ذخیره سازی و نگهداری ایمن از اطلاعات دیجیتال یکی از دغدغه های اصلی افراد می باشد. هارد دیسک یا HDD مدت زیادی است که در این زمینه به کمک بشر آمده است. این مطلب به ساختار هارد دیسک می پردازد. با ما همراه باشید.
آشنایی با ساختار هارد دیسک
یکی از اجزا جدایی ناپذیر زندگی روزمره انسان ها اطلاعات دیجیتال می باشند که نگهداری ایمن و پایدار از آن ها همواره یکی از دغدغه های اصلی افراد می باشد. هارد دیسک یا HDD مدت ها است که به یاری کاربران برای ذخیره سازی داده ها آمده است. بیش از نیم قرن است که از هارد دیسک ها جهت ذخیره سازی اطلاعات استفاده می شود.
هر چند در سال های اخیر افزایش میزان استقبال از انواع جدید حافظه ها از جمله درایو SSD با سرعت های بسیار بالا را شاهد هستیم اما هارد دیسک ها همچنان به عنوان یکی از روش های ارزان برای ذخیره سازی حجم بالایی از اطلاعات محسوب می شوند و به نظر می رسد تا پایان پشتیبانی از آن ها توسط سازندگان فاصله دوری وجود دارد.
به عبارتی با بالا رفتن نیاز ذخیره سازی و مخصوصا نیاز به سرعت بالاتر در ذخیره سازی اطلاعات، محدودیت های زیادی برای استفاده از هارد دیسک ها به وجود آمده است. با وجود این محدودیت ها و با توجه به مزیت های این نوع درایوها به نظر می رسد که سال ها مورد استفاده خواهند بود. در این مطلب قصد داریم شما را با ساختار و اجزای هارد دیسک آشنا نماییم. همراه ما باشید.
هارد دیسک بیشتر از سی سال به عنوان استاندارد اصلی برای ذخیره سازی اطلاعات دیجیتال استفاده می شود. ولی فناوری استفاده شده در آن عمر بسیار طولانی تری دارد. شرکت IBM در سال ۱۹۵۶ نخستین بار اقدام به ارائه یک نسخه تجاری از درایو دیسک سخت با حجم ۳.۷۵ نمود. و ساختار کلی این محصول از آن زمان تا حالا تغییر چندانی پیدا نکرده است. رایانه IBM 305 RAMAC نخستین دستگاه دارای درایو مغناطیسی برای ذخیره سازی اطلاعات می باشد که در تصویر زیر آن را مشاهده می کنید.
ساختار اساسی هارددیسک ها شامل صفحه های مغناطیسی برای ذخیره سازی اطلاعات و ابزاری جهت خواندن و نوشتن اطلاعات می شود. این دو قسمت اصلی در نسخه های کنونی هم حفظ شده است با این تفاوت که ظرفیت صفحه های مغناطیسی جهت ذخیره سازی ، افزایش شایانی پیدا کرده است. برای مثال در سال ۱۹۸۷ یک هارد دیسک ۲۰ مگابایتی با برچسب قیمتی ۳۵۰ دلار ارائه می شد ولی در حال حاضر با چنین مبلغی می توان محصولی ۱۴ ترابایتی را خریداری کرد که ۷۰۰ برابر ظرفیت بیشتری در اختیار کاربر می گذارد.
اجزای فضای داخلی هارد دیسک
باز کردن هارد دیسک کار بسیار ساده ای است و فقط به ابزار مخصوص برای چرخاندن پیچ های ستاره ای دارد. در اولین نگاه بخش عمده ای از فضای داخلی توسط صفحه فلزی سیاه اشغال شده که واژه دیسک هم به علت شکل دایره ای این صفحات نامگذاری شده است. البته صفحه یا پلاتر اصطلاح مناسب تری برای آن ها بوده که به صورت معمول از شیشه یا آلومینیوم ساخته و بعد توسط ترکیبی از چندین ماده پوشانده می شود. به طور مثال در محصول سه ترابایتی ۳.۵ اینچی باراکودا سه صفحه وجود دارد که پشت و روی هریک از آن ها می توان ۵۰۰ گیگابایت اطلاعات را ذخیره سازی نمود.
