جعلت محركات الأقراص الصلبة الهندسة الميكانيكية الدقيقة أمرًا شائعًا

تجمع محركات الأقراص الصلبة الحديثة (HDDs) بطريقة مثيرة للاهتمام بين تتويج الهندسة الدقيقة في الإنتاج الضخم وتقنيات التخزين الأكثر احتقارًا. على الرغم من هذه الأسماء المستعارة مثل "الصدأ الدوار" ، فإن معظم الأقراص تمكنت من تدوير ألواح مغناطيسية شديدة النعومة على بعد بضعة نانومترات من رؤوس التسجيل والقراءة طوال حياتها. الأقواس في الأخير ، بدورها ، تسحب الملفات اللولبية ، القادرة على وضع الرأس بالضبط فوق المسار المغناطيسي المجهري في غضون بضعة أجزاء من الثانية.



على الرغم من حقيقة أنه لعقود عديدة ، تم حشر المزيد والمزيد من هذه المسارات المغناطيسية في مليمتر مربع واحد من الأطباق ، ويتم استبدال رؤوس القراءة والكتابة باستمرار بأخرى أكثر تعقيدًا ، إلا أن موثوقية محركات الأقراص الثابتة تتزايد باستمرار. في تقرير الربع الثاني من عام 2020 من شركة التخزين Backblaze ، من الواضح أن معدل الفشل السنوي لمحركات الأقراص الثابتة لديهم أقل بكثير من العام الماضي.



السؤال هو ، هل هذا يعني أن محركات الأقراص الثابتة ستصبح أكثر موثوقية بمرور الوقت ، وكيف يمكن للتقنيات الجديدة مثل MAMR و HAMR أن تؤثر على هذه العملية في العقود القادمة.

من ميجا إلى تيرا

آلية داخلية وأطباقها الخمسين 610 مم



محركات الأقراص الصلبة IBM 350 بدأ بيع أول محركات الأقراص الصلبة في الخمسينيات. كان لدى IBM 350 سعة تخزين تبلغ 3.75 ميجابايت ويحتوي على خمسين قرصًا مقاس 24 بوصة (610 مم) في خزانة مقاس 152 × 172 × 74 سم. تعد 3.5 بوصة الأكثر تقدمًا حاليًا (14.7) يمكن أن تستوعب X 10.2 × 2.6 سم ما يصل إلى 18 تيرابايت باستخدام تقنية التسجيل التقليدية (غير المبلطة ).



كانت الصنج النحاسي في IBM 350 يدور بسرعة 1200 دورة في الدقيقة. تركز محركات الأقراص الثابتة الجديدة على تقليل حجم الإدخال وزيادة سرعة الدوران (5400 - 15000 دورة في الدقيقة). تشمل التحسينات الأخرى وضع رؤوس القراءة والكتابة بالقرب من سطح الطبق.



كان IBM 1301 DSU (وحدة تخزين القرص) عام 1961 ابتكارًا مهمًا - فقد استخدم أقواس منفصلة مع رؤوس للقراءة والكتابة لكل من الأطباق. استخدم ابتكار آخر الديناميكا الهوائية - كانت الرؤوس تحلق بحرية فوق سطح الألواح ، مدعومة بوسادة هوائية ، مما جعل من الممكن تقليل المسافة بينها وبين السطح بشكل كبير.



بعد 46 عامًا من التطوير ، قامت شركة IBM في عام 2003 ببيع أعمال الأقراص الصلبة الخاصة بها لشركة Hitachi. بحلول ذلك الوقت ، زادت سعة الأقراص بمقدار 48000 مرة ، وانخفض الحجم بشكل كبير. 29161 مرة. انخفض استهلاك الطاقة من 2.3 كيلوواط إلى 10 واط (طرازات سطح المكتب) ، وانخفضت تكلفة الميجابايت من 68000 دولار إلى 0.002 دولار. في الوقت نفسه ، انخفض عدد اللوحات من العشرات إلى الحد الأقصى لعدد اللوحات.

نقوم بتخزين المزيد من البيانات في مساحة أقل

Internals 1 Seagate MicroDrive



Miniaturization كان دائمًا الهدف الرئيسي لجميع المجالات - سواء كانت الميكانيكا أو الإلكترونيات أو الحوسبة. تطورت وحوش الكمبيوتر العملاقة أو المرحلات في أربعينيات وخمسينيات القرن الماضي إلى أنظمة ترانزستور أصغر ، ثم إلى عجائب ASIC النحيفة الحديثة. مرت تكنولوجيا التخزين بنفس التغييرات.



لقد شهدت إلكترونيات محركات الأقراص الصلبة (HDD) الفوائد الكاملة للشهرة المتزايدة لدارات VLSI ، فضلاً عن زيادة الدقة واستهلاك الطاقة من الماكينات. زادت كثافة التسجيل لكل وحدة مساحة مع تطور علم المواد ، وبفضل ذلك ظهرت ألواح ثقيلة وأقل سلاسة (زجاج أو ألمنيوم) ، وتحسنت جودة الطلاء المغناطيسي. نظرًا لأننا أصبحنا أفضل في فهم خصائص المكونات الفردية (حالات ASIC ، وسبائك اللحام ، والملفات اللولبية ، والديناميكا الهوائية للقوس ، وما إلى ذلك) ، تم استبدال الثورات تدريجياً بتحسينات تدريجية.





