Из чего сделан жесткий диск винчестера. Шлифовальный станок из жёсткого диска

Накопитель на жёстких магнитных дисках или НЖМД (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD), жёсткий диск, винчестер, в просторечии «винт», хард, харддиск - устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или керамические) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В НЖМД используется от одной до нескольких пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Принцип работы жесткого диска

Накопитель на жестком диске относится к наиболее совершенным и сложным устройствам современного персонального компьютера. Его диски способны вместить многие мегабайты информации, передаваемой с огромной скоростью. В то время, как почти все элементы компьютера работают бесшумно, жесткий диск ворчит и поскрипывает, что позволяет отнести его к тем немногим компьютерным устройствам, которые содержат как механические, так и электронные компоненты.

Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня его создания. Устройство винчестера очень похоже на обыкновенный проигрыватель грампластинок. Только под корпусом может быть несколько пластин, насаженных на общую ось, и головки могут считывать информацию сразу с обеих сторон каждой пластины. Скорость вращения пластин (у некоторых моделей она доходит до 15000 оборотов в минуту) постоянна и является одной из основных характеристик. Головка перемещается вдоль пластины на некотором фиксированном расстоянии от поверхности. Чем меньше это расстояние, тем больше точность считывания информации, и тем больше может быть плотность записи информации. Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидите только прочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех. Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы. Механизмы - это сами диски, на которых хранится информация, головки, которые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение. Диск представляет собой круглую пластину с очень ровной поверхностью чаще из алюминия, реже - из керамики или стекла, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Диски изготовлены. Во многих накопителях используется слой оксида железа (которым покрывается обычная магнитная лента), но новейшие модели жестких дисков работают со слоем кобальта толщиной порядка десяти микрон. Такое покрытие более прочно и, кроме того, позволяет значительно увеличить плотность записи. Технология его нанесения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем.

Количество дисков может быть различным - от одного до пяти, количество рабочих поверхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом диске). Последнее (как и материал, использованный для магнитного покрытия) определяет емкость жесткого диска. Иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются, что позволяет уменьшить высоту накопителя, но при этом количество рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принцип записи в общем схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и "запомнить". Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Для наглядности представьте себе, что диск покрыт слоем очень маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны. Такие частицы-стрелки называются доменами. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск информация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности. Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним. Скорость вращения дисков, как правило, составляет 7200 об./мин. Для того, чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера должен иметь запас по пиковой мощности. Теперь о работе головок. Они перемещаются с помощью прецизионного шагового двигателя и как бы "плывут" на расстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки, в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками. Перемещаясь, головки останавливаются над каждой следующей дорожкой. Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех поверхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми номерами.

Устройство

Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.

Гермозона

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя.

Блок головок - пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика - окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения держатся в секрете. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с большим числом пластин.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (3600, 4200, 5400, 7200, 10 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин.

Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных неодимовых постоянных магнитов или электромагнитов, а также катушки на подвижном блоке головок.

Вопреки расхожему мнению, внутри гермозоны нет вакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом; а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а так же при прогреве устройства во время работы.

Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр - пылеуловитель.

Блок электроники

В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управление шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.

Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.

Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя), приёма и обработки сигналов с датчиков устройства (система датчиков может включать в себя одноосный акселерометр, используемый в качестве датчика удара, трёхосный акселерометр, используемый в качестве датчика свободного падения, датчик давления, датчик угловых ускорений, датчик температуры).

Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.

Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнение принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.

Низкоуровневое форматирование

На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин форматируются - на них формируются дорожки и секторы. Конкретный способ определяется производителем и/или стандартом, но, как минимум, на каждую дорожку наносится магнитная метка, обозначающая ее начало.

Существуют утилиты, способные тестировать физические сектора диска, и ограниченно просматривать и править его служебные данные. Конкретные возможности подобных утилит сильно зависят от модели диска и технических сведений, известных автору по соответствующему семейству моделей.