۱. صفحه های مغناطیسی
هر چند ممکن است ظاهر صفحات مغناطیسی ساده دیده شود ولی فرایند لازم برای ساخت آن ها تقریبا پیچیده می باشد. دیسک های آلومینیومی اولیه حدود یک میلی متر ضخامت دارند ولی بعد از صیقل خوردن در نهایت قطر بسیار کمی پیدا کرده و اختلاف ضخامت در بخش های مختلف آن کمتر از ۳۰ نانومتر خواهد شد.
لایه پایه به صورت معمول ۱۰ میکرون قطر داشته که روی فلز جای می گیرد و بعد چندین لایه پوشش دیگر روی آن قرار می گیرد. از جمله فرایندهایی که در این مرحله استفاده می شود آبکاری الکترولیس نیکل و انباشت بخار فیزیکی می باشد تا صفحه ها برای پذیرش مواد مغناطیسی آماده شوند.
مواد مغناطیسی استفاده شده در هارددیسک ها از جنس آلیاژ پیچیده ای از کبالت می باشد که به صورت حلقه هایی هم مرکز با پهنای ۲۵۰ نانومتر و قطر ۲۵ نانومتر روی صفحه ها جای می گیرند. در مقیاس میکروسکوپی، آلیاژ فلزی اقدام به تشکیل ذره هایی می کند که می توان آن ها را به حباب های صابون روی آب تشبیه نمود.
هر ذره دارای میدان مغناطیسی مخصوص به خود می باشد ولی می توان آن ها را در جهت خاصی سازماندهی نمود. دسته بندی و قرارگیری ذرات مغناطیسی به ترتیب سبب می شود تا صفر و یک های لازم برای ذخیره سازی داده های دیجیتال به وجود آیند. پوشش بعدی از جنس کربن بوده و نقش محافظت کننده را ایفا می کند. در نهایت یک لایه پلیمر برای کاهش میزان اصطکاک تماسی به کار می رود که در مجموع بیشتر از ۱۲ نانومتر نمی شود.
۲. فیلترهای هوا، نگهدارنده و آهنربای دائمی
بخش مشخص شده با رنگ زرد در تصویر دارای یک درپوش فلزی می باشد که صفحه مغناطیسی را با استحکام زیادی به موتور الکتریکی هارد دیسک اتصال می دهد. در نسخه باراکودا سرعت چرخش به ۷۲۰۰ دور در دقیقه می رسد ولی در مدل های قدیمی تر سرعت کمتری ارائه می شود.
سرعت چرخش موتور سبب می شد تا صدای کمتری تولید شده و مصرف انرژی هم کمتر شود اما روی عملکرد هم تاثیر می گذارد. موتور هارد دیسک های بسیار سریع می تواند تا ۱۵ هزار دور در دقیقه نیز بچرخند. فیلتر گردش مجدد که با رنگ سبز در تصویر مشخص شده می تواند ذرات خیلی ریز را در دام انداخته و آسیب ناشی از رطوبت و گرد و غبار را بکاهد.
هوا توسط چرخش صفحات مغناطیسی داخل محفظه جابجا می شود و سبب ایجاد جریان دائمی در مسیر فیلتر می شود. روی دیسک ها و در کنار فیلتر، جداکننده صفحه ها جای دارد که کمک می کند لرزش ها کاهش یابد و گردش هوا متعادل شود. در گوشه سمت چپ بالای تصویر هم یکی از دو قطعه مغناطیسی با رنگ آبی دیده می شود.
این قطعه می تواند نیروی مغناطیسی لازم برای اجزای جای گرفته در قسمت قرمز رنگ را فراهم کند. نوار شبیه چسب زخم که در ادامه مشاهده می شود به عنوان یک فیلتر به کار می رود. البته این فیلتر ذرات و گازهای ناشی از هوای بیرون را پالایش نموده که توسط حفره ذکر شده در پوشش فلزی بدنه وارد می گردند.
۳. بازوهای متحرک
از دیگر اجزا در ساختار داخلی هارد دیسک بازوهای متحرک می باشد که برای خواندن، نوشتن اطلاعات روی صفحه های مغناطیسی ضرورت داشته و می توانند بین بخش های مختلف یک دیسک با سرعت بالا جلو و عقب رانده شوند. نیروی محرک این بازوها از طریق جریان الکتریکی ورودی به یک سیم پیچ در بخش پایه ای تامین شده و از موتور استپر خبری نیست.
