Da die Festplatte nicht nur ein elektronisches Gerät, sondern ein elektromechanisches Gerät ist, waren und bleiben starke Vibrationen und Stöße ihre Hauptfeinde. Wenn der Vibrationseffekt jedoch zu einer Abnahme der Leistung der Festplatte führt, was durch die Abweichung der Headunit von der angegebenen Flugbahn und die Neuinitialisierung des Positionierungsvorgangs erklärt wird, dann sogar ein ausreichend starker Druck (nicht zu) einen Sturz erwähnen) kann einen vollständigen Ausfall des Laufwerks hervorrufen. Warum sind Festplatten so empfindlich und welche Maßnahmen ergreifen Hersteller von Festplatten, um ihre Zuverlässigkeit zu verbessern? Versuchen wir es herauszufinden.
Schicksalsschläge: Warum sind Festplatten so zerbrechlich?
Erinnern wir uns zunächst daran, wie eine Festplatte funktioniert. In der Festplatte befindet sich ein Satz dünner Metallplatten (im allgemeinen Sprachgebrauch "Pfannkuchen"), die mit einer Schicht aus Ferromagneten bedeckt sind - einer Substanz, die die Magnetisierung auch ohne externes Magnetfeld für lange Zeit beibehalten kann. Diese Platten drehen sich mit einer enormen Geschwindigkeit - ab 5400 U / min oder mehr - und bewegen sich relativ zur Kopfanordnung, die aus mehreren Stangen besteht, die von den sogenannten Schwingspulen angetrieben werden.
An der Spitze jeder Stange befinden sich Schreibköpfe und Auslesesensoren. Die Schreibköpfe sind so ausgelegt, dass sie die Richtung der Magnetisierungsvektoren diskreter Bereiche der ferromagnetischen Beschichtung (magnetische Domänen) gemäß den Befehlen des HDD-Controllers ändern. In diesem Fall codiert jede Domäne ein Informationsbit, wobei abhängig von der Richtung des Magnetisierungsvektors ein logischer Wert "0" oder "1" angenommen wird.
Der Betrieb der Lesemodule moderner Festplatten basiert auf einem riesigen magnetoresistiven Effekt: Der elektrische Widerstand des Sensors ändert sich unter dem Einfluss des Magnetfelds der Domänen der ferromagnetischen Schicht, das vom HDD-Controller aufgezeichnet wird. interpretiert wiederum die Zunahme oder Abnahme des Widerstands relativ zu einem bestimmten Pegel als logische Null oder Eins ...
Um eine hohe Aufzeichnungsdichte zu erreichen, mussten die Magnetköpfe extrem klein gemacht werden, da die Breite der Spuren auf der Magnetplatte von ihren Abmessungen abhängt. Die Größe des Schreibmoduls in modernen Festplatten überschreitet 120 Nanometer und des Lesemoduls 70 Nanometer nicht.
Vergleich der Größe der Piep- und Leseköpfe der Festplatte und des Randes der 10-Cent-Münze
Dank dieser Miniaturisierung wurde die Datenaufzeichnungsdichte auf einen beeindruckenden Wert von 1 Tbit / Zoll 2 gebrachtund dies geschieht durch die traditionelle CMR-Methode. Dieser Ansatz hat jedoch einen Nebeneffekt. Da die Größe der Magnetköpfe erheblich verringert wurde, nahm die Stärke des von ihnen erzeugten Magnetfelds ab, was die Ingenieure dazu zwang, den Abstand zwischen den Köpfen und der Oberfläche der Magnetplatten erheblich zu verringern.
Wenn die Festplatte funktioniert, schweben die Magnetköpfe in einer Höhe von nur etwa 12 bis 15 Nanometern über der Oberfläche der Pfannkuchen. Dies wird durch den Bildschirmeffekt erreicht: Unter jedem Ausleger wird ein Luftkissen gebildet, als ob unter dem Flügel eines Flugzeugs hebt ab und sorgt für den nötigen Auftrieb. Es ist leicht zu erraten, dass die Magnetplatten selbst vollkommen glatt sein und keine Unregelmäßigkeiten aufweisen sollten. Dies ist wahr: Der Höhenunterschied auf der Oberfläche jeder Platte überschreitet 0,6 Nanometer nicht. Unglaubliche Präzision!