Объем, скорость и время доступа

Основными задачами производителей всегда было увеличение объема хранящейся на дисках информации и скорости работы с этой информацией. Как увеличить объем диска? Наиболее очевидным решением является увеличение количества пластин в корпусе жесткого диска. Подобным образом обычно различаются модели в пределах одного модельного ряда. Этот способ является наиболее простым и позволяет на одной и той же элементной базе получать диски различной емкости. Но у этого способа существуют естественные ограничения: количество дисков не может быть бесконечным. Увеличивается нагрузка на мотор, ухудшаются температурные и шумовые характеристики диска, вероятность брака растет пропорционально количеству пластин, а значит, труднее обеспечить надежность. Среди промышленно производимых дисков наибольшим количеством пластин обладает SCSI диск Seagate Barracuda 180 - у этого винчестера аж 12 пластин! Есть и рекордсмены в области упрощения устройства дисков - это, например, рассмотренный нами далее Maxtor 513DX и 541DX, у которого один диск, используемый только с одной стороны.

Технологически более сложный (и более перспективный) метод увеличения объема - увеличение плотности записи информации. Тут возникает целый ряд технологических проблем. Современные пластины изготовляются из алюминия или даже из стекла (некоторые модели IBM). Магнитное покрытие имеет сложную многослойную структуру и покрыто сверху специальным защитным слоем. Размеры частиц магнитного покрытия уменьшаются, а чувствительность их возрастает. Помимо улучшения параметров самих пластин, существенным усовершенствованиям должна подвергнуться система считывания информации. Необходимо уменьшить зазор между головкой и поверхностью пластины, повысить чувствительность головки. Но и тут законы физики накладывают свои естественные ограничения на предел применения подобных технологий. Ведь размеры магнитных частиц не могут уменьшаться бесконечно.

Самый простой способ увеличить скорость считывания - увеличить скорость вращения пластин. По этому пути и пошли конструкторы. Если пластины вращаются с большей скоростью, то за единицу времени под считывающей головкой проходит больше информации. На увеличение скорости считывания влияет также и рассмотренное выше увеличение плотности записи информации. Именно по этой причине SCSI диски, как правило, обладают большей скоростью вращения. Однако на такой скорости сложнее точно позиционировать головку считывания, поэтому плотность записи там меньше, чем на некоторых IDE дисках, а стоят такие диски больше. Так как головка при поиске информации перемещается только поперек диска, она вынуждена "ждать", пока диск повернется и сектор с запрашиваемыми данными окажется доступным для чтения. Это время зависит только от скорости вращения диска и называется временем ожидания информации (latency). Но необходимо понимать, что общее время доступа к информации определяется временем поиска нужной дорожки на диске и временем позиционирования внутри этой дорожки. Увеличение скорости вращения диска уменьшает лишь последнее значение. Для уменьшения времени поиска нужной дорожки совершенствуют привод считывающей головки и… уменьшают диаметр пластин диска. Почти все современные винчестеры выпускаются с пластинами диаметром 2,5 дюйма.

Позиционирование головки вообще является отдельной весьма нетривиальной проблемой. Достаточно сказать, что при современной плотности записи приходится учитывать даже тепловое расширение! Таким образом, увеличение скорости вращения диска существенно затрудняет точное позиционирование головки. И в попытках увеличить быстродействие диска иногда приходится жертвовать объемом, используя пластины с меньшей плотностью записи. Неудивительно, что наиболее дорогие и быстрые винчестеры, отличающиеся более высокой скоростью вращения, не используют максимальной технологически доступной на данный момент плотности записи. За скорость приходится платить.

Так какому диску отдать предпочтение? При одинаковом объеме большего внимание заслуживают модели с большей плотностью записи, по сравнению с моделями с большим количеством дисков, хотя бы потому, что у них выше линейная скорость чтения/записи (большие файлы читаются быстрее). Скорость доступа к информации напрямую зависит от скорости вращения пластин (быстрее работа с большим количеством мелких файлов). Но увеличение скорости приводит к удорожанию изделий, а иногда приходится жертвовать и плотностью записи.

Жизнь научила нас искать выходы из безвыходных ситуаций и находить самые неожиданные способы применения привычных вещей. Не удивительно, что от пристального внимания наших умельцев просто не могли улизнуть такие симпатичные штуки, как устаревшие (или потерявшие пригодность в основной сфере применения) компьютерные накопители на жёстких магнитных дисках. Наиболее проработанной, как мне представляется, является тема использования старых «винтов» для изготовления миниатюрных шлифовальных приспособлений, отличающихся бесшумностью, компактностью и высоким качеством работы.

