Co jest w środku dysku HDD? Rozkładamy talerz po talerzu

Jeśli chcesz wiedzieć ciut więcej o budowie dysku HDD niż tylko to, że są w kształcie prostokąta — przeczytaj opis, który dla Ciebie przygotowałem.

W środku tej metalowej kostki kryje się jedna z najbardziej precyzyjnych mechanik, jakie występują w naszych komputerach. Rozłożę dziś klasyczny dysk 3,5 cala na części pierwsze i pokażę, co właściwie robi każdy element.

HDA i PCB — dwa światy w jednej obudowie

Z zewnątrz dysk to dwie rzeczy:

• HDA (Head and Disk Assembly) — korpus z metalu z hermetycznie zamkniętym wnętrzem. Wewnątrz pracują dwa niezależne silniki (jeden obraca talerze, drugi pozycjonuje głowice), pakiet talerzy, ramię z głowicami i magnesy. Fabrycznie wypełniony przefiltrowanym powietrzem (lub helem w nowszych konstrukcjach).
• PCB (Printed Circuit Board) — elektronika przykręcona do spodu HDA.

Obie części są ze sobą powiązane na poziomie firmware'u. To znaczy, że nie można wziąć PCB z jednego dysku i użyć w drugim, nawet jeśli model jest identyczny. Wrócę do tego za chwilę. A swoją drogą — płytka PCB jest jednym z najrzadziej uszkadzających się elementów w dysku HDD.

Co siedzi na PCB

PCB to laminat z włókna szklanego (FR-4) z miedzianymi ścieżkami, a na nich układy elektroniczne. Patrząc na płytkę dysku Seagate widać siedem kluczowych elementów:

1. MCU (Micro Controller Unit) — procesor dysku

   Największy układ na płytce. To główny kontroler dysku. Zawiera rdzeń procesora, kanał odczytu/zapisu, interfejs SATA i inne układy. Zarządza wszystkimi operacjami oraz współpracuje z pamięcią, VCM, czujnikami i innymi układami.

2. Pamięć DDR / SDRAM — pamięć robocza (buffer/cache)

   Szybka pamięć robocza kontrolera dysku. Część pamięci działa jako bufor/cache danych (odczyt, zapis, kolejkowanie poleceń). Pozostała część jest używana przez firmware i procesor dysku podczas pracy. Pojemność tej pamięci określa teoretyczną pojemność cache.

3. Sterownik VCM (silników) — sterowanie talerzami i głowicami

   Układ scalony sterujący silnikiem wrzeciona (spindle motor) oraz cewką pozycjonującą głowicę (VCM). Odpowiada za precyzyjny ruch głowic i stabilną pracę talerzy. To jeden z układów o największym poborze mocy na płytce.

4. Pamięć Flash (ROM) — firmware i dane adaptacyjne

   Przechowuje kod startowy, część firmware oraz dane adaptacyjne specyficzne dla danego egzemplarza dysku. Po włączeniu zasilania MCU ładuje zawartość Flash do pamięci i uruchamia kod. Bez poprawnej zawartości ROM dysk może nawet nie zakręcić talerzami, a już na pewno nie uruchomi się prawidłowo.

   W niektórych dyskach nie ma osobnej kości Flash — jej zawartość znajduje się wewnątrz MCU. np w WD 2060-701444-004.

5. Czujnik wstrząsów — ochrona głowic

   Wykrywa wstrząsy i wysyła sygnał do sterownika VCM. VCM może wtedy wstrzymać pracę dysku. W parametrach SMART można odczytać liczbę zgłoszonych zdarzeń.

   Czujnik nie gwarantuje ochrony dysku przed skutkami upadku.

6. Diody TVS — zabezpieczenie przeciwprzepięciowe

   Chronią płytkę przed skokami napięcia z zasilacza. Dwie diody zabezpieczają linie 5 V oraz 12 V. W przypadku przepięcia zadaniem diod jest zwarcie do masy, chroniąc pozostałą elektronikę.

7. Złącze SATA i zasilania — interfejs do hosta

   Interfejs do podłączenia dysku do komputera. W dyskach desktopowych i większości notebooków: SATA (dane + zasilanie). W wersjach serwerowych spotykane także SAS.

SSHD — hybrydy z NAND-em

SSHD (Solid State Hybrid Drive) to klasyczny HDD z dodatkowym chipem NAND wlutowanym na PCB. NAND przechowuje firmware do szybkiego startu, translator, SMART i często cache najczęściej używanych danych.

Dla użytkownika SSHD wygląda jak zwykły dysk i nie wymaga żadnych dodatkowych sterowników. Dla laboratorium odzyskiwania to dodatkowa komplikacja: awaria NAND-a powoduje brak startu dysku mimo sprawnej mechaniki. Jeśli masz seagate rosewood i twój dysk przestał odpowiadać to być może padłeś ofiarą częstej usterki związanej z nand w swoim dysku.

