В последние недели копался в деталях о внутренней работе механики и логики HDD и показалось полезным поделиться суммой нагугленных удивительных фактов. Факты не тайна, но обсуждаются мало. Статьёй хочется пробудить интерес к бесконечно глубокой теме этих замечательных точных механических устройств и свежих трендов в их внутреннем устройстве, которые заставляют нервно курить в углу любой швейцарский часовой завод. Статья поверхностная, вглубь по каждому аспекту можно гуглить неделями.

База

Но все знают, что магнитные головки HDD, прицепленные с одного конца "коромысла", приводятся в движение магнитной катушкой "Voice Coil" зажатой между двух неодимомых магнитов с другой стороны. Это не вся правда: в современных HDD по ходу длины "рычага" есть пара мест, где стоят пьезо-актуаторы для наклона металла рычага в разные стороны с целью доворота голов на микрометры и нанометры из стороны в сторону. Когда HDD надо переместить БМГ (Блок Магнитных Головок) на другую далёкую дорожку, он подаёт на Voice Coil резкий импульс тока, чтобы сорвать массивную металлическую конструкцию рычага (массивную в сравнении с головками, например) с места в нужном направлении, а потом ещё один обратный импульс тока для резкого торможения. Если посмотрите на фото БМГ, то увидите какую долю габаритов от всей конструкции занимает эта Voice Coil - она довольно большая. Ускорения и торможения происходят с перегрузками, сравнимыми с тем, как если бы автомобиль весом 1.5 тонны разгонялся до 100 км/ч за 0.05...0.1 сек, а тормозил со скорости 100 км/ч на дистанции 1 метр. Если головки нужно перемещать в диапазоне до 50 дорожек, то Voice Coil не работает: достаточно погнуть металлическую конструкцию в сторону пьезо-актуатором на 1...5 микрометров. А прыгать за 8 миллисекунд нужно не между тысячами дорожек, а по всей поверхности блина от края до края. Сделать ускорение и торможение в рамках 8 мс - это и есть "квант стука".

Серверные

Если диск "серверный" (Seagate Exos, HGST Ultrastar, WD Ultrastar, WD Gold и т.п.) то прошивка диска "оформляет" импульсы Voice Coil максимально жёстко, чтобы получить максимальную скорость разгона и торможения для минимизации времени поиска. Пределы на стук и вибрацию только технические, о комфорте пользователя задачи думать нет. При этом, в дисках есть до 3 типов датчиков "механических помех" (2 штуки Rotational Vibration в разных концах платы, 2 штуки Shock Sensors, иногда ещё акселерометрых 3-осевые) и информация с этих датчиков постоянно корректирует силу импульсов движения БМГ на всех этапах: Voice Coil и пьезо-актуаторы. Диск буквально пытается позиционировать головы в противофазе с всем механическим шумом, который может измерить. Ко всему этому, отделом продаж этих дисков предполагается, что у вас и сервер не простой, а с серьёзной виброизоляцией между дисками. Маркетологи направления "диск серверный обыкновенный" как-бы говорят инженерам "стучите как хотите, главное выжать минимальный seek time, но и сбоку будут стоять такие же и трясти вас".

Видеорегистраторные

Если диск "видеорегистраторный" (Seagate: SkyHawk, WD Purple, Toshiba S300 и др.), то предполагаются сразу две любопытные вещи: первое: корпус видеорегистратора самый дешёвый и диск прикручен к нему пьяным Михалычем без всяких резиновых демпферов; второе: на диск не валится много команд на рандомный доступ и никому не нужно максимально низкое время поиска в базах данных. Оба этих требования позволяют ослабить резкость разгонных и тормозных импульсов тока на Voice Coil. Датчики вибраций при этом всё равно могут быть, если диск не просто "видеорегистраторный", а из дорогих премиум-серий этого типа, например тот же SkyHawk датчики RV имеет, а WD Purple нет.

В видеорегистраторных дисках есть ещё один интересный прикол: поддержка ATA Streaming Command Set. А со стороны видеорегистратора другой прикол: никаких обычных файловых систем, никаких команд серии FUA (Force Unit Access) (доступ к блинам в обход кеша диска). Для каждой камеры выделяют непрерывный массив секторов, перезаписываемый циклически, а каждая операция записи снабжается номером потока и обязательно идёт через кеш диска, в котором диск разные потоки склеивает и сбрасывает на физические блины максимально последовательными кусками, причём за фиксированное указанное извне время. Ошибка записи и уже не вписались в таймаут - никаких повторных попыток записи, едем дальше. В видеоархиве вы готовы потерять секунду с одной камеры, но сохранить целыми потоки со всех остальных 15 камер. При доступе к видеоархиву на операцию чтения секторов так же вешаются таймауты: сектор побился и плохо читается - множества повторных попыток чтения не будет, пишущиеся потоки с 16 камер более приоритетны. В обычном домашнем NAS такой диск будет при этом работать как "обычный", потому что NAS не догадается оформлять операции записи в разные потоки с навешанными на них таймаутами, поэтому непрочитанный сектор будет читаться до победного конца, блокируя операцию ввода-вывода и подвешивая систему. Просто чуть хуже Seek Time и тише стук.

Домашние

Просто самый скучный тип дисков с экономией на всех защитах, с минимизацией шума и с периодическими парковками головок. WD Blue, Seagate Barracuda.