Dieses Design hat jedoch einen sehr großen Nachteil: Die Festplatte ist während des Betriebs extrem anfällig für Stöße. Die Stoßfestigkeit moderner Laufwerke der Consumer- und Enterprise-Klasse erreicht im Ruhezustand 300-350 G in 2 ms und im Lese- / Schreibmodus nur 30-50 G in 2 ms.
Dieser große Wertebereich ist darauf zurückzuführen, dass die Kopfbaugruppe geparkt bleibt, während der Antrieb nicht angeschlossen ist. Betrachten Sie das Foto unten: Jede Halterung erhält einen zusätzlichen Befestigungspunkt, der auf Kunststoffmasten auf dem Parkplatz ruht, und die Köpfe selbst berühren den Kunststoff nicht, sondern hängen darüber. In diesem Zustand haben sie keine Angst vor starken Vibrationen oder sogar Stößen.
Im Arbeitszustand wird dem HDD-Aktuator zusätzliche Unterstützung entzogen, daher führt zwangsläufig ein Aufprall mit ausreichender Kraft, dessen Vektor senkrecht zur Ebene der Scheibe (oder in einem kleinen Winkel zur senkrechten Achse) gerichtet ist Kontakt zwischen den Köpfen und Magnetplatten. Dieser Prozess kann wie folgt schematisch dargestellt werden.
Oben ist das erfolgreichste Szenario für die Entwicklung von Ereignissen dargestellt: Aufgrund der Miniaturgröße der Köpfe und der enormen Drehzahl der Magnetplatten lösen sich die Schreib- und Lesemodule höchstwahrscheinlich einfach von der Halterung und die Festplatte wird sofort unbrauchbar. Wenn Sie immer noch Glück haben und die Angelegenheit nur auf das Auftreten von Kratzern auf der ferromagnetischen Schicht beschränkt war, sollten Sie nicht glauben, dass Sie in diesem Fall einige gebrochene Cluster entfernen können. Leider beginnt die Festplatte langsam aber sicher zu "sterben" und die Anzahl der Lese- / Schreibfehler wird sich jeden Tag vervielfachen. Und deshalb.
Problem Nummer 1: Ferromagnetische Partikel verbleiben auf der Oberfläche von Magnetplatten
Obwohl sich die Winchester-Pfannkuchen mit einer enormen Geschwindigkeit drehen, werden die Fragmente der ferromagnetischen Schicht nirgendwo hingehen: Sie sind zu klein und leicht, so dass das Magnetfeld der Domänen ausreicht, um der Zentrifugalkraft standzuhalten und die kleinsten Partikel zu halten. Ihre Anwesenheit auf der Oberfläche von Magnetplatten ist mit Lese- / Schreibfehlern behaftet, selbst wenn sie die Köpfe selbst nicht direkt berühren.
Problem Nummer 2: Ferromagnetische Partikel spielen die Rolle eines Schleifmittels
Da der Abstand zwischen der Oberfläche der Magnetplatten und den Köpfen extrem klein ist, berühren mikroskopisch kleine Partikel des Ferromagneten sie unweigerlich und schleifen allmählich wie Sandpapier. Und die Oberfläche der Pfannkuchen selbst wird immer mehr zerkratzt, was sich in einer allmählichen Zunahme der Anzahl gebrochener Cluster äußert.
Problem Nr. 3: Der Erfassungssensor erwärmt sich aufgrund der Reibungskraft
Wenn Partikel eines Ferromagneten, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, den Sensor berühren, erwärmt sich dieser aufgrund seiner mikroskopischen Größe sofort, wodurch der Widerstand im Sensor stark ansteigt und die Daten vom Lesekopf falsch interpretiert werden. Dies führt zu zahlreichen Lesefehlern, selbst wenn der Lesekopf noch intakt ist.
