Site Navigation[Skip]

 Статьи

         Принцип работы винчестера

Технологии производства носителей

Быстродействие дисковода зависит от скорости вращения шпинделя, продольной и поперечной плотности записи и технологий, обеспечивающих точность записи/считывания информации с магнитного носителя. Наиболее конфликтным участком в этой цепочке является механическая связка магнитный диск и головка записи/считывания.

Продольная плотность записи зависит от количества магнитных элементов записи данных в дорожку, а поперечная — от плотности цилиндров (дорожек).

В качестве подложки, или основы диска винчестера применяются алюминиевые или стеклянные круглые полированные пластины с золотой, серебряной или никелевой металлизацией.Стеклянные пластины позволяют получить высокую чистоту поверхности при минимальных затратах на обработку материала. В результате, используя современные технологии записи информации, на поверхность такого диска можно записывать данные с плотностью 14 Гбит/дюйм².

При создании пластин на основу наносится тончайший слой носителя данных (thin film media), такого как оксид кобальта или иного ферромагнетика. При магнитной записи отдельные частицы основы образуют управляемые магнитным потоком области намагниченности. Расстояние между этими магнитными областями должно быть как можно меньшим, что позволит увеличить плотность записи (рис. 7).

Рис. 7. Принцип записи и считывания с магнитного диска

Высокую плотность записи и приемлемое соотношение сигнал/шум можно получить только при использовании тонкопленочного покрытия толщиной около 1 мкм. Кроме того, носитель должен обладать высокой коэрцитивностью материала.

Коэрцитивность— это способность магнитного вещества сохранять остаточную напряженность магнитного поля (т.е. намагниченность) при нулевой магнитной индукции.

При магнитной записи на ферромагнетик каждое перемагничивание равносильно созданию маленького магнитного элемента, обладающего своими силовыми линиями.Представим себе, что соседние элементы при высокой плотности записи соприкасаются настолько, что их силовые линии начинают влиять друг на друга. Это приводит к взаимной компенсации или искажению магнитных полей и, как результат, к потере данных.

Во избежание потерь данных величину тока записи следует уменьшить. Высококоэрцитивный носитель при этом будет способен хранить магнитные частицы без риска взаимодействия друг с другом соседних силовых линий. Однако уровень сигнала, хранимого на носителе, будет очень мал.Для получения при считывании допустимого уровня отдачи полезного сигнала, чувствительность головок должна быть высокой, а активный элемент головки — башмак (или подвеска) — должен быть максимально приближен к носителю.Наиболее распространенные технологии создания тонкопленочных покрытий- анодирование и напыление.

Анодирование состоит в осаждении электрогальваническим способом на подложку частиц металла, соли которого содержатся в химическом растворе. Толщина осаждаемого магнитного слоя — порядка 2 мкм.

Напыление представляет собой создание на подложке путем непрерывного вакуумного осаждения нескольких тонких пленок — металлизации, ферромагнитного носителя и защитного углеродного покрытия. Эта более дорогая, чем анодирование, технология, позволяет формировать тонкопленочные покрытия пластин диска.

Физический предел плотности записи на диск зависит от многих факторов. Существует множество инженерных решений этого вопроса, однако суть проблемы коренится в физико-химических показателях материала покрытия диска. Плотность записи на диск ограничивается явлением супермагнетизма.

Одна из технологий, позволяющих отодвинуть момент наступления предела плотности записи, связана с многослойным покрытием диска. Эта технология IBM называется антиферромагнитным связанным обменом AFC (AntiFerromagnetically-Coupled me-dia). В технологии AFC между двумя магнитными слоями вводится слой рутения толщиной всего в три атома, что позволяет повысить плотность записи на жестком диске в четыре раза. Благодаря технологии AFC возможно создание жестких дисков с плотностью записи порядка 100 Гбит/дюйм2. Таким образом, емкость дисковой памяти может быть доведена до нескольких Терабайт и выше.

Другой способ повышения плотности записи базируется на применении новых магнитных материалов с высокой анизотропностью (точкой Кюри), которые даже при малых линейных размерах частиц обладают высокой устойчивостью. Плата за высокую анизотропность — увеличение напряженности магнитного поля, необходимого для перехода намагничивания, или записи бита информации.

