Neste artigo, compreenderemos em detalhe o funcionamento de cada uma das partes do disco rígido.
Não recomendamos que faça o mesmo com o seu disco — isto pode destruí-lo!
Mas, se tiver curiosidade em desmontar um disco rígido, faça isso com algum que já não esteja a funcionar (como é o caso deste que abrimos aqui).
Breve histórico da unidade de disco rígido
A unidade de disco rígido é o sistema de armazenamento padrão para PCs em todo o mundo há mais de 30 anos, mas a tecnologia por detrás é muito mais antiga.
A IBM lançou a primeira unidade de disco comercialmente disponível em 1956, com 3,75 MB. E, num sentido amplo, a estrutura não mudou muito nesse período.
Ainda existem discos que usam magnetismo para armazenar dados, e existem dispositivos para ler/gravar esses dados. O que mudou, e muito, é a quantidade de dados que podem ser armazenados.
Em 1987, podia comprar um disco de 20 MB por cerca de US$ 350. Hoje este valor compra um disco com 14 TB de armazenamento — 700.000 vezes mais espaço!
Composição da unidade de disco rígido
Desmontaremos um disco rígido que não é exatamente deste tamanho, mas ainda bastante decente: um disco Seagate Barracuda de 3 TB de 3,5″, especificamente o modelo ST3000DM001, famoso pela sua alta taxa de falhas.
A maior parte do disco rígido é de metal fundido. As forças no dispositivo, quando sob uso pesado, podem ser bastante sérias, então o uso de metal espesso impede que o corpo flexione e vibre.
Mesmo as minúsculas unidades de discos de 1,8″ usam metal para o corpo, embora tendam a ser feitos de alumínio, em vez de aço, pois são projetados para serem mais leves possíveis.
Conectores
Ao virar o drive, podemos ver uma placa de circuito e várias conexões.
O da parte superior da placa é para o motor que gira os discos, enquanto os três inferiores são, da esquerda para a direita, pinos de jumper para permitir que a unidade seja configurada para determinadas configurações, dados SATA (Serial ATA) e SATA potência.
O Serial ATA apareceu pela primeira vez nos anos 2000 e, em PCs, é o sistema padrão usado para conectar unidades ao resto do computador.
A especificação do formato passou por muitas revisões desde então e, atualmente, estamos na versão 3.4.
O nosso esqueleto de unidade de disco rígido é uma versão mais antiga, mas isto afeta apenas um único pino na conexão de energia.
As conexões de dados usam o que é chamado de sinalização diferencial para enviar e receber dados: os pinos A+ e A- são usados para transmitir instruções e dados para a unidade de disco, enquanto os pinos B são usados para receber esses sinais.
O uso de fios emparelhados como esTe reduz bastante o impacto do ruído elétrico no sinal, o que significa que pode ser executado mais rapidamente.
Energia
No lado da energia, pode ver que existem essencialmente duas de cada voltagem (+3,3, +5 e +12V). A maioria não é usada, pois, as unidades de disco rígido não precisam de muita energia.
Este modelo específico da Seagate usa menos de 10 W sob carga pesada.
Os pinos de alimentação rotulados com PC são pré-carregados: permitem que a unidade de disco rígido seja puxado para dentro e para fora, enquanto o computador ainda está ligado (também conhecido como troca a quente).
O pino rotulado PWDIS permite a reinicialização remota do disco, mas isso só é suportado pelo SATA versão 3.3; então no nosso drive, é apenas mais uma linha de +3,3V.
O último pino a ser coberto, marcado como SSU, apenas informa o computador se a unidade de disco rígido suporta ou não a rotação categorizada.
Os discos no dispositivo — que veremos mais à frente — devem ser girados até a velocidade máxima antes que o computador possa começar a usá-lo.
Mas, se a máquina tiver muitos discos, a súbita exigência simultânea de energia pode perturbar o sistema.
A categorização dos spin-ups ajuda a evitar que estes problemas ocorram, mas significa que precisa de esperar mais alguns segundos.
Placa lógica
A remoção da placa de circuito revela como se conecta aos componentes na unidade de acionamento.
As unidades de disco rígido não são herméticas, exceto as de grande capacidade — que usam hélio, em vez de ar, já que é muito menos denso e cria menos problemas para unidades com muitos discos.
Mas, também não quer que sejam expostos abertamente ao meio ambiente
Há um buraco na caixa de metal — canto inferior esquerdo da imagem acima (grande ponto branco) — para permitir que a pressão do ar permaneça relativamente ambiente.
