Технология NoiseGuard

Новая технология компании Samsung - NoiseGuard - была впервые представлена в винчестерах серии SpinPoint V10200. Эта технология делает работу винчестера бесшумной. Сегодня все жесткие диски Samsung создаются по этой методике. В настоящее время компания разрабатывает бесшумный привод - с гидродинамическими подшипниками (FDB - Fluid Dynamic Bearing Motor).

Акустические шумы в винчестерах

За последние десятилетия индустрия жестких дисков претерпела существенные изменения. В первую очередь изменения коснулись плотности записи и скорости обработки информации. Рядовые потребители при покупке ориентируются на емкость, цену и надежность. Отметим, что с увеличением сложности жестких дисков увеличилось и количество шумов, производимых ими.

Год от года потребители становятся все более разборчивыми, и последнее время стали обращать внимание и на шумы от винчестеров. Основные источники шумов в современном компьютере - это вентиляторы и винчестеры. Рассмотрим средние значения (акустическую мощность) этих шумов: вентилятор - 3,4 бела, винчестер (при нормальной работе) - 3,0-4,0 бела. Для сравнения, средний уровень шума дома или в офисе - 4,0-5,0 белов. Отметим, что шум, вырабатываемый компьютером, не только отвлекает пользователя от работы, но и снижает общую производительность.

С появлением Интернета компьютер стал использоваться не только в офисе, но и дома. Как правило, дома его используют не для работы, а для развлечений - для прослушивания музыки или просмотра видеофильмов. В таких ситуациях также требуется тишина. Ведь шумы отвлекают от наслаждения искусством.

В связи с развитием индустрии жесткие диски стали мощными как никогда. Даже самые доступные модели в настоящее время используются совершенно по-разному - в различной потребительской электронике для хранения больших массивов цифровых данных - в телевидении, в компьютерных приставках, в цифровых видеомагнитофонах, в кинозалах, mp3-плеерах, в компьютерных играх и много где ещё. По мере усложнения винчестеров увеличился и производимый ими шум. Причем увеличился настолько, что стал мешать пользователям воспринимать звуки. А если компьютер находится в спальне, то при ночном скачивании файлов из Интернета производимый шум может нарушать сон.

Измерение шума

Полусферическая установка для измерения давления звука в полузаглушенной (Semi-Anechoic) камере на площадях SISA (Samsung Information Systems America), в Сан-Хосе, Калифорния.

В былые времена для измерения шума использовалось звуковое давление. При этом количество звука измерялось непосредственно над винчестером. Метод был несовершенен, так как при этом не учитывался шум, вырабатываемый с других сторон корпуса винчестера. Отметим также, что это не единственный недостаток. В настоящее время Samsung измеряет давление звука со всех направлений, при этом задействуются 10 микрофонов. На рисунке ниже показано, как измеряется уровень акустического шума. На полу устанавливается звукоотражающая пластина, чтобы учитывались все шумы.

Что может слышать человеческое ухо

Ухо среднестатистического человека способно слышать звуки частотой от 20 Гц до 20 кГц. Наиболее чувствительно воспринимаются звуки с частотой от 1 до 3 кГц. Качество, с которым человеческое ухо воспринимает эти звуки, зависит от звукового давления. Так, при одинаковом звуковом давлении звук с частотой в диапазоне 1-3 кГц будет отвлекать пользователя сильнее, чем звук из другого диапазона частот. Поэтому сокращение шумов в этом диапазоне частот существенно улучшит качество - даже при равном или большем уровне помех на больших частотах.

При разработке технологии NoiseGuard инженеры больше внимания уделяли выявлению причин возникновения шумов и исследованию природы этих шумов. Первым делом были проанализированы конкретные частоты. Наиболее глубокому анализу подверглись частоты 1-3 кГц. С помощью специальной технологии для измерения интенсивности звука и характера его распространения (Sound Intensity Measurements and Operational Deflection Shape) инженеры исследовали источники всех этих шумов. Затем, на основании данных этих исследований, делались выводы как наилучшим образом изменить устройство винчестеров.

Использование NoiseGuard

Главным образом шумы возникают в результате механических вибраций или в результате вращения шпинделя и двигателя привода головки чтения/записи. Во время вращения подшипники мотора шпинделя также производят много шума. Во время позиционирования также привносятся шумы от высокочастотного магнитоэлектрического взаимодействия, вибраций блока магнитных головок и позиционера привода головки.

