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Geschrieben von Kees Jan Meerman
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Veröffentlicht am
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Min. Lesezeit 6 Min
Zusammenfassung: In diesem Artikel werden wir die internen Komponenten eines Laufwerks untersuchen. Wir werden uns die entscheidenden Teile ansehen, die für ihre Funktion wichtig sind, ihre Aufgaben und wie sie sich im Laufe der Jahrzehnte entwickelt haben.
Inhaltsverzeichnis
Wenn Sie sich das Innenleben eines Laufwerks ansehen, kommen Sie nicht umhin, über die Meisterwerke der Elektronik, Mechanik, Elektrik und Werkstofftechnik zu staunen, die in ihm stecken. Die Präzision, mit der eine HDD arbeitet, lässt sich vielleicht am besten anhand der "Flughöhe" veranschaulichen. Sie bezieht sich auf den Abstand zwischen den empfindlichen Schreib-/Leseköpfen und den magnetisierten Platten, die sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 15.000 U/min drehen. Dieser Abstand beträgt normalerweise weniger als 5 Nanometer!
Vorsicht! Festplatten sind hochkomplexe Geräte, die nur in speziellen Umgebungen, den sogenannten Reinräumen, geöffnet werden dürfen. Diese ISO-zertifizierten Umgebungen werden akribisch gewartet: 300 Luftwechsel pro Stunde und moderne HEPA-Filter sorgen dafür, dass ein Reinraum der Klasse 100 weniger als 100 Partikel enthält, die größer als 0,5 Mikrometer pro Kubikfuß Luft sind. Dadurch wird sichergestellt, dass empfindliche Komponenten, wie z.B. Platten, nicht kontaminiert werden. Der Klasse-100-Reinraum von STELLAR ist die einzige kontrollierte Umgebung dieser Art im Land.
Um die Anatomie eines Laufwerks zu erklären, werden wir eine 1 TB Western Digital Internal SATA HDD untersuchen.
Die in diesem Gerät gespeicherten Daten befinden sich auf dem Plattenteller - der primären Komponente, die für die Speicherung von Informationen verantwortlich ist.
1. Tablett
Der Plattenteller ist die glänzende Scheibe, die Sie auf dem Bild oben sehen. Dieser Plattenteller besteht normalerweise aus Aluminium, Glas oder Keramik. Glas bietet eine bessere Oberflächenebenheit, daher sind kleinere Festplatten - wie die in Laptops verwendeten - mit Platten aus Glas ausgestattet. Sie müssen so geschliffen werden, dass die Oberflächenrauhigkeit weniger als 1 Angström (10-10 Meter) beträgt. Die Platten werden dann mit einer klebenden Unterschicht und mehreren nanometerdicken Schichten aus nichtmagnetischen und magnetischen Legierungen beschichtet. Schließlich werden eine Deckschicht auf Kohlenstoffbasis und ein dünner Schmierfilm für eine bessere Haltbarkeit aufgetragen.
Lassen Sie uns nun verstehen, wie die Daten auf dem Datenträger organisiert sind. Dazu müssen wir vier Begriffe verstehen: Tracks, Zylinder, Sektoren und Domänen.
- Gleise sind konzentrische Kreise auf der Oberfläche der Drehscheibe.
- Sektoren sind Unterteilungen eines Tracks, und jeder Sektor speichert eine feste Menge an Daten.
- Magnetische Domänen sind Unterteilungen von Spuren; jede Domäne steht für eine Einheit von Binärdaten (Nullen und Einsen).
- Zylinder sind vertikale Anordnungen von Spuren auf mehreren Scheiben.
Zwischen den Plattentellern befinden sich Dämpfer oder Separatoren, um Luftschwankungen und akustische Geräusche zu reduzieren.
Wie bereits erwähnt, sollten Laufwerke nur in einem Reinraum der Klasse 100 geöffnet werden, um Verunreinigungen und Schäden an ihren empfindlichen Komponenten zu vermeiden. Die Discs sind sehr empfindlich. Selbst wenn nur ein Staubkorn, eine Hautschuppe usw. (typischerweise 1-250 Mikrometer groß) auftritt, kann die Disk während des Betriebs zerkratzt werden. Dies kann dazu führen, dass das Laufwerk nicht mehr funktioniert und Sie nicht mehr auf die darauf gespeicherten Daten zugreifen können.