Пьезо-Актуаторы

Пьезо-актуаторов бывает не один. Иерархия позиционирования в целом:

1. VCM - Voice Coil - большая катушка между магнитов. Быстро кидает коромысло на большие расстояния и тормозит его в месте прилёта, но полоса пропускания 1...1.5 КГц. Этой полосы пропускания не хватает на компенсацию более высокочастотных механических помех и вибраций, не хватает на более быстрое переключение между дорожками.

2. Вторая ступень с Милли-пьезо-актуатором где-то в районе перехода "толстой железки" коромысла в тонкую. Толстые пьезоэлементы, видимые невооружённым глазом (два квадратных желтоватых "глаза" на картинке ниже). Умеет 5...10 КГц. Видео, где милли-уровень актуаторов был предан большому восхищению и рассматриванию с разных сторон: https://www.youtube.com/watch?v=fUV8QQwCrh4

3. Третья ступень с Микро-пьезо-актуаторами где-то в непосредственной близи с магнитной головой. Умеет 20-30 КГц. Для рассмотрения нужен микроскоп.

4. А ещё головка умеет гулять по высоте с использованием встроенного нагревателя, который позволяет головке температурно "разбухать", регулируя зазор полёта над пластиной. Причём, насколько я понял, нагревателей в головке не один и она умеет искривляться локально. Какая жесть!

Виды помех

Взаимосвязь разных датчиков "механических помех" на плате диска, потока данных о сервосигналах с блина, характеристики этого сервосигнала и горы разного DSP в чипах на плате диска - это отдельная инженерная мега-задача удержания головок на дорожке с разными стратегиями поведения в разных "маркетинговых типах" дисков:

1. В серверных - максимально быстро найти нужную дорожку, спасаясь одновременно от стука по твоему корпусу от соседей в корзине (и крика сисадмина ртом в стойку). Упор на быстрый поиск рандомной дорожки.

2. В видеорегистраторных - максимально намертво держаться на одной дорожке, чтобы не пропустить запись кадра в условиях, когда ждать повторной записи никто не будет, а рандомный доступ не нужен раз в неделю.

3. Домашние - главное поменьше стучать, на пьезо-актуаторах можно сэкономить до наличия только одного "Милли" , на датчиках тоже можно поэкономить. Совсем выкинуть пьезо-актуаторы нельзя, потому что Voice Coil уже не способна прицеливаться на дорожки с текущими плотностями записи.

Некоторые механические проблемы, с которыми постоянно борятся пьезо-актуаторы вместе с алгоритмами управления на плате диска:

1. Ветер от крутящихся пластин и турбулентность;

2. Резонанс самого коромысла на некоторых частотах; Ну например, нельзя допустить подачу на коромысло управляющих движений таких, чтобы определённые частоты возникали;

3. Неидеальная форма блинов или вала или посадки блинов. Регулярные биения. Как я понял, одна из простейших задач внутри диска: регулярная-постоянная гармоническая корректировка в алгоритмы управления позиционировнаием;

4. Побитые жизнью подшипники шпинделя и их микроповреждения - достаточно рандомные биения;

5. Внешние вибрации на корпус

Стук в простое.

Слышали ведь, что даже без обращений к себе и будучи никак не примонтирован, диск всё равно стучит? Чем он там занят?

1. PWL (Preventive Wear Leveling). Широкая тема. На поверхности диска не пусто, там есть смазочный материал, как ни странно. На основе перфторполиэфира - PFPE. Лежит он на поверхности силами поверхностного натяжения. Зачем она вообще нужна - предмет долгого интересного гугления (оказывается, микроконтакты головы и поверхности - не исключение). Если голова долго висит в одном положении, плотный возушный поток между головой и блином вытесняет смазку, она перетекает в стороны и голова начинает висеть над колеёй из смазки. Под головой возникает сухая зона, с точки зрения воздушных потоков поверхность больше не выглядит ровной, начинаются барханы, вихри, турбулентность там где не нужно. Температура: полёт головы над одним и тем же местом слишком долго - это другие плотности воздушного потока над локальной зоной блина, нагрев "кольца" на блине, прогрев головки от этого кольца. Проблемы налипания смазки на голову: микроскопическая разница потенциалов между поверхностью головки и блином и молекулы смазки могут налипать на голову, если смазку на поверхности не держат другие молекулы смазки и очень сухо. Если сместиться резко на 1000 дорожек в сторону и быстро вернуться обратно, смазка под прежним местом силами поверхностного натяжения стягивается обратно, налипшие молекулы смазки с головки "стряхивает". PWL Максимально агрессивно работает в серверных дисках.

2. Термокалибровка. Поменялась температура, всё расширилось, коромысло перестанет попадать в нужный трек при тех же импульсах разгона-торможения Voice Coil. Диску нужно сходить на известные положения и посмотреть остались ли под этими известными положениями видимые там ранее номера дорожек.

3. Фоновое сканирование для поиска битых секторов. Хорошо сочетается с предыдущими двумя пунктами, фоновая полезная работа и полезная нагрузка на Voice Coil.

4. Иногда головки паркуются от безделия. В серверных дисках - никогда. В домашних - да, потому что хозяин домашнего диска держит его механически связанным с той же конструкцией, по которой стучит кулаком от злости проигрыша в катку. Лучше вообще уехать от греха подальше, если чтений всё равно сейчас нет.

Почему же всё это до сих пор не умерло и кому-то интересно? Да просто недостаток микросхемных заводов на планете и цена на флешки в 10 раз выше, чем на HDD.