Що всередині жорсткого диска HDD? Розбираємо диск платівка за платівкою

Якщо ви хочете знати трохи більше про будову жорсткого диска, ніж просто «прямокутна коробка» — цей матеріал для вас.

Усередині цього металевого корпусу прихований один із найточніших механізмів у наших комп'ютерах. Сьогодні розберемо класичний диск форм-фактору 3,5 дюйма на частини та покажемо, що саме робить кожен елемент.

HDA та PCB — два світи в одному корпусі

Зовні диск складається з двох частин:

• HDA (Head and Disk Assembly) — металевий корпус із герметично закритим внутрішнім простором. Усередині працюють два незалежних двигуни (один обертає пластини, інший позиціонує головки), пакет пластин, важіль із головками та магніти. Заводське наповнення — очищене повітря (або гелій у новіших конструкціях).
• PCB (Printed Circuit Board) — електроніка, прикручена до дна HDA.

Обидві частини пов'язані на рівні прошивки. Це означає, що не можна взяти PCB з одного диска та використати в іншому, навіть якщо модель ідентична. Між іншим — PCB є одним із найрідше ушкоджуваних компонентів у HDD.

Що знаходиться на PCB

PCB — це склотекстолітовий ламінат (FR-4) з мідними доріжками і мікросхемами. На платі диска Seagate можна побачити сім ключових елементів:

1. MCU (Micro Controller Unit) — процесор диска

   Найбільша мікросхема на платі. Головний контролер диска, містить ядро процесора, канал читання/запису, інтерфейс SATA та інші схеми.

2. Пам'ять DDR / SDRAM — робоча пам'ять (буфер/кеш)

   Швидка робоча пам'ять контролера диска. Частина пам'яті працює як буфер даних (читання, запис, черга команд). Решта використовується прошивкою та процесором диска під час роботи.

3. Драйвер VCM — керування пластинами і головками

   Мікросхема, що керує шпиндельним двигуном і котушкою позиціонування головки (VCM). Відповідає за точне переміщення головок і стабільну роботу пластин.

4. Флеш-пам'ять (ROM) — прошивка та адаптивні дані

   Зберігає стартовий код, прошивку та адаптивні дані конкретного примірника диска. Без правильного вмісту ROM диск може навіть не розкрутити пластини.

   У деяких дисках окремої мікросхеми Flash немає — її вміст знаходиться всередині MCU, напр. у WD 2060-701444-004.

5. Датчик удару — захист головок

   Виявляє удари та надсилає сигнал до драйвера VCM. Кількість зафіксованих подій можна прочитати в параметрах SMART.

6. Діоди TVS — захист від перенапруги

   Захищають плату від стрибків напруги з блоку живлення. Два діоди захищають лінії 5 В та 12 В.

7. Роз'єм SATA та живлення — інтерфейс до хоста

   Інтерфейс для підключення диска до комп'ютера. У настільних і більшості ноутбукових дисків: SATA (дані + живлення).

SSHD — гібриди з NAND

SSHD (Solid State Hybrid Drive) — це класичний HDD з додатковою мікросхемою NAND, впаяною на PCB. NAND зберігає прошивку для швидкого запуску, транслятор, SMART та часто кеш найчастіше використовуваних даних.

Для лабораторії відновлення даних це додаткова складність: збій NAND призводить до того, що диск не запускається попри справну механіку.

HDA та дихальний отвір

Існує міф, що всередині дисків вакуум. Ні. Диски «дихають». Маленький отвір — це breather hole — він вирівнює тиск між внутрішнім простором диска та довкіллям. Зсередини він відокремлений фільтром, що затримує вологу та пилові частинки.

Гелієві диски заповнені гелієм. Гелій менш щільний за повітря — це дозволяє помістити більше пластин і збільшити ємність. Такі диски неможливо відкрити та закрити знову в домашніх умовах.

Службова зона — прошивка на пластинах

Не вся прошивка диска зберігається у флеш-пам'яті на PCB. Більша частина записана на самих пластинах, у зоні, недоступній для користувача. Ця зона називається Service Area (SA).

Послідовність запуску диска:

1. Після подання живлення MCU зчитує ініціалізаційний код із Flash.
2. Запускає двигун. Пластини розкручуються до номінальної швидкості (зазвичай 5400 або 7200 об/хв).
3. Після досягнення швидкості важіль переміщується до службової зони.
4. Диск завантажує модулі прошивки: назву моделі, серійний номер, параметри калібрування кожної головки, список заводських дефектів (P-list), список набутих дефектів (G-list), таблицю SMART, паролі ATA, транслятор LBA тощо.
5. Тільки тепер диск з'являється в BIOS/системі.

Транслятор — це перетворювач адрес: він переводить логічну адресу LBA, яку запитує ОС, у фізичне розташування сектора на конкретній пластині. Без справного транслятора диск не може знайти файли. Симптоми: диск показує ємність 0 МБ, просить форматування або взагалі не відповідає.

Збої в SA — поширена категорія в лабораторії відновлення даних — один модуль прошивки пошкоджений, весь диск «лежить». Виправляється спеціалізованим обладнанням (ми використовуємо PC-3000, MRT).

Пластини

Пластини — це власне носій даних. Виготовлені з алюмінію або скла, відполіровані до дзеркального блиску, покриті тонким шаром сплаву кобальту (зазвичай CoCrPt). Цей шар зберігає дані у вигляді орієнтацій мікроскопічних магнітних доменів.

У 3,5-дюймовому диску від 1 до 9 пластин (останні — лише в гелієвих). Усі обертаються з однаковою швидкістю на спільному шпинделі.

