Лучшие рецепты

У надрах жорстких дисків

  1. магнітні диски

Сергій Крушневича. [email protected]

квітень 2004

Статтю надруковано у Тижневик "Мій комп'ютер"

Технології не стоять на місці. Ще недавно у мене був жорсткий диском розміром 130 Мбайт, тоді як сьогодні нормою вважається 80 Гбайт, а на завтра обіцяють більше 200 Гбайт. Жорсткий диск - це один з компонентів сучасного комп'ютера (та й не тільки) який розвивається великими кроками, поройбистрее, ніж процесори. Сьогодні я пропоную розглянути конструкцію сучасних жорстких дисків.

Трішки історії

Шлях, який пройшли звичні нам накопичувачі на жорстких дисках (НЖМД) в процесі своєї еволюції ненабагато менше шляху електронних комп'ютерів. Прийнято вважати, що перший НЖМД був винайдений в далекому 1956 році. Хоча за майже півстоліття НЖМД змінився практично до невпізнання - значно збільшилися швидкості читання / запису і зменшилися габарити, основний принцип роботи залишився незмінним. Це все ті ж обертаються магнітні диски, над якими переміщуються прочитують / пишуть головки.

Сьогодні я хочу ознайомити читачів тижневика з принципом роботи і конструкції НЖМД.

Сьогодні я хочу ознайомити читачів тижневика з принципом роботи і конструкції НЖМД

Загальні відомості

Сучасний НЖМД поєднує в собі розумну і швидкодіючих електроніку і дуже точну (прецензійні) механіку. Незважаючи на всі досягнення в науці і техніці він все ще залишається однією з найбільш ненадійних частин сучасного комп'ютера (через наявність рухомих механічних деталей, дисководи не береться до уваги). І тим не менше, завдяки старанням розробників, гарантований термін безвідмовної роботи (при дотриманні суворих умов експлуатації) перевищує 3-5 років.

Основними складовими частинами НЖМД є: блок магнітних дисків (млинців), на яких власне і зберігається вся інформація; блок головок, який служать для запису і читання інформації; сервоприводи головок і магнітних дисків, служать для переміщення головок і обертання магнітних дисків; і нарешті електроніка, яка керує всією механікою і спілкується із зовнішнім світом (рис. 1). Тепер розглянемо кожну складову окремо. Почнемо з магнітних дисків - «млинців».

Почнемо з магнітних дисків - «млинців»


рис 1

магнітні диски

Магнітні диски представляють собою тонкий, але міцний диск з легкого матеріалу. Зараз в якості матеріалу використовується сплави алюмінію і склокераміки. Диски зі склокераміки мають велику механічну міцність і меншу товщину, але вони дуже крихкі (це накладає значні обмеження на удари і вібрації не тільки в робочому стані, але і в період транспортування). Диски з алюмінієвого сплаву навпаки менш тендітні, що дозволяє їм долати значно більші вібрації і удари, але вони при цьому можуть деформуватися (що в високоточної механіки неприпустимо).

Для того щоб можна було записати, а пізніше і зчитати інформацію, на диски наносять спеціальний магнітний шар. Цей шар має гарну пам'ять на напруженість магнітного поля. Тобто, достатньо на короткий час створити поблизу цього шару сильне магнітне поле, як шар відразу придбає залишкову намагніченість, яка може зберігатися досить тривалий час (роками).

Для отримання «магнітного» шару досить часто використовуються оксидні або тонкоплівкові технології.

Оксидна технологія має на увазі використання в якості магнітного шару оксид заліза (до речі, цей матеріал також був широко використаний в звичайних аудіокасетах). Ця технологія проіснувала досить довго, перш за все через простоту отримання (рис. 2а). Але невисока міцність шару і мала роздільна здатність запису не дозволила подальше нарощування щільності запису (максимальну кількість інформації, яка може бути записана на одиниці об'єму).

Наступним кроком у створенні «магнітного» шару стало використання матеріалів, які наносяться по тонкоплівкової технології. У цій технології заповітний шар являє собою «бутерброд» з магнітного і захисного шару. Як магнітного найчастіше використовується сплави кобальту, а захисного - вуглець, хром або нікель. Захисний шар служить для зміцнення поверхні та запобігання руйнування магнітного шару в процесі роботи накопичувача (рис. 2б). Магнітний шар за цією технологією зазвичай наноситься гальванічним нарощуванням. Суть методу полягає в наступному: диски і нарощуваний матеріал поміщаються в спеціальну рідину - електроліт, а потім між ними прикладається постійна напруга. В результаті цього матеріал під впливом струму переноситься на пластини. Рідше використовується метод осадження (Магнітний матеріал спочатку переводять в газоподібний стан (випаровують або сублимируют), а потім конденсують на поверхні диска).

Рис 2
Рис 2.

Для підвищення щільності запису на диск, магнітне покриття наносять не на одну сторону, а відразу на обидві. Але в сучасних накопичувачах не завжди використовуються обидві сторони, наприклад, в тих випадках, коли виробник випускає більш дешеву версію накопичувача з меншою ємністю. Виготовлення дисків з одностороннім покриттям економічно невигідно, тому всі диски виготовляють двосторонніми.

