Moderne Festplatten (HDDs) verbinden auf interessante Weise den Höhepunkt der Feinmechanik in der Massenproduktion mit der am meisten verachteten Speichertechnologie. Trotz so wenig schmeichelhafter Spitznamen wie "Spinnrost" können die meisten Festplatten während ihres gesamten Lebens extrem glatte Magnetplatten wenige Nanometer von den Aufzeichnungs- und Leseköpfen entfernt drehen. Die Klammern der letzteren ziehen wiederum die Magnete, die in der Lage sind, den Kopf in wenigen Millisekunden genau über der mikroskopischen Magnetspur zu positionieren.
Trotz der Tatsache, dass seit vielen Jahrzehnten immer mehr dieser Magnetspuren in einem Quadratmillimeter Platten zusammengepfercht sind und die Lese- und Schreibköpfe ständig durch immer komplexere ersetzt werden, wächst die Zuverlässigkeit von Festplattenlaufwerken ständig. In einem Bericht des Speicherunternehmens Backblaze aus dem zweiten Quartal 2020 wird deutlich, dass die jährliche Ausfallrate der Festplatten erheblich niedriger ist als im Vorjahr.
Die Frage ist, ob dies bedeutet, dass Festplatten mit der Zeit noch zuverlässiger werden und wie neue Technologien wie MAMR und HAMR diesen Prozess in den kommenden Jahrzehnten beeinflussen können.
Von Mega bis Tera
Interner Mechanismus und seine fünfzig 610-mm-Platten. IBM 350-
Festplatten Die ersten Festplatten wurden in den 1950er Jahren verkauft. Der IBM 350 hatte eine Speicherkapazität von 3,75 MB und fünfzig 610-mm-Discs in einem Gehäuse von 152 x 172 x 74 cm. Der derzeit fortschrittlichste 14,7-Zoll-Disc X 10,2 x 2,6 cm) kann mit herkömmlicher (nicht gekachelter ) Aufnahmetechnologie bis zu 18 TB aufnehmen.
Die Becken des IBM 350 drehten sich mit 1200 U / min. Neue Festplatten konzentrieren sich auf die Reduzierung der Einsatzgröße und die Erhöhung der Spindeldrehzahl (5400 - 15.000 U / min). Weitere Verbesserungen umfassen das Platzieren der Lese- und Schreibköpfe näher an der Plattenoberfläche.
Die IBM 1301 DSU (Disk Storage Unit) von 1961 war eine bedeutende Innovation - sie verwendete separate Klammern mit Lese- und Schreibköpfen für jede der Platten. Eine weitere Neuerung war die Aerodynamik: Die Köpfe befanden sich im freien Flug über der Oberfläche der Platten, unterstützt von einem Luftkissen, wodurch der Abstand von ihnen zur Oberfläche erheblich verringert werden konnte.
Nach 46 Jahren Entwicklungszeit verkaufte IBM 2003 sein Festplattengeschäft an Hitachi. Zu diesem Zeitpunkt hatte sich die Kapazität der Festplatten um das 48.000-fache erhöht, und das Volumen war stark zurückgegangen. 29 161 mal. Der Stromverbrauch sank von 2,3 kW auf 10 W (Desktop-Modelle), und die Kosten pro Megabyte sanken von 68.000 USD auf 0,002 USD. Gleichzeitig verringerte sich die Anzahl der Platten von zehn auf maximal ein Paar.
Wir speichern mehr Daten auf weniger Platz
Interna 1 ″ Seagate MicroDrive
Miniaturisierung war schon immer das Hauptziel aller Bereiche - sei es Mechanik, Elektronik oder Computer. Die riesigen Röhren- oder Relais-Computermonster der 1940er und 1950er Jahre entwickelten sich zu kleineren Transistorsystemen und dann zu modernen, schlanken ASIC-Wundern. Die Speichertechnologie hat die gleichen Änderungen erfahren.
Die Antriebselektronik von Festplatten hat die vollen Vorteile der zunehmenden Beliebtheit von VLSI-Schaltungen sowie der zunehmenden Genauigkeit und des zunehmenden Stromverbrauchs von Servos erfahren. Die Aufzeichnungsdichte pro Flächeneinheit nahm mit der Entwicklung der Materialwissenschaften zu, wodurch immer weniger schwere und glattere Platten (Glas oder Aluminium) auftraten und sich die Qualität der magnetischen Beschichtung verbesserte. Da wir die Eigenschaften einzelner Komponenten (ASIC-Gehäuse, Lötlegierungen, Magnetspulen, Aerodynamik der Halterungen usw.) besser verstehen konnten, wurden die Umdrehungen schrittweise durch schrittweise Verbesserungen ersetzt.