В процессе создания аналогичного станочка для выполнения мелких шлифовально-полировальных работ, столкнулся с несколькими нюансами и надыбал несколько идей, которые могут оказаться полезны интересующимся подобной тематикой.

Старенький винчестер домашнего компьютера, стоявший «вторым» в системе, и использовавшийся в качестве хранилища малоценного файлового хлама, в один прекрасный день стал «подвисать». Проверка его поверхности выявила появление «битых» секторов. Поскольку подоспела тотальная замена компьютера, вердикт захворавшему трудяге был вынесен суровый - от компьютерной службы отстранить, перевести в производственный пролетариат. Однако, при вскрытии винчестера, удаления блока головок и попытке запуска движка обнаружилось, что не таким уж старичком оказался заслуженный ветеран. Диски раскручивались, работали несколько секунд и останавливались. Оказывается, в относительно современных винчестерах действуют хитрые приёмы энергосбережения и, в результате, если после запуска, через какое-то время, магнитные головки не выдают в электронику накопителя никакой «цифры», двигателю поступает команда остановки. Пришлось несостоявшегося ударника рабского труда пустить на винтики-железячки.

Идея создания шлифовалки из винчестера получила второе дыхание, когда однажды, на радио-рынке, попался на глаза воистину старинный агрегат. Дедушка, торговавший подобными раритетами запросил за привод каменного века 10 гривен (меньше 2-х долларов. Досмотр и вскрытие ископаемого позволили выявить, что это 7120 AТ MAXTOR. Из всех его замечательных достоинств для меня представляли интерес только такие параметры:

Rotation RPM (скорость вращения диска) 3524 об/мин
Acoustic dBA (шум) 42 дециБелл
Power (потребляемая мощность)10,2 Ватт

Конечно, скорость вращения далека от современных, но для шлифовальной работы вполне достаточная. Следует помнить, что «взрослые» точила, выполненные на асинхронных двигателях, имеют скорость вращения до 3000 об/мин.

После вскрытия, неполной разборки-сборки содержимого, на поверхность диска была наклеена шкурка и произведён пробный запуск агрегата. Для тестирования винчестера использовался штатный разъём питания упоминавшегося ранее старого домашнего компьютера. Как видно по следам, оставленным тестовыми деревяшками на шлифовальной поверхности (на фото справа), опыт оказался удачным. Винчестер, без блока головок и магнитной системы (на фото слева, в крышечке от устройства) стабильно запускался и вращался неограниченное время.

Верхняя крышка винчестера имела характерный выступ, повторяющий контур спрятанного под ним диска, поэтому было принято решение пропилить в этом выступе «окошко» с таким расчётом, чтобы открыть по возможности больший сегмент диска, оставивши остальную поверхность диска спрятанной внутри устройства в целях безопасности и удобства работы. Алюминиевый сплав, из которого сделана крышка, пилился легко и свободно, однако по завершении операции, оказалось, что между диском и корпусом винчестера остаётся значительный зазор. Это не совсем хорошо из-за возможности падения внутрь корпуса случайно обронённой обрабатываемой детали.

Для устранения излишнего зазора, по контуру диска был заправлен лист тонкого картона, обёрнутый полиэтиленовой плёнкой. За счёт своей упругости картонный лист расклинился в вертикальном положении. В образовавшуюся полость был заформован «Эпоксилин» от Хенкеля. Подвижность массы оказалась недостаточной для гравитационного заполнения пустот, поэтому пришлось слегка подформовывать массу до прекращения просадки. В таком виде винчестер был оставлен на положенные 40 минут в покое, пока пластмасса не схватилась достаточно прочно

После застывания пластмассы, излишки были удалены, крышка была одета на корпус и, аналогичным образом, с использованием «холодной сварки» - Эпоксилина, были аккуратно оформлены откосы оконного проёма. Всё как в индустриальном металлопластиковом оконном производстве. Как видно на фотографии, итоговый зазор между диском и станиной составил доли миллиметра. Контрольный запуск станочка показал, что диск вращается тихо, стабильно, без перекосов и затираний. Получившаяся из крышки винчестера «полочка» оказалась очень удобной для размещения руки мастера и позволяет очень точно и надёжно позиционировать обрабатываемую деталь относительно плоскости шлифования

