آناتومی هارد دیسک (HDD)؛ هرآنچه باید درباره ساختار آن‌ بدانید

اطلاعات دیجیتال به جزئی جدایی‌ناپذیر از زندگی روزمره انسان‌ها تبدیل شده و نگهداری ایمن و پایدار از آن‌ها همیشه به عنوان یکی از دغدغه‌های اصلی مطرح بوده است. درایو دیسک سخت (HDD) یا همان هارد دیسک، از دیرباز یاور همیشگی کاربران برای ذخیره‌سازی داده‌ها بوده است.

اگرچه در سال‌های اخیر شاهد افزایش میزان محبوبیت انواع جدید حافظه‌ها از جمله درایو حالت جامد (SSD) با سرعت‌های بسیار بالا بوده‌ایم، اما هارد دیسک‌ها هنوز به عنوان یکی از روش‌های ارزان جهت ذخیره‌سازی حجم عظیمی از اطلاعات به شمار می‌روند و به نظر می‌رسد تا پایان پشتیبانی از آن‌ها توسط سازندگان فاصله به نسبت زیادی داریم. در این مقاله قصد داریم نگاهی نزدیک‌تر به ساختار داخلی هارد دیسک جهت آشنایی با اساس کار آن داشته باشیم.

تاریخچه کوتاه از ظرفیت هارد دیسک‌ها

هارد دیسک‌ها برای بیش از ۳۰ سال به عنوان استاندارد اصلی جهت ذخیره‌سازی داده‌های دیجیتال مورد استفاده قرار گرفته‌اند؛ اما فناوری بکار رفته در آن‌ها عمر بسیار بیشتری دارد. شرکت IBM در سال ۱۹۵۶ برای اولین بار اقدام به عرضه یک مدل تجاری از درایو دیسک سخت با حجم ۳.۷۵ کرد و ساختار کلی این محصولات از آن زمان تا به امروز تغییر چندانی را شاهد نبوده است. 

در سال ۱۹۸۷ یک هارد دیسک ۲۰ مگابایتی با برچسب قیمت ۳۵۰ دلار عرضه می‌شد.

ساختار بنیادی هارد دیسک‌ها شامل صفحات مغناطیسی جهت ذخیره‌سازی داده‌ها و ابزاری برای خواندن و نوشتن اطلاعات می‌شود. این دو قسمت اصلی در نمونه‌های کنونی نیز حفظ شده‌اند؛ با این تفاوت که ظرفیت صفحات مغناطیسی برای ذخیره‌سازی، افزایش چشمگیری پیدا کرده است. برای مثال در سال ۱۹۸۷ یک هارد دیسک ۲۰ مگابایتی با برچسب قیمت ۳۵۰ دلار عرضه می‌شد؛ اما در زمان حال با چنین مبلغی می‌توان اقدام به خرید محصولی ۱۴ ترابایتی کرد که ۷۰۰ هزار برابر ظرفیت بیشتری در اختیار کاربر قرار می‌دهد.

انتخاب محصولی برای کالبدگشایی

در این مقاله از هارد دیسک ۳ ترابایتی ۳.۵ اینچی باراکودا ساخت شرکت سیگیت جهت کالبدگشایی و نمایش اجزای داخلی استفاده شده است. مدل ST3000DM001 سیگیت محصولی جنجالی بوده است؛ زیرا نرخ خطای بالا در کنار سوختگی‌های متعدد از خود نشان داده و همین مسئله موجب پدید آمدن دردسرهای حقوقی بسیاری برای سازنده شده است. نمونه مورد استفاده برای کالبدگشایی نیز تحت تاثیر مشکل مذکور بوده است و دیگر عملکرد صحیحی از خود نشان نمی‌دهد. اگر می‌خواهید عملکرد و سلامت هارد دیسک خود را بسنجید، می‌توانید از مطلب «چطور سلامت هارد دیسک کامپیوتر را بررسی کنیم؟» بهره بگیرید.