Der Plattenteller ist jedoch nicht die einzige anfällige Komponente einer HDD. Der Kopfstapel, der die Schreib-/Leseköpfe trägt, ist sogar noch empfindlicher.
2. Kopfstapel-Baugruppe (HSA)
Die unten abgebildete Head Stack Assembly (HSA) ist die zentrale Komponente, die es den Lese-/Schreibköpfen ermöglicht, Informationen auf den Discs zu speichern (und darauf zuzugreifen).
Lassen Sie uns nun verstehen, wie die Head Stack Assembly (HSA) funktioniert.
Der HSA ist für die Positionierung und Bewegung der Schreib-/Leseköpfe auf den Discs verantwortlich. Dadurch wird eine präzise Ausrichtung gewährleistet, so dass die Daten vom richtigen Sektor der Disc gelesen bzw. darauf geschrieben werden.
Der HSA verfügt über Arme (lange Metallteile), die die Köpfe tragen, eine flexible gedruckte Schaltung (FPC), die den HSA mit der Leiterplatte verbindet und elektrische Signale überträgt, einen Schwingspulenmotor (VCM), der das Laufwerk des HSA antreibt, sowie Schieber und Köpfe, die die eigentlichen Mechanismen zum Lesen und Schreiben von Daten darstellen.
Um die Funktionsweise vollständig zu verstehen, müssen wir uns den Schreib-/Lesekopf und sein kompliziertes Design genauer ansehen.
Der Schreib-/Lesekopf ist ein winziges Gerät, das sich an der Spitze des Sliders befindet und mit der magnetischen Oberfläche der Disc-Platte interagiert.
- Beim Lesen erkennt der Kopf magnetische Domänen (winzige magnetische Bereiche auf dem Plattenteller, die Nullen und Einsen darstellen). Das magnetische Signal wird in ein elektrisches Signal und dann in digitale Daten für den Computer umgewandelt.
- Während des Schreibvorgangs verändert der Kopf die magnetische Ausrichtung der Disc-Oberfläche, um neue Binärdaten zu kodieren.
Der Schieber, der in der Abbildung unten markiert ist, spielt eine entscheidende Rolle für die Funktion des Schreib-/Lesekopfs. Er dient als Stütze für den Kopf und ist so konstruiert, dass er knapp über der Oberfläche der Disc-Platte schwebt.
Ein wichtiges Konzept, mit dem Sie sich hier vertraut machen sollten, ist die Flughöhe - der extrem geringe Abstand zwischen dem Lese-/Schreibkopf und der Platte. Dieser Abstand ist entscheidend für die Präzision von Lese- und Schreibvorgängen. Er ist unglaublich klein, typischerweise zwischen 5 und 10 Nanometern. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa 25.000 Nanometer dick. Dieser unglaublich geringe Abstand ist für die Präzision beim Lesen und Schreiben notwendig.
Wäre die Flughöhe höher, würde dies die Genauigkeit verringern, und wäre sie niedriger, würde dies das Risiko von Kopfstößen (bei denen der Kopf mit dem Drehteller kollidiert) erhöhen.
Angesichts der geringen Flughöhe können selbst mikroskopisch kleine Staub- oder Ölpartikel die Funktion des Kopfes stören oder schwere Schäden verursachen. Um dies zu verhindern,
- HDDs sind mit Umluftfiltern ausgestattet, um die interne Luft zu reinigen; und
- Der Atemfilter verhindert, dass Verunreinigungen von außen in die Atemöffnung gelangen.
Werfen wir nun einen Blick auf die Komponente, die für die Steuerung dieser präzisen Bewegungen und Prozesse innerhalb des Laufwerks verantwortlich ist.
3. PCB
Die PCB (Printed Circuit Board) ist das elektronische Rückgrat eines Laufwerks. Sie steuert den Betrieb und schützt die Komponenten.
Die Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) lässt sich durch die Analyse von sechs Schlüsselkomponenten verstehen, die alle eine wichtige Rolle für die Funktion des Geräts spielen.
