Жесткие диски: то, о чем вы даже не подозревали

Жесткий диск — один из самых удивительных компонентов современного компьютера. Только представьте себе, что мы все еще храним данные с помощью магнитно-механической технологии, которая существует с 50-х годов ХХ века и успела повидать ламповую электронику и грампластинки. Представьте, что мы живем в альтернативной Вселенной, где жесткий диск никогда не был изобретен и все данные записываются на Flash-память или другие твердотельные носители. Тогда что вы скажете на предложение сохранять информацию в виде намагниченных участков на вращающемся диске, где записывающая головка сможет точно позиционироваться на дорожках, расстояние между которыми сопоставимо по размеру с транзисторами, создаваемыми в интегральных схемах с помощью фотолитографии? Это невозможно, слишком сложно, ненадежно и недолговечно? Нет, это реальность, которую мы принимаем как нечто само собой разумеющееся. Пример технологии, доведенной до изначально непредсказуемого, даже абсурдного уровня.

Хотя в основе технологии HDD лежат простые принципы, для того чтобы она достигла таких высот, потребовались десятки лет разработки и научных исследований, огромное количество сложных, нетривиальных, подчас остроумных и невероятных решений, о которых немного известно за пределами круга людей, по профессии связанных с производством жестких дисков. Мы побеседовали именно с таким человеком — ему можно задать все вопросы, приходящие в голову по поводу технологий жестких дисков, которые применяются сейчас и будут внедряться в будущем. Знакомьтесь: Алекс Блеквелл (Alex Blackwell), главный инженер компании Western Digital в регионе EMEA.

Блеквелл часто общается с компьютерной прессой, но это явно не тот случай, к которому подошло бы казенное «по долгу службы часто приходится общаться». Чувствуется, что ему действительно нравится рассказывать людям о технологиях. Алекс говорит так увлеченно и ярко, что двухчасовое интервью с ним пролетело на одном дыхании. Это, в общем-то, и было мало похоже на интервью. У Алекса не пришлось ничего «выспрашивать», и на один вопрос он выдавал гораздо больше интереснейшей информации, чем мы изначально рассчитывали получить. Получилась фактически полноформатная лекция об интересных и неочевидных фактах, касающихся жестких дисков.

Составляя список вопросов, мы постарались сократить банальности из разряда «как у WD дела сейчас и каковы планы на будущее?» и узнать больше о жестких дисках в целом, не боясь в чем-то показаться наивными и невежественными. Алекс с удовольствием позволяет собеседнику быть жадным до знаний «почемучкой».

А еще у Блэквелла очень яркая речь, насыщенная метафорами и юмором. Попытаемся передать это в тексте, сделав его максимально близким к «непричесанной» стенограмме. Тем не менее, поскольку разговор постоянно крутился вокруг одних и тех же вопросов, мы именно так его и скомпонуем — в виде конспекта нескольких главных тем. Никакого единого сюжета, просто сборник увлекательных историй про жесткие диски. Вся речь идет от лица Алекса Блеквелла, вопросы и комментарии автора — курсивом.

⇡#О парковке головок и встроенном электрогенераторе

3DNews: Мы не так давно узнали, что жесткий диск использует электрический генератор, чтобы можно было завершить запись сектора в случае аварийного отключения. Можно рассказать об этом поподробнее?

Алекс Блеквелл: Когда внезапно пропадает электропитание, первое и самое важное для безопасности привода — запарковать головки. Потому что если они приземлятся на магнитный носитель, то они просто прилипнут, и больше не смогут подняться (в работе головка фактически летит над поверхностью за счет потока воздуха. — прим. автора). Это конец. Настолько гладкие у них поверхности. Представьте себе два абсолютно гладких листа стекла, прижатые друг к другу. Сколько силы нужно, чтобы разорвать их! Если вы включите привод после того как головки прилипли к диску, то вращение шпинделя просто оторвет кончик актуатора. Поэтому для парковки мы поднимаем головки и относим их на отдельную пластиковую площадку. Вернее, опускаем актуатор, а сами головки на кончике висят в воздухе.