HDA i otwór oddechowy

Funkcjonuje mit, że dyski mają w środku próżnię. Nie. Dyski oddychają. Ten otworek to breath hole (czasem breather hole) i służy do wyrównywania ciśnienia między wnętrzem dysku a otoczeniem. Od środka jest oddzielony filtrem, który łapie wilgoć i pyłki z powietrza atmosferycznego.

Dyski helowe są wypełnione helem. Hel jest mniej gęsty od powietrza, więc opory aerodynamiczne są mniejsze, można upakować więcej talerzy i zwiększyć pojemność. Tych dysków nie da się otworzyć i z powrotem zamknąć w warunkach domowych.

Strefa serwisowa — firmware na talerzach

Nie cały firmware dysku siedzi na pamięci Flash na PCB. Większość jest zapisana na samych talerzach, w obszarze niedostępnym dla użytkownika. Ten obszar nazywa się Service Area (SA).

Przebieg startu dysku:

1. Po podaniu zasilania MCU odczytuje kod inicjujący z Flasha.
2. Uruchamia silnik. Talerze rozkręcają się do prędkości nominalnej (typowo 5400 lub 7200 RPM).
3. Po osiągnięciu obrotów ramię z głowicami wyparkowuje i ustawia się nad strefą serwisową.
4. Dysk wczytuje stamtąd swoje moduły firmware'u: nazwę modelu, numer seryjny, parametry kalibracji każdej głowicy, listę fabrycznych defektów (P-list), listę defektów dorobionych w trakcie pracy (G-list), tablicę SMART, hasła ATA, translator LBA, itd. itp.
5. Dopiero teraz dysk pojawia w BIOS-ie/systemie.

Translator to taki tłumacz adresów — przekłada adres logiczny LBA, o który prosi system operacyjny, na fizyczne położenie sektora na konkretnym talerzu, ścieżce i pozycji. Bez sprawnego translatora dysk nie umie powiedzieć, gdzie leży konkretny plik. Objaw: dysk pokazuje pojemność 0 MB, prosi o formatowanie albo w ogóle nie odpowiada na nasze prośby.

Awarie w SA to częsta kategoria w laboratorium odzyskiwania danych — mechanika i elektronika sprawne, jeden moduł firmware'u uszkodzony, cały dysk leży. Naprawia się to specjalistycznym sprzętem (my korzystamy z PC-3000, MRT), który potrafi odbudować/naprawić/zregenerować uszkodzone moduły.

Talerze

Talerze (platters) to właściwy nośnik danych. Wykonane z aluminium albo szkła, polerowane do lustrzanego połysku, pokryte cienką warstwą stopu kobaltu z domieszkami (typowo CoCrPt). To ta warstwa zachowuje się jak ferromagnetyk i przechowuje dane jako orientacje mikroskopijnych domen magnetycznych.

W dysku 3,5 cala mieści się od 1 do 9 talerzy (te ostatnie tylko w dyskach helowych). Wszystkie obracają się z tą samą prędkością na wspólnym wrzecionie.

Kilka elementów konstrukcyjnych:

• Pierścień zaciskowy (platter clamp) — dociska cały pakiet talerzy do piasty wrzeciona. Tarcie między piastą a talerzami trzyma je w miejscu przy obrotach 7200 RPM (czyli 120 obrotów na sekundę).
• Dystanse talerzy (spacers) — pierścienie metalowe między kolejnymi talerzami, utrzymujące równe odstępy.
• Tłumiki (separatory) — aluminiowe lub plastikowe blaszki między talerzami. Tłumią turbulencje powietrza generowane obrotami i redukują wibracje akustyczne. Aluminiowe są lepsze, bo dodatkowo odprowadzają ciepło z wnętrza HDA.

Reguła warsztatowa: talerzy nie zdejmuje się z piasty bez specjalnego narzędzia (platter stand). Jeden krzywy ruch przy demontażu i geometria pakietu jest do wyrzucenia — głowice nie trafią ponownie w te same ścieżki.

Głowice i ramię (HSA)

Cały zespół głowic siedzi na konstrukcji nazywanej HSA (Head Stack Assembly). Składa się z kilku elementów:

• Łożysko — precyzyjne łożysko w osi obrotu HSA.
• Ramię (arm) — frezowane z bryły aluminium. Im sztywniejsze i lżejsze, tym szybciej można je ruszać bez wibracji.
• HGA (Head Gimbal Assembly) — końcówka ramienia trzymająca samą głowicę, połączona z ramieniem przez gibki przegub.
• FPC (Flexible Printed Circuit) — pomarańczowa, gibka taśma łącząca elektronikę HSA z płytką styków HDA.
• Cewka (voice coil) — znajduje się między dwoma magnesami neodymowymi. Razem tworzą VCM (Voice Coil Motor) — silnik liniowy, ten sam mechanizm co w głośnikach. Zmiana prądu w cewce przesuwa ramię nad odpowiednią ścieżkę.