Agora que a placa de circuito está desligada, daremos uma olhada no que está aqui. Existem 4 chips principais para focar:
- LSI B64002: o chip controlador principal que lida com as instruções, fluxo de dados de entrada e saída, correção de erros, etc
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB de DDR2 SDRAM, com clock de 800 MHz, usado para armazenar dados em cache
- Smooth MCKXL: controla o motor que gira os discos
- Winbond 25Q40BWS05: 500 kB de memória Serial Flash, usada para armazenar o firmware do drive (um pouco como o BIOS de um PC).
Há pouca diferença na vasta gama de unidades de disco rígido disponíveis, quando se trata dos componentes da placa de circuito.
Armazenamento maior requer mais cache (pode encontrar até 256 MB de DDR3 nos monstros mais recentes) e o chip controlador principal pode ser um pouco mais sofisticado no que diz respeito ao tratamento de erros, mas não há muito.
Motor dos pratos
Já que ocupa a maioria da unidade, a nossa atenção é imediatamente atraída para o grande círculo de metal, então não é difícil perceber porque é que são chamados de drives de disco.
São feitos de vidro ou alumínio e revestidos com múltiplas camadas de diferentes compostos.
Esta unidade de 3 TB tem três pratos, portanto, cada um deve armazenar 500 GB de cada lado.
A imagem destes pratos empoeirados não faz justiça à precisão de engenharia e fabricação necessária para produzi-los.
Nesta unidade, o disco de alumínio em si, tem 0,04 polegada (1 mm) de espessura, mas foi polido a tal ponto que a altura média das variações na superfície é inferior a 0,000001 polegada (cerca de 30 nm).
Uma camada de base de apenas 0,0004 polegadas (10 mícrons) de profundidade, compreendendo várias camadas de compostos, foi aplicada ao metal.
Isto é feito por revestimento eletrolítico e, em seguida, deposição de vapor, que prepara o disco para o material magnético essencial usado para armazenar os dados digitais.
Este material é geralmente uma liga complexa de cobalto e disposto em anéis concêntricos, cada um com cerca de 0,00001 polegada (cerca de 250 nm) de largura e 0,000001 polegada (25 nm) de profundidade.
Na escala microscópica, as ligas metálicas formam grãos, como bolhas de sabão flutuando na água.
Cada grão tem o seu próprio campo magnético, mas pode ser alinhado numa direção definida.
O agrupamento destes campos dá origem aos bits 0 e 1 de dados.
Os revestimentos finais são uma camada de carbono para proteção e depois um polímero para reduzir o atrito de contacto. Juntos, eles chegam a não mais do que 0,0000005 polegadas (12 nm) de espessura.
Em breve descobriremos porque é que os pratos precisam de ser feitos com tolerâncias tão altas, mas é surpreendente imaginar que, por apenas U$ 15,00 pode ser o orgulhoso proprietário desta fabricação em escala nanométrica!
Vamos voltar ao disco inteiro novamente e dar uma vista de olhos no que existe mais.
A caixa amarela destaca uma tampa de metal que mantém o prato firmemente no lugar no motor do eixo — o acionamento elétrico que gira os discos.
Nesta unidade de disco rígido, giram a 7200 RPM, mas outros modelos rodam mais devagar.
Unidades mais lentas reduzem o ruído e o consumo de energia, mas também reduzem o desempenho, enquanto outras unidades mais rápidas podem atingir 15.000 RPM.
Para ajudar a reduzir os efeitos nocivos da poeira e da humidade do ar, um filtro de circulação (caixa verde) recolhe partículas minúsculas e prende-as no interior.
O ar movido pela rotação dos pratos garante um fluxo constante sobre o filtro.
Em cima dos discos, e ao lado do filtro, está um dos três separadores de pratos: ajudam a reduzir as vibrações e também mantêm o fluxo de ar o mais regulado possível.
No canto superior esquerdo da imagem, indicado pela marcação azul, está um dos dois ímãs de barra permanentes.
Eles fornecem o campo magnético necessário para mover o destaque do componente em vermelho. Limparemos algumas dessas partes para ver isso melhor.
O que parece um band-aid grosso é outro filtro, exceto que este limpa partículas e gases do lado de fora, à medida que entram pelo buraco que vimos antes.