Зараз основною характеристикою магнітних дисків є щільність запису - Гб ит на дюйм (1 дюйм = 1.54см), тобто цей параметр характеризує кількість інформації, яке може бути записано на одиниці площі поверхні диска. Зараз щільність запису досягає рівня 90-100 Гбіт / дюйм2 (14-16 Гб ит / см2).

магнітні головки

Принцип роботи магнітних головок жорстких дисків нічим не відрізняється від таких у дисководів або касетних магнітофонів. Для тих, хто забув, нагадаю. Голівки, що зчитує (рис. 3) являє собою муздрамтеатр з одним або двома зазорам, на який намотана котушка. При переміщенні робочого зазору головки уздовж поверхні з різним рівнем намагніченості, в ньому наводиться магнітне поле, яке майже без втрат передається по магнітопровода до котушки. Другий (неробочий) зазор служить для зменшення індуктивності головки під час запису, правда в універсальних (тобто зчитує і записуючої) голівках він зазвичай не виготовляється. Магнітне поле в котушці перетворюється в електричний струм (згадуємо явище ЕРС з курсу фізики J), який потім вже обробляється електронікою.

Процес запису представляє зворотний процес - через котушку пропускається змінний струм. Струм в котушці створює магнітне поле, яке по магнітопровода передається до робочого зазору. У робочому зазорі магнітне поле має найбільшу напруженість (так як «магнітна провідність» повітря на кілька порядків нижче), тим самим сприяє поліпшенню якості і щільності запису. При зменшенні розмірів зазору збільшується щільність запису, але при цьому знижується рівень залишкового магнітного поля диска, що призводить до зменшення рівня корисного сигналу при подальшому зчитуванні інформації. Під час зчитування корисний сигнал все більш «потопає» у сторонні шуми і виділити його стає все важче. Це і накладає певні обмеження на розміри робочого зазору і щільність запису.

Рис 3
Рис 3.

Магнитопровод магнітної головки являє собою набір тонких пластин з матеріалу, який добре «проводить» магнітне поле (феромагнетик).

Першими представником магнітних головок можна назвати «пермалоевие», так як муздрамтеатр у них був виготовлений з пермалоя. З цього ж матеріалу також виготовлялися і магнітні головки (тобто магнітопроводи) для звичайних котушкові і касетні магнітофони.

Наступним кроком стало застосування «феритових» головок. Вони були більш чутливими і легше піддавалися автоматизованого виробництва, так як вони виготовлялися методом пресування ферритового порошку. У цих головках іноді застосовувався також і додатковий зазор (заповнений металом), який служив для Зменшення індуктивності головки під час запису, що дозволяло підняти рівень і частоту записуваного сигналу.

На зміну феритовим прийшли «тонкоплівкові» головки. Так як для їх отримання використовують метод фотолітографії (див. « У надрах мікросхем »), То і розміри головки стали значно менше. Це дозволило ще більше наблизити головки до поверхні диска, зменшити робочий зазор і як наслідок - підвищити щільність запису. Як муздрамтеатру в основному використовували залізо-нікелевий сплав.

Розміри магнітних головок були доведені до мінімуму, і подальше зменшення стало неможливим. Потрібно було шукати альтернативу. Нею стала «магніторезестівная» головка. Принцип її роботи дещо відрізняється від описаних раніше. Серцем голівки, що зчитує є матеріал, опір якого змінюється зі зміною напруженості магнітного поля - «магніторезіст». За цією технологією для читання і запису використовують дві роздільні головки - магніторезестівную для читання і звичайну (тонкопленочную - котушкову J) для запису. Цей тип головок застосовується і в сучасних накопичувачах.

Вільний політ

Для збільшення терміну служби головки і покриття магнітних дисків, сама головка в процесі роботи не стосується поверхні, а так би мовити «ширяє» не маленький висоті. Для підйому головки використовується потік повітря, який створюється обертовими з великою швидкістю магнітними дисками. Для утримування постійної висоти «польоту» використовуються крила.

Конструкція крил передбачає зміну підйомної сили, при переміщенні головки від центру диска до його краю і назад, так як лінійна швидкість в центрі менше, ніж на краю диска. Цим і зберігається постійна висота «польоту» головки.

Для забезпечення нормальної висоти підйому, тиск повітря всередині НЖМД повинно знаходитися в певних межах (ці цифри зазвичай вказуються в паспорті). Особливо небезпечним є знижений тиск, коли головки можуть не піднятися на потрібну висоту і при роботі торкатися поверхні. Підвищений тиск (в розумних межах) не заподіє шкоди, так як головки піднімуться на велику висоту. При цьому можливі помилки при читанні або запису.

Так як головки парять над поверхнею за рахунок потоку повітря, то при виключенні живлення і зупинці магнітних дисків, головка опускається на поверхню диска. Для того щоб при цьому не пошкодити головку (так як в момент зупинки і запуску головка ковзає по поверхні) на дисках використовується спеціальна паркувальна зона (Landing zone), в якій збиток наноситься голівці в момент зіткнення мінімальний. Ця зона зазвичай знаходиться в центральній частині магнітного диска.

На сьогодні все, наступного разу ми поговоримо про взаємодію магнітних дисків і головок. До зустрічі!

продовження >>>