Eine Beschädigung der Headunit ist keineswegs die einzige (wenn auch schwerwiegendste) Folge eines Aufpralls auf eine Festplatte. Magnetplattenlager sind ebenfalls gefährdet. Ein starker Aufprall der Kugel auf den Lagerkäfig kann zu Verformung, Beschädigung der Kugel selbst oder der Laufbahn (manchmal zu allen oben genannten) führen. Obwohl die Festplatte weiterhin funktioniert, vibriert das beschädigte Lager stark, was sich negativ auf die Leistung der Festplatte auswirkt und zu vorzeitigem Verschleiß des Spindelmotors führt.
Und schließlich ist das geringste Übel das Verrutschen der Magnetplatten in der Verpackung, wenn sich ein oder mehrere Pfannkuchen, die eine zusätzliche Beschleunigung erhalten haben, relativ zu ihren Gefährten drehen. Gleichzeitig tritt dieses Problem viel seltener auf als alle oben aufgeführten und hat nur minimale Auswirkungen auf die Festplattenleistung.
Wichtige Ansätze zum Schutz vor Festplattenschocks
Obwohl die Geschichte der Festplatten mehr als 64 Jahre zurückreicht, nahmen die Festplattenhersteller ihre Festplatte erst 1997 ernst. Diese Haltung sieht leichtfertig aus, aber tatsächlich ist es ziemlich einfach, die Verzögerung zu erklären.
In den späten 90er Jahren begann die Mode für kompakte externe Festplatten gerade erst an Fahrt zu gewinnen. Der Ausgangspunkt kann als die Entstehung von IBM Microdrive bezeichnet werden, das 1999 veröffentlicht wurde und über das wir bereits früher im Material zur externen Datenspeicherung geschrieben haben . In der Zwischenzeit sind tragbare Laufwerke am anfälligsten.
Eröffnete IBM Microdrive vs. 50-Cent-Münze
Es ist ziemlich schwer vorstellbar, dass eine interne Festplatte, die bereits in einem PC installiert ist, durch einen Schlag ausfallen kann (es sei denn, Sie schlagen absichtlich mit einem Vorschlaghammer auf ihren Körper ein). Der massive Full Tower-Rahmen bietet einen angemessenen Schutz für die darin installierten Festplatten und absorbiert effektiv kinetische Energie. Wenn Sie beispielsweise versehentlich mit dem Fuß auf den Computer schlagen, ist die Auswirkung auf die Festplatte in 2 ms viel schwächer als 30 G (und in 2 ms sogar weniger als 10 G - so viele Festplatten werden beim Einschalten freigegeben XX-XXI Jahrhunderte könnten standhalten), also was hier zu tun ist, haben besondere Maßnahmen keine praktische Bedeutung.
Laptop-Hüllen dieser Zeit waren auch nicht wie moderne ultradünne Modelle: Laptops der 90er Jahre boten einen angemessenen Schutz für die darin installierten Festplatten, wenn auch nicht so zuverlässig wie stationäre Computer.
Ältere Laptops waren viel langlebiger. Auf dem Foto - Siemens Nixdorf PCD-5ND
Im Gegensatz dazu ist die Festplatte bei tragbaren Datenspeichern nur durch ein dünnes Kunststoffgehäuse von der Außenwelt getrennt, das nicht die gesamte Aufprallenergie absorbieren kann. Wie kann in diesem Fall die Festplatte vor Beschädigung geschützt werden?
IBM selbst war der Pionier bei der Entwicklung von Stoßschutzsystemen. Es waren die Ingenieure des amerikanischen Unternehmens, die die Technologie mit dem unkomplizierten Namen Ramp Load / Unload entwickelten, die heute unabhängig von der Preiskategorie überall auf jeder Festplatte verwendet wird. Wir sprechen über den oben genannten Parkplatz und ein System von Kunststoffmasten, die die Stangen der Haupteinheit befestigen, während die Festplatte von der Stromversorgung getrennt ist. Für seine Zeit wurde eine solche Lösung wirklich innovativ und ermöglichte es, die Stoßfestigkeit von Festplatten in Ruhe mehrmals zu erhöhen.
Bei älteren Festplattenmodellen fehlte das Headblock-Parksystem grundsätzlich.