Sechs offene Festplatten mit einer Größe von 8 "bis 1"
Obwohl sie bereits zweimal versucht haben, eine extreme Miniaturisierung der Festplatten zu erreichen (1,3 "HP Kittyhawk Microdrive 1992 und 1" Microdrive)1999) entschied sich der Markt schließlich für 3,5 "- und 2,5" -Formfaktoren. Der Microdrive-Formfaktor wurde als Alternative zu CompactFlash-Karten mit NAND-Flash-Technologie angepriesen - eine Alternative mit höherer Kapazität und praktisch unbegrenzten Umschreibungen, die sich gut für eingebettete Systeme eignet.
Wie in anderen Bereichen machen physische Einschränkungen der Schreibgeschwindigkeit und der Direktzugriffszeit Festplatten am nützlichsten, wenn große Speichermengen für wenig Geld und hohe Zuverlässigkeit wichtig sind. Infolgedessen wurde der Festplattenmarkt für Desktop- und Servercomputer sowie für Videoüberwachungs- und Sicherungszwecke (im Wettbewerb mit Filmen) optimiert.
Grundlegendes zu Festplattenfehlern
Obwohl allgemein angenommen wird, dass die Schwachstelle von Festplatten ihre mechanischen Teile sind, können verschiedene Gründe für Fehler verantwortlich sein, nämlich:
- Menschlicher Fehler;
- Geräteausfall, sowohl mechanisch als auch elektronisch;
- Beschädigung der Firmware;
- Externe Faktoren (Hitze, Feuchtigkeit);
- Ernährung.
Der Festplatte wird der Wert der zulässigen physischen Auswirkungen beim Ausschalten oder während des Betriebs zugewiesen (wenn sich die Platten drehen und die Köpfe nicht geparkt sind). Ein Überschreiten dieses Wertes kann die Magnete beschädigen, die die Arme bewegen, oder der Kopf kann auf die Plattenoberfläche treffen. Wenn diese Werte nicht überschritten werden, ist der Hauptgrund für das Versagen der natürliche Verschleiß, dessen Grad durch die Anzahl der MTBF bestimmt wird (mittlere Zeit zwischen Ausfällen, " mittlere Zeit zwischen Ausfällen ").
MTBF wird durch Extrapolation des beobachteten Verschleißes über die Zeit abgeleitet. Die MTBF für ein Festplattenlaufwerk beträgt normalerweise 100.000 bis 1 Million Stunden. Um die Leistung des Laufwerks über diesen gesamten Zeitraum zu testen, muss es 10 bis 100 Jahre lang eingeschaltet bleiben [nicht ganz -Hier ist eine korrektere Erklärung / ca. übersetzt.]. Diese Nummer setzt voraus, dass die Festplatte unter den empfohlenen Bedingungen betrieben wird.
Wenn die Festplatte starken Stößen (auf einen Betonboden fallen gelassen) oder Spannungsspitzen (Spannungsspitzen, elektrostatische Entladungen) ausgesetzt wird, verkürzt sich natürlich ihre Lebensdauer. Weniger offensichtlich sind Herstellungsfehler, die in jedem Produkt auftreten können, sodass die meisten Produkte eine „akzeptable Ausfallrate“ aufweisen.
Es geht nicht um dich, es geht um die Produktionslinie
Trotz der starken MTBF und der offensichtlichen Bemühungen von Backblaze, sicherzustellen, dass sich die 130.000 Festplatten ein Leben lang glücklich drehen und dann in den Himmel der Festplatten (normalerweise durch einen Metallzerkleinerer) gelangen, berichtete Backblaze , dass im ersten Quartal 2020 die jährliche Ausfallwahrscheinlichkeit (AFR) ) betrug 1,07%. Glücklicherweise ist dies die niedrigste Zahl für das Unternehmen seit Beginn der Veröffentlichung von Berichten im Jahr 2013. Zum Beispiel betrug der AFR im ersten Quartal 2019 1,56%.
