منتجات هندسية دقيقة للجماهير: محركات الأقراص الصلبة

هناك تناقض مثير للاهتمام مرتبط بمحركات الأقراص الصلبة الحديثة (محركات الأقراص الصلبة ، محركات الأقراص الصلبة). من ناحية أخرى ، هذا هو ذروة الهندسة ، وهو منتج يستحق صناعة الهندسة الدقيقة ، ينتج بكميات ضخمة. من ناحية أخرى ، فهي تمثل تقنية تخزين البيانات التي ينتقدها الجميع ومتفرقة. بمجرد عدم تسميتها بأسماء ، تذكر ، على سبيل المثال ، أنها تستخدم أكسيد الحديد ، أو ببساطة - الصدأ . ولكن في محركات الأقراص الثابتة ، على الرغم من ذلك ، تدور الألواح المغناطيسية لنعومة المرآة بهدوء طوال فترة خدمتها بأكملها. توجد رؤوس القراءة / الكتابة على بعد بضعة نانومترات منها ، حيث يكون محرك كهربائي خاص مسؤولاً عن موضعها. إنه قادر على وضع الرؤوس على مسارات مغناطيسية مجهرية بدقة كبيرة وسرعة عالية.







على الرغم من حقيقة أنه بمرور الوقت ، يتم وضع المزيد والمزيد من المسارات على كل ملليمتر مربع من الأطباق ، وتصبح رؤوس القراءة / الكتابة أكثر تعقيدًا كل بضع سنوات ، إلا أن موثوقية محركات الأقراص الثابتة تتزايد باستمرار. لذلك ، أعدت شركة Backblaze ، التي تعمل في مجال تخزين البيانات ، تقريرًا للربع الثاني من عام 2020 ، مخصصًا لمحركات الأقراص الثابتة المستخدمة فيه. كما اتضح ، انخفض المعدل السنوي لفشل القرص بشكل ملحوظ مقارنة بالعام الماضي.



هل هذا يعني أن محركات الأقراص الصلبة تصبح أكثر موثوقية بمرور الوقت؟ كيف يمكن لتقنيات التسجيل المغناطيسي الواعدة مثل MAMR و HAMR أن تؤثر على موثوقية القرص الصلب في العقود القادمة؟

الطريق من "ميجا" إلى "تيرا"

تم طرح أول محرك أقراص صلبة للبيع في الخمسينيات من القرن الماضي. كان من طراز IBM 350 بسعة 3.75 ميجابايت. كان الجهاز محاطًا بعلبة 152x172x74 سم ، والتي تضمنت 50 قرصًا بقطر 24 بوصة (610 ملم). إذا عدت إلى عصرنا ، فقد اتضح أن أفضل محرك أقراص ثابت حديث مقاس 3.5 بوصة (حوالي 14.7 × 10.2 × 2.6 سم) يمكنه تخزين ما يصل إلى 18 تيرابايت من البيانات باستخدام تقنية التسجيل التقليدية (غير المبلطة).





الآلية الداخلية لمحرك الأقراص الصلبة IBM 350



في IBM 350 ، تدور الأطباق بسرعة 1200 دورة في الدقيقة. وفي العقود الأخيرة ، تم تطوير الأقراص الصلبة باتجاه تقليل قطر الألواح وزيادة سرعة دورانها (القيم النموذجية هي 5400-15000 دورة في الدقيقة). تشمل التحسينات الأخرى وضع رؤوس القراءة / الكتابة بالقرب من سطح الطبق.



تم طرح جهاز تخزين IBM 1301 DSU (وحدة تخزين القرص) في عام 1961. لقد كان تصميمًا مبتكرًا حيث كان لكل طبق رأس قراءة / كتابة خاص به. ابتكار آخر لهذا النموذج هو أن الرؤوس تطفو فوق سطح القرص الدوار تحت تأثير القوى الديناميكية الهوائية. هذا جعل من الممكن تقليل الفجوة بين الرؤوس وسطح القرص.



بعد 46 عامًا من التطوير ، باعت شركة IBM أعمالها في مجال محركات الأقراص الثابتة لشركة هيتاشي في عام 2003. بحلول ذلك الوقت ، زادت سعة محركات الأقراص الثابتة بمقدار 48000 مرة ، وانخفض الحجم بمقدار 29161 مرة. انخفض استهلاك الطاقة من أكثر من 2.3 كيلوواط إلى حوالي 10 واط (لنماذج سطح المكتب) ، وانخفض سعر الميجابايت من 68000 دولار إلى 0.002 دولار. في الوقت نفسه ، انخفض عدد اللوحات من عشرات إلى اثنتين على الأكثر.