Эти вибрации передаются блоку дисков с головками (Head-and-Disk Assembly - HAD). При резонансе с частотой раскрутки двигателя вибрации усиливаются, при этом ухудшается шумовой показатель всего устройства. Чтобы снизить уровень шума, производимого всем винчестером, достаточно уменьшить передаваемую этому блоку энергию.

Проведя распределенный анализ акустической интенсивности шумов, компания определила специфические источники шумов и намерена нейтрализовать их с помощью технологии NoiseGuard. После тщательного анализа характеристик различных веществ были подобраны оптимальные вибропоглощающие материалы.

Форма корпуса винчестеров также разрабатывалась с учетом расположения потенциальных вибрирующих областей - что также повлияло на снижение уровня акустических шумов. Технология NoiseGuard включает все эти приемы, при этом значительно сокращается общий уровень акустических помех, а в особенности сокращаются шумы, наиболее восприимчивые для нашего слуха.

На следующем рисунке показано, как выглядит шум с применением и без применения технологии NoiseGuard. В частности, видно, что с использованием этой технологии жесткий диск вырабатывает значительно меньше шумов, различимых человеческим ухом (с частотой 1-3 кГц)

Защита от ударов - SSB & ImpacGuard (Shock Skin Bumper)

Компания начала выпускать винчестеры с 1988 года. Все это время специалисты компании разрабатывали и внедряли новые технологии. Стоит отметить, что жесткие диски очень чувствительны к ударам (примерно 30% поломок случается в результате удара). По этой причине компания существенно улучшила эти показатели винчестера при отключенном питании.

Для сборщиков компьютеров уровень поломок компьютеров тесно связан с поломками винчестеров. Отметим, большая вероятность повреждения винчестера наблюдается именно в процессе сборки компьютера. Как только винчестер установлен в компьютер, как только он укреплен внутри корпуса, он меньше подвержен различным ударам. Неукрепленные же винчестеры, напротив, подвержены различным внешним воздействиям, ударам (примерно несколько сот G в миллисекунду), вызванным неправильной эксплуатацией, установкой и так далее.

При увеличении емкости жесткого диска сокращается площадь между секторами, где находятся данные. При уменьшении расстояния между секторами уменьшается и высота парения магнитной головки над поверхностью диска. В современных устройствах это расстояние составляет меньше 0,3 микрона. Поэтому при увеличении емкости диска увеличивается вероятность столкновения диска и головки.

Чтобы минимизировать повреждения в результате ударов, компания разработала две революционных технологии - SSBT (Shock Skin Bumper) и ImpacGuard.

Внешний удар и повреждения винчестера

Винчестеры могут быть подвержены сильным ударам как во время доставки, так и в процессе сборки. В результате таких ударов диск может быть поврежден, частично или полностью может быть нарушена работа диска. Винчестер можно повредить даже малейшим сотрясением. Такая встряска выводит головку из состояния покоя и приводит к так называемому "шлепку" головки (head slap) - ситуации, когда головка ударяет о пластины винчестера. При этом столкновении на поверхности диска появляются крохотные частицы (ведь расстояние между пластиной и головкой примерно 0,3 микрона). Эти частицы накапливаются и становятся причиной трения головки о диск - при этом также увеличивается температура диска. От нагревания винчестера начинаются ошибки чтения/записи, появляются плохие секторы и теряются данные. Снижается надёжность компьютера и в итоге вся система может быть выведена из строя.

"шлепок" головки (head slap process)

Так каково же предназначение новой технологии SSB (Shock Skin Bumper) - амортизационного защитного кожуха?

Новая технология представляет собой некий бампер (амортизатор), предназначенный для защиты винчестеров от ударов в процессе транспортировки или сборки. В результате внедрения этой технологии увеличивается продолжительность удара и уменьшается амплитуда. Поэтому уменьшается и сила удара. Вы видите по названию, технология работает как бампер автомобиля, снижая последствия удара. В следующей таблице представлена амплитуда удара (свободное падение на стол) до и после применения этой технологии. Из таблицы видно, что винчестеры, использующие эту технологию, сводят на нет последствия удара.