ستة محركات الأقراص الصلبة مفتوحة يتراوح حجمها ما بين 8 "إلى 1"



على الرغم من أن التصغير تطرفا من الصعب محركات الأقراص تم بالفعل حاول مرتين (1.3 "HP كيتى هوك مايكرو محرك في عام 1992 و 1" بطاقة Microdrive1999) ، استقر السوق في النهاية على عوامل الشكل 3.5 و 2.5. تم الترويج لعامل شكل Microdrive كبديل لبطاقات CompactFlash التي تستخدم تقنية NAND Flash - وهو بديل بسعة أعلى وعمليات إعادة كتابة لا نهائية تقريبًا مناسبة تمامًا للأنظمة المضمنة.



كما هو الحال في المناطق الأخرى ، تجعل القيود المادية على سرعة الكتابة ووقت الوصول العشوائي محركات الأقراص الثابتة مفيدة للغاية حيث تكون كميات التخزين الكبيرة مهمة مقابل القليل من المال ، فضلاً عن الموثوقية العالية. ونتيجة لذلك ، تم تحسين سوق محركات الأقراص الثابتة لأجهزة الكمبيوتر المكتبية والخوادم ، وكذلك لأغراض المراقبة بالفيديو والنسخ الاحتياطي (التنافس مع الأفلام).

فهم أسباب فشل القرص الصلب

على الرغم من أنه من المعتقد عمومًا أن نقطة الضعف في محركات الأقراص الثابتة هي أجزائها الميكانيكية ، إلا أن هناك أسبابًا مختلفة يمكن إلقاء اللوم عليها في حالات الفشل ، وهي:

• خطأ بشري؛
• تعطل المعدات ، الميكانيكية والإلكترونية ؛
• تلف البرامج الثابتة ؛
• العوامل الخارجية (الحرارة والرطوبة) ؛
• التغذية.

يتم تعيين قيمة التأثير المادي المسموح به للقرص الصلب عند انقطاع التيار الكهربائي أو أثناء التشغيل (عندما تدور الألواح ولا تكون الرؤوس متوقفة). قد يؤدي تجاوز هذه القيمة إلى إتلاف الملفات اللولبية التي تحرك الذراعين ، أو قد يصطدم الرأس بسطح اللوحة. إذا لم يتم تجاوز هذه القيم ، فسيكون السبب الرئيسي للفشل هو التآكل الطبيعي ، ويتم تحديد درجته من خلال عدد MTBF (متوسط ​​الوقت بين حالات الفشل ، " متوسط الوقت بين حالات الفشل ").



يتم اشتقاق MTBF عن طريق الاستقراء من التآكل الملحوظ بمرور الوقت. عادةً ما يكون MTBF لمحرك الأقراص الثابتة 100000 إلى 1 مليون ساعة ، ولاختبار أداء محرك الأقراص خلال هذه الفترة بأكملها ، يجب أن يظل يعمل لمدة 10 إلى 100 عام [ليس تمامًا -هنا شرح أكثر صحة / تقريبا. ترجمة.]. يفترض هذا الرقم أن محرك الأقراص الثابتة يعمل في ظل الظروف الموصى بها.



من الواضح أن تعريض محرك الأقراص الثابتة لصدمات حادة (إسقاطه على أرضية خرسانية) أو زيادة الطاقة (اندفاعات الطاقة ، والتفريغ الكهروستاتيكي) سيقصر من عمره. أقل وضوحًا هي عيوب التصنيع التي يمكن العثور عليها في أي منتج ، لذلك فإن معظم المنتجات لها "معدل فشل مقبول".

الأمر لا يتعلق بك ، إنه يتعلق بخط الإنتاج

على الرغم من قوة MTBF القوية والمحاولات الواضحة التي تقوم بها Backblaze للتأكد من أن محركات الأقراص الثابتة التي يبلغ عددها 130.000 تدور بسعادة مدى الحياة ، ثم الانتقال إلى الجنة لمحركات الأقراص الصلبة (عادةً من خلال آلة تمزيق المعادن) ، ذكرت الشركة أنه في الربع الأول من عام 2020 ، كان الاحتمال السنوي للفشل (AFR) ) كان 1.07٪. لحسن الحظ ، هذا هو أقل رقم للشركة منذ أن بدأت في نشر التقارير في عام 2013. على سبيل المثال ، في الربع الأول من عام 2019 ، بلغت نسبة AFR 1.56٪.



