هارد درایوها چگونه کار می‌کنند؟
فرقی نمی‌کند که آن را چه بنامید؛ هارد درایو، هارد دیسک، هارد دیسک درایو و یا HDD تماما اسامی یکسانی هستند. در میان اجزای داخلی کامپیوتر، هیچ یک از اجزا به پیچیدگی هارد درایوها نیستند. در رابطه با کامپیوترها، همه چیز به هارد درایو خلاصه میشود. بدون آن‌ها، کامپیوترها بی‌روح و خالی هستند. درواقع هارد درایوها روح کامپیوترهای مدرن هستند. هارد درایوها تمام اطلاعات حیاتی زندگی ما، از قبیل خاطرات، اطلاعات تجاری و کسب‌وکار ما و هرچیز دیگری را در خود ذخیره می‌کنند. هارد درایوها باعث ایجاد اکثر شغل‌های مربوط به بازیابی اطلاعات شده‌اند. حال سوال اینجاست که هارد درایوها چگونه کار می‌کنند؟
نحوه طراحی و عملکرد هارد درایو
اصول هارد درایو
اطلاعات ما بر روی هارد درایوها با اساسی‌ترین فرم ذخیره که تحت عنوان ارقام باینری شناخته میشود، ذخیره می‌شوند. ارقام باینری همچنین به عنوان بیت‌ها شناخته می‌شوند. یک بیت می‌تواند روشن یا خاموش باشد. ما این فرمت دیجیتال را به عنوان ۰ و ۱ می‌بینیم.
اما این ۰ و ۱ ها چگونه بر روی هارد درایو نوشته می‌شوند؟
به‌طورخلاصه، بیت‌ها توسط یک هد بر روی هارد دیسک نوشته می‌شوند. این هد درواقع هد خواندن/نوشتن است؛ چرا که هم برای خواندن و هم برای نوشتن اطلاعات استفاده میشود. این هد یک قطعه الکترومغناطیسی(آهنربا) است. این آهنربا از یک قطعه فلز تشکیل شده‌است که توسط حلقه‌ای از سیم احاطه شده است. جریان الکتریکی از این حلقه سیم عبور کرده و یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. سپس، این میدان مغناطیسی هر بیتی که باید ۱ باشد را مغناطیسی می‌کند و بیتی که باید ۰ باشد را دور می‌زند. بنابراین به‌طورخلاصه، هارد شما دارای هدهای خواندن و نوشتن است که به سادگی دیسک را با اندازه‌گیری قطبش مغناطیسی(رمزگشایی اینکه یک بیت، ۱ است یا ۰) می‌خواند یا با تغییر قطبش مغناطیسی در مناطق خاصی از دیسک، عمل نوشتن اطلاعات را انجام می‌دهند.
اجزای کلیدی یک هارد درایو
طراحی و عملکرد هارد درایوها بسیار دقیق است، اما به محیطی که ما از آن‌ها استفاده می‌کنیم، فکر کنید. در بسیاری از موارد، هارد درایوها درون کامپیوترهای رومیزی یا سرورها قرار می‌گیرند. اما درون دستگاه‌های قابل حمل نیز قرار دارند. آن‌ها حمل می‌شوند، زمین می‌خورند، اما هنوز به کار خود ادامه می‌دهند. به این مدل رفتارهای خود ادامه خواهیدداد تا زمانی‌که متوجه می‌شوید هارد درایوها چقدر پیچیده، ظریف و شکننده هستند. درست از همان زمان، احتمالا با آن‌ها مانند یک نوزاد تازه متولدشده رفتار خواهیدکرد.
اجزای تشکیل‌دهنده هارد درایوها، از همان ابتدا تقریبا یکسان بوده‌است. این طراحی با گذشت زمان، بهبود یافته‌است. اما همچنان یک گروه اصلی از قطعات وجود دارد که تقریبا مثل همیشه کار می‌کنند.
پلتر(Platter)
درواقع همان دیسک است. بخشی از درایو که عملا اطلاعات را ذخیره می‌کند.