جریان الکتریکی عبوری از درون سیم پیچ ها می تواند میدان مغناطیسی در اطراف آن ها تولید کرده که نسبت به میدان مغناطیسی ناشی از آهنرباهای دائمی واکنش می دهد. توجه کنید که مسیرهای قرار گیری داده ها خیلی باریک بوده از این رو بازوهای متحرک باید در مکان کاملا دقیقی جای بگیرند.
برخی از هارد دیسک ها به بازوهای چند مرحله ای مجهز هستند که می توانند حرکات جزئی تر را فقط با بخش کوچکتری از بازو اجرا کنند. در بعضی هارد دیسک ها مسیرهای ذخیره سازی روی یکدیگر جای می گیرند که دقت بسیار زیادی نیاز دارند.
۴. تیغه های رأسی
در انتهای هر بازوی متحرک بخش نوک یا سر تعبیه شده که تیغه هایی خیلی ظریف جهت خواندن و نوشتن اطلاعات می باشند. هارد دیسک مورد استفاده در این کالبد گشایی از سه صفحه استفاده می کند در نتیجه شش سر روی بازوها دیده می شود. هر یک از این تیغه ها در بالای صفحه ویژه خود قرار می گیرد و توسط دو نوار فلزی خیلی نازک شناور می شود.
ساختار کلی تیغه راسی هارد دیسک خیلی کوچک بوده و عکسبرداری از آن بدون دوربین ماکرو اندکی دشوار به نظر می رسد.
بخش خاکستری لغزنده نام دارد و موقعی که دیسک زیر آن می چرخد با جریان هوا تیغه بلند می شود. البته فاصله ایجاد شده آنچنان محسوس نبوده و حدود ۵ نانومتر می باشد. اگر فاصله تیغه با صفحه افزایش یابد؛ تشخیص تغییرات در مسیرهای ذخیره سازی اطلاعات وجود نخواهد داشت. در ضمن اگر تیغه ها کاملا روی هارد دیسک جای بگیرند، به پوشش آن ها آسیب می زنند.
از این رو هوای موجود در داخل هارد دیسک باید به طور مداوم فیلتر شود تا فاقد گرد و غبار و ذرات ریز باشد. چرا که می توانند با قرار گرفتن بین بازو و صفحه، به ساختار حساس تیغه راسی هارد دیسک صدمه بزنند. میله بسیار کوچک در انتهای تیغه فقط جهت بهبود خاصیت آیرو دینامیک لحاظ شده است و وظیفه عملکردی خاصی ندارد.
اجزای بیرونی فضای هارد دیسک
به طور کلی بخش اعظم ساختار بدنه هارد دیسک از فلز پوشیده شده است که در برخی بخش ها با پلاستیک و دیگر موارد همراه شده است. نیروی داخلی تولید شده در هارد دیسک هنگام استفاده سنگین می تواند خیلی زیاد باشد در نتیجه استفاده از مواد مستحکم نظیر فلز برای جلوگیری از خمیدگی و لرزش ضرورت می یابد.
حتی محصولات با سایز ۱.۸ اینچ هم دارای بخش فلزی هستند. هر چند میزان استفاده از آلومینیوم به جای فولاد در آن ها مرسوم تر می باشد و سبب کاهش وزن محصول نیز می شود. در بخش زیرین هارد دیسک یک بورد الکترونیکی به همراه تعدادی پورت اتصال قرار گرفته است.
بخش دایره مانند در پشت دستگاه جایگاه موتور است و چرخاندن دیسک را عهده دار می باشد . در لبه بدنه هم سه پورت متفاوت دیده می شود که برای انتقال برق به هارد دیسک و جابجایی اطلاعات کاربرد دارند. پورت های مذکور به صورت معمول از استاندارد سریال ATA استفاده می کنند.