زيادة كثافة التخزين

تطورت الأجهزة الميكانيكية والإلكترونية ، وكذلك أجهزة الكمبيوتر ، دائمًا نحو التصغير. تطورت أجهزة الكمبيوتر الضخمة ذات الأنبوب أو الترحيل في الأربعينيات والخمسينيات من القرن الماضي إلى أنظمة ترانزستور أقل ضخامة ، ثم إلى عجائب حديثة مصغرة للتكنولوجيا تعتمد على دوائر متكاملة متخصصة. اتبعت محركات الأقراص الثابتة مسارًا مشابهًا.





المكونات الداخلية Seagate MicroDrive 1 بوصة HDD



لقد شهدت إلكترونيات التحكم في محركات الأقراص الثابتة جميع متعة تطوير VLSI ، فقد استخدموا محركات مؤازرة دقيقة واقتصادية بشكل متزايد. أدى التقدم في علم المواد إلى ظهور ألواح أخف وزنا وأكثر سلاسة (زجاج أو ألمنيوم) مع طلاء مغناطيسي محسن. نمت كثافة التسجيل. كان مبتكرو محركات الأقراص الصلبة يتحسنون في فهم خصائص عناصرهم الفردية (الدوائر الدقيقة ، والجنود ، والمحركات ، ورؤوس القراءة / الكتابة) ولم تحدث التحسينات الثورية في خصائصها على الفور ، ولكن بشكل تدريجي ، من خلال تحسينات صغيرة.





ستة محركات أقراص صلبة مفتوحة - من 8 "إلى 1" ( المصدر ) على



الرغم من وجود محاولتين على الأقل لتصغير محركات الأقراص الثابتة بجدية ، على شكل 1.3 " HP Kittyhawk في عام 1992 و 1" Microdrive في عام 1999 ، فإن السوق نتيجة لذلك ، قام باختياره ، مع التركيز على نماذج عوامل الشكل 3.5 و 2.5 بوصة. تم وصف محركات Microdrives كبديل لبطاقات CompactFlash المستندة إلى NAND ، مستشهدة بنقاط قوتها كسعة تخزين أعلى ودورات إعادة كتابة غير محدودة تقريبًا ، مما يجعلها مناسبة للأنظمة المدمجة.



كما هو الحال في حالات أخرى مماثلة ، جعلت القيود المادية على سرعة الكتابة ووقت الوصول العشوائي للبيانات محركات الأقراص الصلبة في نهاية المطاف أكثر الترحيب بالضيوف حيث أن الشيء الأكثر أهمية هو القدرة على تخزين كميات كبيرة من المعلومات بتكلفة رخيصة وموثوق بها. سمح ذلك لسوق الأقراص الصلبة بالتكيف مع أنظمة سطح المكتب والخوادم ، بالإضافة إلى احتياجات المراقبة بالفيديو والنسخ الاحتياطي للبيانات (هنا يتنافسون مع محركات الأشرطة).

أسباب فشل القرص الصلب

على الرغم من أن الأجزاء الميكانيكية لمحركات الأقراص الثابتة غالبًا ما يُنظر إليها على أنها أضعف نقطة ، إلا أن أعطال محرك الأقراص الثابتة يمكن أن تحدث بسبب أكثر من تلك الأجزاء فقط. من بين هذه الأسباب ما يلي:

• العامل البشري.
• أعطال الأجهزة (ميكانيكية ، إلكترونية).
• تلف البرامج الثابتة.
• العوامل البيئية (درجة الحرارة ، الرطوبة).
• مزود الطاقة.

يتم اختبار الأقراص الصلبة لمقاومة الصدمات عند انقطاع التيار الكهربائي أو أثناء التشغيل (يتم تدوير الأطباق ، أو عدم وقوف رؤوس القراءة / الكتابة). إذا تعرض القرص لضغط أكثر شدة مما تم تصميمه من أجله ، فقد يتضرر محرك الأقراص المسؤول عن حركة الرؤوس ، ويمكن أن تصطدم الرؤوس بسطح أطباق الأقراص. إذا لم يتعرض القرص لمثل هذه التأثيرات ، فإن السبب الرئيسي لإخفاقاته ، على الأرجح ، سيكون تآكله الطبيعي. تمنح الشركات المصنعة لمحركات الأقراص الثابتة وقتًا متوسطًا للفشل (MTBF ، متوسط ​​الوقت قبل الفشل) ، مما يعطي فكرة عن المدة التي يمكن أن يعمل بها محرك الأقراص الثابتة في الظروف العادية.