Вот что получилось в результате пробной шлифовки деревянной палочки, показанной на предыдущей фотографии. В процессе «заточки» этой детали удалось подобрать оптимальную силу прижима детали к поверхности диска, при которой шлифовка идёт эффективно, а скорость вращения диска не падает ниже некой критической, ниже которой мотор может просто «заглохнуть» и придётся его перезапускать

Мощности привода оказалось достаточно для заточки и правки металлического инструмента. На фото: Губки миниатюрного пинцета были доведены до состояния иглы

Наглядная демонстрация возможностей. Свежезаточенным пинцетом удерживалась обычная спичка. Качество шлифа - отменное. Примечательно, что что во время обработки, спичка не зажглась!

Для удобства использования и соблюдения норм элементарной аккуратности, шлифовальному станку были приданы завершающие отделочные штрихи: корпус винчестера штатными винтами был посажен на плату из оргстекла (полиметилметакрилат), к нижней поверхности которой были приклеены 4 отрезка кожи от старой сумки. Питающий шнур был сделан из отрезка провода и колодок питания, которые используются в компьютере для разводки по устройствам постоянного тока 5 и 12 Вольт.

Пример готовой продукции. Выполнено с максимальным использованием преимуществ шлифмашинки из винчестера

Технические данные шлифмашинки из винчестера
Силовая установка: 7120 AТ MAXTOR.
Номинальная мощность: 10W
Частота вращения шпинделя: 3524 об/мин
Габариты станка: 170х105х30 мм

CD

Так в общих чертах можно представить строение CD диска

Поликарбонатный диск, как оказалось, дополнительно покрывают специальным лаком, который защищает от легких механических повреждений внешнюю поверхность диска.

Слой лака выделен красным цветом, под ним «начинается» поликарбонат

Под пучком электронного микроскопа, слой защитного лака чувствует себя не очень хорошо

Второе – именно на поликарбонате, в прямом смысле этого слова, печатается информация с матрицы - будь то фильм, музыка или программы. Как сообщает нам Вики, поликарбонатная основа имеет толщину 1,2 мм и весит всего-навсего 15-20 грамм .

Естественно, что поликарбонат и лак прозрачны для лазерного излучения, поэтому «напечатанную» информацию для лазера необходимо сделать «видимой», для чего поверхность покрывают тонким слоем алюминия (слой B). Стоит отметить, что CD-ROM с «напечатанной» информацией, CD-R и CD-RW имеют незначительные отличия. В двух последних случаях, добавляется промежуточный слой между поликарбонатом и алюминием, который может изменять свои свойства под действием лазерного излучения определённой длины волны, а на поликарбонате печатаются пустые дорожки. Это могут быть либо красители в случае CD-R (что-то похожее на фоторезист), либо металлические сплавы в случае CD-RW. Именно поэтому перезаписываемые диски не рекомендуется подвергать действию прямых солнечных лучей и перегреву, который также может спровоцировать изменение оптических свойств.

Давайте сравним диск и алюминиевый слой, оторванный от него. Видно, что на поликарбонате есть «канавки» (питы), а на слое алюминия наоборот возвышения, которые полностью соответствуют канавкам:

Привычные углубления на поверхности поликарбоната (АСМ-изображение)

На защитном алюминиевом слое видны питы-«наоборот»: не канавки, а выступы (АСМ-изображение)

Далее полученный «пирог» покрывают специальным защитным слоем С, чья основная обязанность – защитить «нежный» алюминиевый отражающий слой. Далее на этот слой можно что-то наклеивать, писать маркером, наносить специальные дополнительные слои для печати и т.д. и т.п.

В данном видео представлены все технологические этапы производства CD дисков:

Запись на CD диске подобная записи на виниловой пластинке, т.е. дорожка с информацией идёт по спирали. Он берёт своё начало в центре диска и заканчивается у внешнего края. А вот прямо посреди диска «стыкуются» пустые участки и дорожки с записанной информацией:

Вот была запись, а вот её и нет. Сравнение пустых дорожек и дорожек с записанной информацией (СЭМ-микрофотографии)

Принципиальных отличий на микроуровне CD от DVD и, наверное, Blu-Ray нет. Разве что питы будут меньших размеров. В нашем случае размеры 1 минимального углубления составляют 330 нм в ширину и 680 нм в длину, при этом расстояние между дорожками ~930 нм.