Кончик актуатора «упал» на пластину (фото c Wikimedia Commons)

На парковку головок при обрыве питания у нас всегда есть немного свободного времени. Эта операция осуществляется с помощью электрического генератора. Но генератора как отдельного устройства в жестком диске нет. Двигатель просто используется в «реверсе», что можно сделать с любым электрическим мотором.

Так обстоят дела в течение последних 15–20 лет. Диски более старых типов парковали головки прямо на поверхность диска, у внутреннего края. Там был магнитный замок, который удерживал актуатор на месте. Если вы помните, то, выключая такой старый привод, вы слышали щелчок. Это актуатор приближался к магниту и защелкивался там. Для Western Digital производство таких дисков закончилось в 2005–2006-м, может, даже в 2007 году.

Парковать головки прямо на диске можно было потому, что изначально поверхность была не столь гладкой и головки были крупнее. Вообще, тогда все было проще. Потом поверхность потребовалось сделать очень гладкой, чтобы головка летала очень близко (сейчас зазор между головкой и поверхностью диска составляет единицы нанометров. — прим. автора). И однажды она стала слишком гладкой, чтобы можно было взлететь с нее после парковки. Тогда мы начали использовать лазер, чтобы создать текстуру на поверхности диска в парковочной зоне. Теперь, с 2007 года, парковочная зона находится вне поверхности диска, на пластиковой площадке. То есть принцип парковки головок пережил всего три этапа развития, но, несмотря на это, в данной области задействовано очень много тонких технологий.

Однако вернемся к ситуации обрыва питания. Помимо того, чтобы запарковать головки, вторая задача — спасти настолько много пользовательских данных, насколько возможно. Нужно передать на носитель фрагмент информации, который записывается в данный момент, завершить запись текущего сектора. Для этого мы просто используем остаточное вращение носителя.

⇡#Некоторые впечатляющие цифры и двухступенчатый актуатор

Первый жесткий диск появился в 1956 году. Вспомните другие технологии из 1950-х. Например, радиолампы. С тех пор у нас появились транзисторы, затем первые интегральные схемы, а затем — LSI (Large Scale Integration, микросхемы с сотнями тысяч транзисторов). Или возьмем аудиозапись. Большую часть времени мы использовали пластинки со скоростью вращения 78 об/мин. Сначала с пластиковыми иглами, потом с алмазными, потом появилась магнитная лента, CD, MP3. Некоторые технологии просто прыгнули вперед, но дисковые приводы все еще работают так же, как встарь. Есть вращающийся диск и актуатор, движущийся вдоль него, магнитная поверхность с индуктивным принципом записи и чтения. Разве что автомобили остались такими же, как в то время.

Но представьте себе первый жесткий диск от IBM. Допустим, размер одного бита на этом диске 50-х годов сопоставим со стадионом «Спартак». Насколько же тогда велик бит на современном диске? Размером с этот стол? Размером с эту комнату? Размером с мой большой палец? Правильно, именно палец! Площади, занимаемые одним битом сейчас и тогда, соотносятся в масштабе 10⁸. То есть 10⁴ в каждом направлении.

IBM 350 (1956 г.) — самый первый жесткий диск. Предназначался для компьютера IBM 305 RAMAC (фото с Wikimedia Commons)

Геометрия жесткого диска постоянно сжимается. Сейчас дорожки на носителе находятся на расстоянии 50–60 нм друг от друга. А теперь вспомните микропроцессоры Intel, которые для производства по норме 28 нм используют фотолитографию, фабрики с гигантским оборудованием. А у нас в то же время есть вращающийся диск, и мы можем позиционировать головку в центре одной из дорожек, которые разделяют всего 60 нм, с точностью около 10 нм. Это настоящий хай-тек.

Вы знаете, что такое двухступенчатый актуатор (Dual Stage Actuator)? Представьте, что моя рука — это акутатор с головками на конце. Вот поворотная точка в плечевом суставе. И если вам требуется улучшить позиционирование руки, то можно обратить внимание на сустав пальца. На двухступенчатом актуаторе есть своего рода дополнительный маленький актуатор, который может перемещаться всего на несколько дорожек влево и вправо. За счет этого мы можем повысить точность позиционирования. Мы используем эту технологию уже около двух лет в корпоративных продуктах (серия RE3), а в 2012 году внедрили в некоторых потребительских моделях. В терабайтном диске серии Green, нескольких Blue, всей линейке Red, а теперь и в Black.