Каковы функции ImpacGuard?

Другая новинка компании - технология ImpacGuard - предназначена для предотвращения вибраций диска при незапаркованой головке. Таким образом, первая технология уменьшает воздействие внешних ударов, а вторая - увеличивает внутреннее сопротивление винчестера к удару с помощью усиления диска и уменьшения его восприимчивости к внешним воздействиям.

Наработка на отказ и процент брака (MTBF & ARR - mean time between failure & annual return rate)

Вероятно, жесткий диск - наиболее важный компонент в компьютере. Поэтому при дефекте в винчестере становится неисправным весь компьютер. Поэтому важно, чтобы жесткие диски были максимально надежными.

Способы измерения надежности

В компьютерной индустрии нет единого стандарта измерения надежности жестких дисков - каждая компания оценивает этот показатель, используя собственные методики. Чаще всего, когда говорят о надежности, то говорят о наработке на отказ (MTBF - Mean Time Between Failure) или о количестве возвратов за год (ARP - Annual Return Rate). На стадии разработки компания пользуется данными о наработке на отказ и увеличивает этот показатель до требуемой величины с помощью улучшения дизайна диска. После того, как технология доведена до совершенства, компания приступает к массовому производству винчестеров с этим дизайном. Во время серийного производства, постоянно проходят тесты на надежность (On-Going Reliability Test). После доставки продукции компания следит за надежностью своих изделий посредством данных об уровне брака. Средний показатель наработки на отказ у жестких дисков Samsung - около 500 тысяч часов. Это означает, что если ваш компьютер работает ежедневно по 9 часов, то винчестер сломается лишь через 152 года. Однако отметим, что в естественных, несовершенных, нетестовых условиях средний срок эксплуатации несколько отличается от этого показателя и зависит условий эксплуатации.

Первоначально значение наработки на отказ вычисляется арифметически. При этом учитываются все компоненты винчестера. После испытаний это значение изменяется с учетом таких факторов как просчеты в дизайне, недоработки в производстве, программные ошибки и условия эксплуатации.

Для обеспечения высокого качества Samsung проводит довольно много различных тестов.

Наработка на отказ, вычисленная с помощью простых тестов

Этот метод для вычисления значения наработки на отказ использует статистику. Пока на стадии тестирования не получается приемлемого значения, разработчики определяют и дорабатывают различные недостатки. Так как этот метод учитывает просчеты в дизайне и производстве, а также ошибки программистов, как правило, получаемый показатель ниже, чем тот, что задан изначально. Кроме того, статистический метод более точный. Тем не менее, методика всё равно основана на вероятности, и поэтому не может точно указывать срок службы изделия в рабочей среде. Ниже приведен вариант оценки срока наработки.

1. Тестирование проводится на 480 устройствах, прошедших базовый тест. Питание четыре часа включалось и выключалось при одинаковой температуре и напряжении.

2. После прохождения теста с помощью следующей формулы вычислялось значение наработки на отказ.

где X(n) - специальное значение, определенное MIL HDBK 781-4 D

3. Тестируемые устройства, не выдержавшие тест, отправлялись группе анализа неисправностей (Failure Analysis Group) - для улучшения дизайна.

4. Допустимые значения наработки на отказ: смотрите рисунок (последовательный тест уровня вероятности - Probability Ratio Sequential Test - PRST) Если значение приемлемо, тест считается пройденным. Если значение не попадает в этот диапазон, устройство отправляется на доработку и тестирование продолжается до тех пор, пока не достигаются приемлемые значения.

Даже после того, как продукция попала на стадию массового производства, компания продолжает проводить тесты на надежность и срок эксплуатации. В этих тестах 120 устройств работают непрерывно в течение 72 часов, и значение наработки на отказ в этих тестах измеряется следующим образом.

Если наработка на отказ оказывается неприемлемой ещё на стадии разработки, для улучшения продукта используются все методы. Производится анализ неисправностей, совершенствуется процесс производства, а иногда для решения проблемы привлекаются также и поставщики компонентов. В некоторых случаях причина может заключаться даже в неправильной сборке компьютера.

