Почему дискам нужно дышать (в большинстве случаев)

http://www.zdnet.com/article/why-most-disk-drives-need-to-breathe/
  • Перевод


Примечание переводчика: Представленный ниже материал содержит определенное количество технических терминов, при переводе которых могут возникнуть неточности. Если вы заметили опечатку, ошибку или неточность перевода — напишите нам, и мы оперативно всё исправим.

Возможно при прочтении спецификаций различных дисков вам встречались фразы типа «рабочая высота от -1000 до +10 000 футов» (-305 — 3048 метров). Для работы всем дисковым накопителям (за одним исключением) требуется воздух. А давление воздуха внутри диска зависит от высоты, на которой находится устройство или дата-центр, где используется накопитель.

Почему


Потребность в воздухе заложена в самой конструкции дисков. Головки чтения/записи должны «парить в воздухе», при этом сами магнитные диски очень быстро вращаются (120 раз в секунду в накопителях 7200RPM). Поверхность дисков делают очень гладкой, чтобы облегчить стабилизацию головок.

Эти порхающие головки чтения/записи очень тонкие. Представьте себе Боинг 747, летящий в паре сантиметров над землей на скорости в 960 км/ч — это то, что делает головка каждый день на протяжении всего срока службы диска.

В такой ситуации свойства воздуха разделяющего поверхность и «летящую» головку очень важны — среди них плотность, температура и влажность, но последнее свойство сегодня мы проигнорируем. На уровне моря средняя плотность воздуха составляет почти 15 фунтов на квадратный дюйм (PSI), но на высоте в 3 километра падает почти на треть.

При проектировании каждого диска разработчики закладывают определенный диапазон высот, на которых устройство будет работать корректно, но превышение этих норм значительно увеличивает вероятность поломки головок чтения/записи.

Такие поломки происходят, когда вследствии вибрации головка прикасается к поверхности диска. В результате столкновения образуются обломки, что практически гарантирует скороую поломку диска. Наш Боинг 747 из примера выше только что задел двадцатисантиметровый пригорок, летя при этом на высоте в 15 см — бабах!

Если бы в дисковых накопителях не было специального отверстия для «дыхания», то верхние и нижние пластины диска должны были бы быть гораздо тяжелее, для того, чтобы смягчать изменение давления. Но это влекло бы за собой массу других минусов.

Как


Почти у всех дисковых накопителей есть такие воздуховоды (ниже мы рассмотрим одно исключение из этого правила). Вот как выглядит такое отверстие на диске из старого ноутбука:



В наши дни производители обычно не размещают предупреждений о недопустимости перекрытия именно отверстия для дыхания — вместо этого используется общее сообщение, содержащее просьбу не закрывать никаких отверстий на диске. Но среди всех этих дырок по-настоящему важна только одна.

Раз диски так боятся проникновения в механизм посторонних частиц (пыль, дым, волосы), как сохраняется чистота воздуха внутри них? С помощью фильтра. На картинке ниже фильтр — это белый материал в углу диска (к слову, очень грязного):



А теперь о том самом исключении


Дисковые накопители — это удивительные устройства: крайне сложный инженерный продукт, который массово производится, стоит дешево и относительно долго живет.



Диски с гелием компании HGST (подразделение Western Digital) станут первыми накопителями, лишенными традиционного отверстия для поступления воздуха — все для того, чтобы гелий оставался внутри диска.

Поскольку гелий в 7 раз легче воздуха, то при его использовании изменение давления не являются такой проблемой. Гораздо важнее было решить проблему удержания этого газа внутри накопителя (для этого использовалась лазерная сварка швов).

Кроме того, от проблемы давления избавлены и SSD-диски, что сделало их популярными среди военных — даже когда их стоимость находилась на совершенно запредельном уровне. При этом «старые добрые» HDD будут с нами еще не одно десятилетие, так что знать, как они устроены, не помешает.

