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Geschreven door Kees Jan Meerman
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Résumé : Dans cet article, nous allons examiner les composants internes d'un disque dur. Nous examinerons les pièces critiques qui sont importantes pour leur fonctionnement, leurs rôles et leur évolution au fil des décennies.
Table des matières
Lorsque vous observez le fonctionnement interne d'un disque dur, vous ne pouvez que vous émerveiller devant les chefs-d'œuvre d'électronique, de mécanique, d'électricité et d'ingénierie des matériaux qui le composent. La précision avec laquelle un disque dur fonctionne est peut-être mieux illustrée par la "hauteur de vol". Il s'agit de la distance entre les têtes de lecture/écriture sensibles et les plateaux magnétisés, qui tournent à des vitesses pouvant atteindre 15 000 tours/minute. Cette distance est normalement inférieure à 5 nanomètres !
Attention ! Les disques durs sont des dispositifs très complexes qui ne peuvent être ouverts que dans des environnements spéciaux appelés salles blanches. Ces environnements certifiés ISO font l'objet d'un entretien méticuleux : 300 renouvellements d'air par heure et des filtres HEPA modernes garantissent qu'une salle blanche de classe 100 contient moins de 100 particules de plus de 0,5 micromètre par pied cube d'air. Cela garantit que les composants sensibles, tels que les plaques, ne sont pas contaminés. La salle blanche de classe 100 de Stellar® est le seul environnement contrôlé de ce type dans le pays.
Pour expliquer l'anatomie d'un disque, nous allons examiner un disque dur Western Digital SATA interne de 1 To.
Les données stockées dans cet appareil sont situées sur le plateau du disque - le principal composant responsable du stockage des informations.
1er plateau
Le plateau est le disque brillant que vous voyez dans l'image ci-dessus. Ce plateau est généralement en aluminium, en verre ou en céramique. Le verre offre une meilleure planéité de surface, c'est pourquoi les petits disques durs, tels que ceux utilisés dans les ordinateurs portables, ont des plateaux en verre. Ils doivent être meulés de manière à ce que la rugosité de la surface soit inférieure à 1 angstrom (10-10 mètres). Les plaques sont ensuite recouvertes d'une sous-couche adhésive et de plusieurs couches d'alliages magnétiques et non magnétiques d'une épaisseur de l'ordre du nanomètre. Enfin, une couche supérieure à base de carbone et un mince film lubrifiant sont appliqués pour améliorer la durabilité.
Comprenons maintenant comment les données sont organisées sur le support de données. Pour ce faire, nous devons comprendre quatre termes : Pistes, Cylindres, Secteurs et Domaines.
- Les pistes sont des cercles concentriques sur la surface de la plaque tournante.
- Les secteurs sont des subdivisions d'une piste et chaque secteur stocke une quantité fixe de données.
- Les domaines magnétiques sont des subdivisions des pistes ; chaque domaine représente une unité de données binaires (zéros et uns).
- Les cylindres sont des arrangements verticaux de pistes sur plusieurs disques.
Des amortisseurs ou des séparateurs sont placés entre les plateaux pour réduire les fluctuations de l'air et les bruits acoustiques.
Comme nous l'avons déjà mentionné, les disques ne doivent être ouverts que dans une salle blanche de classe 100 afin d'éviter toute contamination et tout endommagement de leurs composants sensibles. Les disques sont très sensibles. Même s'il ne s'agit que d'un grain de poussière, d'un grain de peau, etc. (d'une taille de 1 à 250 microns en général), le disque peut être rayé en cours de fonctionnement. Le disque peut alors cesser de fonctionner et vous ne pourrez plus accéder aux données qui y sont stockées.
Cependant, le plateau n'est pas le seul composant vulnérable d'un disque dur. La pile de têtes, qui porte les têtes de lecture/écriture, est encore plus sensible.
2. l'assemblage de la pile de tête (HSA)
L'assemblage de la pile de têtes (HSA) illustré ci-dessous est le composant central qui permet aux têtes de lecture/écriture de stocker (et d'accéder) aux informations sur les disques.
Comprenons maintenant comment fonctionne l'assemblage de la pile de tête (HSA).
Le HSA est chargé de positionner et de déplacer les têtes de lecture/écriture sur les disques. Cela garantit un alignement précis afin que les données soient lues ou écrites dans le bon secteur du disque.
Le HSA comporte des bras (longues pièces métalliques) qui soutiennent les têtes, un circuit imprimé flexible (FPC) qui relie le HSA à la carte de circuit imprimé et transmet les signaux électriques, un moteur à bobine mobile (VCM) qui entraîne le disque du HSA, ainsi que des curseurs et des têtes qui sont les mécanismes proprement dits de lecture et d'écriture des données.
Pour bien comprendre son fonctionnement, nous devons examiner de plus près la tête de lecture/écriture et sa conception complexe.
La tête de lecture/écriture est un minuscule bureau situé à l'extrémité du curseur qui interagit avec la surface magnétique du plateau du disque.
- Pendant la lecture, la tête reconnaît les domaines magnétiques (de minuscules zones magnétiques sur la table tournante qui représentent des zéros et des uns). Le signal magnétique est converti en signal électrique, puis en données numériques pour l'ordinateur.