Die ShockSkinBumper (SSB) -Technologie von Samsung sollte unter den ebenso einfachen, aber recht effektiven Maßnahmen erwähnt werden. Wie Sie dem Namen entnehmen können, liegt das Wesentliche der Innovation in der Anwesenheit eines Stoßfängers im Gehäuse des Laufwerks, der durch einen dünnen Silikonrand dargestellt wird, der auf die Metallabdeckung der Festplatte passt.
Wenn Sie genau hinschauen, können Sie die Kante des Samsung ShockSkinBumper erkennen.
Laut Samsung hat sich der Stoßfänger als äußerst effektiv erwiesen und dazu beigetragen, die Überlastung, die sich auf die internen Komponenten der Festplatte auswirkt, wenn sie getroffen oder fallen gelassen wird, um das Dreifache zu reduzieren seine Stoßfestigkeit in Ruhe.
In Bezug auf das Problem der Lagerbeschädigung experimentierten die Hersteller von Festplatten zunächst mit der Form des Käfigs und den Abmessungen der Wälzkörper, um das optimale Gleichgewicht zwischen der Größe der Kontaktfläche der Kugeln und den Schienen zu finden (Je größer es ist, desto besser verträgt das Lager Stöße) und den Widerstand, der sich aus der Reibung ihrer Oberflächen gegeneinander ergibt. Anschließend wurden die herkömmlichen Wälzlager durch fortschrittlichere hydrodynamische Gleitlager ersetzt, bei denen die Drehung der Spindelwelle in einer Flüssigkeitsschicht erfolgt, die aufgrund der während des Motorbetriebs erzeugten Druckdifferenz in der Hülse gehalten wird. Dieser Ansatz trug nicht nur dazu bei, die Stoßfestigkeit von Festplatten zu erhöhen, sondern auch die von ihnen während des Betriebs erzeugten Vibrationen und Geräusche zu verringern und gleichzeitig ihre Fehlertoleranz zu erhöhen.
Keine Bälle - keine Probleme
Das Wichtigste, was alle Hersteller von Festplatten ausnahmslos zu erreichen versuchten, war, die Headunit maximal vor Stößen zu schützen. Der Pionier auf diesem Gebiet war das Unternehmen Quantum, das bereits 1998 ein eigenes System zum Schutz von Festplatten einführte, das Quantum Shock Protection System (SPS), dessen erste praktische Implementierung in den Fireball EL-Festplatten zu sehen war.
Quantums 2,5 GB Fireball EL stoßfeste Festplatte
Insgesamt umfasste das SPS-Verbesserungspaket 14 technologische Innovationen, die darauf abzielen, den Stoß des Stellantriebs zu absorbieren und zu kompensieren. Bereits 1999 erblickte das modifizierte SPS II-System das Licht, und der Fireball Ict wurde natürlich die erste Scheibe mit Unterstützung der aktualisierten Anti-Schock-Technologie.
Parallel zu Quantum wurde die Forschung auf dem Gebiet des Schutzes von Festplatten vor Stößen und Stürzen von ihrem direkten Konkurrenten - der Maxtor Corporation - durchgeführt. Das Ergebnis der Bemühungen der Ingenieure des Unternehmens ist die ShockBlock-Technologie, die in den Antrieben der "Diamond" -Linie von DiamondMax Anwendung gefunden hat.
Maxtor DiamondMax Plus 21 Festplatte
Samsung war auch aktiv an der Verbesserung des Kopfblocks beteiligt: Die patentierte Technologie des koreanischen Unternehmens namens Impact Guard enthielt eine Reihe von Verbesserungen im Design der Lagerhalterungen, der Aufhängung und des Stabilisierungssystems. Western Digital ist nicht zurückgeblieben: Eine Reihe von Shock Guard-Verbesserungen, die speziell für Festplatten der Marke Caviar entwickelt wurden, haben dazu beigetragen, die Stoßfestigkeit der vom Unternehmen hergestellten Festplatten auf Werte zu bringen, die mit denen moderner Festplatten vergleichbar sind.