N.B. Если у вас есть исцарапанный CD диск, который не читается ни в одном приводе, попробуйте его заполировать. Для этого подойдёт практически любая прозрачная полироль. Она заполнит углубления, которые мешают чтению информации, и Вы хотя бы сможете скопировать информацию с диска.

Как же всё-таки иногда причудливо изгибается слой алюминия (практически произведение искусства – чёрное и белое):

Чёрные и белые полосы нашей жизни. CD (СЭМ-микрофотография)

И напоследок ещё пара изображений CD, полученных с помощью оптического микроскопа:

Оптическая микроскопия: слева - алюминиевый отражающий слой, справа - слой Al (более светлая область) на поликарбонатном диске (более тёмная область)

HDD

Сами пластины изготавливаются из немагнитных металлических сплавов. Основу этих сплавов составляют алюминий и магний, как самые лёгкие конструкционные материалы. Далее на них наносится тонкий, опять таки согласно Вики , 10-20 нм слой магнитного – тут, пожалуй, слово нанокристаллический будет уместно – материала, который затем покрывается небольшим слоем углерода для защиты. Так как диск NoName, и выполнен он по древней технологии параллельной записи информации, то я позволю себе привести здесь состав материала по данным EDX (рентгеноспектральный микроанализ): Co – 1,1 атомных %, Y – 1,53 ат. %, Cr – 2,38 ат. %, Ni – 45,81 ат. %. Содержание углерода 36,54 %. Откуда-то взялись Si и P, содержание которых составляет 0,46 ат. % и 12,25 ат. %, соответственно. Происхождение кремния – по всей видимости, в следовых количествах остался на поверхности после работы микротома и моей полировки, а фосфор – просто заляпал образец.
Честно, я пытался найти слой магнитного материала толщиной «10-20 нм», но безуспешно. Если исходить из того, что увидел я, то поверхностный слой имеет толщину примерно 12 микрометров:

Тот сам «тоненький» слой, который хранит информацию в наших жёстких дисках

Конечно, Вы можете в комментариях меня поправить, но:
1. диск довольно старый (т.е. дата его изготовления относится к началу прошлого десятилетия);
2. особенности EDX таковы, что глубина выхода сигнала лежит в пределах от 1 до 10 мкм;
таким образом, мне кажется, что эти 12 микрометров и есть магнитный слой, который сверху покрыт тончайшим слоем углерода (50-100 нм), который на срезе может быть и не виден.

Сама поверхность диска очень и очень гладкая, перепад высот лежит в пределах 10 нм, что сравнимо с шероховатостью поверхности монокристаллического кремния. А вот и изображения в режиме фазового контраста, которые соответствуют распределению магнитных доменов на поверхности, т.е. мы видим фактически отдельные биты информации:

АСМ-изображения поверхности жёсткого диска. Справа представлены изображения в фазовом контрасте

Немножко о фазовом контрасте: сначала игла АСМ-микроскопа «ощупывает» рельеф, затем зная рельеф и повторяя его форму игла делает второй проход на расстоянии 100 нм от образца, чтобы «заглушить» действие Ван-дер-Ваальсовых сил и «выделить» действие магнитных сил. Флешку о том, как это происходит можно посмотреть .

Кстати, заметили, что единичные магнитные домены вытянуты вдоль плоскости диска и параллельны ему?! Позволю себе пару слов о методах записи. На данный момент диски с перпендикулярным методом записи информации (т.е. такие у которых магнитные домены ориентированы перпендикулярно плоскости диска), появившиеся в 2005 году, практически полностью вытеснили диски с параллельной записью. Преимущество перпендикулярной записи очевидно – выше плотность записи, но тут есть один тонкий момент в связи с данными Вики о толщине магнитного слоя. Этот нюанс называется – суперпарамагнитный предел. Т.е. существует некоторый критический размер частицы, после которого ферромагнетик уже при комнатной температуре переходит в парамагнитное состояние. Т.е. тепловой энергии хватает, что проворачивать, переориентировать такой маленький магнитик. В случае магнитной записи часто поступают следующим образом: делают один из размеров «магнитика» больше, чем два остальных (это хорошо видно на картинке с распределением магнитных доменов), тогда в этом большем направлении магнитный момент сохраняется. Так вот, если в случае параллельной записи я ещё могу поверить, что слой магнетика десятки нанометров при размерах 1 бита в несколько микрометров, то в случае перпендикулярной записи – этого просто не может быть. Толщина такой намагничиваемой области при минимальных размерах в плоскости диска, просто обязана быть минимум несколько микрометров. Так что, возможно, Вики немножко подвирает. Либо наносят магнетик в виде наночастиц диаметром 10-20 нм, а уже потом каким-то «хитрым» образом разбивают диск на области, которые и отвечают за хранение информации. К сожалению, я не полностью удовлетворил своё любопытство и ответил на вопросы о магнитной записи информации, может быть кто-нибудь поможет?!