• Стопорне кільце — притискає пакет пластин до маточини шпинделя при 7200 об/хв.
• Проставки — металеві кільця між пластинами, що підтримують рівні проміжки.
• Демпфери — пластини між пластинами, що гасять турбулентність і вібрацію. Алюмінієві також відводять тепло з корпусу HDA.

Правило майстерні: пластини не знімають з маточини без спеціального інструменту (platter stand). Одне невірне переміщення — і геометрія пакета зіпсована.

Головки і важіль (HSA)

Весь блок головок знаходиться на конструкції HSA (Head Stack Assembly). Компоненти:

• Підшипник — прецизійний підшипник у осі обертання HSA.
• Важіль — фрезований із суцільного алюмінію. Жорсткіший і легший = швидше переміщення без вібрації.
• HGA (Head Gimbal Assembly) — кінчик важеля, що тримає саму головку, з'єднаний через гнучкий шарнір.
• FPC (Flexible Printed Circuit) — помаранчева гнучка стрічка, що з'єднує електроніку HSA з контактним майданчиком HDA.
• Котушка — знаходиться між двома неодимовими магнітами, утворюючи VCM (Voice Coil Motor). Зміна струму переміщує важіль до потрібної доріжки.

Слайдер, ABS та справжня головка

Чорний блок на кінці HGA — це слайдер — аеродинамічне крило, що утримує елементи читання/запису на правильній висоті над пластиною.

Елемент запису використовує магнітне поле від крихітної котушки. Елемент читання — магнеторезистивний датчик (GMR або TMR). Нижня поверхня слайдера має канавки, що утворюють ABS (Air Bearing Surface) — вона утримує слайдер на висоті ~5–10 нанометрів над пластиною.

Саме ця висота польоту є причиною, чому диск не можна відкривати поза ламінарним боксом. Пилинка з атмосферного повітря має діаметр ~10 мікрометрів — у тисячу разів більше за висоту польоту головки.

Попередній підсилювач

Усередині HDA, поблизу основи HSA, знаходиться невелика мікросхема — попередній підсилювач (preamp). Сигнали від головок дуже слабкі (частоти понад 1 ГГц), тому preamp підсилює їх безпосередньо у джерела. Він також контролює, яка головка активна в даний момент.

У сучасних дисках preamp також керує висотою польоту (AFH у архітектурі Seagate F3) та мікроактюаторами для точного відстеження доріжки.

Рециркуляційний фільтр

Рециркуляційний фільтр затримує мікроскопічні частинки, що утворюються всередині HDA під час роботи. Без нього ці частинки за кілька місяців пошкодили б головки та поверхню пластин.

Магніти та паркування головок

Котушка HSA «плаває» між двома потужними неодимовими магнітами, що забезпечують переміщення важеля за мілісекунди з нанометровою точністю. У корпусі також є обмежувачі HSA та actuator latch — фізичні блокування для утримання важеля в допустимому діапазоні.

Два типи паркування головок

CSS (Contact Start/Stop) — після вимкнення головки сідають на пластину у внутрішній зоні (без даних).

Load/Unload — після вимкнення головки переміщуються за межі пластини і сідають на пластикову рампу.

Чому не можна відкривати диск вдома

Житлова кімната — приблизно клас ISO 9 — мільйони пилинок на кубічний метр. Ламінарний бокс для відкриття дисків — клас ISO 5 — кілька сотень частинок на кубічний метр.

Відкриття диска в кімнаті означає, що за кілька секунд під слайдером і на поверхні пластин з'являються забруднення, у тисячі разів більші за висоту польоту головки. Після запуску ці частинки пошкодять головки та можуть знищити магнітну поверхню пластини.

SMR, CMR та напрямок запису

Сучасні HDD використовують перпендикулярний запис (PMR). Частина споживчих «архівних» дисків використовує SMR (Shingled Magnetic Recording) — перекривальні доріжки для більшої ємності ціною надійності. Диски SMR у масиві RAID — рецепт катастрофи: відновлення після збою іншого диска може тривати тижнями.

SED — диски з апаратним шифруванням

Дедалі більше сучасних HDD — SED (Self-Encrypting Drive), що шифрують дані на льоту (AES-128 або AES-256). Без увімкнення механізму блокування диск розшифровує дані для будь-якого комп'ютера і поводиться як звичайний носій.

FAQ

Чи є вакуум усередині HDD?
Ні. У звичайних дисках повітря, яке обмінюється з довкіллям через відфільтрований дихальний отвір. Виняток — гелієві диски.

Чому мій диск клацає?
Клацання — це сигнал про допомогу. Якщо дані важливі — нічого не робіть. Відносьте до лабораторії відновлення даних.

Чи можна замінити електроніку з іншого такого самого диска?
Теоретично так, практично — лише погіршить ситуацію.

Скільки служить HDD?
Статистично 2–8 років безперервної роботи. Індивідуальні відхилення величезні. Резервна копія, резервна копія, резервна копія.

Чим відрізняється ноутбучний диск від настільного?
2,5-дюймові (ноутбучні) диски менші, зазвичай 5400 об/хв, Load/Unload паркування, зазвичай менша ємність. Решта конструкції однакова.

Чи означає згоряння електроніки, що дані втрачені?
У більшості випадків — ні. Якщо ROM та MCU не пошкоджені, ми можемо відновити дані. Електроніка рідко ламається в HDD.

Що таке «диск-донор»?
Диск, з якого беруть справні деталі для диска-пацієнта. Лабораторії підтримують власний запас донорів.