Por dentro do HDA
Os picos de metal são braços atuadores que seguram as cabeças de leitura/gravação da unidade de disco rígido — movem-se para a frente e para trás na superfície dos pratos (superior e inferior) numa velocidade extremamente alta.
Em vez de usar algo como um motor de passo para encaixar os braços no lugar, uma corrente elétrica é enviada ao redor de uma bobina de fio na base do braço.
Estes são geralmente chamados de voice coil, porque é o mesmo princípio que altifalantes e microfones usam para mover os cones macios.
A corrente gera um campo magnético ao seu redor, que reage contra o campo criado pelos ímãs de barra permanentes.
Não se esqueça que as trilhas de dados são pequenas, então o posicionamento dos braços precisa de ser extremamente preciso – assim como tudo na drive.
Algumas unidades de disco têm atuadores de vários estágios, que podem fazer pequenas mudanças de direção com apenas parte de todo o braço.
Em certos discos, as faixas de dados sobrepõem-se. Esta tecnologia é chamada de gravação magnética shingled, e o requisito de exatidão e precisão (ou seja, acertar a posição certa repetidamente) é ainda maior.
Nas extremidades dos braços estão as delicadas cabeças de leitura/gravação.
A nossa unidade de disco rígido tem 3 pratos e 6 cabeças, e cada um flutua acima do disco enquanto gira. Para isso, as cabeças são suspensas por duas tiras de metal ultrafinas.
É aqui que podemos ver porque a nossa amostra de anatomia não funciona: pelo menos uma cabeça soltou-se e o que quer que tenha causado o dano original, também dobrou alguns dos braços de suporte.
Todo o componente da cabeça é tão pequeno, por isso é muito difícil conseguir uma boa imagem com uma câmara comum, como podemos ver abaixo:
Mas podemos distinguir algumas partes: o bloco cinza é uma peça especificamente usinada, chamada slider, pois conforme o disco gira em baixo dele, o fluxo de ar produz sustentação, levantando a cabeça da superfície.
E quando dizemos “desligado”, falamos de uma folga de apenas 0,0000002 polegadas ou menos de 5 nm.
Mais longe e as cabeças não conseguiriam detetar as mudanças nos campos magnéticos da pista.
Se as cabeças realmente descansassem na superfície, apenas raspariam o revestimento. É por isso que o ar na caixa da unidade de disco precisa de ser filtrado: poeira e humidade na superfície do disco destruiriam as cabeças.
O minúsculo ‘pólo’ de metal no final da cabeça está lá para ajudar na aerodinâmica geral. Mas, precisamos de uma imagem melhor para ver as partes que fazem a leitura e a escrita reais.
Na imagem acima, de um disco rígido diferente, as partes que leem e escrevem estão em baixo de todos os traços elétricos.
A escrita é feita com um sistema de indução de filme fino (TFI), enquanto a leitura é feita com um dispositivo magnetoresistivo de tunelamento (TMR).
Os sinais produzidos pelo TMR são muito fracos e precisam de passar por um amplificador — para aumentar os níveis — antes que possam ser enviados.
O chip responsável por isso pode ser visto próximo à base dos braços do atuador, na imagem abaixo.
Desempenho
Usamos o CrystalDiskMark para comparar um disco rígido WD 3,5″ 5400 RPM 2 TB:
As duas primeiras linhas exibem o número de MB por segundo de taxa de transferência para fazer leituras e gravações sequenciais (uma lista longa e contínua) e aleatórias (saltando sobre a unidade de disco rígido).
A próxima linha mostra um valor de IOPS, o número de operações de entrada/saída que ocorrem a cada segundo.
A última linha exibe a latência média (tempo em microssegundos) entre a operação de leitura/gravação emitida, e o valor de dados a ser recuperado.
De modo geral, os valores nas 3 primeiras linhas devem ser o maior possível e a última linha, o menor possível.
Conclusão
Como vimos na introdução deste artigo, os componentes mecânicos e a operação de uma unidade de disco rígido não mudaram muito ao longo dos anos.
É a tecnologia por detrás da trilha magnética e das cabeças de leitura/gravação que melhorou mais, produzindo trilhas mais estreitas e densas, resultando em mais capacidade de armazenamento.
Porém, as unidades de disco rígido mecânicas têm limitações de desempenho claras, leva tempo para os braços do atuador moverem-se para a posição necessária e se os dados estiverem espalhados em faixas diferentes em pratos separados, a unidade gastará um número relativamente grande de microssegundos caçando os bits.
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