Anatomie d'un disque de stockage: disques durs

C'est magnétique. C'est électrique. C'est photonique. Non, il ne s'agira pas d'un nouveau trio de super-héros dans l'univers Marvel. Il s'agit de nos précieuses données numériques. Nous devons le stocker dans un endroit sûr et stable, d'une manière qui nous permette de le saisir et de le changer plus rapidement que vous ne pouvez cligner des yeux. Oubliez Iron Man et Thor – nous parlons de disques de stockage!

Alors préparons-nous pour le théâtre, nettoyons nos mains et fouillons dans l'anatomie de ce que nous utilisons aujourd'hui pour conserver nos milliers de milliards de bits numériques.

Nous avons divisé l'anatomie d'un lecteur de stockage en trois parties, toutes publiées en même temps pour disséquer les disques durs, le stockage à semi-conducteurs et les lecteurs optiques. Suivez les liens ci-dessous pour les lire tous, ainsi que nos précédents travaux publiés sur la série.

Série Anatomie du matériel informatique de

Vous pouvez avoir un ordinateur de bureau au travail, à l'école ou à la maison. Vous pouvez en utiliser un pour établir des déclarations de revenus ou jouer aux derniers jeux; vous pourriez même être en train de construire et de peaufiner des ordinateurs. Mais dans quelle mesure connaissez-vous les composants qui composent un PC?

Tu me fais tourner, bébé

Commençons notre regard sur les entrailles des disques de stockage avec ceux qui utilisent le magnétisme pour stocker des données numériques. La mécanique disque dur (HDD) est le système de stockage standard pour PC à travers le monde depuis plus de 30 ans, mais la technologie derrière tout cela est beaucoup plus ancienne que cela.

IBM a sorti le premier disque dur disponible dans le commerce en 1956, soit 3,75 Mo. Et de manière générale, la structure globale n'a pas beaucoup changé depuis. Il existe encore des disques qui utilisent le magnétisme pour stocker des données, et il existe des appareils pour lire / écrire ces données. Quoi a la quantité de données qui peut y être stockée a changé, et c'est extrêmement important.

En 1987, vous pouviez acheter un disque dur de 20 Mo pour environ 350 $; aujourd'hui, ce genre d'argent vous donnera 14 To de stockage: 700 000 fois plus d'espace.

Nous allons démonter quelque chose qui n'est pas tout à fait de cette taille, mais qui reste assez décent aujourd'hui: un disque dur Seagate Barracuda 3 To de 3,5 pouces, en particulier le modèle ST3000DM001, tristement célèbre pour son taux d'échec élevé et les poursuites ultérieures. Celui-ci est également mort , donc en vérité, il s'agit plus d'une autopsie que d'une leçon d'anatomie.

La majeure partie du disque dur est en métal coulé. Les forces à l'intérieur de l'appareil, en cas d'utilisation intensive, peuvent être assez graves, de sorte que l'utilisation de métal épais empêche le corps de fléchir et de vibrer. Même les minuscules disques durs de 1,8 pouces utilisent du métal pour le corps, bien qu'ils aient tendance à être en aluminium plutôt qu'en acier, car ils sont conçus pour être aussi légers que possible.

En retournant le lecteur, nous pouvons voir une carte de circuit imprimé et un tas de connexions. Celui en haut de la carte est destiné au moteur qui fait tourner les disques, tandis que les trois derniers sont, de gauche à droite, des broches de cavalier pour permettre au lecteur d'être configuré pour certaines configurations, les données SATA (Serial ATA) et SATA Puissance.

Le Serial ATA est apparu pour la première fois en 2000, et sur les ordinateurs de bureau, il s'agit du système standard utilisé pour connecter les disques au reste de l'ordinateur. La spécification du format a subi de nombreuses révisions depuis lors et nous sommes actuellement sur la version 3.4. Notre cadavre de disque dur, cependant, est une version plus ancienne, mais cela n'affecte qu'une seule broche dans la connexion d'alimentation.

Les connexions de données utilisent ce qu'on appelle la signalisation différentielle pour envoyer et recevoir des données: les broches A + et A- sont utilisées pour transmettre instructions et données sur le disque dur, tandis que les broches B sont utilisées pour recevoir ces signaux. L'utilisation de fils jumelés comme celui-ci réduit considérablement l'impact du bruit électrique dans le signal, ce qui signifie qu'il peut être exécuté plus rapidement.