На сегодня все, спасибо за внимание. В нашем следующем материале мы расскажем о том, как в инфраструктуре хостинг-провайдера 1cloud реализована возможность подключения к серверам дополнительных дисков.
1cloud.ru 211,28
IaaS, VPS, VDS, Частное и публичное облако, SSL
Поделиться публикацией
Комментарии 48
  • +5
    Похоже нужно просверлить воздуховод в своем SSD-нике. Видимо производитель забыл сделать это полезное отверстие ))

    А вообще, познавательная статья. Никогда не задумывался, что в HDD есть отверстия. Автору спасибо.
    • +8
      Мылсь верная, но технология другая — в ssd надо сами чипы сверлить. )
    • +9
      Аналогия с Боингом
      Эти порхающие головки чтения/записи очень тонкие. Представьте себе Боинг 747, летящий в паре сантиметров над землей на скорости в 960 км/ч — это то, что делает головка каждый день на протяжении всего срока службы диска.

      далека от реальности. Скотт Мюллер в 17 издании «Модернизации и ремонта ПК» пишет следующее:
      Представьте себе эту головку: при таком увеличении ее длина составит около 410 м, ширина — 325 м, а высота — 100 м (это приблизительно размеры небоскреба Sears, положенного на бок). Перемещается она со скоростью 9 187 км/с на расстоянии всего лишь 5 мм над землей (т.е. над диском) и считывает биты данных, промежутки между которыми равны 2,16 см. Эти биты данных расположены на дорожках, расстояние между которыми составляет всего
      лишь 29,9 см.
      Скорость перемещения этой гипотетической головки даже трудно себе представить, поэтому я приведу конкретный пример. Диаметр Земли составляет 12 742 км, т.е. длина около земной орбиты, проходящей на расстоянии одного дюйма от поверхности, будет равна приблизительно 40 000 км. Таким образом, развивая скорость 9 187 км/с, эта головка совершит виток вокруг Земли меньше чем за пять секунд. Кроме того, за один виток вокруг экватора головка сможет прочитать 231,33 Мбайт данных. При этом изменятся и скоростные характеристики головки. Среднее время позиционирования, составляющее 8,5 мс, определяется как время, затрачиваемое для перемещения головки на одну треть от общего числа дорожек (в этом случае примерно 9 241я дорожка), т.е. за столь короткое время головка проходит расстояние, равное 1,71 мили. С учетом масштабного коэффициента скорость поиска составляет более 726 321 мили в час или 202 мили в секунду.
      • +4
        Забыли как-всегда американское «представьте себе футбольное поле. так вот, если увеличить головку до размера футбольного поля, то дорожки будут размером с гамбургеры… нет-нет, даже размером с двойной гамбургер, с яйцом и салатом!»
        Любят там сравнивать не в сантиметрах, а в дюймах, футбольных полях и боингах…
        • +1
          Из капли того, что я вынес с универского курса системного анализа и моделирования (по-моему так назывался), было как раз про такие сравнения. Нельзя-нельзя просто так взять и смаштабировать систему, линейно увеличив все размеры! Получится полная чушь, не годная ни для чего, кроме как для WOW-эффекта.
        • +2
          обычно в крышке возле вентиляционного отверстия реализован «лабиринт», в котором оседают крупные частицы — фильтр грубой очистки воздуха.
          • +3
            А почему диск с воздухом не делают герметичным?

            Неужеле, изменение внешнего давления может так сильно деформировать корпус, что это приведет к изменению внутреннего…
            • 0
              Сама головка имеет хитрую аэродинамическую форму, и держится над диском за счёт набегающего потока воздуха, создаваемого вращающимися блинами. При изменении давления аэродинамические свойства головки меняются и расстояние от поверхности блина становится слишком маленьким\слишком большим.
              • +1
                Я это и спрашивал. Будет ли так сильно зависеть внутреннее давление (при герметичном варианте) от внешних условий (а именного внешнего давления на корпус).