محفظه فلزی هارد دیسک و قسمت‌های بیرونی

به طور معمول قسمت اعظم از بدنه هارد دیسک‌ها توسط فلز پوشیده شده است که در بعضی از بخش‌ها با پلاستیک و سایر موارد همراه می‌شود. نیروی درونی ایجاد شده در هارد دیسک هنگام استفاده سنگین می‌تواند بسیار زیاد باشد، در نتیجه بهره‌گیری از مواد مستحکم مانند فلز جهت جلوگیری از خمیدگی و لرزش ضروری به نظر می‌رسد. حتی محصولات ۱.۸ اینچی نیز از فلز بهره می‌برند؛ اگرچه استفاده از آلومینیوم به جای فولاد در آن‌ها متداول‌تر است و به کاهش وزن محصول هم کمک می‌کند.

در قسمت زیرین هارد دیسک یک بُرد الکترونیکی در کنار تعدادی درگاه اتصال قرار گرفته است. قسمتی دایره مانند در پشت دستگاه پذیرای موتور است که وظیفه چرخاندن دیسک را برعهده دارد. در لبه بدنه نیز سه درگاه متفاوت دیده می‌شود که جهت انتقال برق به هارد دیسک و جابه‌جایی اطلاعات کاربرد دارند. درگاه‌های گفته شده به طور معمول از استاندارد Serial ATA بهره می‌گیرند.

درگاه‌های انتقال داده و تامین انرژی

استاندارد Serial ATA برای اولین بار در سال ۲۰۰۰ جهت استفاده در رایانه‌های شخصی معرفی شد. این نوع اتصال برای ارتباط انواع مختلف درایوها (از جمله درایو دیسک سخت و درایو نوری) با سایر اجزای رایانه مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته از آن زمان تاکنون شاهد تغییرات بسیار زیادی در جزئیات مرتبط با این نوع استاندارد بوده‌‌ایم و در هنگام نگارش مقاله، نسخه ۳.۵ به عنوان آخرین نسل معرفی شده به شمار می‌رود. محصول استفاده شده برای کالبدگشایی از نسخه‌ای قدیمی‌تر بهره می‌برد که موجب می‌شود تعداد پین‌های کمتری نسبت به نمونه‌های جدید داشته باشد.

انتقال داده در هارد دیسک‌ها براساس سیگنال دیفرانسیلی (Differential Signaling) صورت می‌گیرد که از پین‌های +A و -A برای ارسال دستورها و اطلاعات و از پین‌های B برای دریافت سیگنال‌ها استفاده می‌کند. استفاده از زوج سیم‌ها جهت انتقال اطلاعات موجب کاهش تاثیر نویز الکتریکی روی سیگنال‌ها می‌شود و در نهایت سرعت جابه‌جایی را نیز افزایش می‌دهد.

چندین زوج پین برای تامین برق هارد دیسک در ولتاژهای مختلف (۳.۳، ۵ و ۱۲) در نظر گرفته شده است؛ اما بیشتر آن‌ها مورد استفاده قرار نمی‌گیرند زیرا هارد دیسک‌ها در حالت عادی به انرژی چندان زیادی جهت عملکرد صحیح نیاز ندارند. برای مثال محصول سیگیت مورد بررسی در هنگام سنگین‌ترین فعالیت‌ها نیز کمتر از ۱۰ وات انرژی مصرف می‌کند. پین‌هایی که با برچسب PC مشخص شده‌اند، از قابلیت Pre-Charge یا Hot Swapping بهره می‌برند. کاربران به کمک ویژگی گفته شده می‌توانند در هنگام روشن بودن رایانه اقدام به خارج کردن یا اضافه کردن هارد دیسک کنند.

پین‌هایی که از برچسب PWDIS بهره می‌برند، امکان ریست از راه دور هارد دیسک را فراهم می‌کنند. البته این قابلیت در نسخه ۳.۳ به بعد استاندارد SATA دیده می‌شود؛ در نتیجه محصول مورد بحث به دلیل بهره‌گیری از استاندارد قدیمی‌تر، دارای چنین ویژگی نیست و به جای آن تنها یک پین ۳.۳ ولت دیگر دارد. 