اغلب هاردها چندین پلتر دارند که به یک اسپیندل متصل شده‌اند.
هدهای خواندن-نوشتن(Read-Write Heads)
همانطور که از اسم آن مشخص است، این قسمت، عمل خواندن-نوشتن اطلاعات بر روی پلتر را انجام می‌دهد.
کنترل کننده مرکزی(Actuator)
حرکت هدهای خواندن-نوشتن بر روی پلتر را کنترل می‌کند.
اسپیندل(Spindle)
قطبی که پلترها بر روی آن سوار شده‌اند.
PCB(Printed Circuit Board)
جایی که کابل رابط و برق را متصل می‌کنید. PCB، همچنین داده‌های مربوط به هارد دیسک شما را ذخیره می‌کند، برخی از قابلیت‌هایی نظیر محافظت در برابر ولتاژ را ارائه می‌دهد و سایر عملکردهای داخل هارد را تنظیم می‌کند.
نحوه طراحی و عملکرد هارد درایو
پلترهایی که در درون درایو می‌چرخند، بسیار سفت و سخت بوده و معمولا از موادی مانند آلومینیوم، سرامیک یا شیشه تولیده شده‌اند. به دلیل اینکه این دیسک‌ها سخت هستند، به این درایوها، هارد درایو گفته میشود. برخلاف درایوهای فلاپی که از دیسک‌های انعطاف‌پذیر برای ذخیره‌سازی اطلاعات استفاده می‌کنند.
- اطلاعات می‌توانند در هر دو طرف پلتر ذخیره شوند.
- هر سطح از پلتر، دارای یک هد اختصاصی خواندن-نوشتن است.
- بنابراین یک هارد درایو با سه پلتر، به احتمال خیلی زیاد ۶ هد خواهد داشت.
Head Gap
هدهای خواندن-نوشتن در نوک یک بازوی محرک واحد نصب می‌شوند. نوک مجوعه هد، متشکل از هدهای خواندن-نوشتن است و چیزی به نام اسلایدر است. یک نکته بسیار مهم در رابطه با هارد درایوها وجود دارد. هدها در حین انجام عملیات نرمال، هرگز پلترها را لمس نمی‌کنند. آن‌ها در واقع در بالشتکی از هوا شناور هستند که به آن air bearing گفته میشود. هنگامی‌که پلترها زیر هدها می‌چرخند، فشار هوای مثبتی ایجاد می‌کنند و اسلایدر تقریباً مانند بال هواپیما عمل می‌کند. فشار هوا برخلاف اسلایدر عمل می‌کند. هدها را بلند کرده و آن‌ها را روی سطح پلتر شناور می‌سازد. درهارد درایوهای جدید، فاصله بین هد و پلتر در حال چرخش در سرعت عملیاتی طبیعی، معمولا کمتر از ۵ نانومتر می باشد.
به این فاصله flying height یا head gap گفته میشود.
بازوی محرک به عقب و جلو حرکت می‌کند و به هدها این امکان را می‌دهد تا روی سطح پلتر جابجا شوند تا به محل موردنظر برسند. بازوی محرک و حرکت هدها توسط یک کنترل‌کننده مرکزی به نام actuator کنترل می‌شوند. در هارد درایوهای قدیمی، این بخش یک موتور پله‌ای بود. اما در اکثر درایوهایی که در ده سال گذشته ساخته شده‌اند، یک محرک سیم پیچ صدا استفاده شده‌است. این سیم پیچ صوتی، توسط سطوح مغناطیسی ساکن، در بالا و پایین پایه بازوی محرک احاطه شده‌است. محرک سیم پیچ صدا، درواقع یک الکترومغناطیس است. میزان جریان عبوری از سیم پیچ صدا همان چیزی است که جهت چرخش بازوی محرک را نسبت به آهن‌رباهای اطراف آن کنترل می‌کند.