Уровень брака за год ARR (Annualized Return Rate)

Если срок наработки используется для определения качества продукции перед массовым производством, то уровень брака служит показателем качества уже спустя некоторое время после начала серийного производства. Этот показатель - надежная вероятность стабильности продукции.

Низкое энергопотребление

Управление США по охране окружающей среды разработало программу Energy Star Program (программу по снижению потребления электроэнергии), согласно которой производителям рекомендуется снизить потребляемую мощность персональных компьютеров. Данная инициатива поддерживается другими агентствами США и различными публично-правовыми корпорациями. Производители компьютеров всех стран мира должны принимать во внимание требования этой инициативы, сотрудничать с этой программой и искать способы снижения потребляемой мощности компьютеров. Компания Samsung производит винчестеры и мониторы, удовлетворяющие требованиям этой программы. Отметим, что эти устройства считаются главными потребителями электроэнергии из всех компонентов компьютера.

Кроме режима энергосбережения, серия SpinPoint использует метод контроля энергопотребления, разработанный инженерами компании. При этом сокращается потребление энергии более чем на 40%. Чтобы оптимизировать энергопотребление, сотрудники разработали новую технологию, использующую DRAM. Эта полупроводниковая новинка позволяет добиться от компьютера высокой производительности и низкого энергопотребления.

Программа энергосбережения была разработана в 1992 году управлением по охране окружающей среды США. В рамках этой программы управление по охране окружающей среды и министерство энергетики установили отношения с 1500 компаниями, производящих электрические устройства. На сегодняшний день более 1200 производителей создают более 500 моделей новых устройств в год, на которых стоит отметка "Energy Star"

Компьютерный рынок - самая быстроразвивающаяся индустрия в мире. Отметим, что компьютеры расходуют много электроэнергии понапрасну - так как большую часть времени компьютеры просто простаивают во включенном состоянии, не выполняя никаких вычислений, никакой работы. И всё это время тратится безумное количество драгоценной электроэнергии.

Программа Energy Star требует от производителей компьютеров, участвующих в программе, чтобы при простаивании системы компьютер переключался в режим энергосбережения, чтобы сократить потребление электричества. При этом система потребляет до 30 ватт. По подсчетам управления, данная программа позволит достичь от каждого компьютера экономии от 7 до 52 долларов в год.

Программа Energy Star Program успешно развивается, и с каждым годом всё больше производителей компьютеров вступают в её ряды. Производители мониторов и винчестеров снижают мощность устройств, установив новый стандарт - "ATA definition" - стандарт режима ожидания (во время простоя системы)

Режим энергосбережения

Нормальный режим (normal mode). В этом режиме винчестер отвечает и выполняет команды компьютера с максимальной скоростью. Раскручивается шпиндель, и головки перемещаются на рабочую область диска. В этом режиме устройство потребляет больше всего энергии.

Холостой режим (Idle mode). В этом режиме винчестер так же быстро получает команды, но отвечает медленнее - ведь схема чтения/записи выключена. Скорость реакции в этом режиме значительно меньше, чем в нормальном режиме, при этом больше энергии расходуется на вращение диска.

Режим ожидания (Standby mode). В этом режиме интерфейс винчестера принимает команды, но так как диск не вращается, он недоступен системе. В этом режиме потребление энергии составляет 1 Ватт.

Дежурный режим (Sleep mode). В этом режиме интерфейс выключен, при этом прекращаются практически все операции. Тем не менее, процессы возобновляют работу, как только соответствующему устройству отправлена команда standby - переход в режим ожидания. Отметим, что в дежурном режиме можно резко сократить расход энергии.

В винчестерах Samsung для сокращения энергопотребления используется специальный контроллер. При этом не снижается ни производительность, ни скорость. Компания ожидает, что и другие производители последуют новому веянию и тоже будут внедрять подобные технологии для сбережения электроэнергии.

S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology)

SMART - это технология, предназначенная для повышения надежности работы жестких дисков и базирующаяся на предсказании сбоев в их работе.

Самое важное для пользователей компьютеров - быть уверенными в жестком диске - ведь в большинстве случаев вся ценная информация хранится именно там. Именно поэтому пользователи зачастую испытывают определенные трудности - из-за поломок винчестеров теряется интеллектуальная собственность. Для решения этой проблемы некоторые компании - например, Ontrack - в США или Myung Information System - в Корее, предоставляют сервис по восстановлению данных. Отметим, что далеко не все данные можно восстановить - существуют определенные ограничения и зачастую стоимость восстановления во много раз превышает стоимость самого винчестера.

