Как работает жесткий диск компьютера? Рассказываем, что происходит внутри

Внутри работающего HDD происходит гораздо больше, чем просто вращение дисков. Пластины крутятся со скоростью до 7200 оборотов в минуту, а головки перемещаются над магнитной поверхностью на расстоянии всего нескольких нанометров. Рассказываем, как им удается не соприкасаться и почему один сильный удар может уничтожить данные.

Где именно находятся данные

Внутри жесткого диска находятся одна или несколько круглых пластин, закрепленных на общем шпинделе. Их делают из алюминиевого сплава или стекла, а сверху наносят тонкий магнитный слой, защитное углеродное покрытие и специальный слой смазки.

Информация хранится в виде множества микроскопических намагниченных областей. Они расположены вдоль концентрических дорожек. Для каждой рабочей поверхности предусмотрена своя головка чтения и записи.

Потребительские HDD обычно работают на скорости 5400 или 7200 оборотов в минуту. Благодаря этому нужный участок дорожки быстро оказывается под головкой.

Головка на самом деле не касается пластины

На фотографиях весь механизм часто называют головкой, но технически это сложная конструкция. На конце тонкой подвески находится небольшой керамический элемент - слайдер. Именно на его задней кромке расположены миниатюрные элементы чтения и записи.

Слайдер не закреплен неподвижно. Гибкая подвеска позволяет ему немного менять высоту, наклон и положение, повторяя микроскопические изменения поверхности пластины.

При этом подвеска постоянно тянет слайдер к поверхности. Если бы не аэродинамическая сила, он просто опустился бы на диск.

Почему головка буквально «летит» над диском

Корпус HDD не вакуумный. Внутри находится очищенный газ. Когда пластина начинает вращаться, она увлекает этот газ за собой.

Поток проходит через крошечный зазор под слайдером. Его нижняя поверхность специально имеет выступы, каналы и углубления. Такая форма создает нужное распределение давления и приподнимает слайдер над магнитным слоем.

Получается своеобразное равновесие: подвеска тянет головку вниз, а воздушный поток поднимает ее вверх. Пока пластина вращается с расчетной скоростью, слайдер остается на рабочей высоте.

Зазор составляет всего несколько нанометров

Рабочее расстояние между преобразователем и поверхностью измеряется единицами нанометров. Это в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса.

Зазор не остается абсолютно неизменным. Положение слайдера немного меняется в зависимости от скорости вращения, температуры, формы воздушного потока и того, над какой частью пластины находится головка.

В некоторых современных HDD используется термическая регулировка высоты. Встроенный микроскопический нагреватель немного изменяет геометрию части головки и позволяет приблизить рабочий элемент к магнитному слою во время записи.

Почему внутри HDD нельзя допускать пыль

При зазоре в несколько нанометров даже обычная пылинка становится огромным препятствием. Поэтому герметичный корпус жесткого диска собирают в контролируемых чистых условиях.

Во время работы газ внутри корпуса циркулирует через специальный фильтр, который задерживает частицы, возникающие внутри накопителя.

Именно поэтому вскрывать исправный HDD в обычной комнате крайне опасно. Попавшие внутрь загрязнения могут нарушить работу головок и поверхности пластин.

Как информация читается без контакта с поверхностью

При чтении головке не нужно касаться магнитного покрытия. Магниторезистивный датчик улавливает изменения магнитного поля на проходящей под ним дорожке.

Электроника превращает эти изменения в электрический сигнал, а контроллер накопителя обрабатывает его и восстанавливает записанную информацию.

Запись происходит другим способом. Через миниатюрную катушку в головке проходит электрический ток. Возникающее магнитное поле изменяет состояние небольшого участка покрытия пластины.

Чем меньше рабочий зазор, тем слабее затухает магнитное воздействие и тем мельче области можно использовать для записи. Поэтому высокая плотность современных HDD напрямую связана с невероятно точной работой механики.

Что происходит с головками после выключения

Воздушная опора существует только во время вращения пластин. Если просто остановить шпиндель, головка опустится на поверхность. Поэтому перед полной остановкой HDD переводит головки в безопасное положение.

Во многих современных накопителях используется специальная парковочная рампа. Головки перемещаются на нее и оказываются за пределами магнитных поверхностей. Только после этого пластины полностью останавливаются.

При включении все происходит наоборот: шпиндель набирает скорость, возникает воздушный поток, после чего головки сходят с рампы и переходят к рабочей поверхности.

В старых конструкциях использовалась специальная зона на самой пластине. Она не предназначалась для хранения пользовательских данных и была рассчитана на контакт при запуске и остановке.

Почему удар по работающему HDD особенно опасен

Главная уязвимость жесткого диска становится очевидной, если представить размер рабочего зазора. Головка движется над пластиной практически вплотную к поверхности.

Сильный удар может нарушить устойчивость слайдера. Он на мгновение опустится и соприкоснется с быстро вращающейся пластиной. Такое повреждение называют head crash, или столкновением головки с пластиной.

При высокой скорости вращения даже короткий контакт способен оставить повреждение на защитном и магнитном слоях. В результате часть информации может стать недоступной, а сама головка - перестать нормально удерживаться над поверхностью.

Опасность может быстро увеличиваться. Поврежденное покрытие образует микроскопические частицы, которые способны вызвать новые контакты. В тяжелых случаях головка продолжает проходить по одному радиусу и постепенно повреждает целую окружность пластины.

Почему выключенный HDD переносит удары лучше

У припаркованного накопителя головки не находятся над областью с пользовательскими данными. Поэтому механическое воздействие для него обычно менее опасно, чем для работающего диска.

Но это не означает, что выключенный HDD можно безнаказанно ронять. Сильный удар способен повредить шпиндель, подшипники, привод или сами пластины.

Главная разница заключается в положении головок. Во время работы их отделяет от поверхности всего несколько нанометров газа. Именно поэтому работающий жесткий диск особенно чувствителен к резким ударам и вибрациям.

Жесткий диск кажется простым только снаружи. Внутри него одновременно работают магнитные датчики, электромагнитный привод, сервосистема и аэродинамическая подвеска. И все это должно удерживать головку над вращающейся пластиной с точностью до нескольких нанометров.