Stellen Sie sich jedes Bild vor, das Sie im letzten Jahr aufgenommen haben und das alles im Bereich eines einzigen Tintenpunktes
eines Kugelschreibers gespeichert ist. Nun, ungefähr so ​​werden kompakte Daten in einer Festplatte gespeichert.
In diesem Video werden wir eine öffnen und sehen, wie eine ganze Bibliothek voller Bücher
in die Oberfläche dieser Metallplatte passt. Wir beginnen damit, diese Festplatte zu öffnen und
die darin enthaltenen Komponenten im Detail zu beschreiben. Anschließend befassen wir uns genau mit der Art und Weise, wie das Laufwerk mithilfe
des Lese- und Schreibkopfs Daten speichert, und schauen uns dabei die Spuren, Sektoren und magnetischen Domänen
der Metallplatte an. Abschließend werden wir einige der neuesten Fortschritte untersuchen, die es ermöglichen, dass mehr als ein Terabit an
Daten auf jeden Quadratzentimeter der Festplatte passen. Dieses Video wird von PCBWay gesponsert; Mehr
dazu später, aber jetzt fangen wir gleich an. Im Inneren dieses Laufwerks finden wir eine Vielzahl von
Komponenten. Dies ist die Festplatte oder Platte, auf der alle Daten gespeichert sind und die je nach
Speicherkapazität des Laufwerks mehrere Platten hoch sein kann. Die Scheibe besteht aus einer Aluminium-
Magnesium-Legierung mit mehreren Beschichtungen aus anderen Legierungen, aber die magnetische Funktionsschicht ist
diese 120 Nanometer dünne Schicht aus einer Kobalt-Chrom- Tantal-Legierung, die kleine magnetische Domänen oder
Regionen aufweist, deren Richtung über externe Magnete manipuliert werden kann Felder. Der Plattenteller ist
auf einer Spindel montiert, die sich mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor in der Mitte mit einer Geschwindigkeit von 7200 U/min dreht.
Als nächstes gibt es eine Kopfstapelbaugruppe mit einem Arm über und einem Arm unter jeder Disc
sowie einem Schieber und einem Lese-/Schreibkopf am Ende jedes Arms. Der Schieber ist speziell so konstruiert,
dass er den Luftstrom auffängt, der von der lächerlich schnell rotierenden Scheibe erzeugt wird, und den
Luftstrom dazu nutzt, den Lese-/Schreibkopf so zu schweben oder zu fliegen, dass er nur 15 Nanometer oder etwa 100 Atome von
der Oberfläche der Scheibe entfernt ist . Als Referenz finden Sie hier die Dicke eines Blattes Aluminiumfolie.
Da die Armbaugruppe auf der sich drehenden Scheibe fliegt, wird sie nur dann über
die Oberfläche gebracht, wenn sie mit voller Geschwindigkeit läuft. Wenn sich die Scheibe nicht dreht, wird die Armbaugruppe
seitlich auf einem kleinen Stück Plastik geparkt. Hier wird ein Schwingspulenmotor verwendet, der aus einer
Drahtspule und zwei starken Neodym-Magneten oben und unten besteht, um die gesamte Armstapelbaugruppe zu bewegen
. Wenn elektrischer Strom durch die Spule fließt, entsteht ein Elektromagnet, der
von den Neodym-Magneten beeinflusst wird und so eine Kraft erzeugt, die den Arm dazu bringt, sich
über die Scheibe zu bewegen. Wenn ein Rückstrom durch die Schwingspule geschickt wird, wird der Arm in die
entgegengesetzte Richtung gezwungen, wodurch die genaue Steuerung der Position des Lese-/Schreibkopfs innerhalb von etwa
30 Nanometern ermöglicht wird. Darüber hinaus bilden die Magnete und die Schwingspule einen ziemlich starken Motor, der es
der leichten Armstapelbaugruppe und dem Lese-/Schreibkopf ermöglicht, sich
bis zu 20 Mal pro Sekunde auf verschiedenen Spuren auf dem Plattenteller hin und her zu bewegen und kleine Anpassungen unglaublich schnell vorzunehmen.