Сравнение параллельного и перпендикулярного методов записи информации на жётских дисках

Может быть, кому-то понравится видео на английском от Seagate:

Последнее о том, как с 1995 года изменялась стоимость 1 Mb HDD диска и сколько дисков было выпущено:

Как и обещал, выкладываю видео о том, как проводилась съёмка на различных приборах (не забывайте читать описание к видео на YouTube и оставлять свои комментарии). Для статистики: съёмки заняли 4 дня (хотя всё можно было уложить в 2), длительность видео, которое подверглось монтажу – около 3 часов, в итоге получился 15 минутный ролик. Я надеюсь, что в скором будущем появятся английские субтитры для этого видео.

P.S.: Данная статья опубликована в преддверии Фестиваля Науки, который пройдёт в Москве с 7 по 9 октября 2011 года (реально свободный доступ будет только 8 и 9 октября), и я хотел бы пригласить всех желающих посетить нашу выставку «Красота материалов», которая пройдёт на втором этаже Фундаментальной Библиотеки на территории МГУ.

P.P.S.: C Антоном Войцеховским мы готовим несколько видеозаметок о том, как устроены некоторые биологические объекты (роза, например, выглядит просто шикарно). Думаю, что на Хабре их не появится (согласитесь, сложно микрофотографию бритвы или спичечной головки привязать к IT), но как только видео будут готовы, так они сразу появятся на моём канале на youtube и rutube, и обязательно на сайте Нанометр.ру .

Вскрытие чипа Nvidia 8600M GT , более обстоятельная статья дана тут:

Почему же его называют жестким? Возьмите обычную 3-х дюймовую дискету. Если вы вскроете ее корпус (желательно это проделывать над испорченной дискетой не содержащей важной информации:) , то вы увидите, что непосредственно сам диск выполнен из гибкого материала. Может кто еще помнит, что в свое время в ходу были 5-ти и 8-ми дюймовые дискеты. Корпус их был выполнен из непрочного гибкого материала, в отличие от 3-х дюймовых дискет, где корпус сделан из пластика. Отсюда и идет название - "гибкий диск". Жесткий диск, как можно догадаться изготовлен по совершенно другой технологии. Основу его составляет алюминий. Реже используется керамика или стекло, но диски на основе этого материала достаточно дороги и предназначены для использования в дорогих моделях винчестеров.

В первых моделях жестких, в качестве магнитного покрытия использовался материал на основе окиси железа. Сейчас производители используют окись хрома, которая имеет большую износостойкость.

Состоит жесткий диск из двух основных блоков. Первый - это механический блок, включающий в себя непосредственно сами диски, двигатель вращения, блок магнитных головок и привод перемещения головок. Этот блок является герметичным и даже из любопытства не рекомендуется изучать его устройство на работающем винчестере:) В противном случае, вы потеряете не только данные, но и само устройство. Второй блок - блок электроники. Представляет из себя плату с напаянными элементами. На плате расположены микросхемы ОЗУ (рабочая память винчестера), ПЗУ с управляющей программой, DSP (цифровой сигнальный процессор) для обработки сигналов и основной управляющий процессор.

На мой взгляд, сам термин "жесткий диск" является несколько неправильным. Сегодня только винчестеры с наименьшим выпускаемым объемом соответствуют этому термину. Дело в том, что в винчестерах с большим объемом используются несколько пластин объединенных в один блок. Пример: Quantum Fireball 4,3Gb LT - использует один диск, а та же модель, но объемом 8,4Gb уже два диска. Именно поэтому вы никогда не сможете встретить у этой модели объем в 5,1 или 3,2Gb. Отсюда следует, что чем больше объем винчестера, тем большее количество дисков там используется.