Схема двухступенчатого актуатора (из патента United States Patent 6624983)

⇡#WD Black и терабайтные пластины

3DNews: Расскажите, почему диски серии WD Black показывают такую впечатляющую производительность, в особенности — в тестах произвольного доступа?

Алекс Блеквелл: Одна из основ высокой производительности — скорость вращения шпинделя. Вторая основа — быстрый актуатор, за счет которого уменьшается время поиска дорожки. В дисках серии WD Black и RE в двигателе актуатора используются два больших магнита. Более сильный магнит позволяет быстрее двигать головки. В других сериях, Blue и Green, устанавливают более компактный одинарный магнит, поэтому Black опережает Blue по скорости произвольного доступа, хотя последние тоже работают на 7200 об/мин.

3DNews: А когда же появятся диски WD Black с пластинами объемом 1 Тбайт?

Алекс Блеквелл: Это вопрос приоритетов. Нет технологической причины, по которой мы не можем этого сделать. Терабайтные пластины уже применяются в «зеленой» серии при объеме 1–3 Тбайт, в «синей». Понимаете, когда ты проектируешь жесткий диск и хочешь продать его с прибылью, то нужно сочетать много параметров: производительность, объем, выход годных компонентов при производстве и множество других. Важно сочетание факторов, а не просто обладание определенной технологией. Я полагаю, что для WD Black терабайтные пластины просто еще не пришли в зону оптимального сочетания характеристик.

WD Black (слева) и WD Blue (справа) — оцените разницу в размере магнитов

⇡#Как устроены головки

3DNews: Что собой представляют головки типа GPP / GMR (Perpendicular to Plane / Giant Magnetoresistance), которые сегодня используются в жестких дисках? Как они работают?

Алекс Блеквелл: Оригинальный жесткий диск IBM и все последующие диски вплоть до 1996–1997 годов имели единые головки чтения/записи. Такая головка представляет собой разорванное кольцо с проволокой, накрученной сверху. Когда на проволоку подается ток, возникает магнитное поле, которое «вытекает» через разрыв в кольце. Если поднести разрыв к чему-то, что может быть намагничено, оно намагничивается. Что и происходит с поверхностью пластины в жестком диске: возникают участки, имеющие магнитные полюса — северный и южный. В то же время, если не подавать на головку напряжение, а просто провести вдоль намагниченного участка, в ней возникает ток.

Актуатор и его кончик под микроскопом (за фото спасибо Andrew Hazelden, www.andrewhazelden.com)

Со временем стало очевидно, что единое устройство представляет собой компромисс. Что хорошо для записи, может быть неоптимальным для чтения. Тогда нашла применение идея магниторезистивности. В качестве считывающей головки стали использовать резистор, который меняет сопротивление в присутствии магнитного поля. А в качестве записывающей головки — отдельную индуктивную часть. И больше никакого компромисса. Позже появилось второе поколение этой технологии — GMR (Giant Magnetoresistance), где Giant указывает на величину напряжения, которое позволяет развить резистивный элемент. Он просто стал более чувствительным. А на будущее после GMR у нас есть вот какая штука: TuMR — Tunneling Magnetoresistance, которая еще больше повысит эффективность головки.

Теперь о записи. Катушка с разрывом в середине, о которой я говорил изначально, используется для так называемой продольной магнитной записи. Намагниченные участки на пластине образуются в продольной ориентации. Подобно тому, как машины паркуются на улице.

Продольная и перпендикулярная запись

Но теперь мы берем и устанавливаем эти магнитики вертикально. Получается перпендикулярная запись. Не зная технологии, трудно себе представить, как это делается. На самом деле, нужно добавить к магнитной пластине еще один слой, который как бы отражает один из полюсов катушки и создает слабый магнитный эффект, распределенный по большой площади. Вот как работает перпендикулярная запись. Для машин также было бы лучше, чтобы они парковались вертикально, особенно в Москве. Главное — не забыть убрать кофе из подстаканника.