                Вовсе, не подразумевал создание «обезвоздушенного» герметичного диска.
                • +1
                  Герметичным сделать можно, но это дороже, снижается надёжность, увеличивается масса. Сделать герметичный корпус, который будет поддерживать постоянное давление внутри — ещё дороже. Наверняка военные примерно так и делали до появления SSD.
                  • +1
                    Я тоже так подумал сначала, но все же мне больше кажется дело в температуре, которая может меняться в очень широких пределах.
            • +2
              Вот фильтр, который находится с обратной стороны отверстия. Он очищает воздух, который поступает внутрь. Фильтр, который изображен в статье предназначен для улавливания пыли, которая уже внутри диска.
              dl.dropboxusercontent.com/s/ojhxn2z9807wmdl/20150414_135541.jpg?dl=0
              PS: извините, теги недоступны.
              • +5
                У гелия в дисках есть еще одно существенное отличие от воздуха: вязкость.
                Если в дисках с воздухом пластины расположить очень близко друг к другу, то какие бы они ни были гладкие, между пластинами будут возникать турбулентные потоки, которые буду влиять на головку. У гелия же вязкость меньше и пластины можно расположить ближе друг к другу, без возникновения существенных турбулентных потоков, что позволяет увеличить емкость диска, при сохранении его типоразмера.
                • +3
                  Просьба пояснить фразу
                  «Если бы в дисковых накопителях не было специального отверстия для «дыхания», то верхние и нижние пластины диска должны были бы быть гораздо тяжелее, для того, чтобы смягчать изменение давления. Но это влекло бы за собой массу других минусов.»
                  Для меня тут потерялась логика рассуждений. Почему тяжелее? Почему именно верхние и нижние?
                  • +2
                    Наверное речь идет о корпусе.
                    • +5
                      А, действительно.
                      Почему-то о «блинах» подумал.
                      Спасибо.
                  • +1
                    Раньше были умельцы-моддеры, которые в кустарных условиях пропиливали в верхней крышке отверстие и встраивали окошко.
                    image
                    • 0
                      были. статистика по отказам таких дисков, скорее всего печальна
                      • 0
                        Интересно, а видимый свет может как-то повлиять на работу ЖД?
                    • 0
                      Хм, а почему нельзя выкачать весь воздух, сделав диски вакуумными? Сложности с прочностью корпуса при откачанном воздухе?
                      • +2
                        Головка диска летит (как настоящий самолет) над поверхностью пластины за счет газовой среды в гермозоне. В вакууме этот трюк не пройдет.
                        • 0
                          Т.е., по-вашему, головка больше ничем не удерживается? Тогда что с ней происходит после остановки диска?
                          • +3
                            Именно. Отводится в зону парковки за пределы блинов. Собственно, на первом фото именно это состояние.
                            • 0
                              Ого. А я был уверен, что там механическая ножка, водящая головку между краем и центром диска.