Es macht keinen Sinn, jede der aufgeführten Technologien gründlich zu beschreiben: Konstruktionslösungen zur Erhöhung der Stoßfestigkeit von Festplatten wiederholten sich auf die eine oder andere Weise, obwohl sie unterschiedliche Implementierungsmethoden aufwiesen. Lassen Sie uns die wichtigsten Techniken auflisten, die HDD-Hersteller angewendet haben, um ihre Stoßfestigkeit zu erhöhen:
- Absorption von kinetischer Energie durch Strukturelemente des Körpers;
- Verringern der Steifheit der Halterungen durch Erhöhen ihrer Steifigkeit;
- Installation einer stoßdämpfenden Aufhängung der Köpfe, die Schäden an den Lese- / Schreibmodulen und der zwischen ihnen liegenden ferromagnetischen Schicht minimiert.
Der letzte Punkt bedarf einer zusätzlichen Klärung. Während der Tests wurde festgestellt, dass der Grad der Zerstörung der ferromagnetischen Beschichtung sowie die Wahrscheinlichkeit des Abreißens der Magnetköpfe nicht so sehr von der Kraft des Aufpralls abhängt, sondern davon, wie genau die Lese- und Schreibmodule kommen in Kontakt mit der Oberfläche der Pfannkuchen. Der größte Schaden wird natürlich beobachtet, wenn der Kopf mit einer Kante oder Ecke auf die Platte trifft.
Durch einen verbesserten Aufhängungsmechanismus konnte sichergestellt werden, dass die Magnetköpfe mit ihrer gesamten Oberfläche flach mit den Platten in Kontakt stehen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Da ihre Oberflächen nahezu perfekt glatt sind, verringert sich die Wahrscheinlichkeit eines Abplatzens (und einer umso vollständigeren Ablösung der Magnetköpfe) spürbar, und unter den günstigsten Umständen bleiben sowohl die ferromagnetische Beschichtung als auch die Module selbst intakt.
Unzerstörbare Antriebe für Sport und Outdoor-Aktivitäten
Obwohl diese Maßnahmen dazu beigetragen haben, die Zuverlässigkeit von Festplatten erheblich zu verbessern, ist das Wunder nie geschehen. Was auch immer man sagen mag, aber man kann nicht mit der Physik streiten, und wenn derselbe Maxtor einmal in der Lage war, die Stoßfestigkeit ruhender Festplatten in 2 ms auf beeindruckende 1000 G zu bringen, wenn auch auf Testproben, dann drehte er sich Es ist nahezu unmöglich, ein vergleichbares Schutzniveau für die Headunit während des Festplattenbetriebs bereitzustellen.
Mit der Verbilligung des Flash-Speichers hat sich die Marktsituation jedoch radikal geändert, und der Bedarf an stoßfesten externen Festplatten ist praktisch verschwunden, da diese durch Solid-State-Laufwerke ersetzt wurden. Aufgrund der technologischen Merkmale sind SSDs in einer viel vorteilhafteren Position: Sie enthalten keine beweglichen Komponenten, was bedeutet, dass alles, was erreicht werden muss, um ein schlagfestes Gerät am Ausgang zu erhalten, darin besteht, ein ausreichend langlebiges Gehäuse zu erstellen kann ein angemessenes Schutzniveau für die Leiterplatten bieten, was im Vergleich zur Entwicklung dynamischer Kompensationssysteme viel einfacher ist. Es ist jedoch besser, einmal zu sehen als hundertmal zu hören. Schauen Sie sich dieses Foto an.
Ein an einem Rucksack befestigter Touring-Karabiner hängt an einer tragbaren SanDisk Extreme SSD, einem kompakten Solid-State-Laufwerk für Outdoor-Enthusiasten. Wenn Sie eine normale Festplatte auf diese Weise behandeln, wird sie nach einigen Märschen mit ziemlicher Sicherheit völlig unbrauchbar. Die SSD droht jedoch nicht mit einem Ausfall: Dank des Gummi-Kunststoff-Gehäuses kann sie Überlastungen von bis zu 1500 G in 2 ms standhalten, was fünfmal mehr ist als die Stoßfestigkeit einer Festplatte in Ruhe und fast 30 mal mehr als die Stoßfestigkeit einer Festplatte beim Lesen / Schreiben von Daten. Gleichzeitig ist die 1500G-Anzeige eine Konstante und ändert sich in keiner Weise, selbst wenn Sie mit einem Solid-State-Laufwerk arbeiten.