Slider, ABS i prawdziwa głowica

Czarna kostka na końcu HGA to w slider. Slider to skrzydełko aerodynamiczne, którego zadaniem jest utrzymać prawdziwe elementy zapisu i odczytu na właściwej wysokości nad talerzem.

Spod slidera wystają mikroskopijne elementy odczytu i zapisu - tak małe, że bez mikroskopu ich nie zobaczysz. To one są głowicą w sensie technologicznym. Element zapisujący wykorzystuje pole magnetyczne wytwarzane przez maleńką cewkę. Element odczytujący to czujnik magnetorezystywny (GMR lub TMR), którego opór elektryczny zmienia się pod wpływem pola magnetycznego z talerza.

Dolna powierzchnia slidera nie jest płaska. Ma rowki aerodynamiczne tworzące ABS (Air Bearing Surface). Powietrze wymuszone obrotem talerza wpływa pod slider i utrzymuje go równolegle do powierzchni na wysokości około 5–10 nanometrów.

Ta wysokość lotu jest powodem, dla którego dysku nie wolno otwierać poza komorą laminarną. Ziarnko kurzu z powietrza atmosferycznego ma średnicę około 10 mikrometrów — czyli tysiąc razy więcej niż wysokość lotu głowicy. Pyłek pod sliderem oznacza zniszczenie głowicy oraz w konsekwencji powierzchni talerza.

Preamp

Wewnątrz HDA, przylepiony przy bazie HSA, siedzi mały układ scalony — preamplifier (preamp).

Sygnały generowane przez głowice są bardzo słabe i mają częstotliwości powyżej 1 GHz. Gdyby trzeba było przesłać je przez kilkanaście centymetrów do PCB, zniknęłyby w szumie po drodze. Dlatego preamp siedzi możliwie najbliżej głowic — wzmacnia sygnał i jednocześnie kontroluje, którą głowicę aktywować w danym momencie. Wszystkie głowice są podłączone do preampa, ale tylko jedna para (read+write) jest aktywna naraz.

W nowoczesnych dyskach preamp obsługuje też dodatkowe funkcje:

• Grzałka w gimbalu (fly height control) — gimbal jest zrobiony z dwóch warstw stopów o różnej rozszerzalności termicznej. Mikroskopijny element grzejny pod kontrolą preampa wygina go w stronę talerza, obniżając wysokość lotu o ułamki nanometra. Seagate w architekturze F3 nazywa to AFH (Adaptive Fly Height) — dysk kilkanaście razy w trakcie pracy dynamicznie kalibruje wysokość lotu każdej głowicy nad każdą strefą talerza, kompensując zmiany temperatury i zużycie. Wynik kalibracji zapisywany jest w dedykowanym module AFH w Service Area.
• Mikroaktuatory — elementy piezoelektryczne potrafiące subtelnie obracać sam slider niezależnie od ruchu całego ramienia. Dzięki temu głowica precyzyjniej trzyma się ścieżki przy drobnych wibracjach. Stosowane głównie w dyskach o wyższej gęstości zapisu.

Filtr recyrkulacyjny

Mimo hermetycznej obudowy w trakcie pracy dysku wewnątrz pojawiają się mikroskopijne cząstki. Gdyby zostawały w obiegu, w ciągu kilku miesięcy zapewne powierzchnia talerza jak i głowice skończyłyby w komorze laminarnej.

Filtr recyrkulacyjny (papmers) to mały, biały filterek umieszczony w drodze powietrza, które krąży wewnątrz HDA napędzane samym wirowaniem talerzy. Filtr łapie i absorbuje wszystko (w idealnym świecie), co lata w środku. Pracuje przez całe życie dysku.

Magnesy i parking głowic

Cewka HSA pływa między dwoma magnesami neodymowymi. Magnesy te są niesamowicie silne — to one pozwalają VCM-owi przesuwać ramię z pozycji A do B w czasie liczonym w milisekundach, z precyzją liczoną w nanometrach.

Znajdziemy też w obudowie ograniczniki ruchu (HSA stoppers) oraz actuator latch — fizyczne blokady, które trzymają ramię w dozwolonym zakresie ruchu. Bez nich głowica mogłaby wjechać na pierścień zaciskowy talerzy albo zlecieć poza parking.

Dwa typy parkingu głowic

CSS (Contact Start/Stop) — głowice po wyłączeniu dysku siadają na samym talerzu, w wewnętrznej strefie blisko wrzeciona, gdzie nie ma żadnych danych. Strefa ta ma większą szorstkość, żeby slider nie przyklejał się do powierzchni (efekt zwany stiction).