Специалисты Samsung понимают всю важность этой ситуации и разными способами стараются повысить надежность своей продукции. Технология SMART позволяет предупреждать пользователей о неисправностях и своевременно предлагать сохранить данные в других местах. Поэтому она играет большую роль в задаче сохранения данных и предотвращения серьезных последствий поломок винчестеров.

Вы спросите, как это возможно - предупредить о возможной поломке диска и предотвратить аварию? Технология позволяет выбрать безопасную конфигурацию компьютера, чтобы уменьшить вред от потери данных. Для этого SMART определяет дефекты непосредственно в процессе работы.

Примерные дефекты жестких дисков

Давайте сначала разберемся, какого типа проблемы могут возникнуть, а уже затем ознакомимся с работой технологии SMART. Все поломки можно поделить на две группы: предсказуемые и непредсказуемые.

Предсказуемые дефекты можно с большой вероятностью предсказать судя по степени износа головки, сервомеханизма, двигателя и так далее. Технология позволяет предсказывать такие дефекты и предупреждать пользователей, предлагая сохранить данные заранее, если уровень ошибок выше, чем указано в стандарте или операции чтения/записи осуществляются медленнее. В эту группу главным образом входят ошибки, причиной которых стал механический износ или трансформация - они составляют более половины всей группы.

К непредсказуемым относятся дефекты, которые невозможно обнаружить без микроскопического исследования чипов. Эти непредсказуемые дефекты позднее могут привести к ошибкам. Предупредить такие дефекты заранее невозможно. Но можно снизить их количество путем совершенствования процесса производства, улучшения дизайна и усиления контроля качества.

Даже с сегодняшними продвинутыми технологиями ни одна компания не может на все сто процентов правильно предсказать возможные неисправности. Отметим, что навязчивые предупреждения о возможных поломках также могут сыграть отрицательную роль.

Функционирование SMART и уведомление об ошибках

До настоящего момента на компьютерах используются такие программы, как ScanDisk или CHKDSK для мониторинга и анализа работы винчестера. Технология SMART умеет подстраиваться под характеристики отдельного винчестера, при этом достигается лучший результат, чем от использования более ранних технологий. Связано это с тем, что SMART тестирует каждый компонент винчестера. Технология предупреждает пользователей о возможных неисправностях в следующем порядке:

Сначала компьютер посылает винчестеру определенную команду, чтобы удостоверится в его наличии, при этом винчестер начинает тестировать внутреннюю работу своих компонентов - головки, носителя, двигателей. Если эффективность выходит за определенные пределы, устройство посылает компьютеру предупреждение. Скажем, если во время чтения данных на 10 миллиардов единиц данных приходится более 50 ошибок, программа посылает предупреждающий сигнал. Затем, когда пользователь включает компьютер, программа прерывает загрузку сообщением или запускает Norton SMART Doctor в Windows, предупреждая пользователя об опасности, и рекомендует зарезервировать все важные данные.

Для определения состояния винчестеров, компания разработала свой собственный стандарт таблицы кодов неисправностей для каждого из компонентов диска - стандарт Samsung SMART Revision 2B. В основу этого стандарта был положен другой стандарт - SSF-8035, разработанный компанией Compaq Computer в пору создания технологии SMART. В стандарте Samsung указываются все основные показатели работы винчестера (высота парения головки, время работы винчестера, количество ошибок поиска, время случайного поиска и так далее). Если при работе реальные значения превышают допустимые пороги, система посылает компьютеру предупреждение. Слишком низкое значение пороговых значений может привести к слишком частому появлению предостережений, что в свою очередь может снизить эффективность этих предостережений и испортить впечатление о продукте, а слишком высокое значение может привести к такой ситуации, когда винчестер сломался, а предостережения так и не появилось. Инженеры компании тщательно анализируют возвращаемую продукцию и подбирают лучшие значения пороговых показателей, при этом учитываются и требования индустрии. В результате этих усилий количество возвратов с 1998 года резко снизилось.