IBM разработан новый магнитный материал с обособленными крупицами магнитных частиц (магнитных битов), предназначенный для тончайшего магнитного покрытия подложки диска. Структура материала, представленная обособленными магнитными областями размерами в 50 нм и менее, формируется посредством штамповки или с использованием ионного луча.

Технологии магнитных головок

К старшему поколению головок относятся индуктивные тонкопленочные классические головки с "высотой полета" 1,4 мкм и выше.
Усилиями корпораций IBM, Seagate и Fujitsu были внедрены магниторезистивные (MP) головки MR (Magnetic-Resistive) (рис. 8), позволившие уменьшить ширину зазора до 0,13 мкм.

Рис.8 Поперечное сечение MR-головки

MP-головки позволяют достичь плотность записи до 5 Гбит/дюйм2.

К числу достоинств MP-головок следует отнести малый вес, миниатюрность, нечувствительность к скорости вращения носителя, высокую чувствительность к полезному сигналу (переходам перемагничивания), невысокую чувствительностью к шумовым сигналам.

Подвеска головки

Головка имеет хвостовик, с помощью которого она жестко закрепляется в пакете блока головок, пружинящий рычаг и пружинную подвеску с укрепленной на ней активной частью головки (рис. 9).

Рис. 9. Пакет блока головок на поворотном приводе

Сигналы поступают и снимаются с головки посредством тончайших проводников, а также токосъемников. Активный элемент головки вмонтирован в башмак подвески. Башмак обладает особой конфигурацией, плоской формой и специальными компо­нентами в нижней части, основное назначение которых состоит в следующем:

•   при высокой скорости вращения диска создать аэродинамический момент и подъемную силу;

• в случае падения головки на поверхность, предохранить диск и головку от серь­езных повреждений.

За счет упругости рычага головка стремится упасть на поверхность диска, а за счет подъемной силы, действующей на башмак подвески, рычаг сжимается и головка па­рит над диском. Между вращающимися пластинами диска и парящими головками благодаря зоне высокого давления существует безопасный воздушный зазор.

Прослеживается устойчивая тенденция постоянного уменьшения размеров накопи­телей и головок, а также уменьшения веса подвески головки. В итоге повышается скорость движения блока головок и понижается время доступа к данным.Башмаки подвесок современных головок позволяют поддерживать зазор между поверх­ностью диска и головкой примерно одинаковым как на внешних, так и на внутренних ци­линдрах. Подобный показатель очень важен для накопителей с записью в зонах секторов, в которых линейные плотности записи (вдоль дорожек) одинаковы на всех цилиндрах.При использовании обычных подвесок зазор между головкой и рабочим слоем диска на внешних и внутренних дорожках существенно отличается. Это связа­но с различиями в линейных скоростях разных участков поверхности диска от­носительно головок (линейная скорость зависит от радиуса вращения). Чем выше скорость, тем зазор больше.

Технология PRML

Повышению плотности записи и считыванию данных с более высокой скоростью способствует технология частичного отклика и максимального правдоподобия PRML (Partial Response Maximum Likelihood).

Суть метода PRML состоит в следующем.В традиционном методе записи/считывания данных магнитными головками каж­дая группа битов кодируется в соответствии с изменением частоты и фазы сигналов. Позиции магнитной записи на носителе отделяются друг от друга с помощью перехо­дов перемагничивания областей носителя. Именно на такие переходы реагируют маг­нитные головки. Для записи/считывания используются ключевые схемы триггеров, работающие с логическими уровнями сигналов с большими перепадами амплитуд. Эти перепады дают гарантию идентификации сигналов при считывании.

В соответствии с методом PRML используется специальный алгоритм, позволяю­щий сгладить перепады уровней сигналов. При чтении предусматривается многократ­ное считывание каждого элемента записи и восстановление записи в соответствии с методом максимального правдоподобия.Таким образом, достоверность считанной информации в меньшей степени кри­тична к перепадам уровней сигналов и искажение формы импульса (в пределах до­пуска) не приведет к потере данных. Это позволяет увеличить плотность записи и по­высить емкость дисковой памяти.

