Технологии противоударной защиты жестких дисков
Поскольку жесткий диск является не просто электронным, а электромеханическим устройством, его главными врагами были и остаются сильная вибрация и удары. Но если вибрационное воздействие приводит к снижению производительности винчестера, что объясняется отклонением блока головок от заданной траектории и повторной инициализацией процедуры позиционирования, то даже достаточно сильный толчок (не говоря уже о падении) может спровоцировать полный выход накопителя из строя. Почему HDD такие нежные и на какие меры идут производители винчестеров для повышения их надежности? Попробуем разобраться.
Удары судьбы: почему жесткие диски такие хрупкие?
Прежде всего давайте вспомним, как устроен жесткий диск. Внутри HDD находится набор тонких металлических пластин (в просторечии — «блинов»), покрытых слоем ферромагнетика — вещества, способного сохранять намагниченность в течение длительного времени даже при отсутствии воздействия внешнего магнитного поля. Эти пластины вращаются с огромной скоростью — от 5400 оборотов в минуту и более, перемещаясь относительно блока головок, состоящего из нескольких штанг, приводимых в движение так называемыми звуковыми катушками.
На острие каждой штанги расположены пишущие головки и считывающие сенсоры. Пишущие головки призваны менять направление векторов намагниченности дискретных участков ферромагнитного покрытия (магнитных доменов) в соответствии с командами, поступающими от контроллера HDD. При этом каждый домен кодирует один бит информации, принимая логическое значение »0» или »1» в зависимости от направления вектора намагниченности.
В основе работы считывающих модулей современных жестких дисков лежит гигантский магниторезистивный эффект: электрическое сопротивление сенсора меняется под действием магнитного поля доменов ферромагнитного слоя, что и фиксируется контроллером HDD, который, в свою очередь, интерпретирует увеличение или уменьшение сопротивления относительно заданного уровня как логический ноль или единицу.
Чтобы добиться высокой плотности записи, магнитные головки пришлось сделать чрезвычайно маленькими, ведь именно от их габаритов зависит ширина треков на магнитной пластине. Размер пишущего модуля в современных винчестерах не превышает 120 нанометров, а считывающего — 70 нанометров.
Сопоставление размеров пищущей и считывающей головок жесткого диска и ребра 10-центовой монеты
Именно благодаря такой миниатюризации плотность записи данных удалось довести до впечатляющего показателя 1 Тбит/дюйм2, и это — с помощью традиционного метода CMR. Однако у такого подхода существует и побочный эффект. Поскольку размеры магнитных головок существенно сократились, снизилась и сила создаваемого ими магнитного поля, что вынудило инженеров значительно уменьшить расстояние между головками и поверхностью магнитных пластин.
Когда HDD функционирует, магнитные головки парят над поверхностью блинов на высоте всего около 12–15 нанометров, причем достигается это за счет экранного эффекта: под каждой штангой, словно под крылом взлетающего самолета, образуется воздушная подушка, обеспечивающая необходимую подъемную силу. Нетрудно догадаться, что сами по себе магнитные пластины должны быть идеально гладкими и не иметь каких-либо неровностей. Это и правда так: перепад высот на поверхности каждой пластины не превышает 0,6 нанометра. Немыслимая точность!
Однако подобная конструкция имеет один весьма существенный недостаток: жесткий диск оказывается чрезвычайно уязвимым к ударным воздействиям во время работы. Ударостойкость современных накопителей потребительского и корпоративного класса достигает 300–350G за 2 мс в покое и лишь 30–50G за 2 мс в режиме чтения/записи.
Столь высокий разброс значений объясняется тем, что пока диск отключен от питания, блок головок остается припаркованным. Рассмотрим фотографию ниже: каждый кронштейн получает дополнительную точку фиксации, опираясь на пластиковые пилоны в парковочной зоне, причем сами головки не касаются пластика, а нависают над ним. В таком состоянии им не страшны ни сильная вибрации, ни даже удары.
В рабочем же состоянии актуатор HDD лишен дополнительной опоры, поэтому удар достаточной силы, вектор которого будет направлен перпендикулярно к плоскости диска (или под незначительным углом к перпендикулярной оси), неизбежно приведет к соприкосновению головок и магнитных пластин. Схематично этот процесс можно изобразить так.
Выше приведен самый удачный сценарий развития событий: из-за миниатюрных размеров головок и огромной скорости вращения магнитных пластин пишущий и считывающий модули с большой долей вероятности попросту оторвутся от кронштейна и жесткий диск моментально придет в негодность. Если же вам все-таки повезло и дело ограничилось лишь появлением царапин на ферромагнитном слое, не стоит думать, что в этом случае удастся отделаться некоторым количеством битых кластеров. Увы, жесткий диск начнет медленно, но верно «умирать», а количество ошибок чтения/записи — множиться с каждым днем. И вот почему.