UDMA 100

Стандарт UDMA100 (Ultra Direct Memory Access) - появился в качестве доработанной версии стандарта UDMA66, предназначенного для обмена данными между буфером винчестера и системой. Протокол UDMA66 был разработан компанией Quantum в 1998 году. Скорость передачи в стандарте UDMA 100 на 34 мегабайта в секунду выше, чем в UDMA66. В настоящее время в современных компьютерах внутренняя скорость передачи данных в винчестерах не превышает 66 мегабайт в секунду. Однако к 2002 году этот показатель станет выше. Производители компьютеров уже начали поставлять компьютеры, поддерживающие стандарт UDMA100, во второй половине 2000 года. Будучи членом комитета ATA Committee, компания Samsung работает над внедрением новых интерфейсов жестких дисков. Стандарт UDMA100 был выбран в качестве стандарта внутреннего интерфейса винчестеров серии SpinPoint 20400+ начиная со второй половины 2000 года.

Не так давно многие спорили, имеет ли смысл устанавливать интерфейс UDMA100 для винчестеров со скоростью вращения шпинделя в 5400 оборотов в минуту. Считалось что существующего стандарта (UDMA66), обеспечивавшего скорость до 66 мегабайт в секунду для 5400 об/мин вполне достаточно. Тем не менее, компания Samsung выбрала в качестве стандарта интерфейса именно UDMA100 по следующим причинам.

Скорость обработки информации (между памятью системы и буфером винчестера) должна быть выше, чем скорость носителя внутри винчестера. В противном случае может возникать "узкое место" в буфере винчестера, вследствие чего упадет производительность системы - независимо от скорости передачи данных в винчестере или скорости работы процессора. Снижение производительности происходит, если внутренняя скорость передачи данных винчестера выше скорости интерфейса: винчестер пытается послать данные в буфер до того, как данные, уже хранящиеся в буфере, будут переданы в компьютер. Поэтому скорость интерфейса всегда должна превосходить скорость внутренних устройств. Другими словами, если в настоящее время скорость передачи данных винчестера не превышает 66 мегабайт в секунду, но в будущем следует ожидать увеличения скорости обработки данных и следует подготовится к этому заранее.

За последние три или четыре года интерфейс ATA интенсивно развивался. Причина заключается в появлении потоковых аудио/видео приложений и в необходимости достичь более высоких скоростей передачи данных для получения лучшего звука/изображения. Недостаток производительности компьютера часто становится "узким местом" системы (сюда включаются и процессор, и оперативная память, и винчестер, и интерфейс). В результате пользователь получает неудовлетворительное изображение или звук. Или система прекратит работать вообще.

Компьютерная индустрия постоянно преодолевает технические барьеры с помощью разработки новых производительных микропроцессоров, памяти большего размера, скоростных дисков, следовательно, нужен и интерфейс, который смог бы соответствовать по скорости и по надежности остальным компонентам. Ниже представлена таблица и график, по которым можно судить о скорости развития интерфейса.

Обратная совместимость

Ниже представлены протоколы интерфейса между винчестером и компьютером.

CRC (Cyclical Redundancy Checking) - контроль с помощью циклического избыточного кода - этот алгоритм определяет ошибки при передачи данных и повторно считывает их.

Каждый последующий интерфейс обратно совместим с предыдущим интерфейсом. Так винчестер (или компьютер) с интерфейсом UDMA100 полностью совместим с такими интерфейсами как UDMA66 или UDMA33. Соответственно, у пользователей появляется больше вариантов при использовании скоростных интерфейсов.

Совместимость и улучшение производительности

Сначала компания протестировала винчестеры на совместимость с картами контроллеров ABIT и Promise. Кроме того, винчестеры были протестированы на совместимость и производительность с компьютерами Dell и Micron, чьи материнские платы (на чипсете Intel 815) поддерживают стандарт UDMA100. Как показали результаты тестов, проблем с совместимостью не наблюдалось, а разница между UDMA66 и UDMA100 составила менее 1%, как и ожидалось. Учитывая быстро растущую скорость интерфейса, UDMA100 станет неотъемлемым стандартом будущего.

Кроме того, в результате дешевизны 80-проводных шлейфов, используемых в UDMA100 и UDMA66, даже при такой незначительной разнице в производительности, в будущем винчестеры будут ещё более надежными и удобными.