در نهایت پین SSU جهت شناسایی و استفاده از حالت Staggered Spin Up کاربرد دارد. به کمک چنین حالتی می‌توان مصرف انرژی در هنگام شتاب‌گیری موتور را مدیریت کرد. این مسئله در رایانه‌هایی که از چندین هارد دیسک بهره می‌گیرند، اهمیت بسیار بالایی دارد و قادر است از کاهش جریان جلوگیری کند. SSU موجب می‌شود تا حافظه‌های مختلف به ترتیب شروع به شتاب‌گیری حرکت چرخشی کنند که انرژی بیشتری نسبت به حرکت با سرعت ثابت نیاز دارد؛ اما در سوی دیگر باعث تاخیر در شروع به کار هنگام استفاده از چندین حافظه به صورت همزمان می‌شود. 

تراشه‌ها و قطعات مرتبط با برد الکترونیک

بردهای الکترونیکی به شکلی طراحی می‌شوند که بیشتر راه‌های نفوذ گرد و غبار و خاک را به داخل هارد دیسک ببندند.

جداسازی برد الکترونیکی پشتی موجب می‌شود تا نحوه اتصال آن با سایر اجزای داخلی هارد دیسک نمایان شود. هارد دیسک‌ها به طور معمول هوابندی شده نیستند؛ اما برخی مدل‌ها با ظرفیت‌های بالا از محفظه بسته دارای هلیوم بهره می‌برند. هلیوم چگالی پایین‌تری نسبت به هوا دارد و مشکلات کمتری برای محصولاتی با دیسک‌های متعدد ایجاد می‌کند. البته تحت هر شرایطی، بهتر است که فضای داخلی حافظه ارتباط بسیار کمی با محیط بیرون داشته باشد. به همین دلیل بردهای الکترونیکی به شکلی طراحی می‌شوند که بیشتر راه‌های نفوذ گرد و غبار و خاک را به داخل هارد دیسک ببندند. همچنین سوراخ قرار گرفته شده روی قسمت فلزی باعث می‌شود تا فشار هوای داخلی هارد دیسک، متعادل باقی بماند.

۴ تراشه اصلی روی برد الکترونیک هارد دیسک قرار گرفته است که شامل موارد زیر می‌شوند:

• LSI B64002: چیپ کنترلر اصلی محسوب می‌شود که دستورات، انتقال داده‌ها و پردازش خطاها را برعهده دارد.
• سامسونگ K4T51163QJ: حافظه SDRAM از نوع DDR2 با ظرفیت ۶۴ مگابایت که روی فرکانس کاری ۸۰۰ مگاهرتز قفل شده است و برای ذخیره‌سازی موقت اطلاعات (حافظه کش) کاربرد دارد.
• Smooth MCKXL: کنترل کننده موتور چرخان هارد دیسک است.
• Winbond 25Q40BWS05: حافظه Serial Flash با ظرفیت ۵۰۰ کیلوبایت که جهت ذخیره فریمور هارد دیسک (مشابه با بایوس رایانه) استفاده می‌شود. 

ممکن است تعداد و ترکیب تراشه‌های قرار گرفته روی برد الکترونیک هارد دیسک‌های مختلف یا محصولات شرکت‌های متفاوت، کمی با یکدیگر فرق داشته باشند. طبق قاعده کلی، هارد دیسک‌هایی با ظرفیت بیشتر نیاز به حجم زیاد‌تری از حافظه موقت (Cache) خواهند داشت. برای مثال در نمونه‌های بسیار حجیم می‌توان تا ۲۵۶ مگابایت حافظه موقت از نوع DDR3 را شاهد بود. همچنین در محصولات بالارده شاهد استفاده از کنترلر اصلی پیشرفته‌تر جهت پردازش‌های پیچیده‌تر مانند خطاهای همزمان بیشتر خواهیم بود. 