Особенности контакта головки с диском

Шпиндельный двигатель современного дисковода раскручивает диск со скоростью 10 ООО об/мин и выше. Если башмак головки коснется поверхности диска, могут быть повреждены и голов­ка, и магнитное покрытие. Даже при кратковременном контакте поверхностей диска и головки "выкрашиваются" мельчайшие частицы материала, которые, накапливаясь, уменьшают зазор и повышают температуру на поверхности диска при его вращении.

Для устранения подобного явления принимаются всевозможные меры, одна из ко­торых — покрытие поверхности головки и диска тончайшим защитным слоем угле­родного соединения и профилактического материала. IBM разработала технологию покрытия диска слоем смазки толщиной всего в один атом. Молекулы смазки дейст­вуют как антифрикционный материал. Они способны реагировать с активными час­тицами шлака, попадающего на поверхность диска, нейтрализуя его (рис. 10).

Рис. 10. "Выкрашивание" материала при ударе головки и действие молекул смазки

Если не соблюдать подобные меры предосторожности, частицы, появившиеся на дисковой поверхности, оседают на углеродном покрытии, несмотря на его прочность, что приводит к разрушению участков магнитного слоя диска. Молекулы смазки могут диффундировать с материалом поверхности или испариться.

Компания Samsung также предложила несколько интересных решений, позволяю­щих снизить степень риска касания головки поверхности диска. Как известно, при транспортировке, сборке ПК, а также в процессе работы дисковод подвергается удар­ным и вибрационным нагрузкам. Это приводит к перекосам головки, что также гро­зит опасностью ее "падения" на диск (рис. 11)

Рис..11. Кадры диаграммы полета головки

Для смягчения проблем, связанных с механическим воздействием на диск, Samsung создала две технологии: SSB (Shock Skin Bumper) и ImpacGuard.

Устройство SSB (рис.12) представляет собой миниатюрный пластмассовый кронштейн, монтируемый на магнитной головке. По принципу действия он напоми­нает бампер автомобиля. SSB не способно полностью защитить головку от удара о по­верхность диска. Его защитные функции сводятся лишь к предотвращению очень серьезных повреждений головки и магнитного слоя. При падении башмака головки на поверхность диска это устройство демпфирует удар, уменьшая его амплитуду. Кро­ме того, данный механический компонент пружинит удар, что сокращает продолжи­тельность контакта головки с диском.

Рис. 12. Устройства защиты головок от ударов

Другое механическое устройство Impact Guard (см. рис.12) предназначено для предотвращения вибраций в ситуациях, когда головка находится в парковочной зоне. Механизм усиливает конструкцию головки, что позволяет ослабить ее реакцию на внешние негативные воздействия (толчки, удары).

При остановке шпиндельного диска срабатывает специальное устройство, устанав­ливающее блок головок в исходное положение, — в нерабочую область диска. Подоб­ная операция, которой завершается любое выключение дисковода, называется парков­кой головок. Нерабочая зона диска размешена в его центральной области, куда не ве­дется запись данных. В качестве парковочного устройства используются всевозможные пружинные механизмы, которые автоматически затягивают блок голо­вок внутрь пакета. В дисководах применяются дополнительные меры для безопасной парковки, например, IBM-технология штатива (ramp load-unload).

Система позиционирования головок

Блок головок точно позиционируется на дорожке благодаря автоматической сле­дящей сервосистеме. Упрощенная блок-схема НЖМД представлена на рис. 13. Канал следящей сервосистемы работает следующим образом.Во время позиционирования (т.е. последовательного поиска требуемой дорожки) головка считывает цифровую информацию — серводанные, которые записаны в слу­жебные поля синхронизации на дорожках диска.Серводанные сравниваются с информацией о месте назначения головки, полученной дисководом из системы. Цифровая информация (разность между номером текущего и требуемого цилиндра) поступает на обработку в контур обратной связи. Цифровой сиг­нал в логике позиционирования преобразуется в аналоговое напряжение, после чего вы­рабатывается постоянный электрический ток определенной величины и полярности. Ток подается в катушку соленоида магнитной системы привода головок и перемешает ее в магнитном поле сердечника. Движение катушки передается блоку головок, жестко связанному с катушкой.

Следящая система постоянно информирует логику позиционирования о новом месте расположения блока головок. В каждый момент времени в катушку индуктив­ности соленоида передаются все новые и новые значения величин постоянного тока.

