[Перевод] Жесткие диски сделали точное машиностроение привычным делом14.10.2020 14:18

Современные накопители на жёстких магнитных дисках (НЖМД) интересным образом совмещают в себе кульминацию достижений точного машиностроения в массовом производстве и самую презираемую технологию хранения данных. Несмотря на такие нелестные прозвища, как «вращающаяся ржавчина», большая часть дисков умудряется всю жизнь вращать чрезвычайно гладкие магнитные пластины в нескольких нанометрах от записывающих и читающих головок. Кронштейны последних, в свою очередь дёргают соленоиды, способные расположить головку точно над микроскопической магнитной дорожкой за несколько миллисекунд.

Несмотря на то, что уже много десятилетий на один квадратный миллиметр пластин умудряются впихивать всё больше и больше этих магнитных дорожек, а головки чтения и записи постоянно заменяются на всё более сложные, надёжность НЖМД постоянно растёт. В отчёте за второй квартал 2020 года от компании Backblaze, занимающейся хранением данных, видно, что ежегодный процент отказа их НЖМД значительно уменьшился по сравнению с прошлым годом.

Вопрос в том, значит ли это, что НЖМД со временем будут становиться ещё надежнее, и как новые технологии вроде MAMR и HAMR смогут повлиять на этот процесс в ближайшие десятилетия.

От мега- до тера-

Внутренний механизм и его пятьдесят пластин на 610 мм НЖМД IBM 350

Первые НЖМД начали продавать в 1950-х. На IBM 350 можно было записать 3,75 МБ, и у него было пятьдесят дисков диаметром 24» (610 мм) в шкафчике размерами 152×172×74 см. Сегодня самые передовые НЖМД в форм-факторе 3,5» (14,7×10,2×2,6 см) могут вместить до 18 ТБ с использованием обычной (не черепичной) технологии записи.

Тарелки в IBM 350 крутились со скоростью 1200 об/мин. Новые НЖМД концентрируются на уменьшении размера пластин и увеличении скорости вращения шпинделя (5400 — 15 000 об/мин). Среди других улучшений — размещение головок чтения и записи ближе к поверхности пластины.

IBM 1301 DSU (Disk Storage Unit) 1961 года стал значительной новинкой — он использовал отдельные кронштейны с головками для чтения и записи для каждой из пластин. Ещё одна инновация использовала аэродинамику — головки находились в свободном полёте над поверхностью пластин, поддерживаемые воздушной подушкой, что давало возможность сильно уменьшить расстояние от них до поверхности.

Спустя 46 лет разработки, в 2003-м IBM продала свой бизнес НЖМД компании Hitachi. К тому времени ёмкость дисков возросла в 48 000 раз, а объём сильно уменьшился. В 29 161 раз. Потребление энергии упало с 2,3 кВт до 10 Вт (у настольных моделей), а стоимость мегабайта упала с $68 000 до $0,002. В то же время количество пластин уменьшилось от десятков до максимум парочки.

Храним больше данных в меньшем объёме

Внутренности 1″ Seagate MicroDrive

Миниатюризация всегда была главной целью всех областей — будь то механика, электроника или вычислительные технологии. Громадные ламповые или релейные компьютерные монстры 1940-х и 1950-х превратились в менее громадные транзисторные системы, а потом — в современные стройные чудеса на базе ASIC. Технология хранения претерпела те же изменения.

Управляющая электроника НЖМД испытала на себе все преимущества увеличения популярности цепей VLSI, а также всё увеличивавшейся точности и уменьшения энергопотребления у сервомоторов. Плотность записи на единицу площади росла с развитием материаловедения, благодаря которому появлялись всё менее тяжёлые и более гладкие пластины (стеклянные или алюминиевые), а качество магнитного покрытия улучшалось. Мы всё лучше разбирались в свойствах отдельных компонентов (корпуса ASIC, паяльные сплавы, соленоиды, аэродинамика кронштейнов, и т.п.), и постепенно на смену революциям пришли инкрементальные улучшения.

Шесть открытых НЖМД размером от 8» до 1»

Хотя к экстремальной миниатюризации НЖМД пытались подступиться уже два раза (1,3» HP Kittyhawk microdrive в 1992 и 1» Microdrive в 1999), в конце концов рынок остановился на форм-факторах 3,5» и 2,5». Форм-фактор Microdrive рекламировали как альтернативу карточкам CompactFlash, использовавшим технологию NAND Flash — альтернативу с большей ёмкостью и практически бесконечным количеством перезаписей, что хорошо подходило для встраиваемых систем.

Как и в других областях, физические ограничения на скорость записи и время случайного доступа приводят к тому, что НЖМД оказываются полезнее всего там, где важны большие объёмы хранилища за небольшие деньги, а также высокая надёжность. В итоге рынок НЖМД оптимизировался для настольных и серверных компьютеров, а также для целей видеонаблюдения и резервного копирования (соревнуясь с плёнкой).

Разбираемся в причинах отказа НЖМД

Хотя принято считать, что слабым местом НЖМД являются их механические части, в отказах могут быть виноваты различные причины, а именно:

Человеческая ошибка;
Отказ оборудования, как механического, так и электронного;
Повреждение прошивки;
Внешние факторы (жара, влажность);
Питание.