كما ذكرنا سابقًا ، أثناء إنتاج وتركيب الدوائر المتكاملة ، قد تظهر عيوب ، والتي ستظهر بالفعل أثناء تشغيل محرك الأقراص الصلبة. بمرور الوقت ، أشياء مثل الهجرة الكهربائية والحرارة والضغط الميكانيكييمكن أن يتسبب في حدوث أعطال في الدائرة ، من انفجار الأسلاك داخل عبوة IC ، إلى تدهور نقاط اللحام أو الدوائر داخل IC بسبب الهجرة الكهربائية (خاصة بسبب التفريغ الكهروستاتيكي).



تخضع المكونات الميكانيكية لمحرك الأقراص الصلبة للتفاوتات الهندسية الدقيقة بالإضافة إلى التزييت المناسب. في الماضي ، ربما كانت هناك مشكلة في الالتصاق بالرأس حيث تغيرت خصائص مادة التشحيم بمرور الوقت حتى فقدت الأقواس القدرة على الخروج من وضع الوقوف. اليوم ، أدى تحسين التشحيم إلى حل هذه المشكلة بشكل أو بآخر.



ومع ذلك ، في كل خطوة من خطوات عملية التصنيع ، هناك احتمالية لوجود عيوب تتراكم في النهاية ويمكن أن تفسد MTBF اللامع الجميل ، مما يضع المنتج في الجانب السيئ من الرسم البياني لمعدل الارتداد " الحمام ". يمثل هذا المنحنى ذروة مبكرة في معدل الفشل بسبب عيوب التصنيع الشديدة ، وبعد ذلك ينخفض ​​معدل الفشل حتى يقترب الرسم البياني من نهاية عمر الجهاز.

أتطلع قدما

تعكس محركات الأقراص الثابتة اليوم بوضوح مدى نضج عملية الإنتاج - فقد تم حل العديد من المشكلات القديمة التي ابتليت بها على مدار العقد الماضي أو تم التحايل عليها. بعض الابتكارات الرئيسية ، مثل الانتقال إلى محركات مليئة بالهيليوم ، لم تسفر بعد عن مكاسب كبيرة في الكفاءة أو الموثوقية. التغييرات الأخرى ، مثل الانتقال من PMZ ، التسجيل المغناطيسي العمودي ، إلى HAMR ، التسجيل المغنطيسي الحراري ، يجب ألا تؤثر بشكل كبير على عمر القرص الصلب ، باستثناء أي مشاكل مرتبطة بالتكنولوجيا نفسها.



في الواقع ، يبدو مستقبل تقنية محركات الأقراص الثابتة مملًا لأي شخص يحب التخزين الكبير الحجم مقابل القليل من المال ، والذي يجب أن يستمر لمدة عشر سنوات على الأقل. يمكن حتى نقل المبادئ الأساسية لمحركات الأقراص الثابتة ، أي تخزين الاتجاهات المغناطيسية على رقاقة ، إلى جزيئات فردية. يجب أن تزيد الابتكارات مثل HAMR من الاستقرار طويل المدى لهذه الاتجاهات المغناطيسية.



هذه ميزة كبيرة لمحركات الأقراص الصلبة مقارنة بـ NAND Flash ، والتي تستخدم مكثفات صغيرة لتخزين الشحنات ، وطريقة كتابة تتلفها جسديًا. هناك ، تكون القيود المادية أكثر شدة ، وقد أدت إلى تصميمات أكثر تعقيدًا ، مثل ذاكرة فلاش من أربعة مستويات (QLC) ، والتي يجب أن تميز بين 16 قيمة جهد مختلفة في كل خلية. هذا التعقيد يعني أن محركات الأقراص المستندة إلى QLC تكون بالكاد أسرع من محركات الأقراص الثابتة 5400 لفة في الدقيقة في كثير من الحالات ، خاصة عندما يتعلق الأمر بزمن الوصول.

إبطاء الدوران

كان أول محرك أقراص ثابت استخدمته في جهاز الكمبيوتر الخاص بي هو 20 أو 30 ميغابايت من Seagate في IBM PS / 2 (386SX) ، والذي أعطاني إياه والدي بعد أن تحولوا إلى أجهزة كمبيوتر جديدة في العمل - على ما يبدو ، كانوا بحاجة إلى تحرير ضع في المستودع. في أيام MS-DOS ، كان هذا كافياً لنظام التشغيل ، ومجموعة من الألعاب ، و WordPerfect 5.1 ، وغير ذلك الكثير. بحلول نهاية التسعينيات ، كان بالفعل حجمًا سخيفًا ، وعندما يتعلق الأمر بمحركات الأقراص الثابتة ، كنا نتحدث بالفعل عن الجيجابايت.



على الرغم من حقيقة أنني قمت منذ ذلك الحين بتغيير العديد من أجهزة الكمبيوتر الشخصية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، إلا أن محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة فقط حتى الآن تموت. هذا ، بالإضافة إلى مؤشرات الصناعة - مثل تلك التقارير من Backblaze - تعطيني الثقة في أن محركات الأقراص الثابتة الجديدة سوف تدور لفترة طويلة. ربما ، عندما تصبح ذاكرة XPoint ثلاثية الأبعاد رخيصة وكبيرة بما يكفي ، سيتغير الوضع.



حتى ذلك الحين ، أدر نفسك.