Zur Verbindung mit dem Lese-/Schreibkopf wird ein flexibles Kabelband entlang der
Seite des Arms und nach unten zu diesem Anschluss geführt, der Signale an die Außenseite des
Festplattengehäuses und an die Leiterplatte oder PCB weiterleitet. Auf der Platine befinden sich der Hauptprozessor sowie
ein DRAM-Chip, der als Notizblock für den Prozessor und als Puffer für die ein- und
ausgehenden Daten dient. Zusätzlich ist auf der Platine ein Chip zur Steuerung der Schwingspule und des
bürstenlosen Gleichstrom-Spindelmotors montiert. Am Rand der Platine befindet sich außerdem ein SATA-Anschluss, der
zur Kommunikation mit der Hauptplatine verbunden wird, sowie ein separater Anschluss, der an die Stromversorgung angeschlossen wird.
Weitere wichtige Komponenten sind die Dichtung, die die Festplatte von der Außenumgebung abdichtet,
und zwei Filter, die verstreute Staubpartikel auffangen . Diese Filter sind notwendig, da
die Lese-/Schreibköpfe nur 15 Nanometer von der Platte entfernt sind und ein einzelnes Staubpartikel
bis zu 10.000 Nanometer groß sein kann und bei einer Kollision mit
der 7.200 U/min drehenden Platte großen Schaden anrichten könnte. Nachdem wir uns nun viele dieser Komponenten angesehen haben, sehen wir uns nun an, wie sie funktionieren.
Zunächst wird die Festplatte in konzentrische Kreise aus Spuren unterteilt. Die neuesten Festplatten können
mehr als 500.000 Titel auf nur einer Seite haben. Diese Spuren werden dann in Sektoren unterteilt, und
in jedem Sektor gibt es eine Präambel oder Synchronisationszone, die dem Lese-/Schreibkopf die genaue
Geschwindigkeit der rotierenden Platte und die Länge jedes Datenbits mitteilt. Der nächste Teil des Sektors ist die
Adresse, die dem Lese-/Schreibkopf hilft, zu erkennen, über welche Spur und welchen Sektor er sich gerade befindet.
Danach haben wir die tatsächlich gespeicherten Daten, typischerweise 4 Kilobyte Daten pro Sektor. Als nächstes gibt es
einen Bereich für einen Fehlerkorrekturcode (ECC), der verwendet wird, um zu überprüfen, ob die im Block gespeicherten Daten
korrekt geschrieben und richtig gelesen werden. Und schließlich gibt es zwischen diesem Sektor und
dem nächsten eine Lücke, die den Lese-/Schreibkopf ermöglicht eine gewisse Toleranz beim Schreiben des Inhalts eines Blocks.
Lassen Sie uns nun den Lese-/Schreibkopf und die Festplatte vergrößern, um genau zu sehen, wie Daten
geschrieben und gelesen werden. Das Schreiben von Daten auf die Festplatte erfolgt durch Manipulation der
Magnetisierungsrichtung einer lokalisierten Region oder Domäne der Kobalt-Chrom-Tantal-Schicht in der
Festplatte und durch Erzwingen einer Magnetisierung der Region nach oben oder unten.
Diese winzige magnetische Domäne oder Region ist etwa 90 x 100 x 125 Nanometer groß, und wenn sie magnetisiert sind, zeigen
alle Atome ihre noch winzigeren magnetischen Nord-/Südpole in die gleiche Richtung.