Wie bereits erwähnt, können bei der Herstellung und Installation von integrierten Schaltkreisen Fehler auftreten , die sich bereits während des Betriebs der Festplatte bemerkbar machen. Im Laufe der Zeit Dinge wie Elektromigration, Hitze und mechanische Beanspruchungkann zu Stromkreisausfällen führen, von platzenden Drähten im IC-Gehäuse bis hin zur Verschlechterung der Lötpunkte oder Stromkreise im IC aufgrund von Elektromigration (insbesondere aufgrund elektrostatischer Entladung).
Die mechanischen Komponenten von Festplatten unterliegen präzisionstechnischen Toleranzen sowie einer ordnungsgemäßen Schmierung. In der Vergangenheit gab es möglicherweise ein Problem mit dem Festkleben des Kopfes, bei dem sich die Eigenschaften des Schmiermittels im Laufe der Zeit änderten, bis die Halterungen die Fähigkeit verloren, sich aus der geparkten Position heraus zu bewegen. Eine verbesserte Schmierung hat dieses Problem heute mehr oder weniger gelöst.
Bei jedem Schritt des Herstellungsprozesses besteht jedoch die Möglichkeit, dass sich Fehler ansammeln und das schöne, glänzende MTBF verderben, wodurch das Produkt auf die schlechte Seite des Absprungraten-Diagramms (in Form eines " Bades ") gebracht wird. Diese Kurve stellt einen frühen Höhepunkt der Ausfallrate dar, der durch größere Herstellungsfehler verursacht wird. Danach sinkt die Ausfallrate, bis sich der Graph dem Ende der Lebensdauer des Geräts nähert.
Vorausschauen
Die heutigen Festplatten spiegeln deutlich wider, wie ausgereift der Produktionsprozess geworden ist - viele der alten Probleme, die sie in den letzten zehn Jahren geplagt haben, wurden gelöst oder umgangen. Einige wichtige Innovationen, wie die Umstellung auf mit Helium gefüllte Antriebe , haben noch keine signifikanten Effizienz- oder Zuverlässigkeitsgewinne gebracht. Andere Änderungen, wie der Übergang von PMZ ( senkrechte magnetische Aufzeichnung ) zu HAMR (thermomagnetische Aufzeichnung), sollten die Lebensdauer der Festplatte nicht wesentlich beeinflussen, mit Ausnahme von Problemen, die mit der Technologie selbst verbunden sind.
Tatsächlich scheint die Zukunft der Festplattentechnologie für jeden langweilig, der High-Volume-Speicher für wenig Geld liebt, was mindestens zehn Jahre dauern sollte. Die Grundprinzipien von Festplattenlaufwerken, dh das Speichern magnetischer Orientierungen auf einem Wafer, können sogar auf einzelne Moleküle übertragen werden. Innovationen wie HAMR sollten die Langzeitstabilität dieser magnetischen Orientierungen erhöhen.
Dies ist ein großer Vorteil von Festplatten gegenüber NAND-Flash, das kleine Kondensatoren zum Speichern von Ladungen verwendet, und einer Schreibmethode, die diese physisch beschädigt. Dort sind die physikalischen Einschränkungen viel schwerwiegender und haben zu komplexeren Designs geführt, wie zum Beispiel einem Vier-Ebenen-Zellen-Flash-Speicher (QLC), der zwischen 16 verschiedenen Spannungswerten in jeder der Zellen unterscheiden muss. Diese Komplexität hat dazu geführt, dass QLC-basierte Laufwerke in vielen Fällen kaum schneller als Festplatten mit 5400 U / min sind, insbesondere wenn es um Latenz geht.
Drehung verlangsamen
Die erste Festplatte, die ich in meinem eigenen Computer verwendete, war ein 20- oder 30-MB-Seagate in IBM PS / 2 (386SX), das mir mein Vater gab, nachdem sie bei der Arbeit auf neue PCs umgestiegen waren - anscheinend mussten sie freigeben Platz im Lager. In den Tagen von MS-DOS war dies genug für das Betriebssystem, eine Reihe von Spielen, WordPerfect 5.1 und vieles mehr. Ende der 90er Jahre war es bereits ein lächerliches Volumen, und wenn es um Festplatten ging, sprachen wir bereits über Gigabyte.
Trotz der Tatsache, dass ich seitdem viele PCs und Laptops gewechselt habe, sterben bisher nur Solid-State-Laufwerke. Dies und die Branchenindikatoren - wie die Berichte von Backblaze - geben mir die Zuversicht, dass sich die neuen Festplatten noch lange drehen werden. Wenn sich der 3D-XPoint-Speicher billig und groß genug wird, ändert sich möglicherweise die Situation.
Bis dahin drehen Sie sich.