Фактически все это выглядит следующим образом. Представьте себе шпиндель на который на одинаковом расстоянии друг от друга насажены диски. С каждой стороны диска расположены магнитные головки осуществляющие чтение и запись данных (запись информации выполняется на обе стороны диска). Головки укреплены на специальных держателях, и перемещаются между центром и краем диска. Во время работы, головки за счет своей конструкции, "плавают" над поверхностью диска. При падении скорости вращения ниже нормы или выключения питания, процессор винчестера отводит их ближе к шпинделю, в так называемую "парковочную зону", где головки ложатся на поверхность диска. Запись информации в этой зоне не производится. Предварительная парковка необходима для сохранности головок и поверхности дисков, иначе при соприкосновении головки с поверхностью диска на такой скорости будет выведена из строя рабочая поверхность диска и сама головка.

Во время работы винчестера, скорость вращения шпинделя очень высока (в современных моделях это 5400, 7200 и 10000 об/мин), а расстояние между поверхностью диска и головкой составляет от единиц до нескольких долей микрона. Поэтому блок дисков и делается герметичным. При попадании пыли между головкой и диском возможен сбой в работе, а вероятнее всего и выход из строя винчестера.

Логическая структура винчестера такова. Каждый диск делиться на сектора и дорожки. Думаю, объяснять что такое сектор не надо - вспомните хотя бы геометрию:) А дорожки представляют собой концентрические окружности, вдоль которых размещается информация. Дорожки с одинаковыми номерами с двух сторон диска и во всем пакете дисков называются цилиндром. Эти три параметра необходимы для правильной установки винчестера в BIOS"е компьютера. Сейчас это особой сложности не вызывает, так как любой современный BIOS имеет функцию автодетектирования параметров винчестера.

Также на диске существует так называемый "инженерный цилиндр". В нем хранится служебная информация (серийный номер, модель, в некоторых моделях часть программы ПЗУ и т.п.). Ранее винчестеры изготавливались "чистыми", как и дискеты. Т.е. первоначальное форматирование было возложено конечного потребителя. Сейчас эта операция производится непосредственно на стадии изготовления. Поэтому, если вы обнаружите в вашем BIOS или какой-либо утилите пункт low level format HDD, ни в коем случае не пользуйтесь им! При форматировании в заводских условиях, на диск записывается специальная информация (сервоинформация). Это специальные метки, необходимые для поиска секторов, отслеживания положения головок и стабилизации частоты вращения диска. На современных винчестерах эти метки наносятся между секторами, а в более ранних моделях для них была предназначена отдельная поверхность пакета дисков. Сервоинформация является основой разметки диска и при ее порче контроллер винчестера не сможет восстановить ее самостоятельно!

Даже при уровне современных технологий, любой новый винчестер содержит неисправные блоки (bad block). Неисправный блок (или сектор) не позволяет считывать из него записанную ранее информацию. При первоначальной разметке, обнаруженные дефектные блоки заносятся в специальную таблицу переназначения. Далее контроллер винчестера, при работе, подменяет их на резервные, которые специально оставляются для этих целей.

Сама работа винчестера, в общих чертах выглядит следующим образом. При включении питания, процессор винчестера сначала тестирует электронику, после этого дает команду на включение двигателя шпинделя. По достижении критической скорости вращения, воздух увлекаемый поверхностями дисков заставляет головки "всплывать" над поверхностью диска. И все время работы винчестера головки висят над поверхностью на воздушной подушке.

По достижении скорости вращения близкой к номинальной, головки выводятся из парковочной зоны и контроллер винчестера осуществляет поиск сервометок, для стабилизации частоты вращения. Далее производится поиск различной служебной информации, например таблицы переназначения неисправных участков. Последней стадией инициализации жесткого диска является проверка позиционирования головок. Проверяется это установкой головок на заранее заданную последовательность дорожек. Если все эти этапы проходят успешно, контроллер выдает сигнал готовности и переходит в режим нормальной работы.

Я надеюсь, что эта статья помогла вам хоть немного понять что такое жесткий диск. В следующей статье мы поговорим о типах интерфейсов жестких дисков и их различии.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.nodevice.ru/