يتم الحصول على MTBF من خلال استقراء بيانات تآكل الجهاز خلال فترة زمنية. هناك معايير يتم على أساسها حساب هذا المؤشر. عادةً ما يكون MTBF لمحركات الأقراص الثابتة في نطاق يتراوح بين 100000 إلى 1 مليون ساعة. لذلك ، من أجل اختبار القرص حقًا ، سوف يستغرق الأمر من 10 إلى 100 عام لمراقبته. في الوقت نفسه ، تنتقل الشركات المصنعة ، عند تحديد MTBF للأقراص ، من افتراض أن القرص سيعمل في الظروف الموصى بها. هذا هو المكان الذي تعمل فيه محركات الأقراص في شركات التخزين مثل Backblaze.



من الواضح ، إذا عرّضت محرك الأقراص الثابتة لتأثير قوي جدًا (أسقطه على أرضية حجرية ، على سبيل المثال) ، أو إذا حدث عطل خطير في مصدر الطاقة لمحرك الأقراص (على سبيل المثال ، زيادة الطاقة) ، فسيتم تقليل عمر محرك الأقراص الثابتة. الأمر الأقل وضوحًا هو أن موثوقية محركات الأقراص الثابتة يمكن أن تتأثر بعيوب التصنيع التي لا تنفرد بها محركات الأقراص الثابتة. هم سبب تطبيق مقياس مثل "معدل الفشل المقبول" على معظم المنتجات.

الأمر لا يتعلق بالمستخدم. يتعلق الأمر بخط الإنتاج

توضح محركات الأقراص الثابتة قيم MTBF عالية. من المفهوم أن شركة Backblaze تسعى جاهدة لضمان أن ما يقرب من 130.000 من محركات الأقراص الصلبة الخاصة بها ستعيش بسعادة حتى سن الشيخوخة وتتقاعد بهدوء إلى عالم أفضل (عادة ما يكون مصنعًا لتكسير الخردة المعدنية). ولكن حتى شركة مثل Backblaze أبلغت ، اعتبارًا من الربع الأول من عام 2020 ، أن معدل الفشل السنوي (AFR) بلغ 1.07٪. هذا ، لحسن حظهم ، هو الأدنى منذ أن بدأوا نشر مثل هذه التقارير في عام 2013. في الربع الأول من عام 2019 ، على سبيل المثال ، بلغ معدل AFR الخاص بهم 1.56٪.



في إحدى المواد الخاصة بيقيل أنه في صناعة الأجهزة التي تشتمل على دوائر متكاملة قد تظهر فيها عيوب لا تظهر على الفور إلا بعد فترة أثناء تشغيل الأجهزة. بمرور الوقت ، يمكن أن تؤدي عوامل مثل الهجرة الكهربائية والإجهاد الحراري والضغط الميكانيكي إلى حدوث أعطال في الدوائر الدقيقة. لذلك ، يمكن كسر توصيلات الأسلاك في حالات الدوائر الدقيقة ، ويمكن أن تتسبب الهجرة الكهربائية في إتلاف الوصلات الملحومة والدوائر الدقيقة نفسها (خاصة بعد التعرض لجهاز التفريغ الكهروستاتيكي).



تعتمد الأجزاء الميكانيكية لمحركات الأقراص الثابتة على دقة الالتزام بالتفاوتات التكنولوجية وجودة تزييت الأجزاء المتحركة. في السابق ، كانت هناك مشكلة مثل لصق كتلة الرؤوس المغناطيسية على سطح القرص الصلب (stiction ). ولكن بمرور الوقت ، تحسنت خصائص مواد التشحيم ولم يعد بإمكان كتلة الرأس مغادرة منطقة الانتظار. نتيجة لذلك ، تم حل هذه المشكلة بشكل أو بآخر اليوم.



ولكن ، مع ذلك ، في كل خطوة من عملية الإنتاج هناك فرصة لإفساد شيء ما. يتجلى هذا في النهاية على أنه شيء يحط من أرقام MTBF الجميلة. يقع القرص الصلب الذي فشل في الجانب المظلم لمنحنى معدل الفشل. يتميز هذا المنحنى بقمة عالية في البداية ، مما يشير إلى حدوث فشل بسبب عيوب التصنيع الخطيرة. ثم ينخفض ​​عدد العيوب وتبدو هادئة بدرجة كافية حتى انتهاء صلاحية الجهاز ، وبعد ذلك يرتفع مرة أخرى.