فضای داخلی هارد دیسک و اجزای آن

باز کردن هارد دیسک امری بسیار آسان است و تنها نیاز به ابزار مخصوص برای چرخاندن پیچ‌های ستاره‌ای (Torx) دارد. در نگاه اول قسمت عمده‌ای از فضای داخلی توسط صفحه فلزی سیاه اشغال شده است که واژه «دیسک» نیز به دلیل شکل دایره‌ای همین صفحات مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته صفحه (Platter) اصطلاح مناسب‌تری برای آن‌ها است که به طور معمول از شیشه یا آلومینیوم ساخته و سپس توسط ترکیبی از چندین ماده پوشیده می‌شوند. محصول ۳ ترابایتی مورد نظر دارای سه صفحه است که در پشت و روی هر کدام از آن‌ها ۵۰۰ گیگابایت داده قابل ذخیره‌سازی است.

صفحات مغناطیسی

اگرچه ممکن است ظاهر صفحه‌های مغناطیسی ساده به نظر برسد، اما فرایند مورد نیاز برای ساخت آن‌ها به نسبت پیچیده است. دیسک‌های آلومینیومی اولیه حدود ۱ میلی‌متر (۰.۰۴ اینچ) ضخامت دارند، اما پس از صیقل خوردن در نهایت قطر بسیار کمی خواهند داشت و اختلاف ضخامت در قسمت‌های مختلف آن کمتر از ۳۰ نانومتر خواهد بود. 

لایه پایه به طور معمول ۱۰ میکرون قطر دارد که روی فلز قرار می‌گیرد و سپس چندین لایه پوشش دیگر روی آن اضافه می‌شود. آبکاری الکترولس نیکل و انباشت بخار فیزیکی از جمله فرایند‌هایی هستند که در این مرحله مورد استفاده قرار می‌گیرند تا صفحات برای پذیرش مواد مغناطیسی آماده باشند.

دسته‌بندی و قرارگیری ذرات مغناطیسی به ترتیب خاصی موجب می‌شود تا صفر و یک‌های مورد نیاز برای ذخیره‌سازی داده‌های دیجیتال پدید آیند.

مواد مغناطیسی بکار رفته در هارد دیسک‌ها از جنس آلیاژ پیچیده‌ای از کبالت است که به شکل حلقه‌هایی هم مرکز با پهنای ۲۵۰ نانومتر و قطر ۲۵ نانومتر روی صفحه‌ها قرار می‌گیرند. در مقیاس میکروسکوپی، آلیاژ فلزی اقدام به تشکیل ذره‌هایی می‌کند که می‌توان آن‌ها را به حباب‌های صابون روی آب تشبیه کرد. 

هر ذره دارای میدان مغناطیسی مخصوص به خود است، اما می‌توان آن‌ها را در جهت خاصی سازمان‌دهی کرد. دسته‌بندی و قرارگیری ذرات مغناطیسی به ترتیب خاصی موجب می‌شود تا صفر و یک‌های مورد نیاز برای ذخیره‌سازی داده‌های دیجیتال پدید آیند. پوشش بعدی از جنس کربن است و نقش محافظت کننده را دارد. در نهایت یک لایه پلیمر برای کاهش میزان اصطکاک تماسی بکار می‌رود که مجموع آن‌ها بیش از ۱۲ نانومتر نمی‌شود.

فیلترهای هوا، نگهدارنده و آهن‌ربای دائمی

قسمت مشخص شده با رنگ زرد در تصویر بالا دارای یک درپوش فلزی است که صفحه مغناطیسی را با استحکام بالایی به موتور الکتریکی هارد دیسک متصل می‌کند. در این مدل، سرعت چرخش به ۷۲۰۰ دور در دقیقه می‌رسد اما در مدل‌های قدیمی‌تر شاهد سرعت کمتری هستیم. سرعت چرخش کمتر موتور موجب می‌شد تا صدای کمتری تولید شود و مصرف انرژی نیز کاهش پیدا کند ولی روی عملکرد نیز تاثیرگذار است. موتور هارد دیسک‌های بسیار سریع پیشرفته می‌توانند تا ۱۵ هزار دور در دقیقه چرخش داشته باشند.

