Конференція Високопродуктивні обчислення, Київ, 13-15 жовтня 2014

Жорсткі диски: всередині механічного дива

Алекс Блеквелл, головний інженер WD по EMEA, розповів про маловідомі і незвичайні технології, які застосовуються в HDD сьогодні, і про те, які дивні й несподівані рішення дозволять нарощувати ємність в майбутньому.

Жорсткий диск - один з найдивовижніших компонентів сучасного комп'ютера. Тільки уявіть собі, що ми все ще зберігаємо дані за допомогою магнітно-механічної технології, яка існує з 50-х років ХХ століття і вже встигла побачити лампову електроніку і грамплатівки.

Уявіть, що ми живемо в альтернативному Всесвіті, де жорсткий диск ніколи не був винайдений і всі дані записуються на Flash-пам'ять або інші твердотільні носії.

Тоді що ви скажете про пропозицію зберігати інформацію у вигляді намагнічених ділянок на обертовому диску, де записуюча голівка зможе точно позиціонуватися на доріжках, відстань між якими можна порівняти за розміром з транзисторами, створюваними в інтегральних схемах за допомогою фотолітографії?

Це неможливо, занадто складно, ненадійно і недовговічно? Проте це реальність, яку ми приймаємо як щось саме собою зрозуміле. Це приклад технології, доведеної до непередбачуваного, навіть абсурдного рівня досконалості.

Алекс Блеквел

Хоча в основі технології HDD лежать прості принципи, для того щоб вона досягла таких висот, знадобилися десятки років розробки і наукових досліджень, величезна кількість складних, нетривіальних, часом дотепних і неймовірних рішень, про які небагато відомо за межами кола людей, пов'язаних з виробництвом жорстких дисків.

Ми поговорили саме з такою людиною – йому можна задати всі питання, що приходять в голову з приводу технологій жорстких дисків, які застосовуються зараз і будуть впроваджуватися в майбутньому.

Знайомтеся: Алекс Блеквелл (Alex Blackwell), головний інженер компанії Western Digital в регіоні EMEA.

Блеквелл часто спілкується з комп'ютерної пресою, відчувається, що йому дійсно подобається розповідати людям про технології.

Про парковку голівок та вбудований електрогенератор

3DNews: Ми не так давно довідалися, що жорсткий диск використовує електричний генератор, щоб можна було завершити запис сектора в разі аварійного відключення. Можете розповісти про це детальніше?

Алекс Блеквелл: Коли раптово зникає електроживлення, перше і найважливіше для безпеки приводу - запаркувати голівки. Тому що якщо вони приземляться на магнітний носій, то вони просто прилипнуть, і більше не зможуть піднятися (під час роботи голівка фактично летить над поверхнею за рахунок потоку повітря як на повітряній подушці).

У голівки і диска надзвичайно гладенькі поверхні. Уявіть собі два абсолютно гладеньких листа скла, притиснуті один до одного. Скільки сили треба, щоб розірвати їх!

Якщо ви увімкнете привід після того, як голівки прилипли до диску, то обертання шпінделя просто відірве кінчик актуатора. Тому для паркування ми піднімаємо голівки і відносимо їх на окремий пластиковий майданчик. Вірніше, опускаємо актуатор, а самі голівки на кінчику висять у повітрі.

Голівка впала на диск

Кінчик актуатора «впав» на пластину і пошкодив магнітний шар

На парковку голівок при обриві живлення у нас завжди є трохи вільного часу. Ця операція здійснюється за допомогою електричного генератора. Але генератора як окремого пристрою в жорсткому диску немає. Просто двигун використовується в «реверсі», що можна зробити з будь-яким електричним мотором.

Так йдуть справи протягом останніх 15-20 років. Диски старших поколінь паркували голівки прямо на поверхню диска, біля внутрішнього краю. Там був магнітний замок, який утримував актуатор на місці. Якщо ви пам'ятаєте, то, вимикаючи такий старий привід, ви чули клацання. Це актуатор наближався до магніту і замикався там. Виробництво таких дисків закінчилося в 2005-2007 роках.

Паркувати голівки прямо на диск можна було тому, що спочатку поверхня була не настільки гладкою і голівки були більшими. Взагалі, тоді все було простіше.

Поступово поверхню робили все більш гладенькою, щоб голівка літала дуже близько, зараз зазор між голівкою та поверхнею диска складає одиниці нанометрів. І одного разу вона стала занадто гладкою, щоб можна було злетіти з неї після паркування. Потім ми почали використовувати лазер, щоб створити текстуру на поверхні диска в паркувальній зоні.

Але тепер, з 2007 року, паркувальна зона знаходиться поза поверхнею диска, на пластиковій підставці. Тобто принцип паркування голівок пережив всього три етапи розвитку, але, незважаючи на це, в даній області задіяно дуже багато тонких технологій.

Однак повернемося до ситуації обриву живлення. Крім того, щоб запаркувати голівки, друге завдання - врятувати настільки багато призначених для запису даних, наскільки це можливо. Потрібно передати на носій фрагмент інформації, який записується в даний момент, завершити запис поточного сектора. Для цього ми просто використовуємо залишкове обертання носія.

Деякі вражаючі цифри та двоступінчатий актуатор

Перший жорсткий диск з'явився в 1956 році. Згадайте інші технології з 1950-х. Наприклад, радіолампи. З того часу у нас з'явилися транзистори, потім перші інтегральні схеми, а потім - БІС, СБІС (Большая интегральная схема, мікросхеми з сотнями тисяч транзисторів).

Або візьмемо аудіозапис. Велику частину часу ми використовували пластинки зі швидкістю обертання 78 об/хв. Спочатку з пластиковими голками, потім з алмазними, потім з'явилася магнітна стрічка, CD, MP3.

