Что происходит внутри жёсткого диска во время работы?

Внутри работающего жёсткого диска пластины вращаются со скоростью в несколько тысяч оборотов в минуту, а над их поверхностью перемещаются головки чтения и записи. При этом головка не скользит по пластине, как игла по виниловой пластинке. Во время нормальной работы между ними сохраняется зазор величиной всего в несколько нанометров.

Такое расстояние необходимо по двум противоположным причинам. Чем ближе головка находится к магнитному слою, тем точнее она может читать и записывать небольшие участки поверхности. Но прямой контакт с быстро вращающейся пластиной способен повредить и головку, и покрытие, на котором хранятся данные. Поэтому механика HDD должна удерживать рабочий элемент предельно близко к поверхности, не позволяя ему её коснуться.

Где именно хранятся данные

В корпусе HDD находится одна или несколько жёстких пластин, закреплённых на общем шпинделе. Их основа обычно изготовлена из алюминиевого сплава или стекла и покрыта тонким магнитным слоем. Сверху располагаются защитное углеродное покрытие и слой специальной смазки, уменьшающий последствия случайного контакта.

Данные записываются в виде множества микроскопических намагниченных областей, расположенных вдоль концентрических дорожек. Для каждой рабочей поверхности предусмотрена отдельная головка. Все головки закреплены на общем подвижном блоке, поэтому перемещаются одновременно, хотя электроника выбирает, какая из них будет работать в конкретный момент.

Пластины потребительских накопителей обычно вращаются со скоростью 5400 или 7200 оборотов в минуту. За один оборот под неподвижной в радиальном направлении головкой проходит целая дорожка, а поворотный привод быстро переводит её на нужный радиус. Так диск получает произвольный доступ к данным без механического контакта с магнитным слоем.

Головка и слайдер — не одно и то же

Деталь, которую на фотографиях обычно называют головкой, на самом деле состоит из нескольких элементов. К концу тонкой подвески прикреплён слайдер — миниатюрный керамический брусок длиной около миллиметра. Непосредственно читающий и записывающий элементы находятся у его задней кромки и занимают лишь небольшую часть конструкции.

Слайдер закреплён не жёстко. Гибкая подвеска позволяет ему немного менять высоту, продольный наклон и крен, следуя за микроскопическими отклонениями поверхности. Одновременно эта подвеска создаёт постоянное усилие, направленное к пластине. Если бы ему ничто не противодействовало, слайдер прижался бы к диску.

Весь блок перемещает электромагнитный привод с подвижной катушкой. Он поворачивает рычаг с головками над пластинами, а сервосистема считывает записанные на диске позиционные метки и удерживает рабочий элемент над выбранной дорожкой. Аэродинамика отвечает за высоту полёта, а привод и электроника — за положение головки по радиусу.

Как вращение пластины создаёт воздушную опору

Корпус обычного HDD не является вакуумным. Внутри находится тщательно очищенный газ, который увлекается вращающейся поверхностью пластины. Возникающий поток проходит в узком зазоре под слайдером.

Нижняя сторона слайдера не плоская. На ней сформированы выступы, каналы и углубления, образующие аэродинамическую опорную поверхность. Её геометрия направляет поток и создаёт определённое распределение давления. Оно приподнимает слайдер над пластиной и уравновешивает усилие подвески.

Это не воздушная подушка с отдельным насосом и не крыло, летящее в свободном потоке. Необходимое давление появляется только благодаря движению самой пластины. Пока она вращается с расчётной скоростью, слайдер занимает устойчивое положение. Его передняя кромка обычно находится немного выше задней, поэтому записывающий и читающий элементы подходят к магнитной поверхности особенно близко.

Как сохраняется зазор в несколько нанометров

Высота полёта зависит от скорости потока, формы слайдера, упругости подвески, температуры и положения головки над пластиной. Линейная скорость поверхности у внешних дорожек выше, чем у внутренних, однако профиль воздушной опоры рассчитывают так, чтобы положение слайдера оставалось устойчивым во всём рабочем диапазоне.

Речь идёт не об одном абсолютно постоянном расстоянии. Слайдер непрерывно совершает очень небольшие колебания, а его наклон меняется при перемещении по диску. Главное, чтобы ближайшая часть головки оставалась внутри безопасного диапазона и не касалась защитного покрытия.