Load/Unload — głowice po wyłączeniu jadą poza talerz i lądują na małej plastikowej rampie ze specjalnymi szynami (nazywamy to parkingiem).

Dlaczego nie wolno otwierać dysku w domu

Najkrótsza odpowiedź: czystość powietrza.

Standard ISO 14644 definiuje klasy czystości pomieszczeń. Pokój mieszkalny to mniej więcej klasa ISO 9 — kilka milionów cząstek pyłu na metr sześcienny. Komora laminarna używana do otwierania dysków to klasa ISO 5 lub czystsza — kilkaset cząstek na metr sześcienny.

Otwarcie dysku w pokoju oznacza, że w ciągu kilku sekund pod sliderem i na powierzchni talerzy pojawiają się zanieczyszczenia wielokrotnie większe od wysokości lotu głowicy. Po włączeniu zasilania i rozkręceniu talerzy te zanieczyszczenia nie tylko uszkodzą głowice, ale także mogą uszkodzić powierzchnię magnetyczną dysku, na której zapisane są dane.

SMR, CMR i kierunek zapisu

Nowoczesne HDD używają zapisu prostopadłego (PMR — Perpendicular Magnetic Recording): domeny magnetyczne stoją prostopadle do powierzchni talerza, co pozwala upakować je gęściej niż w starszej technologii LMR (zapis poziomy).

Część współczesnych dysków (głównie konsumenckich, "archiwizacyjnych") używa SMR (Shingled Magnetic Recording) — kolejne ścieżki nakładają się na siebie jak dachówki. Większa pojemność za cenę awaryjności. SMR ma w Service Area dodatkowy second-level translator — i to właśnie jego uszkodzenie często blokuje dostęp do danych w przypadku awarii.

Dysk SMR w macierzy RAID to przepis na katastrofę — odbudowa po awarii innego dysku może trwać tygodniami zamiast godzin. Producenci nie zawsze ujawniają technologię w specyfikacji.

SED — dyski szyfrowane sprzętowo

Coraz więcej współczesnych HDD to SED (Self-Encrypting Drive). Dane są w locie szyfrowane sprzętowo (AES-128 lub AES-256) przez układ kryptograficzny w MCU. Samo szyfrowanie nie oznacza jednak automatycznej ochrony przed dostępem po podłączeniu dysku do innego komputera — dysk musi mieć włączony mechanizm blokady, blokada musi zostać uruchomiona przez użytkownika. Bez takiej konfiguracji dysk sam odszyfrowuje dane każdemu komputerowi i zachowuje się jak zwykły nośnik.

FAQ

Czy w dysku HDD jest próżnia?
Nie. W standardowych dyskach jest powietrze, które wymienia się z otoczeniem przez filtrowany otwór oddechowy. Wyjątkiem są dyski helowe — w nich jest szczelnie zamknięty hel.

Dlaczego mój dysk klika?
Klikaniem woła o pomoc. Jeśli dane są dla Ciebie istotne to NIC nie rób. Zanieś do laboratorium odzyskiwania danych.

Czy mogę sam wymienić elektronikę z innego takiego samego dysku?
W teorii tak, w praktyce oprócz pogorszenia sytuacji nic Ci to nie da.

Ile lat wytrzymuje HDD?
Statystycznie 2–8 lat ciągłej pracy. Indywidualne wahania są ogromne — trafiają się dyski z 2003 roku wciąż działające i nowe egzemplarze padające po pół roku. Dlatego: backup, backup, backup.

Czym różni się dysk laptopowy od desktopowego?
Dyski 2,5 cala (laptopowe) mają mniejsze rozmiary, niższe prędkości obrotowe (zwykle 5400 RPM zamiast 7200), parking głowic na rampie (load/unload) zamiast CSS, lepszą odporność na wstrząsy (w teorii) w trakcie pracy i zwykle też niższą pojemność. Reszta konstrukcji jest taka sama.

Czy spalona elektronika oznacza, że dane przepadły?
W większości przypadków nie. Jeśli nie uszkodził się ROM i MCU, to cała reszta elektroniki nie ma większego znaczenia. Dane możemy odzyskać. Swoją drogą elektronika psuje się w dyskach naprawdę rzadko i najczęściej inne usterki są błędnie interpretowane jako uszkodzenie elektroniki.

Czym jest "donor drive", o którym mówią technicy?
To po prostu dawca, z którego pobiera się sprawne części dla dysku-pacjenta. Laboratoria danych prowadzą swój magazyn dawców. Jeśli nie ma na miejscu dawcy, to pyta kolegów z branży, a jeśli ci nie mają, to stara się pozyskać taki dysk dawcy z dowolnego miejsca na ziemi.