Деякі технології просто стрибнули вперед, але дискові приводи все ще працюють так само, як у давнину. Є диск, що обертається, і актуатор, що рухається вздовж нього, магнітна поверхня з індуктивним принципом запису і читання. Хіба що автомобілі залишилися такими ж, як у той час.

Але уявіть собі перший жорсткий диск від IBM. Припустимо, розмір одного біта на цьому диску 50-х років відповідає розміру стадіону «Олімпійський». Наскільки ж тоді великий біт сучасного диску? Розміром з цей стіл? Розміром з цю кімнату? Розміром з мій великий палець? Правильно, саме палець! Площі, що займає один біт тоді і зараз, співвідносяться в масштабі 108 до одного. Тобто 104 в кожному напрямку.

Перший диск IBM

IBM 350 (1956 р.) - найперший жорсткий диск. Призначався для комп'ютера IBM 305 RAMAC

Геометрія жорсткого диска постійно ущільнюється. Зараз доріжки на носії знаходяться на відстані 50-60 нм одна від іншої. А тепер згадайте мікропроцесори Intel, які для виробництва за нормою 28 нм використовують фотолітографію, фабрики з гігантським обладнанням. А у нас в той же час є обертовний диск, і ми можемо позиціонувати голівку в центрі однієї з доріжок, які розділяють усього 60 нм, з точністю близько 10 нм. Це справжня нанотехнологія.

Ви знаєте, що таке двоступінчастий актуатор (Dual Stage Actuator)? Уявіть, що моя рука - це акутатор з голівками на кінці. Ось поворотна точка в плечовому суглобі. І якщо вам потрібно поліпшити позиціонування руки, то можна задіяти суглоб вказівного пальця.

На двоступінчатому актуаторі є свого роду додатковий маленький актуатор, який може переміщатися всього на кілька доріжок вліво і вправо. За рахунок цього ми можемо підвищити точність позиціонування. Ми використовуємо цю технологію вже близько двох років в корпоративних продуктах (серія RE3), а в 2012 році впровадили в деяких споживчих моделях.

Схема двоступінчатого актуатора

Схема двоступінчастого актуатора (з патенту United States Patent 6624983)

Швидкість позиціонування

3DNews: Розкажіть, чому диски серії WD Black показують таку вражаючу продуктивність, особливо - в тестах довільного доступу?

Алекс Блеквелл: Одна з основ високої продуктивності – швидкість обертання шпінделя. Друга основа – швидкий актуатор, за рахунок якого зменшується час пошуку доріжки.

У дисках серії WD Black і RE в двигуні актуатора використовуються два великих магніти. Сильніші магніти дозволяють швидше рухати голівки. В інших серіях, Blue і Green, встановлюють більш компактний одинарний магніт, тому Black випереджає Blue за швидкістю довільного доступу, хоча останні теж працюють на 7200 об/хв.

Як влаштовані голівки

Актуатор

3DNews: Що собою представляють голівки типу GPP / GMR (Perpendicular to Plane / Giant Magnetoresistance), які сьогодні використовуються в жорстких дисках? Як вони працюють?

Алекс Блеквелл: Оригінальний жорсткий диск IBM і всі наступні диски аж до 1996-1997 років мали однакову конструкцію голівки читання / запису. Така голівка представляє собою розірване кільце з дротом, накрученим на нього. Коли на дріт подається струм, виникає магнітне поле, яке «витікає» через розрив у кільці.

Якщо піднести розрив до чогось, що може бути намагнічене, воно намагнічується. Що і відбувається з поверхнею пластини в жорсткому диску: виникають ділянки, які мають магнітні полюси - північний і південний. У той же час, якщо не подавати на голівку напругу, а просто провести уздовж намагніченої ділянки, в ній виникає струм.

Кінчик актуатора

Кінчик актуатора під мікроскопом

З часом стало очевидно, що єдиний пристрій є не зовсім вдалим компромісом. Що добре для запису, може бути неоптимальним для читання. Тоді знайшла застосування ідея магніторезистивності. В якості голівки, що зчитує, стали використовувати резистор, який змінює опір в присутності магнітного поля. А в якості записуючої голівки – окрему індуктивну частину. І більше ніякого компромісу.

Пізніше з'явилося друге покоління цієї технології - GMR (Giant Magnetoresistance), де Giant вказує на величину напруги, яку дозволяє розвинути резистивний елемент. Він просто став чутливішим. А на майбутнє після GMR у нас є ось яка штука: TuMR - Tunneling Magnetoresistance, яка ще більше підвищить ефективність голівки.

Поздовжній і перпендикулярний запис

Тепер про запис. Котушка з розривом усередині, про яку я говорив спочатку, використовується для так званого поздовжнього магнітного запису. Намагнічені ділянки на пластині утворюються в поздовжній орієнтації. Подібно до того, як машини паркуються на вулиці.

Але тепер ми беремо і встановлюємо ці магнітики вертикально. Виходить перпендикулярний запис. Не знаючи технології, важко собі уявити, як це робиться. Насправді, потрібно додати на магнітну пластину диска ще один шар, який би грав роль одного з полюсів котушки і створював слабкий магнітний ефект, розподілений по великій площі.

Принцип перпендикулярного запису

Ось так працює перпендикулярний запис. Для машин також було б краще, щоб вони паркувалися вертикально, особливо у Києві. Головне – не забути прибрати каву з підстаканників :).

За матеріалами 3DNews http://www.3dnews.ru/

Теги: HDD, історія, технології

Матеріали за темою:

Коментарі

Коментарі до "Жорсткі диски: всередині механічного дива":

Анатолій02.02.2013

Лебедина пісня знаменитої технології