Проблема № 1: частицы ферромагнетика остаются на поверхности магнитных пластин
Хотя блины винчестера и вращаются с огромной скоростью, осколки ферромагнитного слоя никуда не денутся: они слишком маленькие и легкие, так что величины магнитного поля доменов будет вполне достаточно, для того чтобы противостоять центробежной силе и удерживать мельчайшие частицы. Само по себе их присутствие на поверхности магнитных пластин чревато ошибками чтения/записи даже в том случае, если они не будут непосредственно соприкасаться с самими головками.
Проблема № 2: частицы ферромагнетика играют роль абразива
Поскольку расстояние между поверхностью магнитных пластин и головок чрезвычайно мало, микроскопические частицы ферромагнетика будут неизбежно их задевать, постепенно стачивая подобно наждачной бумаге. Да и сама поверхность блинов станет все больше и больше царапаться, что будет выражаться в постепенном увеличении количества битых кластеров.
Проблема № 3: считывающий сенсор будет нагреваться под действием силы трения
Когда частицы ферромагнетика, движущиеся на огромной скорости, задевают сенсор, последний, в силу микроскопических размеров, мгновенно разогревается, из-за чего сопротивление в датчике резко повышается и данные со считывающей головки интерпретируются неверно. Это приводит к многочисленным ошибкам чтения даже на том этапе, когда считывающая головка еще исправна.
Повреждение блока головок — отнюдь не единственное (хотя и наиболее тяжелое) последствие ударного воздействия на жесткий диск. В зоне риска также находятся подшипники магнитных пластин. Сильный удар шарика по обойме подшипника может привести к ее деформации, повреждению самого шарика или дорожки качения (иногда — ко всему перечисленному сразу). Хотя HDD продолжит работать, поврежденный подшипник будет сильно вибрировать, что негативно скажется на производительности винчестера и повлечет за собой преждевременный износ мотора шпинделя.
И наконец, самое меньшее из зол — проскальзывание магнитных пластин в пакете, когда один или несколько блинов, получив дополнительное ускорение, проворачивается относительно своих собратьев. При этом именно данная проблема встречается значительно реже всех, перечисленных выше, и оказывает минимальное влияние на работоспособность HDD.
Ключевые подходы к защите HDD от ударных воздействий
Хотя история жестких дисков насчитывает более 64 лет, производители винчестеров всерьез озаботились их противоударной защитой лишь в 1997 году. Такое отношение выглядит легкомысленным, но на самом деле объяснить промедление достаточно просто.
В конце 90-х мода на компактные внешние HDD лишь начинала набирать обороты. Отправной точкой можно назвать появление IBM Microdrive, выпущенных в 1999 году, о которых мы уже писали ранее в материале, посвященном внешним накопителям данных. А между тем именно портативные накопители наиболее уязвимы.
Вскрытый IBM Microdrive в сравнении с монетой достоинством 50 евроцентов
Представить ситуацию, когда внутренний жесткий диск, будучи уже установленным в ПК, может выйти из строя от удара, довольно сложно (разве что вы специально станете бить кувалдой по его корпусу). Массивный каркас Full Tower вполне способен обеспечить адекватную защиту установленных внутри винчестеров, эффективно поглощая кинетическую энергию. Если вы, к примеру, случайно заденете компьютер ногой, воздействие на жесткий диск будет гораздо слабее 30G за 2 мс (и даже меньше 10G за 2 мс — именно столько могли выдерживать HDD, выпущенные на рубеже XX–XXI веков), так что здесь предпринимать какие-то особые меры не имеет практического смысла.
Корпуса лэптопов тех времен тоже были не чета современным сверхтонким моделям: ноутбуки 90-х годов обеспечивали вполне достойную защиту установленных в них винчестеров, пусть и не такую надежную, как стационарные компьютеры.
Старые ноутбуки были куда прочнее. На фото — Siemens Nixdorf PCD-5ND
Напротив, в портативных накопителях данных HDD отделяет от внешнего мира лишь тонкий пластиковый корпус, неспособный поглотить всю энергию удара. Каким же образом в этом случае винчестер можно защитить от повреждения?
Первопроходцем в сфере разработки систем противоударной защиты стала сама IBM. Именно инженеры американской корпорации создали технологию с незамысловатым названием Ramp Load/Unload, которая сегодня используется повсеместно в каждом жестком диске независимо от ценовой категории. Речь идет об упомянутой выше парковочной зоне и системе пластиковых пилонов, фиксирующих штанги блока головок, пока HDD отключен от питания. Для своего времени такое решение стало по-настоящему инновационным, позволив увеличить ударостойкость винчестеров в покое в несколько раз.