۱.پورت های انتقال اطلاعات و فراهم کردن انرژی
استاندارد سریال ATA نخستین بار در سال ۲۰۰۰ برای استفاده در رایانه های شخصی ارائه شد. این نوع اتصال جهت ارتباط بین انواع مختلف درایو ها از جمله درایو دیسک سخت و درایو نوری با دیگر اجزاء رایانه به کار گرفته می شود. البته از آن زمان تا حالا تغیرات بسیار زیادی در جزئیات مربوط با این نوع استاندارد را شاهد هستیم.
انتقال اطلاعات در هارد دیسک بر مبنای سیگنال دیفرانسیلی صورت گرفته که از پین ها ای مثبت و ای منفی جهت ارسال دستورها و اطلاعات از پین های B جهت دریافت سیگنال ها بهره می گیرد. استفاده از زوج سیم ها برای انتقال اطلاعات سبب کاهش تاثیر نویز الکتریکی بر سیگنال ها می شود و در نهایت سرعت جابجایی هم افزایش می یابد.
چندین زوج پین برای فراهم کردن برق هارددیسک در ولتاژهای متعدد ۳.۳،۵ و ۱۲ در نظر گرفته شده ولی بیشتر آن ها استفاده نمی شوند. چرا که هارد دیسک در حالت عادی برای عملکرد صحیح به انرژی چندان زیادی نیاز ندارد. به طور مثال محصول سگمنت کارامودا هنگام سنگین ترین فعالیت ها هم کمتر از ۱۰ وات انرژی مصرف دارد.
پین های مشخص شده با برچسب PC به قابلیت Pre-Charge مجهز هستند که توسط آن می توان هنگام روشن بودن رایانه نسبت به بیرون آوردن یا اضافه نمودن هارد دیسک اقدام کرد. پین های با برچسب pwdis امکان ریست از راه دور برای هارد دیسک را فراهم می نمایند.
البته این ویژگی در نسخه ۳.۳ به بعد استاندارد sata مشاهده می شود. در نهایت پین با برچسب ssu برای شناسایی و استفاده از حالت استاگرد اسپین آپ به کار می رود. توسط این حالت می توان مصرف انرژی موقع شتابگیری موتور را مدیریت نمود. این موضوع در رایانه هایی که دارای چندین هارد دیسک هستند اهمیت زیادی دارد و می تواند از کاهش انرژی پیشگیری کند. ssu از سویی سبب تاخیر در آغاز به کار موقع استفاده از چندین حافظه به طور همزمان می گردد.
۲.تراشه و قطعات مربوط به بورد الکترونیکی
جداسازی بورد الکترونیکی پشتی سبب می شود تا شیوه اتصال آن با دیگر اجزای داخلی هارد دیسک آشکار شود. هارد دیسک ها به صورت معمول هوابندی نشده اند ولی بعضی از مدل ها با ظرفیت های بالا دارای محفظه بسته هلیومی هستند. هلیوم نسبت به هوا چگالی کمتری داشته و مشکلات کمی برای محصولات با دیسک های مختلف به همراه دارد.
البته تحت هر شرایطی، خوب است که فضای داخلی حافظه با محیط بیرون ارتباط بسیار کمی داشته باشد. از این رو بورد های الکترونیکی طوری طراحی می شوند که اکثر راه های نفوذ گردو غبار به درون ساختار هارد دیسک مسدود باشد. در ضمن سوراخ تعبیه شده روی بخش فلزی هم موجب می شود که فشار هوای درونی دیسک تعادل داشته باشد.
احتمالا تعداد و ترکیب تراشه های تعبیه شده روی بورد الکترونیکی هارد دیسک های مختلف از شرکت های مختلف با یکدیگر کمی تفاوت داشته باشند. بنابر قاعده کلی هارددیسک های با ظرفیت بیشتر به حجم بیشتری از حافظه موقت یا کش نیاز دارند. به طور مثال در نسخه های خیلی حجیم می توان تا ۲۵۶ مگابایت حافظه موقت از نوع ddr3 را مشاهده کرد. در ضمن در محصولات رده بالا؛ استفاده از کنترل اصلی پیشرفته تر برای پردازش های پیچیده تر نظیر خطاهای همزمان بیشتر؛ دیده می شود.
در این مطلب با ساختار هارد دیسک آشنا شدید. در صورت تمایل برای اطلاع از راه های افزایش طول عمر هارد دیسک و آموزش تست هارد روی لینک ها کلیک کنید.
منبع : آرگا