Côté puissance, vous pouvez voir qu'il y a essentiellement deux de chaque tension (+3,3, +5 et + 12V); la plupart ne sont cependant pas utilisés, car les disques durs n'ont pas besoin de beaucoup d'énergie. Ce modèle Seagate particulier utilise moins de 10 W sous une charge élevée. Les broches d'alimentation marquées avec PC sont pré-charge ceux-ci: il permet de retirer et d'extraire le disque dur pendant que l'ordinateur est toujours allumé (a.k.a. échange à chaud).

La broche étiquetée PWDIS permet la réinitialisation à distance du disque dur, mais cela n'est pris en charge que par la version SATA 3.3; donc dans notre lecteur, c'est juste une autre ligne + 3,3 V. Et la dernière broche à couvrir, celle marquée SSU, indique simplement à l'ordinateur si le disque dur prend en charge ou non rotation décalée.

Les disques à l'intérieur de l'appareil – que nous verrons dans quelques instants – doivent être tournés à pleine vitesse avant que l'ordinateur puisse commencer à l'utiliser, mais si la machine avait beaucoup de disques durs, la soudaine demande simultanée d'énergie pourrait bouleversé le système. Échelonner les rotations permet d'éviter que de tels problèmes ne se produisent, mais cela signifie que vous devrez attendre quelques secondes de plus avant de pouvoir vous amuser avec le disque dur.

Le retrait de la carte de circuit imprimé révèle comment la carte de circuit imprimé se connecte aux composants à l'intérieur de l'unité d'entraînement. Disques durs ne sont pas étanche à l'air, sauf pour les très grandes capacités – ceux-ci utilisent de l'hélium, au lieu de l'air, car il est beaucoup moins dense et crée moins de problèmes pour les disques avec beaucoup de disques. Mais vous ne voulez pas non plus qu'ils soient ouvertement exposés à l'environnement.

En utilisant des connecteurs comme celui-ci, cela permet de minimiser la quantité de points d'entrée que la saleté et la poussière peuvent pénétrer dans le lecteur; il y a un trou dans le boîtier métallique – en bas à gauche de l'image ci-dessus (gros point blanc) – pour permettre à la pression d'air de rester relativement ambiante.

Maintenant que le circuit imprimé est éteint, regardons ce qui se trouve ici. Il y a 4 puces principales sur lesquelles se concentrer:

  • LSI B64002: la puce du contrôleur principal qui gère les instructions, le flux de données entrant et sortant, la correction des erreurs, etc.
  • Samsung K4T51163QJ: 64 Mo de SDRAM DDR2, cadencée à 800 MHz, utilisées pour mettre en cache les données
  • Smooth MCKXL: contrôle le moteur qui fait tourner les disques
  • Winbond 25Q40BWS05: 500 Ko de mémoire flash série, utilisés pour stocker le firmware du lecteur (un peu comme le BIOS d'un PC)

Il y a peu de différence entre la vaste gamme de disques durs disponibles en ce qui concerne les composants de la carte de circuit imprimé. Un stockage plus important nécessite plus de cache (vous pouvez trouver jusqu'à 256 Mo de DDR3 sur les derniers monstres) et la puce du contrôleur principal peut être un peu plus sophistiquée en ce qui concerne la gestion des erreurs, mais il n'y a pas grand-chose en elle.

L'ouverture du lecteur est assez facile, il suffit de dévisser un tas de raccords Torx et le tour est joué! Étaient en…

Étant donné qu'il occupe la majeure partie de l'unité, notre attention est immédiatement attirée sur le grand cercle métallique, il n'est donc pas difficile de voir pourquoi ils sont appelés disque disques. Le nom propre pour eux est plat et ils sont en verre ou en aluminium, recouverts de plusieurs couches de différents composés. Ce lecteur de 3 To a trois plateaux, chacun doit donc stocker 500 Go de chaque côté.