فیلتر گردش مجدد که در تصویر با رنگ سبز مشخص شده است، می‌تواند ذرات بسیار ریز را در خود به دام اندازد و آسیب ناشی از رطوبت و گرد و غبار را محدود سازد. هوا به وسیله چرخش صفحات مغناطیسی درون محفظه جابه‌جا می‌شود و موجب ایجاد جریان دائمی در مسیر فیلتر می‌گردد. روی دیسک‌ها و در کنار فیلتر، جداکننده صفحات قرار دارد که به کاهش لرزش‌ها و متعادل‌سازی گردش هوا کمک می‌کند.

در گوشه سمت چپ بالایی تصویر یکی از دو قطعه مغناطیسی دائمی با رنگ آبی قابل مشاهده است. این قطعه می‌تواند نیروی مغناطیسی مورد نیاز برای اجزای قرار گرفته در بخش قرمز رنگ را تامین کند.

در ادامه نواری شبیه چسب زخم را مشاهده می‌کنیم که باز هم به عنوان یک فیلتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته این فیلتر ذرات و گازهای ناشی از هوای بیرون را پالایش می‌کند که از طریق سوراخ ذکر شده در پوشش فلزی بدنه وارد می‌شوند. 

بازوهای متحرک

بازوهای متحرک فلزی که در تصویر دیده می‌شوند، جهت خواندن و نوشتن اطلاعات روی صفحه‌های مغناطیسی ضرورت دارند و می‌توانند میان قسمت‌های مختلف یک دیسک با سرعت بسیار بالا جلو و عقب بروند. نیروی محرک این بازوها توسط جریان الکتریکی ورودی به یک سیم پیچ در قسمت پایه‌ای تامین می‌شود و خبری از موتور استپر نیست.

سیم پیچ‌های اشاره شده بیشتر با نام وُیس کویل (Voice Coil) در بازار شناخته می‌شوند و در ساخت بلندگوها و میکروفون‌ها رایج هستند. جریان الکتریکی عبوری از داخل سیم‌ها می‌تواند میدان مغناطیسی در اطراف آن‌ها ایجاد کند که نسبت به میدان مغناطیسی ناشی از آهن‌رباهای دائمی واکنش نشان می‌دهد.

باید توجه داشت که مسیرهای قرارگیری داده‌ها بسیار باریک هستند؛ در نتیجه بازوهای متحرک باید در مکان کاملاً دقیقی قرار بگیرند. بعضی از هارد دیسک‌ها دارای بازوهای چند مرحله‌ای هستند که می‌توانند حرکات جزئی‌تر را تنها با قسمت کوچک‌تری از بازو انجام دهند. در برخی از هارد دیسک‌ها، مسیرهای ذخیره‌سازی روی یکدیگر قرار می‌گیرند که به این فناوری Shingled Magnetic Recording می‌گویند و نیاز به دقت بسیار بالایی دارد. 

تیغه‌های رأسی و عملکرد آن‌ها

در انتهای هر بازوی متحرک، قسمت نوک یا سر قرار گرفته است که تیغه‌هایی بسیار ظریف برای خواندن و نوشتن اطلاعات هستند. هارد دیسک مورد استفاده در این کالبدگشایی از ۳ صفحه بهره می‌برد؛ در نتیجه ۶ سر روی بازوهای آن قرار دارند. هر یک از این تیغه‌ها در بالای صفحه مخصوص به خود قرار می‌گیرند و توسط دو نوار فلزی بسیار نازک شناور هستند.

مشخص است که حداقل یکی از نوک‌های هارد دیسک معیوب از محل خود خارج شده است و به احتمال زیاد موجب آسیب اصلی به صفحات و خم شدن بازوی متصل شده است. ساختار کلی تیغه بسیار کوچک است و عکسبرداری از آن بدون دوربین ماکرو کمی دشوار به نظر می‌رسد.