- Zuerst kommt die Mikrocontroller-Einheit - das Gehirn des Boards. Sie kombiniert eine CPU für die Datenverarbeitung und einen Lese-/Schreibkanal, um analoge Signale von den Köpfen in digitale Daten umzuwandeln. Sie verwaltet auch die Datenübertragung über die SATA-Schnittstelle und überwacht den Gesamtbetrieb des Laufwerks.
- Die zweite Komponente ist der Speicher oder Cache. Dabei handelt es sich in der Regel um einen DDR-SDRAM-Chip, der temporäre Daten für den schnellen Zugriff speichert. Der Speicher ist in zwei Teile unterteilt: Puffer-/Cache-Speicher für den schnellen Datenzugriff und Firmware-Speicher für die Speicherung wichtiger Betriebsanweisungen.
- Der dritte Teil ist der VCM-Verantwortlicher (Voice Coil Motor Verantwortlicher). Er steuert sowohl den Spindelmotor, der die Discs dreht, als auch die Bewegungen der Köpfe für Lese- und Schreibvorgänge. Dies ist der Teil des Laufwerks, der den meisten Strom verbraucht.
- Der vierte Teil ist der Flash-Chip, der einen Teil der Firmware enthält, die zum Starten und Betreiben des Laufwerks erforderlich ist. Ohne diese Firmware würde das Laufwerk nicht einmal starten.
- Der fünfte Teil ist der Stoßsensor. Dieser Sensor kann Vibrationen oder physische Erschütterungen erkennen. Wenn das Laufwerk beispielsweise einen Sturz erleidet, parkt der Schocksensor automatisch die Köpfe, um eine Beschädigung der Disc zu verhindern.
- Die sechste Komponente ist die TVS-Diode (Transient Voltage Suppression Diode), die das Laufwerk vor Überspannungen schützt. Wenn ein Spannungsstoß auftritt, absorbiert die TVS-Diode die Überspannung und erzeugt einen Kurzschluss, um weitere Schäden zu verhindern.
Als Nächstes wenden wir uns dem Mechanismus zu, der dafür sorgt, dass sich die Discs genau mit der Geschwindigkeit drehen, die für einen effizienten Datenzugriff erforderlich ist.
4. Spindel
Die Spindel ist das mechanische Herzstück eines Laufwerks. Ihr Auftrag ist es, die Platten zu halten und sie mit sehr hoher Geschwindigkeit zu drehen. Diese Drehung ist notwendig, damit die Lese-/Schreibköpfe auf die Daten in den verschiedenen Spuren und Sektoren der einzelnen Discs zugreifen können.
In alten Laufwerken war der Spindelmotor ein Schrittmotor mit begrenzter Präzision und Zuverlässigkeit. Moderne Geräte verfügen über fortschrittliche Motoren wie fluiddynamische Lager oder bürstenlose Gleichstrommotoren. Diese Motoren bieten einen reibungsloseren Betrieb und sind viel zuverlässiger. Außerdem sind sie leiser und weniger verschleißanfällig.
Bei modernen Laufwerken kann sich die Spindel mit Geschwindigkeiten zwischen 5.400 U/min und 7.200 U/min drehen. Eine höhere Spindeldrehzahl ermöglicht es dem Lese-/Schreibkopf, den gewünschten Sektor schnell zu erreichen. Einige leistungsstarke Laufwerke haben Geschwindigkeiten von bis zu 15.000 U/min. Das bedeutet, dass sich die Sektoren auf der äußersten Spur eines Laufwerks, das normalerweise einen 3,5-Zoll-Formfaktor hat, mit einer Geschwindigkeit von 250 km/h bewegen!
Fazit
Inzwischen sollten Sie ein umfassendes Verständnis der komplizierten Funktionen eines Laufwerks haben.
Dieser Überblick beleuchtet die beeindruckende Technologie, die hinter Festplatten steckt. Kleine Verbesserungen in einzelnen Teilen haben zur kontinuierlichen Weiterentwicklung von Festplatten beigetragen. Im Zuge des technischen Fortschritts können wir erwarten, dass sie immer leichter, schneller, billiger und zuverlässiger werden.