В старых моделях жестких дисков система парковки блока головок в принципе отсутствовала
Среди таких же простых, но достаточно эффективных мер необходимо упомянуть и технологию Samsung ShockSkinBumper (SSB). Как нетрудно догадаться по названию, суть инновации заключается в наличии встроенного в корпус накопителя бампера, представленного тонким силиконовым ободком, облегающим металлическую крышку гермозоны винчестера.
Если присмотреться, то можно заметить кромку Samsung ShockSkinBumper
Согласно данным Samsung, бампер оказался чрезвычайно эффективен и помог снизить втрое перегрузки, воздействующие на внутренние узлы винчестера при ударе или падении, значительно повысив его ударостойкость в состоянии покоя.
Что касается проблемы повреждения подшипников, то изначально производители винчестеров экспериментировали с формой обоймы и размерами тел качения, стремясь найти оптимальный баланс между величиной площади соприкосновения шариков с дорожками (чем она больше, тем лучше подшипник переносит ударные воздействия) и сопротивлением, возникающим при трении их поверхностей друг о друга. В дальнейшем на смену обычным подшипникам качения пришли более совершенные гидродинамические подшипники скольжения, в которых вращение вала шпинделя происходит в слое жидкости, удерживающейся внутри втулки за счет создающейся при работе двигателя разницы давлений. Такой подход помог не только повысить ударостойкость жестких дисков, но и снизить уровень вибрации и шума, создаваемых ими во время работы, а заодно повысить их отказоустойчивость.
Нет шариков — нет проблем
Однако главное, чего стремились добиться все без исключения производители винчестеров, — максимально защитить от ударных воздействий блок головок. Пионером на этом поприще стала компания Quantum, представившая еще в 1998 году собственную систему защиты жестких дисков Quantum Shock Protection System (SPS), первая практическая реализация которой увидела свет в составе винчестеров Fireball EL.
Жесткий диск с улучшенной ударостойкостью Fireball EL от компании Quantum на 2,5 гигабайта
В общей сложности пакет улучшений SPS включал в себя 14 технологических нововведений, направленных на поглощение и компенсацию ударного воздействия на актуатор. Уже в 1999 году свет увидела доработанная система SPS II, а первым диском с поддержкой обновленной противоударной технологии закономерно стал Fireball Ict.
Параллельно с Quantum изыскания в области защиты винчестеров от ударов и падений вел и их прямой конкурент — Maxtor Corporation. Результатом усилий инженеров компании стала технология ShockBlock, нашедшая применение в накопителях «алмазной» линейки DiamondMax.
Жесткий диск Maxtor DiamondMax Plus 21
Усовершенствованием блока головок активно занимался и Samsung: запатентованная технология корейской корпорации, получившая название Impact Guard, включала в себя ряд усовершенствований конструкции несущих кронштейнов, подвески и системы стабилизации. Не отставала и Western Digital: набор улучшений Shock Guard, специально разработанный для жестких дисков марки Caviar, помог довести ударостойкость жестких дисков, выпускаемых компанией, до значений, сопоставимых с показателями современных HDD.
Досконально описывать каждую из перечисленных технологий не имеет смысла: конструктивные решения, призванные повысить ударостойкость жестких дисков, так или иначе повторяли друг друга, хотя и имели различия в способах реализации. Перечислим основные приемы, которые брали на вооружение производители HDD, чтобы повысить их ударостойкость:
- поглощение кинетической энергии конструкционными элементами корпуса;
- уменьшение хлесткости кронштейнов за счет повышения их жесткости;
- установка амортизирующей подвески головок, позволяющей минимизировать повреждения модулей чтения/записи и ферромагнитного слоя при контакте между ними.
Последний пункт требует дополнительных пояснений. В ходе испытаний было установлено, что степень разрушения ферромагнитного покрытия, равно как и вероятность отрыва магнитных головок, зависит не столько от силы удара, сколько от того, как именно модули чтения и записи соприкасаются с поверхностью блинов. Самые обширные повреждения закономерно наблюдаются в том случае, если головка задевает пластину краем или углом.
Усовершенствованный механизм подвески позволил добиться того, чтобы магнитные головки соприкасались с пластинами плашмя, всей своей поверхностью, как это показано на приведенной ниже схеме.
Поскольку их поверхности практически идеально гладкие, вероятность образования сколов (и тем более полного отрыва магнитных головок) заметно снижается, а при самом благоприятном стечении обстоятельств и ферромагнитное покрытие, и сами модули остаются невредимыми.
Неубиваемые накопители для спорта и активного отдыха
Хотя перечисленные меры помогли значительно повысить надежность жестких дисков, чуда так и не произошло. Как ни крути, но с физикой не поспоришь, и если тот же Maxtor в свое время смог довести ударостойкость винчестеров в состоянии покоя до впечатляющих 1000G за 2 мс, пусть и на тестовых образцах, то обеспечить сопоставимый уровень защиты блока головок во время работы HDD оказалось практически невозможно.