Рис. 13. Упрощенная блок-схема НЖМД

Чем меньше цифровая разность, тем меньше ток и скорость движения блока голо­вок. Подобный поиск от дорожки к дорожке называется поперечным поиском цилиндра.Устройство позиционирования головок бывает двух конструкций: с соленоидным приводом вращения (см. рис. 9) и с линейным двигателем.

Привод вращения вдвигает блок головок в дисковый пакет по тангенциальной кривой, а линейный двигатель — по прямой линии.Избыточное давление, возникающее в приграничных областях вращающихся пла­стин дисков, создает аэродинамический момент подъемной силы головок, благодаря чему каждая головка парит над "своей" поверхностью.

Может создаться иллюзия, что головка "прилипает" к дорожке, однако это не так.Попав в область записи на дорожке, головка постоянно стремится занять положение средней линии напряженности магнитного поля записи на дорожке. В этой области сиг­нал имеет наибольшее значение. Отклоняясь от средней линии, головка описывает вдоль нее своеобразную синусоиду. 'Точный канал" следящей сервосистемы мгновенно реагиру­ет на изменения характеристик сигнала, вызванные этими отклонениями. Формируется противофазный сигнал и блок головок перемещается в обратном направлении.Чем рассогласование меньше, тем точней настройка и выше уровень полезного сигнала.

 Хранение серводанных

Для работы позиционирующего механизма следящей системе необходима постоянная информационная подпитка о текущем номере цилиндра, которая хранится на ерхности диска в виде серводанных.При позиционировании серводанные постоянно считываются отдельной головкой со специальной выделенной сервоповерхности или рабочей головкой со служебной встроенной сервозаписи, входящей в формат сектора дорожки (рис. 14).

 Система со встроенными сервокодами

В подобной системе сервокоды записываются в начале каждого цилиндра, а также перед началом каждого сектора. Это означает, что сигналы поступают в цепь обратной связи несколько раз в течение каждого оборота диска, что способствует быстрой уста­новке головки в нужное положение. Преимущество (по сравнению с системой со спе­циализированным диском) состоит в том, что сервокоды записываются на всех до­рожках, поэтому может быть скорректировано положение каждой головки.
Встроенные сервокоды защищены от стирания и любые операции записи блоки­руются, если головки оказываются над участками со служебной информацией. Поэтому удалить сервокоды невозможно.

Рис. 14 Формат сектора дорожки

Рис. 14 Хранение сервозаписи

Система со специализированным диском

При реализации данного способа сервокоды записываются вдоль всей дорожки, а не только один раз в ее начале или в начале каждого сектора. Естественно, если так поступить со всеми дорожками накопителя, то в нем не останется места для данных. Поэтому одна сторона одного из дисков выделяется исключительно для записи сервокодов.Сервокоды в подобной системе также невозможно уничтожить. Чаще всего для считы­вания сервокодов предназначены верхняя головка или одна из центральных головок.Отличительный признак накопителя со специализированным диском — нечетное количество головок.

Технология самосинхронизации

В дисководах с высокой плотностью записи может быть использована IBM-технология самосинхронизации NCH (No Clock Head). Технология NCH позволяет заме­нить дорогостоящий метод формирования сервозаписей — servowriting, требующий точной юстировки приборов на заводе-изготовителе, использованием специального сопроцессора. Сопроцессор участвует в формировании серводанных и размещении их между сегментами секторов дисков.С помощью сопроцессора контролируется процесс выравнивания головок относи­тельно записи на дорожке при точном позиционировании блока головок. Это позво­ляет существенно сократить расходы времени на отслеживание положения головки относительно записи и корректировки ее позиции устройством позиционирования.Сопроцессор реализует алгоритм исправления ошибок, возникающих в сервоси­стеме из-за флуктуационных процессов. Благодаря сопроцессору сокращается объем дискового пространства памяти, невосполнимо расходуемого на сервозапись.

В сервосистемах встречается технология активного демпфирования блока головок, предложенная IBM. Система позволяет откорректировать положение позиционирую­щего механизма при механических поперечных флуктуациях от различного рода де­стабилизирующих факторов, а также на частотах механического резонанса головок.Технология предусматривает применение специального частотного фильтра, рабо­тающего с таблицей критичных частот. Если одна из таких частот отфильтровалась, то в сервосистему направляется цифровой код, на основании которого в катушку маг­нитной системы посылается постоянный ток соответствующей силы и полярности. Это позволяет точно расположить головку в пределах записи на дорожке.