هوای موجود درون هارد دیسک باید به صورت مداوم فیلتر شود تا حاوی گرد و غبار و ذرات ریز نباشند.

قسمت خاکستری Slider (لغزنده) نام دارد و هنگامی که دیسک در زیر آن می‌چرخد، جریان هوا موجب بلند شدن تیغه می‌شود. البته فاصله ایجاد شده چندان محسوس نیست و در حدود ۵ نانومتر خواهد بود. اگر فاصله تیغه با صفحه بیشتر شود، شناسایی تغییرات در مسیرهای ذخیره‌سازی داده‌ها وجود نخواهد داشت. همچنین اگر تیغه‌ها به صورت کامل روی دیسک‌ها قرار بگیرند، به پوشش آن‌ها آسیب وارد می‌کنند. 

به همین دلیل است که هوای موجود درون هارد دیسک باید به صورت مداوم فیلتر شود تا حاوی گرد و غبار و ذرات ریز نباشند؛ زیرا می‌توانند با قرارگیری بین بازو و صفحه، به ساختار حساس تیغه رأسی لطمه بزنند. میله بسیار کوچک در انتهای تیغه تنها برای بهبود خاصیت آیرودینامیک در نظر گرفته شده است و نقش عملکردی خاصی ندارد. در تصویر پایین، ساختار تیغه با جزئیات بیشتری قابل مشاهده است.

ساختار تیغه‌های رأسی

قسمت‌هایی که وظیفه خواندن و نوشتن اطلاعات را برعهده دارند، در زیر قطعات الکترونیکی قرار می‌گیرند. نوشتن اطلاعات توسط سیستم TFI (القای فیلم نازک) انجام می‌شود؛ درحالی که خواندن اطلاعات توسط دستگاهی براساس خاصیت مقاومت مغناطیسی تونل (TMR) امکان‌پذیر است.

سیگنال‌هایی که توسط قطعه TMR تولید می‌شوند بسیار ضعیف هستند و جهت تاثیرگذاری نیاز به یک تقویت‌کننده دارند تا بتوانند پیش از انتقال به سطح مورد نیاز دست پیدا کنند. تراشه‌ای که وظیفه تقویت سیگنال‌ها را دارد در قسمت پایه دیده می‌شود. 

همانطور که در ابتدای مطلب اشاره کردیم، قسمت‌های مکانیکی هارد دیسک‌ها در طی سالیان طولانی تغییر چندانی را شاهد نبودند. البته فناوری پشت مسیرهای ذخیره‌سازی مغناطیسی و قسمت‌های مورد استفاده برای خواندن و نوشتن اطلاعات بیشترین بهبود را تجربه کرده‌اند و موجب ساخت مسیرهایی نازک‌تر با چگالی بیشتر شدند که در نهایت ظرفیت کلی هارد دیسک‌ها را افزایش داده است.

با این حال پیشرفت‌های صورت گرفته در زمینه‌های گفته شده نتوانسته است محدودیت‌های اساسی مرتبط با هارد دیسک‌ها را از میان بردارد. بازوهای متحرک به زمان نیاز دارند تا در میان قسمت‌های مختلف صفحات جابه‌جا شوند و اگر اطلاعات به صورت پراکنده روی دیسک‌ها قرار گرفته باشد، خواندن آن طولانی‌تر می‌شود. همین مسئله موجب افزایش محبوبیت حافظه‌های غیر مکانیکی مانند SSD در سال‌های اخیر شده است که محدودیت‌های آن‌ها بیشتر براساس تراشه‌های مورد استفاده تعیین می‌شود.

اگر قصد دارید اطلاعات بیشتری پیرامون سایر حافظه‌های مورد استفاده جهت ذخیره‌سازی اطلاعات در رایانه‌های شخصی کسب کنید و عملکرد آن‌ها را با یکدیگر مقایسه کنید، می‌توانید به مقاله «هارد دیسک در برابر SSD؛ با انواع درایوهای ذخیره سازی آشنا شوید» مراجعه نمایید.