Um eine einzelne Domäne zu magnetisieren, was dem Schreiben eines einzelnen Datenbits entspricht,
wird ein Strom an eine Drahtspule auf der Rückseite des Schreibkopfs angelegt, wodurch
hier ein starkes Magnetfeld entsteht. Das Magnetfeld wird durch den Schreibkopf geleitet und
auf einen kleinen Punkt an der Spitze fokussiert und springt dann über den 15-Nanometer-Luftspalt in
die Festplatte. Wenn das fokussierte Magnetfeld in eine einzelne Domäne aus Kobalt-Chrom-Tantal gelangt, werden
alle diese Atome gezwungen, ihre winzigen atomaren Magnetfelder
auf das vom Schreibkopf angelegte Magnetfeld auszurichten , wodurch die kleine Domäne
oder Region in einen Permanentmagneten umgewandelt wird . Der Schlüssel liegt darin, dass selbst wenn der Schreibkopf wegbewegt wird,
die Richtung der magnetischen Domänen in dieser Schicht der Festplatte jahrelang erhalten bleibt
und sie ein permanentes Magnetfeld aussenden, das vom Lesekopf bei jedem Lesevorgang wiederholt erfasst werden kann die
in diesem Sektor gespeicherten Daten aus. Das gilt natürlich so lange, bis der Computer und der Schreibkopf
ein neues Datenbit in die Domäne umschreiben, indem sie entweder die Richtung umkehren oder sie beibehalten.
Lassen Sie uns untersuchen, wie wir Daten von der Festplatte lesen. Bisher haben wir Domains so angezeigt, dass sie nach oben als
binäre 1 und nach unten als 0 zeigen. Obwohl dies konzeptionell einfach ist, ist es in Wirklichkeit nicht der
Fall. Vielmehr ist der Lesekopf so konzipiert, dass er die Ausrichtungsänderungen von magnetischen Domänen erkennt, die
in eine Richtung zeigen, und dann der benachbarten Domäne, die in die entgegengesetzte Richtung zeigt. Dies liegt
daran, dass die von benachbarten Regionen, die ihre Ausrichtung ändern, emittierten Magnetfelder
viel stärker sind als das von nur einer einzelnen Domäne emittierte Feld, das in die eine oder andere Richtung zeigt.
Daher wird jeder Änderung der magnetischen Domäne, die in eine Richtung in die entgegengesetzte
Richtung zeigt, eine 1 zugewiesen, und dem Fehlen eines Übergangs von einer Domäne zur nächsten
wird eine 0 zugewiesen. Daher würde der Schreibkopf eine Binärsequenz von 0011 0010 aufzeichnen so was.
Oder eine Folge von 1101 1110 wie diese, wobei die Einsen Änderungen und die Nullen das Fehlen von Änderungen bedeuten.
Was befindet sich also im Lesekopf, der diese Magnetfelder erkennt? Nun, im Inneren
befindet sich ein mehrschichtiges leitfähiges Material, das aus abwechselnden Schichten ferromagnetischer und
nichtmagnetischer Materialien besteht. Dieses mehrschichtige Material hat eine Eigenschaft, die Riesenmagnetowiderstand oder GMR genannt wird
, und ist, vereinfacht gesagt, ein Material, das seinen spezifischen Widerstand abhängig von der
Stärke der durch es hindurchgehenden Magnetfelder ändert. Daher ist es bei der Verwendung von GMR eine einfache Sache, nur
den spezifischen Widerstand zu messen. Wenn ein niedriger spezifischer Widerstand vorliegt, bedeutet dies, dass starke
Magnetfelder unter dem Lesekopf vorhanden sind, die aus einer Änderung der Domänenausrichtung resultieren, und es ist eine 1, und wenn ein
hoher spezifischer Widerstand vorliegt, bedeutet dies, dass starke Magnetfelder unter dem Lesekopf vorhanden sind Ändern Sie es in eine 0. Dies wirft jedoch das Problem auf, dass eine Zeichenfolge
aus Dutzenden sich nicht ändernder Domänen zu einer mehrdeutigen Anzahl von Nullen führen kann. Um dieses Problem zu beheben, besteht
die Präambel in jedem Sektor lediglich aus einer Reihe abwechselnder Domänen und wird verwendet,
um die Größe jeder Domäne festzulegen. Anschließend wird der Fehlerkorrekturcode am Ende
des Sektors verwendet, um sicherzustellen, dass keine Daten verloren gehen. Als Nächstes werden wir einige Fortschritte
in der Festplattentechnologie untersuchen, die die Flächendichte verbessern, also die Anzahl der Bits, die
in einen bestimmten Bereich passen. In dieser Grafik können Sie sehen, wie sich die Flächendichte
in den letzten 60 Jahren um mehr als 50 Millionen Mal erhöht hat . Vielleicht noch wichtiger ist jedoch, dass
die Kosten für die Speicherung von Billionen Datenbits um über 100 Millionen Mal gesunken sind. Stellen Sie sich vor:
Wenn wir diese Festplatte in die 1960er-Jahre zurückversetzen würden, wäre sie über
4 Milliarden Dollar wert, und jetzt, im Jahr 2022, kostet sie weniger als 40 Dollar und ist weitaus schneller und
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Kehren wir nun zu Festplatten zurück und sehen uns einige der Fortschritte an, die es dieser Festplatte ermöglichen,
Terabytes an Daten zu speichern. Zunächst wurde etwa im Jahr 2010 die Ausrichtung der Domäne von
horizontal auf vertikal geändert, und damit mussten auch die Schreib- und Leseköpfe ihre Ausrichtung ändern.
