем парковка?

Рис. 9

В каждом накопителе существует специальная зона, называемая парковочной, именно на ней останавливаются головки в те моменты, когда накопитель выключен. В настольных компьютерах эта зона обычно находится в непосредственной близости от шпинделя двигателя, а в накопителях для портативных ПК эта зона вынесена за пределы пластин и актуатор при выключении ложится на так называемую рампу (рис. 9). Последний вариант обходится значительно дороже, и оснащать им десктопные модели HDD нет никакого смысла, такой вид парковки был разработан для накопителей, которые часто подвержены тряске, и там, где операционная система часто переходит в ждущий режим. Некоторые накопители для ноутбуков оснащаются гравитационными датчиками, и в случае падения ноутбука на землю головки ложатся на рампу, благодаря чему их соприкосновение с пластинами исключено. Защелки парковки БМГ бывают нескольких типов, в основном пружинные и магнитные. Когда накопитель выключен, гарантируется то, что БМГ не выведется в центр пластин и не станет там царапать поверхность. А вот в момент, когда ваш компьютер завершает работу, можно услышать небольшой щелчок, это как раз и есть срабатывание защелки БМГ.

Когда вы включаете питание на системном блоке вашего ПК, головки в прямом смысле лежат на магнитной поверхности, в защелкнутом состоянии.