L'image de ces plateaux poussiéreux et poilus ne rend pas justice à la précision d'ingénierie et de fabrication requise pour les produire. Dans notre exemple de disque dur, le disque d'aluminium lui-même a une épaisseur de 0,04 pouce (1 mm), mais il a été poli à un degré tel que la hauteur moyenne des variations de la surface est inférieure à 0,000001 pouce (environ 30 nm).

Une couche de base de seulement 0,0004 pouces (10 microns) de profondeur, comprenant plusieurs couches de composés, a été appliquée au métal. Cela se fait par un placage autocatalytique puis un dépôt en phase vapeur, qui prépare le disque pour le matériau magnétique crucial utilisé pour stocker les données numériques.

Ce matériau est généralement un alliage complexe de cobalt et est présenté dans des anneaux concentriques, chacun mesurant environ 0,00001 pouces (environ 250 nm) de large et 0,000001 pouces (25 nm) de profondeur. À l'échelle microscopique, les alliages métalliques forment des grains, comme des bulles de savon flottant sur l'eau.

Chaque grain a son propre champ magnétique, mais il peut être aligné dans une direction définie. Le regroupement de ces champs donne naissance aux bits de données 0 et 1. Si vous voulez une plongée technique plus approfondie dans ce sujet, lisez ce document de l'Université de Yale. Les revêtements finaux sont une couche de carbone pour la protection puis un polymère pour réduire la friction de contact. Ensemble, leur épaisseur ne dépasse pas 0,000000005 pouce (12 nm).

Nous verrons pourquoi les plateaux doivent être fabriqués avec des tolérances aussi élevées dans un instant, mais il est étonnant de penser que, pour aussi peu que 15 $, vous pouvez être l'heureux propriétaire d'une fabrication à l'échelle nanométrique!

Revenons à nouveau au disque dur entier, et jetons un œil à ce qu'il y a d'autre.

La boîte jaune met en évidence un capuchon en métal qui maintient le plateau fermement en place sur le moteur de broche – l'entraînement électrique qui fait tourner les disques. Dans ce disque dur, ils tournent à 7200 tr / min, mais d'autres modèles fonctionnent plus lentement. Les disques plus lents réduisent le bruit et la consommation d'énergie, mais réduisent également les performances, tandis que d'autres disques plus rapides peuvent atteindre 15 000 tr / min.

Pour aider à réduire les effets néfastes de la poussière et de l'humidité dans l'air, un filtre de recirculation (boîte verte) ramasse de minuscules particules et les retient à l'intérieur. L'air déplacé par la rotation des plateaux assure un flux constant sur le filtre. Au-dessus des disques, et à côté du filtre, se trouve l'un des trois séparateurs de plateaux: ils aident à réduire les vibrations et à maintenir le flux d'air aussi régulé que possible.

Dans le coin supérieur gauche de l'image, indiqué par une boîte bleue, se trouve l'un des deux aimants à barre permanents. Ceux-ci fournissent le champ magnétique nécessaire pour déplacer la surbrillance du composant en rouge. Éliminons certaines de ces parties pour mieux voir cela.

Ce qui ressemble à un pansement épais est un autre filtre, sauf que celui-ci élimine les particules et les gaz de l'extérieur, car ils entrent par le trou que nous voyons auparavant. Les pointes métalliques sont bras de l'actionneur qui contiennent le disque dur têtes de lecture / écriture – ils balaient d'avant en arrière sur la surface des plateaux (haut et bas) à une vitesse ridiculement élevée.

Regardez cette vidéo avec l'aimable autorisation de The Slow Mo Guys pour voir à quelle vitesse elle est:

Plutôt que d'utiliser quelque chose comme un moteur pas à pas, pour enclencher les bras en place, un courant électrique est envoyé autour d'une bobine de fil à la base du bras.

Ceux-ci sont généralement appelés bobines vocales, car c'est le même principe que les haut-parleurs et les microphones utilisent pour déplacer les cônes mous. Le courant génère un champ magnétique autour de lui, qui réagit contre le champ créé par les aimants permanents.

N'oubliez pas que les pistes de données sont minuscule, le positionnement des bras doit donc être extrêmement précis – comme tout le reste dans le lecteur. Certains disques durs ont des actionneurs à plusieurs étages, qui peuvent effectuer de petits changements de direction avec une partie seulement du bras entier.