Diese Orientierungsänderung ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass eine magnetische Domäne mit abnehmendem Volumen
leichter von der Temperatur beeinflusst wird. Wenn Sie also die Ausrichtung auf vertikal ändern,
können die Domänen oder magnetischen Bereiche die Tiefe des Materials nutzen und gleichzeitig
die Fläche auf der Festplatte, die jede Domäne einnimmt, weiter verkleinern. Die nächste Weiterentwicklung, mit der wir uns befassen werden,
heißt „Shingled Magnetic Recording“ oder SMR und ist ab etwa 2020 im Handel erhältlich.
Vor der „Shingled Magnetic Recording“ verwendeten Festplatten typischerweise die Technik „
Classic Magnetic Recording“ oder CMR, bei der sich die Datenspuren befanden Sie sind 90 Nanometer breit und haben
Schutzbänder auf beiden Seiten der Spur. Bei der Schindelaufzeichnung
werden die Spuren jedoch so geschrieben, dass sie sich teilweise mit zuvor geschriebenen Spuren überlappen, ohne Schutzbänder, um die
einzelnen Spuren zu trennen. Somit können wir viel mehr Tracks und viel mehr Daten in einen bestimmten Bereich unterbringen.
Beachten Sie, dass der Lesekopf viel kleiner ist als der Schreibkopf und daher jeweils eine geschichtete Spur
zuverlässig gelesen werden kann. Das Problem besteht jedoch darin, dass, wenn Sie über eine Spur schreiben
und die obere Spur der geschindelten Daten noch gute oder gültige Daten sind, das Laufwerk zuerst
diese gültigen Daten lesen und im DRAM- Puffer speichern muss und dann beide unteren Spuren schreiben muss der
neuen Daten und die obere Spur der gültigen Daten. Infolgedessen können die Pufferung und die zusätzlichen Lese- und
Schreibschritte zu einem Leistungsverlust führen. Der dritte Fortschritt, den wir besprechen werden,
ist die wärmeunterstützte Magnetaufzeichnung (HAMR), die noch nicht kommerziell erhältlich ist. Im Wesentlichen
nutzt diese Technologie einen kleinen, fokussierten Laser, um den Bereich zu erwärmen, in den aktiv geschrieben wird.
Durch Erhitzen der Domäne kann der magnetische Bereich leichter beeinflusst oder dazu gezwungen werden, sich
in eine bestimmte Richtung auszurichten. Dies ist notwendig, da sowohl der Schreibkopf als auch das lokalisierte
elektromagnetische Feld unglaublich klein sind und
wir die Größe der magnetischen Domäne weiter verkleinern können, indem wir den magnetischen Bereich durch fokussierte Wärme leichter erzwingen.
Das ist so ziemlich alles für die Funktionsweise von Festplatten. Vielen Dank an alle unsere Patreon- und YouTube-
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