В современных накопителях расстояние между рабочим элементом и поверхностью измеряется единицами нанометров. Дополнительно может применяться термическая регулировка высоты: встроенный микроскопический нагреватель вызывает строго рассчитанное расширение части головки и приближает преобразователь к магнитному слою. После завершения операции нагрев уменьшается, а поверхность возвращается в исходное положение.

Из-за такого зазора даже обычная пылинка внутри корпуса была бы огромным препятствием. Поэтому HDD собирают в чистых помещениях. Во время работы газ внутри корпуса циркулирует через фильтр, который улавливает частицы, появляющиеся при эксплуатации. Самостоятельное вскрытие накопителя в обычной комнате нарушает эту контролируемую среду.

Как данные читаются и записываются без прикосновения

Для чтения головке не требуется касаться магнитного слоя. Магниторезистивный датчик реагирует на изменения поля от проходящих под ним участков дорожки. Эти изменения преобразуются в электрический сигнал, который усиливается и обрабатывается контроллером накопителя.

При записи через миниатюрную катушку проходит ток, а магнитопровод формирует локальное магнитное поле. Оно изменяет состояние небольшого участка магнитного покрытия. Поскольку воздействие быстро ослабевает с расстоянием, уменьшение рабочего зазора позволяет работать с более мелкими областями и повышать плотность записи.

Именно поэтому головку нельзя просто отодвинуть от пластины на безопасные доли миллиметра. Большой зазор сделал бы магнитный сигнал слишком слабым и размытым. Вместимость современного HDD напрямую связана со способностью механики удерживать преобразователь почти вплотную к поверхности.

Где находится головка после остановки диска

Воздушная опора существует только при вращении пластин. Если оставить головку над областью с данными и выключить двигатель, слайдер опустится на поверхность. Чтобы этого не происходило, перед остановкой накопитель переводит головки в парковочное положение.

Во многих современных HDD рядом с внешним краем пластин установлена пластиковая рампа. На неё заходят специальные выступы на концах подвесок: слайдеры приподнимаются и оказываются за пределами магнитных поверхностей. Только после этого шпиндельный двигатель полностью останавливается. При запуске последовательность обратная: пластины набирают рабочую скорость, появляется устойчивый поток, и головки сходят с рампы.

В более старых конструкциях применялась посадочная зона на самой пластине. Она не использовалась для хранения пользовательских данных и была рассчитана на многократный контакт при запуске и остановке. Рамповая парковка уменьшает износ и лучше защищает поверхности от случайных касаний.

Даже внезапное исчезновение внешнего питания не должно оставлять головки над данными. Электроника может использовать запас энергии в конденсаторах и электрическую энергию, которую продолжающий вращаться шпиндельный двигатель вырабатывает при замедлении. Этого хватает, чтобы привод отвёл рычаг в безопасное положение и зафиксировал его.

Почему удар работающего HDD особенно опасен

Подвеска рассчитана на микроскопические отклонения, возникающие при нормальном вращении. Резкий удар сообщает корпусу, пластинам и блоку головок разные ускорения. Слайдер может на мгновение потерять устойчивое положение, пробить газовый зазор и столкнуться с поверхностью.

Такое событие называют столкновением головки с пластиной, или «head crash». Из-за высокой скорости относительного движения даже короткое касание оставляет царапину на защитном и магнитном слоях. Повреждённый участок теряет данные, а сама головка может деформироваться или перестать правильно лететь.

Опасность не ограничивается первой царапиной. С поверхности отделяются микроскопические частицы покрытия. Они попадают под другие головки, вызывают новые контакты и расширяют повреждённую область. На разобранных дисках после тяжёлой аварии иногда видны кольцевые следы: головка продолжала проходить над одним радиусом и постепенно стирала покрытие по всей окружности.

В припаркованном и выключенном накопителе головки не находятся над данными, поэтому он переносит механические воздействия лучше. Однако сильный удар всё равно способен повредить шпиндель, подшипники, привод или сами пластины. Разница между допустимой нагрузкой работающего и выключенного HDD связана прежде всего с тем, что во время работы слайдер отделён от данных лишь слоем газа толщиной в несколько нанометров.