Pevné disky - principy a technologie

Seznam kapitol

1. Pohled do historie, magnetický záznam 2. Mechanika disku, fyzické dělení, kolmý zápis 3. Anomálie, kódování zápisu 4. Disky jsou S.M.A.R.T a spolehlivé 5. Řadiče 6. Závěr

Pevné disky mají stále větší vliv na celkový výkon našich počítačů - dá se říci, že se stávají stále větší brzdou systémů. Mnoho výrobců v poslední době přichází s různými alternativami, které nemají se stávajícími pevnými disky mnoho společného. Vydal jsem se tedy hledat důvody toho, proč výkon disků v poslední době příliš neroste. Dnešní článek se proto věnuje principům magnetického zápisu a fyzickému uspořádání pevných disků.

Reklama

První pevný disk

Jistě pamatujete záběry (někteří dokonce originály) počítačů, které zabraly celou místnost. Již tehdy to začalo. Člověk došel k závěru, že data zpracovaná počítačem by bylo dobré ukládat pro pozdější využití. V té době již mělo lidstvo jisté zkušenosti s magnetickým záznamem, tudíž bylo řešení problémů s pevnými disky na snadě. V počítačích se měnily ohromné cívky, na které se vešly řádově stovky kilobytů dat. Vychrlil-li ze sebe počítač 500 000 znaků, nastoupila lidská síla a měnila "pevný disk".

Jeden z prvních domácích pevných disků.

Pokud vás zajímá tématika prvních pevných disků, doporučuji následující stránky:

13. září roku 1956 se objevil na světě vůbec první počítač s pevným diskem. Jmenoval se IBM 305 RAMAC , pevný disk uchoval 5 milionů 7 bitových znaků (asi 4,2 MB), jeho velikost byla 24 palců, disk se otáčel rychlostí 78 RPM. To všechno za pouhých $ 35 000. Těchto počítačů bylo vyrobeno asi 1000, jejich produkce byla ukončena roku 1961. IBM samozřejmě klade na tento exempláč veliký důraz, proto existuje fotoalbum jednotlivých částí pevného disku a dokonce i video. Obojí naleznete na tomto webu.

Počet ploten (50)

Fotografie celého pracoviště. V tomto stroji bylo naposledy použito vakuum.

Rok 1975 a pevný disk s kapacitou 512 kB.

Cílem tohoto článku není popsat historický vývoj pevných disků. Jak vidíte, disk z roku 1975 se velmi podobá vnitřní stavbě dnešních pevných disků. Popisovat jakési vývojové kroky nemá větší smysl - vše procházelo procesem miniaturizace. Důležité změny ve stavbě pevného disku zmiňuji v příslušných částech článku.

Magnetický záznam, typy hlaviček

Pro další potřeby článku se podívejme na to, jakým způsobem funguje magnetický záznam. Základem všeho je pochopitelně materiál, na který zaznamenáme data. Jedná se o plastický materiál, na kterém je nanesena vrstva feromagnetika (např. oxidu železa). Takové záznamové pásky známe z audio a videokazet, pevnému disku se nejvíce blíží záznamová vrstva diskety. Ona feromagnetická vrstva je tedy tvořená oxidem železa (konkrétně oxidem železitým), případně je tento oxid smísen s oxidy manganu nebo baria. Díky tomu je relativní permeabilita těchto látek asi 10 ³. Látky se podobají klasickým feromagnetickým látkám a zesilují magnetické pole a dokážou jej uchovat - používají se jako trvalé magnety.