НЖМД присваивается величина допустимого физического воздействия при отключении питания или во время работы (когда пластины крутятся, а головки не запаркованы). Если превысить эту величину, могут повредиться соленоиды, двигающие кронштейны, или головка может удариться о поверхность пластины. Если не превышать эти значения, тогда основной причиной отказа будет служить естественный износ, степень которого определяется числом MTBF (Mean time between failures, «средняя наработка на отказ»).

MTBF выводится путём экстраполяции из наблюдаемого износа по прошествии определённого времени. MTBF для НЖМД обычно составляет от 100 000 до 1 млн часов, и чтобы проверить работу привода за весь этот период, ему нужно было бы оставаться включённым от 10 до 100 лет [не совсем так — вот более правильное объяснение / прим. перев.]. Это число предполагает, что НЖМД работает в рекомендованных условиях.

Очевидно, если подвергать НЖМД резким ударам (уронить его на бетонный пол) или перепадам питания (скачки напряжения, электростатические разряды), это сократит его жизнь. Менее очевидными будут дефекты производства, которые могут найтись у любого продукта, поэтому у большинства продуктов есть «приемлемый процент отказов».

Дело не в вас, дело в производственной линии

Несмотря на большие показатели MTBF и очевидные попытки компании Backblaze сделать всё, чтобы её 130 000 НЖМД счастливо крутились всю жизнь, а потом попали в рай для НЖМД (обычно через металлический шредер), компания сообщила, что в первом квартале 2020 ежегодная вероятность сбоев (AFR) составила 1,07%. К счастью, это самый низкий показатель в компании с тех пор, как она начала публиковать отчёты в 2013-м. К примеру, в первом квартале 2019 года AFR равнялся 1,56%.

Как мы уже упоминали, во время производства и установки интегральных схем могут появиться недочёты, которые проявят себя уже во время работы НЖМД. Со временем такие вещи, как электромиграция, тепловой и механический стресс могут вызвать отказы в цепях, от разрыва проводников проволочной разварки внутри корпуса ИС, до износа точек пайки или цепей внутри ИС из-за электромиграции (особенно в результате электростатических разрядов).

Механические компоненты НЖМД зависят от допусков точного машиностроения, а также от правильной смазки. В прошлом могла возникнуть проблема залипания головок, когда свойства смазки со временем менялись, пока кронштейны не теряли возможность выйти из запаркованного положения. На сегодня улучшение смазки более-менее решило эту проблему.

И всё же на каждом производственном шаге есть вероятность появления недостатков, которые в итоге накапливаются, и могут испортить красивый блестящий показатель MTBF, переводя продукт на нехорошую сторону графика вероятности отказов (имеющего форму «ванны»). Эту кривую характеризует ранний пик процента отказов, вызванный серьёзными дефектами на производстве, после чего количество отказов спадает, пока график не приблизится к концу времени жизни устройства.

Заглядывая вперёд

Сегодняшние НЖМД наглядно отражают, насколько повзрослел процесс производства — многие старые проблемы, преследовавшие их в последнее десятилетие, решены или обойдены. Какие-то серьёзные инновации, вроде перехода к приводам, заполненным гелием, пока не дали значительного прироста в эффективности или надёжности. Другие изменения, такие, как переход от ПМЗ, перпендикулярной магнитной записи, к HAMR, термомагнитной записи, не должны сильно повлиять на время жизни НЖМД, за исключением каких-либо проблем, связанных с самой технологией.

По сути, будущее технологии НЖМД кажется по-хорошему скучным для всех, кому нравится хранилище большого объёма за небольшие деньги, которое должно продержаться хотя бы лет десять. Базовые принципы НЖМД, то есть, хранение магнитных ориентаций на пластине, можно перенести даже на отдельные молекулы. Такие инновации, как HAMR, должны увеличить долговременную стабильность этих магнитных ориентаций.

Это огромное преимущество НЖМД перед NAND Flash, использующей маленькие конденсаторы для хранения зарядов, и метод записи, физически их повреждающий. Там физические ограничения гораздо более жёсткие, и они привели к созданию более сложных конструкций, типа флэш-памяти четырехуровневой ячейки (QLC), которой приходится различать 16 разных величин напряжения в каждой из ячеек. Эта сложность привела к тому, что накопители на основе QLC во многих случаях работают едва быстрее НЖМД на 5400 об/мин, особенно когда дело касается задержки.

Замедление вращения

Первым НЖМД, который я использовал в своём собственном компьютере, был Seagate на 20 или 30 МБ в IBM PS/2 (386SX), который мой отец отдал мне после того, как они на работе перешли на новые ПК — видимо, им надо было освободить место на складе. Во времена MS-DOS этого хватало для ОС, кучки игр, WordPerfect 5.1 и много чего ещё. К концу 90-х это был уже смехотворный объём, и когда дело касалось НЖМД, мы рассуждали уже о гигабайтах.

Несмотря на то, что с той поры я сменил множество ПК и ноутбуков, у меня пока что умирали только твердотельные накопители. Это, а также показатели индустрии — как те отчёты от Backblaze — вселяют в меня уверенность в том, что новые НЖМД будут крутиться ещё достаточно долго. Возможно, когда память типа 3D XPoint станет достаточно дешёвой и объёмной, ситуация поменяется.

А до тех пор, вращайтесь себе.