Die tragbare SanDisk Extreme SSD hält nicht nur erheblichen Überlastungen stand, sondern ist auch gemäß IP55-Standard äußerst staub- und feuchtigkeitsbeständig.
Die erste Ziffer des Index zeigt an, dass die SSD staubdicht ist: Obwohl eine bestimmte Menge feiner Partikel in das Gehäuse gelangen kann, hat dies keinerlei Auswirkungen auf die Leistung des Geräts. Die zweite Zahl zeigt an, dass das Festkörper-Antriebsgehäuse selbst starken Wasserstrahlen aus jeder Richtung standhalten kann.
Ein weiteres interessantes Merkmal dieser Antriebsreihe ist die Wasserbeständigkeit. Bitte beachten Sie: Der USB-Typ-C-Anschluss am unteren Ende hat keine Gummikappe, die Sie normalerweise von einem solchen Gerät erwarten.
Ein Fehler? Gar nicht. Die Sache ist, dass der Anschluss nicht mit den inneren Hohlräumen des Gehäuses kommuniziert: Er ist vollständig isoliert und versiegelt, so dass eindringendes Wasser die elektronischen Komponenten der SSD nicht schädigt, obwohl der Stecker gründlich getrocknet werden muss vor Gebrauch. Dieser Ansatz ermöglichte es, das Solid-State-Laufwerk noch zuverlässiger und langlebiger zu machen, da sich alle Stecker mit der Zeit lockern.
Auch hier hat der SanDisk Extreme Portable mit einer anhaltenden Übertragungsrate von 550 MB / s nicht enttäuscht. Wenn Ihnen dies nicht ausreicht, empfehlen wir, auf die Pro-Version des Geräts zu achten.
Das Design der älteren Laufwerke hat sich leicht geändert: Ein orangefarbener Seiteneinsatz und eine modifizierte Stollenform haben die SSD sportlicher und ausdrucksvoller aussehen lassen. Der Hauptunterschied zwischen der Pro-Version und der regulären Version liegt jedoch in der Unterstützung der Hochgeschwindigkeits-USB 3.2 Gen 2-Schnittstelle, dank derer die Geschwindigkeit des Laufwerks auf beeindruckende 1050 MB / s gestiegen ist. Bei dieser Geschwindigkeit dauert die Übertragung von 100 GB Daten nicht länger als 2 Minuten.
Mehr wollen? In diesem Jahr wurden aktualisierte Versionen der SanDisk Extreme Portable V2 veröffentlicht. Nach wie vor ist die kompakte SSD-Familie in zwei Zeilen unterteilt: Standard und Pro. In Bezug auf den Schutz vor Stößen, Staub und Wasser hat sich nichts geändert, aber ihre Leistung hat sich verdoppelt.
SanDisk Extreme Portable V2 fügt USB 3.2 Gen 2 hinzu und bietet jetzt eine Geschwindigkeit von 1050 MB / s beim Lesen und bis zu 1000 MB / s beim Schreiben von Dateien. Die SanDisk Extreme Portable Pro V2 hingegen spricht diejenigen mit USB 3.2 Gen 2 x 2-Unterstützung an: Mit beeindruckenden 2000 MB / s ist diese SSD die schnellste robuste SSD auf dem Markt und ermöglicht die Übertragung selbst der umfangreichsten SSDs in Sekunden. Dateien, die sicherlich Fans von Fotografie und Videofilmen, Reiseblogger, Journalisten und andere Ersteller von Inhalten ansprechen werden.
Als zusätzlichen Bonus muss die integrierte Unterstützung für Hardwareverschlüsselung AES mit einem 256-Bit-Schlüssel erwähnt werden, die heute eine der zuverlässigsten Methoden zum Schutz kryptografischer Daten darstellt. Mit dem neuen SanDisk Extreme Portable können Sie also zu 100% sicher sein, dass Ihre wertvollen Informationen sicher sind.