ماذا بعد؟

إنها



محركات HAMR Time Hard Drive كما نعرفها هي مثال على النتيجة النهائية لعملية تصنيع مضبوطة بدقة. العديد من المشاكل التي ابتليت بها هذه الأجهزة على مدى السنوات الخمس الماضية إما تم إصلاحها أو تخفيفها. التغييرات الملحوظة نسبيًا في إنتاج محركات الأقراص الثابتة ، مثل التحول إلى إنتاج محركات مملوءة بالهيليوم ،لم يكن لها تأثير خطير على معدل فشلها. تغييرات أخرى ، مثل الانتقال من التسجيل المغناطيسي العمودي ( PMR ) إلى التسجيل المغناطيسي بمساعدة الحرارة ( HAMR)) يجب ألا يؤثر بشكل كبير على عمر محركات الأقراص الثابتة. وهذا بشرط ألا تجلب التقنيات الجديدة مشاكل جديدة معهم.



بشكل عام ، يبدو المستقبل التكنولوجي للقرص الصلب ، بكل معنى الكلمة ، مملًا إلى حد ما. ستكون مرافق تخزين منخفضة التكلفة وذات سعة كبيرة يمكن أن تعمل بشكل طبيعي لمدة اثني عشر عامًا على الأقل. يمكن أن يتطور المبدأ الأساسي لإنشاء محركات أقراص صلبة ، ولا سيما مغنطة أجزاء صغيرة من اللوحات ، إلى مثل هذا المستوى عندما تلعب الجزيئات الفردية دور هذه "الأقسام". وإذا أضفت شيئًا مثل HAMR هنا ، فقد اتضح أنه يمكنك توقع زيادة كبيرة في عمر تخزين المعلومات على محرك الأقراص الثابتة.



تتمتع محركات الأقراص الثابتة بميزة كبيرة على NAND ، والتي تستخدم مكثفات صغيرة لتخزين الشحنات وتستخدم طريقة لكتابة البيانات التي تتسبب في إتلاف هذه المكثفات ماديًا. تعتبر القيود المادية لهذه الذاكرة أكثر خطورة من تلك المطبقة على محركات الأقراص الثابتة. يؤدي هذا إلى تعقيد تصميم الذاكرة ، على سبيل المثال ، إلى إنشاء محركات أقراص تستند إلى خلايا ذاكرة قادرة على تخزين أربع بتات (خلية رباعية المستوى ، QLC). عند العمل مع هذه الخلايا ، يجب تمييز 16 مستوى جهد. نظرًا لتعقيد ذاكرة QLC ، اتضح أن محركات أقراص الحالة الصلبة المقابلة في العديد من السيناريوهات تكون أسرع قليلاً من محركات الأقراص الثابتة 5400 دورة في الدقيقة. هذا ينطبق بشكل خاص على التأخير في الوصول إلى البيانات.

النتيجة

كان محرك الأقراص الثابتة الأول الخاص بي 20 أو 30 ميغا بايت Seagate في IBM PS / 2 (386SX). تم إحضار هذا الكمبيوتر من العمل من قبل والدي. لقد تحولوا إلى أجهزة كمبيوتر جديدة ، وربما أرادوا تحرير المستودعات من التكنولوجيا القديمة. في أيام MS DOS ، كانت 20-30 ميجابايت كافية تمامًا لنظام التشغيل ومجموعة من الألعاب و WordPerfect 5.1 وغير ذلك الكثير. بالطبع ، بدا هذا القدر من الذاكرة بحلول نهاية التسعينيات سخيفًا. بعد ذلك ، عند الحديث عن الأقراص الصلبة ، فإنها لا تعمل بالميغابايت ، ولكن بالجيجابايت.



على الرغم من حقيقة أنني امتلكت العديد من أجهزة الكمبيوتر المكتبية والمحمولة منذ ذلك الحين ، إلا أنه من المفارقات أن محرك الأقراص الوحيد الذي توفي بين يدي ، إذا جاز التعبير ، كان محرك أقراص الحالة الصلبة. هذا ، بالإضافة إلى المنشورات حول محركات الأقراص الثابتة ، مثل تقارير Backblaze ، يمنحني ثقة قوية بأن الأيام التي ستتوقف فيها أطباق محرك الأقراص الثابتة الأخير عن الدوران بعيدة جدًا. ربما ستتغير هذه التوقعات فقط عندما تسمح تقنية 3D XPoint بإنشاء محركات أقراص كبيرة الحجم وبأسعار معقولة. في غضون ذلك ، دع كل شيء يسير كالمعتاد.



هل واجهت فشل القرص الصلب؟