Trocha naivního umění a schéma nejjednodušší záznamové hlavy. Šipky naznačují směr proudů a indukce (červená),

Vrstva feromagnetika je následně trvale zmagnetována záznamovou hlavou. Ta původní vychází z principu torenoidu - jedná se o cívku, jejíž jádro je složené z malých plíšků uspořádaných do tvaru prstence. Magnetické pole indukované vodičem cívky je nejsilnější ve středu prstence, resp. jeho horní části. To proto, aby nedocházelo ke zmagnetování nežádoucích částí záznamové vrstvy v nepravou chvíli. Proud procházející vodičem indukuje v jádře cívky (prstenec) proměnné magnetické pole. Velikost magnetické indukce je pak přímo úměrná velikosti proudu procházejícího vodičem. Samotné magnetické pole proudící jádrem cívky je však velmi slabé a nedokáže záznamovou vrstvu zmagnetovat. Proto je jádro v části, kde je nejblíže záznamové vrstvě přerušeno úzkou štěrbinou vyplněnou nemagnetickou látkou (nejčastěji bronz). Takové látky mají nízkou permeabilitu a tudíž v místě oné štěrbiny dochází k magnetickému stínění jádra a následnému vychýlení indukčních čar z jádra cívky do feromagnetické vrstvy na záznamovém pásku.

V rámci miniaturizace a technologických pokroků vypadají současné cívky poněkud odlišněji, avšak jejich princip zůstává stále stejný. Jak takové cívky vypadají uvidíte na jednom ze schémat použitých v článku.

Dle síly proudu, který prochází cívkou pak dochází k odlišnému zmagnetizování záznamové vrstvy, která prochází nedaleko od magnetické hlavy konstantní rychlostí. Na záznamové vrstvě vznikají úseky s různým směrem a velikostí magnetické indukce. Důležité je, že před záznamem dochází k vymazání informací ze záznamové vrstvy. To lze provést buď velkým nárazem (pokud tedy nemáte jinak, můžete zkusit záznamovou vrstvu disku zformátovat kladivem) nebo opětovnou magnetickou indukcí. Dochází k nasycení magnetického pole na záznamové vrstvě a jeho opětovnému snížení. Jak výmaz, tak i záznam lze charakterizovat hysterezní křivkou, která má u feromagnetických (magneticky tvrdých) látek velkou plochu. Ta je přímo úměrná energii potřebné na zmagnetizování.

Více o magnetických principech

Rastr podruhé, naznačení různých indukcí v jednotlivých částech záznamové vrstvy.

Graf takového zmagnetizování vypadá úplně stejně jako např. graf příslušné audio stopy - kladný a záporný proud, různé amplitudy a rozdílné vlnové délky. U pevných disků si vystačíme se stejnou velikostí magnetické indukce, pro dvojkovou soustavu (nuly a jedničky) stačí rozdílné směry indukcí.

Čtení záznamové vrstvy je takovým záznamem naruby. Magnetický záznam na záznamové vrstvě vyvolá na jádře cívky čtecí hlavy magnetickou indukci. Ta vyvolá v cívce proud. Ten svou velikostí a směrem ovlivňuje nějakou další součást (nejjednodušší je to u audia - reproduktor), která signál "překládá" potřebným způsobem.

Firma IBM však přišla s novým způsobem čtení. Roku 1991 poprvé pužila MR čtecí hlavičku a nahradila tak induktivní hlavičky. Vůbec poprvé taky byly pro čtení použity samostatné hlavičky. Hlavička dokáže data číst jako rozdíly v sebraných hodnotách odporů (MR jako MagnetoResistance). Indukce v záznamové vrstvě vyvolá změnu magnetického pole cívky. Dle slov IBM lze změření tohoto vychýlení provést rychleji než v případě, kdy záznamová vrstva jádro musí indukovat. Detail na štěrbinu v jádře takovéto hlavy vidíte na obrázku (pro zvětšení klikněte). Tyto hlavičky prošly dalším vývojem, a tak jsme se mohli setkat s typy AMR (Anisotropic MR) a MRX (MR eXtended). V roce 1988 byly objeveny GMR (Giant MR) hlavičky , které byly schopny lépe rozeznat rozdíly v magnetickém poli. K jejich prvnímu praktickému použití došlo v roce 1998. Nyní se pracuje na vývoji MTJ hlaviček, které využívají zákonů kvantové fyziky (principytunelů).