                              P.S. Сейчас посмотрел картинку, вроде на ней как раз та самая ножка и изображена.
                              • +3
                                Ножка — ножкой, можно конечно сделать конструктивно жесткую ножку, что бы головки были на жестко заданной высоте от диска, но тут встает две проблемы: во-первых, необходима гораздо большая точность изготовления диска, что ведете к росту процента брака, как следствие — увеличение цены. во-вторых, как все механическое, данная ножка подвержена износу, следовательно зазор со временем будет меняться — существенное уменьшение срока службы диска. Сейчас же применяется более изящное решение, за счет физических эффектов (эффект экрана, как я понимаю), зазор сам поддерживается на необходимом уровне, независимо от износа и точности изготовления ножки (в разумных пределах).
                                • 0
                                  Механически удерживать головку на высоте в нанометры над поверхностью диска не слишком реально. Хотя бы из-за того, что есть термическое расширение.
                                  • 0
                                    вы правы, я перемудрил, ваш ответ правильный )
                            • 0
                              После остановки головка ложится на поверхность в специальной буферной зоне, либо уходит с поверхности. По этой причине важно, чтобы при выключении диска головки были правильно запаркованы.
                              • 0
                                Товарищи, не ссорьтесь. Существуют диски с парковками 2х типов. У одних головки паркуются в центре, у других головки заводятся на рампу, которая находится у внешнего края блинов и только после этого двигатель выключается.
                                В последнее время парковка в центре не используется.
                                • 0
                                  Насколько я знаю, головки могут самопарковаться при аварийном отключении питания. Это может осуществляться и механически и электрически.
                                  • 0
                                    Самопарковка происходит сдуванием блока головок, когда пропадает питание.
                                    • 0
                                      В случае аварийного отключения питания, основной двигатель превращается в генератор (диски увесистые — большая инерция), этой энергии достаточно для корректной парковки.
                                      • 0
                                        Ага, превращается в генератор и микросхема-крутилка (драйвер управления двигателем и головками) делает эффектный пых.
                                        Таки там всё механически и магнитно рассчитано.
                                        На старых дисках даже бывало покрутишь пальцем блины, а головы сами стремятся к парковке.
                                        • 0
                                          Сейчас намного проще сделать контроллер, кодорый не «делает эффектный пых», чем заморачиваться с мехнаникой.
                                          Больше скажу, вырабатываемой энергии хватает не только на экстренную парковку головок, но ещё и на корректный сброс кеша на диск.
                                          • +1
                                            Вы прямо чудеса рассказываете. Как будет свободное время, специально лог.анализатор и осциллограф подключу к контактам преампа головок и посмотрю, что происходит там при отключении питания. За одно помониторю, как быстро исчезвет питание с процессора после отключения внешнего питания.
                        • +4
                          помимо «полета» головок (они не падают на поверхность из-за потока увлекаемого диском воздуха)
                          Потребность в воздухе заложена в самой конструкции дисков. Головки чтения/записи должны «парить в воздухе», при этом сами магнитные диски очень быстро вращаются (120 раз в секунду в накопителях 7200RPM). Поверхность дисков делают очень гладкой, чтобы облегчить стабилизацию головок.


                          В вакууме есть большая проблема с движущимися деталями — они привариваются друг к другу.
                          В 35:13 об этом:

                          • +1
                            Обалдеть, как такие эффекты сделали? Умели же, без всякого CG.
                            • +2
                              Павел Клушанцев гений, неоцененный здесь. Не менее интересен по эффектам фильм 1956/57 годов «Дорога к звездам».
                              • 0
                                Спасибо за наводку.
                            • 0
                              Ясно. Наверное, даже если бы можно было сделать оставить воздух в трущихся частях (в районе оси), и удалить его только вокруг блинов, вышло бы сложно и дороже.
                            • +2
                              Вспомнил старую FIDOшную шутку про то, что в жесткие диски закачан ваккуум под высоким давлением! :)
                            • +1
                              При этом «старые добрые» HDD будут с нами еще не одно десятилетие

                              Я бы не загадывал.
                              • +3
                                Но накопители на лентах-то будут с нами?
                                • 0
                                  Предрекаете очередную революцию?

                                  Как сейчас помню, SIP победоносно шагает по планете и за считанные месяцы захватывает Москву отправляет в небытие все аналоговые АТС, все факсы и вообще всё абонентское оборудование, которое подключается к провайдеру не по Ethernet.

                                  Я сам люблю новое, но мир состоит не только из энтузиастов, но из бизнеса, который тяжёл на подъём, ценит стабильность и умеет считать деньги.
                                • 0
                                  Это называется «аэродинамический подвес головки».
                                  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                    • +3
                                      Увидел надпись на HDD. Надеюсь, создателям было понятно, что по-английски это читается не «Ultrastar He8», а «Ultrastar Hate»?

                                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                      Самое читаемое