Sur certains disques durs, les pistes de données se chevauchent réellement. Cette technologie s'appelle enregistrement magnétique en bardeaux, et l'exigence d'exactitude et de précision (c'est-à-dire atteindre la bonne position encore et encore) est encore plus grande.

Aux extrémités des bras se trouvent les délicates têtes de lecture / écriture. Notre disque dur a 3 plateaux et 6 têtes, et chacun flotteurs au-dessus du disque pendant sa rotation. Pour ce faire, les têtes sont suspendues par deux bandes de métal ultra fines.

C'est ici que nous pouvons voir pourquoi notre échantillon d'anatomie est mort – au moins une tête s'est détachée et tout ce qui a causé les dommages d'origine, a également plié certains des bras de support. L'ensemble de la tête est si petit qu'il est vraiment difficile d'obtenir une bonne image avec un appareil photo ordinaire, comme nous pouvons le voir ci-dessous.

Nous pouvons cependant distinguer certaines parties. Le bloc gris est une pièce spécialement usinée appelée glissière, lorsque le disque tourne en dessous, le flux d'air produit une portance, soulevant la tête de la surface. Et quand nous disons «off», nous parlons d'un dégagement de seulement 0,000000002 pouces ou moins de 5 nm.

Plus loin et les têtes ne pourraient pas détecter les changements dans les champs magnétiques de la piste; si les têtes reposaient réellement sur la surface, elles gratteraient simplement le revêtement. C'est pourquoi l'air à l'intérieur du boîtier du lecteur doit être filtré: la poussière et l'humidité sur la surface du disque ne feraient que détruire les têtes.

Le minuscule «poteau» métallique à l'extrémité de la tête est là pour aider à l'aérodynamique globale. Nous avons besoin d'une meilleure image, cependant, pour voir les parties qui font la lecture et l'écriture proprement dites.

Dans l'image ci-dessus, à partir d'un autre disque dur, les parties qui lisent et écrivent se trouvent sous toutes les traces électriques. L'écriture se fait avec un couche mince induction (TFI), tandis que la lecture se fait avec un tunneling magnétorésistif (TMR).

Les signaux produits par le TMR sont très faibles et doivent passer par un amplificateur pour augmenter les niveaux avant de pouvoir être transmis. La puce responsable est visible près de la base des bras de l'actionneur, dans l'image ci-dessous.

Comme mentionné dans l'introduction de cet article, les composants mécaniques et le fonctionnement d'un disque dur n'ont pas beaucoup changé au fil des ans. C'est la technologie derrière la piste magnétique et les têtes de lecture / écriture qui s'est le plus améliorée, produisant des pistes plus étroites et plus denses, ce qui se traduit finalement par une plus grande capacité de stockage.

Cependant, les disques durs mécaniques ont des limites de performances claires, il faut du temps pour que les bras de l'actionneur se déplacent vers la position requise et si les données sont dispersées sur différentes pistes sur des plateaux séparés, le lecteur passera un nombre relativement important de microsecondes à chasser les morceaux.

Avant de passer à la séparation d'un autre type de lecteur de stockage, faisons un point de référence pour les performances d'un disque dur typique. Nous avons utilisé CrystalDiskMark pour comparer un disque dur WD 3,5 "5400 tr / min 2 To:

Les deux premières lignes affichent le nombre de Mo par seconde de débit pour effectuer des lectures et écritures séquentielles (une longue liste continue) et aléatoires (sautant sur le lecteur de disque). La ligne suivante, montre une valeur IOPS, c'est le nombre d'opérations d'entrée / sortie ayant lieu chaque seconde. La dernière ligne affiche la latence moyenne (temps en microsecondes) entre l'opération de lecture / écriture émise et la valeur des données récupérée.

De manière générale, vous souhaitez que les valeurs des 3 premières lignes soient aussi grandes que possible et que la dernière ligne soit aussi petite que possible. Ne vous inquiétez pas des chiffres eux-mêmes, c'est juste quelque chose que nous utiliserons pour la comparaison, une fois que nous aurons examiné le prochain type de disque: le stockage à semi-conducteurs.

Continuez à lire l'Anatomie des SSD ici.

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Crédit Masthead: Patrick Lindenberg

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