- Pendant l'écriture, la tête modifie l'orientation magnétique de la surface du disque pour encoder de nouvelles données binaires.
Le curseur, qui est marqué dans l'illustration ci-dessous, joue un rôle crucial dans le fonctionnement de la tête de lecture/écriture. Il sert de soutien à la tête et est conçu pour flotter juste au-dessus de la surface du plateau du disque.
Un concept important avec lequel vous devez vous familiariser est la hauteur de vol, c'est-à-dire la distance extrêmement réduite entre la tête de lecture/écriture et la plaque. Cette distance est essentielle pour la précision des opérations de lecture et d'écriture. Elle est incroyablement petite, généralement comprise entre 5 et 10 nanomètres. À titre de comparaison, l'épaisseur d'un cheveu humain est d'environ 25 000 nanomètres. Cette distance incroyablement petite est nécessaire à la précision des opérations de lecture et d'écriture.
Si l'altitude de vol était plus élevée, cela réduirait la précision, et si elle était plus basse, cela augmenterait le risque d'impact sur la tête (lorsque la tête entre en collision avec le plateau tournant).
Compte tenu de la faible altitude de vol, même des particules microscopiques de poussière ou d'huile peuvent perturber le fonctionnement de la tête ou l'endommager gravement. Pour éviter cela,
- Les disques durs sont équipés de filtres de recirculation pour nettoyer l'air interne ; et
- Le filtre respiratoire empêche les impuretés de pénétrer dans l'ouverture respiratoire depuis l'extérieur.
Examinons maintenant le composant responsable du contrôle de ces mouvements et processus précis au sein du disque.
3. PCB
Le circuit imprimé (PCB) est l'épine dorsale électronique d'un disque. Il contrôle le fonctionnement et protège les composants.
Le circuit imprimé (PCB) peut être compris en analysant six composants clés, qui jouent tous un rôle important dans le fonctionnement de l'appareil.
- Le premier élément est le microcontrôleur, le cerveau de la carte. Elle combine une unité centrale pour le traitement des données et un canal de lecture/écriture pour convertir les signaux analogiques des têtes en données numériques. Elle gère également le transfert des données via l'interface SATA et surveille le fonctionnement général du disque.
- Le deuxième composant est la mémoire ou le cache. Il s'agit généralement d'une puce DDR SDRAM qui stocke des données temporaires pour un accès rapide. La mémoire est divisée en deux parties : La mémoire tampon/cache pour l'accès rapide aux données et la mémoire micrologicielle pour le stockage des instructions de fonctionnement importantes.
- La troisième partie est le contrôleur VCM (Voice Coil Motor Controller). Il contrôle à la fois le moteur de la broche qui fait tourner les disques et les mouvements des têtes pour les opérations de lecture et d'écriture. C'est la partie du disque qui consomme le plus d'énergie.
- La quatrième partie est la puce flash, qui contient une partie du micrologiciel nécessaire au démarrage et au fonctionnement du disque. Sans ce micrologiciel, le disque ne pourrait même pas démarrer.
- La cinquième partie est le capteur de chocs. Ce capteur peut détecter les vibrations ou les chocs physiques. Si le disque subit une chute, par exemple, le capteur de chocs parque automatiquement les têtes pour éviter d'endommager le disque.
- Le sixième composant est la diode TVS (diode de suppression des tensions transitoires), qui protège le disque contre les surtensions. En cas de surtension, la diode TVS absorbe la surtension et crée un court-circuit pour éviter tout dommage supplémentaire.
Ensuite, nous nous intéressons au mécanisme qui garantit que les disques tournent à la vitesse exacte requise pour un accès efficace aux données.
4ème broche
La broche est la pièce maîtresse d'un disque. Sa tâche consiste à maintenir les plateaux et à les faire tourner à très grande vitesse. Cette rotation est nécessaire pour que les têtes de lecture/écriture puissent accéder aux données des différentes pistes et secteurs des disques individuels.
Dans les anciens disques, le moteur de la broche était un moteur pas à pas dont la précision et la fiabilité étaient limitées. Les appareils modernes sont équipés de moteurs perfectionnés, tels que des paliers à dynamique des fluides ou des moteurs à courant continu sans balais. Ces moteurs offrent un fonctionnement plus souple et sont beaucoup plus fiables. Ils sont également plus silencieux et moins sujets à l'usure.
Avec les disques modernes, la broche peut tourner à des vitesses comprises entre 5 400 tr/min et 7 200 tr/min. Une vitesse de rotation plus élevée permet à la tête de lecture/écriture d'atteindre rapidement le secteur souhaité. Certains disques puissants ont une vitesse de rotation allant jusqu'à 15 000 tr/min. Cela signifie que les secteurs de la piste extérieure d'un disque dur, qui a généralement un facteur de forme de 5 pouces3,, se déplacent à une vitesse de 250 km/h !
Conclusion
Vous devriez maintenant avoir une bonne compréhension du fonctionnement complexe d'un disque.
Cet aperçu met en lumière la technologie impressionnante qui se cache derrière les disques durs. Les petites améliorations apportées aux différentes pièces ont contribué au développement des disques durscontinu . Au fur et à mesure que la technologie progresse, nous pouvons nous attendre à ce qu'ils deviennent plus légers, plus rapides, moins chers et plus fiables.