 Управление шпиндельным двигателем

Шпиндельные двигатели бывают двухфазными и трехфазными с автоматической регулировкой скорости вращения.Автоматическое управление шпиндельным двигателем состоит в регулировании его скорости с применением индуктивных датчиков или преобразователей Холла.На принципе эффекта Холла построен датчик, позволяющий преобразовать ско­рость вращения на валу в постоянное напряжение управления двигателем.Для крепления шпиндельных двигателей используются подшипники.Шарикоподшипники шпиндельного двигателя, изображенного на рис.15, пред­ставляют источник нестабильной работы дисковода, а также шумов при вращении ро­тора двигателя.

Рис. 15 Шпиндельный двигатель в разрезе

Повышение надежности и снижение шумового фона шпинделя продвигается по нескольким направлениям. Прежде всего, подавляются взаимные резонансы двигателя и подвески блока головок, колебания изолируются друг от друга. Проблема решается выбором подходящих комбинаций материалов, из которых изготавливаются детали НЖМД, поглощающие вибрации. Форма покрытия в наиболее вибрирующих зонах тоже перепроектируется таким образом, чтобы подавить вибрации, прежде всего в диапазоне частот 1—3 кГц.

Ротор двигателя вращается на подшипниках, которые могут содержать шарики из металлических сплавов или керамики. Технология керамических подшипников позволяет создать надежные, долговечные и недорогие НЖМД. Для работы керамиче­ских или компонентных шарикоподшипников применяются специальные смазочные материалы. Специалистами лаборатории IBM разработан специальный состав смазоч­ного материала, обладающего высокой стабильностью физико-химических показате­лей. Материал изготавливается на основе сложных синтетических эфирных масел. Для нормальной работы подшипников при вращении диска со скоростью 10 ООО об/мин и выше требуется всего несколько миллиграммов такой смазки.

Однако наилучшими техническими и акустическими характеристиками обладают гидродинамические подшипники HDB (Hydrodynamic Bearing). Эти двигатели, несмот­ря на высокую стоимость, обладают очень большим рабочим ресурсом. Двигатели HDB не содержат шариков, пространство между рукавами подшипника и статора за­нимает жидкость (как правило, вязкое масло).

Шарику, выполненному с высокой степенью точности, присущи спонтанные пе­ремещения орбит. Это приводит к отклонению оси вращения пакета и являет­ся серьезным препятствием повышения плотности записи. Вязкая прослойка подшипника HDB демпфирует сдвиги. Силы, воздействующие на рукава двига­теля, обладают меньшей частотой и амплитудой, чем в случае использования шариков. Таким образом, уменьшается угол отклонения оси вращения дисков, повышается точность и плотность записи в трек.

 Канал управления данными

Канал управления данными включает тракт считывания/записи, предназначенный для обмена кодированными данными между интерфейсом канала данных, например, SCSI. ATA или SATA и дисковой памятью.В тракте чтения/записи НЖМД вырабатываются импульсы тока, которые посту­пают в головку записи.По каждому токовому импульсу направление силовых линий магнитного потока в зазоре сердечника головки изменяется на противоположное. Это соответствует эле­менту записи на ферромагнитный носитель, называемому переходом перемагничивания (см. рис. 7).НЖМД выполняет все операции записи/считывания в соответствии с командами, направляемыми контроллером. В зависимости от используемого интерфейса команды отличаются уровнем сложности. В частности, команды SCSI сложней команд IDE.

В контроллере НЖМД команда декодируется и последовательно выполняет не­сколько операций. Канал записи/считывания определяет адрес дисковой памяти об­ращения, а также тип операции (запись или считывание).Логика управления выполняет настройку тракта записи/считывания и системы по­зиционирования. Выполняется позиционирование блока головок, выбирается головка. На заключительном этапе данные из буфера диска через усилители и цепи формиро­вания с помощью головки записываются на диск.Считывание осуществляется той же головкой и данные пересылаются в обратном направлении.

 Копирование материалов возможно только c разрешения редакции.
В противном случае это будет называться уже другим словом.