Однако с удешевлением флеш-памяти ситуация на рынке в корне изменилась, а потребность в противоударных внешних жестких дисках практически исчезла, ведь им на смену пришли твердотельные накопители. В силу технологических особенностей, SSD оказываются в значительно более выгодном положении: они не содержат подвижных компонентов, а значит, все, чего необходимо добиться, чтобы получить на выходе устройство, устойчивое к ударам, — создать достаточно прочный корпус, способный обеспечить должный уровень защиты печатной платы, что гораздо проще по сравнению с разработкой динамических систем компенсации. Впрочем, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Просто посмотрите на эту фотографию.
На туристическом карабине, пристегнутом к рюкзаку, висит SanDisk Extreme Portable SSD — компактный твердотельный накопитель, ориентированный на поклонников активного отдыха. Если подобным образом обращаться с обычным HDD, то он почти наверняка придет в полную негодность уже через пару марш-бросков. Однако SSD поломка не грозит: благодаря резиновопластиковому корпусу он способен выдерживать перегрузки вплоть до 1500G за 2 мс, что в 5 раз больше, чем ударостойкость жесткого диска в покое, и практически в 30 раз больше по сравнению с ударостойкостью HDD при чтении/записи данных. При этом показатель 1500G является константой и никак не изменяется, даже когда вы работаете с твердотельным накопителем.
Помимо того, что SanDisk Extreme Portable SSD способен выдерживать значительные перегрузки, устройство превосходно защищено от воздействия пыли и влаги по стандарту IP55.
Первая цифра индекса указывает на то, что SSD имеет пылезащищенное исполнение: хотя некоторое количество мелкодисперсных частиц и может проникнуть внутрь его корпуса, это никак не скажется на работоспособности устройства. Вторая цифра говорит о том, что корпус твердотельного накопителя способен противостоять даже сильным водяным струям, падающим с любого направления.
С водонепроницаемостью связана и еще одна интересная особенность данной серии накопителей. Обратите внимание: разъем USB Type-C, расположенный на нижнем торце, не имеет резиновой заглушки, которую обычно ожидаешь увидеть на подобном устройстве.
Недоработка? Отнюдь нет. Все дело в том, что порт никак не сообщается с внутренними полостями корпуса: он полностью обособлен и герметичен, так что попавшая в него вода никак не навредит электронным компонентам SSD, хотя перед использованием разъем и придется как следует просушить. Такой подход позволил сделать твердотельный накопитель еще надежнее и долговечнее, ведь любые заглушки имеют свойство разбалтываться со временем.
Что же касается производительности, то и здесь SanDisk Extreme Portable не подкачал, демонстрируя устойчивую скорость передачи данных 550 МБ/с. Если же вам этого недостаточно, то рекомендуем обратить внимание на Pro-версию устройства.
У накопителей старшей линейки немного изменился дизайн: боковая оранжевая вставка и измененная форма проушины сделали облик SSD более спортивным и выразительным. Но главное отличие Pro-версии от обычной кроется в поддержке высокоскоростного интерфейса USB 3.2 Gen 2, благодаря чему быстродействие накопителя возросло до впечатляющих 1050 МБ/с. С такой скоростью даже на передачу 100 ГБ данных уйдет не более 2 минут.
Хотите большего? В этом году свет увидели обновленные версии отказоустойчивых накопителей SanDisk Extreme Portable V2. Как и ранее, семейство компактных SSD разделено на две линейки: стандартную и Pro. С точки зрения защиты от ударов, пыли и воды ровным счетом ничего не изменилось, однако их производительность возросла ровно в два раза.
SanDisk Extreme Portable V2 обзавелись USB 3.2 Gen 2 и теперь могут похвастаться скоростью 1050 МБ/с в операциях чтения и до 1000 МБ/с — при записи файлов. В свою очередь, SanDisk Extreme Portable Pro V2 придутся по вкусу обладателям устройств с поддержкой USB 3.2 Gen 2×2: впечатляющие 2000 МБ/с делают этот SSD самым быстрым среди защищенных моделей, доступных на рынке, и позволяют в считанные секунды передавать даже весьма объемные файлы, что наверняка понравится любителям фото- и видеосъемки, тревел-блогерам, журналистам и другим создателям контента.
В качестве же дополнительного бонуса необходимо упомянуть встроенную поддержку аппаратного шифрования AES с 256-битным ключом, которое на сегодняшний день является одним из наиболее надежных методов криптографической защиты данных. Таким образом, с новыми SanDisk Extreme Portable вы можете быть на 100% спокойны за сохранность ценной для вас информации.