خواندن و نوشتن اطلاعات بر پلترها
هدهای خواندن-نوشتن هارد درایو، از طریق تغییر قطبش لایه بالایی از سطح پلتر، اطلاعات را بر روی پلتر می‌نویسند. این لایه بالایی متشکل از یک پوشش بسیار نازک فرومغناطیسی است. فقط گفتن این مطلب که این لایه بسیار نازک است، حق مطلب را ادا نمی‌کند. ضخامت این لایه چیزی در حدود ۱۰-۲۰ نانومتر است. برای فهم بهتر این ضخامت، ضخامت یک کاغذ چیزی در حدود ۷۰,۰۰۰ تا ۱۸۰,۰۰۰ می‌باشد. حال قطعا متوجه حساسیت موضوع شده‌اید.
- پوشش فرومغناطیس، به شدت نازک و حساس است و حتی کوچک‌ترین تماس، باعث بروز آسیب‌های بزرگی میشود.
- این پوشش اطلاعات شما را شامل میشود.
سوییچ مغناطیسی ۰ و ۱ را تشکیل می‌دهد که عکس‌ها، مستندات و درکل اطلاعات شما را می‌سازد. - هدهای خواندن-نوشتن در بالشتکی از هوا با فاصله‌ای که در درایوهای جدید معمولا کمتر از ۵ نانومتر است، بالای سطح پلترها شناور هستند.
- هدها در فاصله‌ای کمتر از ۵ نانومتر بالای سطح پلتر شناور هستند.
- برای فهم بهتر نکات ۳ و ۴، عرض یک رشته واحد DNA برابر ۲.۵ نانومتر است.
طول یک باکتری تنها برابر ۲۵۰۰ نانومتر و عرض یک رشته از مو برابر ۸۰.۰۰۰ نانومتر است. - فاصله بین هد و پلتر به حدی کم است که یک رشته DNA تنها، به سختی از این فاصله می‌تواند عبور کند.
حال متوجه شدید که این فاصله‌ها چقدر کوچک است. به همین دلیل اصرار داریم که در صورت بروز مشکل و نیاز به تعمیر هارد، به هیچ‌وجه اقدام به بازکردن در هارد خود نکنید. نمی‌توانید تصور کنید که یک اثر انگشت بر سطح پلتر، چه آثار فاجعه‌باری خواهدداشت. همانطور که گفتیم فاصله بین هد و پلتر کمتر از ۵ نانومتر است. درحالیکه یک اثر انگشت به تنهایی، ضخامتی برابر ۱۲۰۰۰ نانومتر دارد.
آیا فریزکردن هارد، روش مناسبی است؟
حال که صحبت تلاش‌های فردی برای بازیابی اطلاعات به میان آمد، می‌خواهیم به طورخلاصه، روش فریزکردن هارد درایو را برای بازیابی اطلاعات بررسی کنیم. قبلا در یک مقاله به طور کامل به بررسی فریزکردن هارد درایو پرداخته‌ایم. فریزکردن هارد درایو، یک روش قدیمی ارائه‌شده برای بازیابی اطلاعات است. آن‌چه که شما احتمالا نمی‌دانید، یخ‌زدگی سطح پلتر است. این کریستال‌های یخ، ارتفاعی درحدود ۳۰.۰۰۰ نانومتر دارند. حال فاصله بین هد و پلتر را درنظر بگیرید. ما هرگز این روش را پیشنهاد نمی‌کنیم. چرا که فریزکردن هارد درایو نه تنها مشکل هارد را حل نمی‌کند، بلکه باعث بروز مشکلات تازه‌تری میشود.
نحوه طراحی و عملکرد هارد درایو
اطلاعات از طریق انتقال یک شار الکترومغناطیس، بر روی پلتر نوشته میشود. هد خواندن-نوشتن این کار را انجام می‌دهد. همانطور که هدها روی سطح پلتر چرخان حرکت می‌کنند، قطبش پوشش مغناطیسی به دلیل جریانی که از طریق هد خواندن-نوشتن عبور می‌کند، تغییر می‌کند. به نوعی ضربان قلب مغناطیسی را در مکان‌های دقیق انجام می‌دهد. اطلاعات هنگامی‌که هد روی سطح پلتر چرخان حرکت می‌کند، خوانده میشود. تفاوت بین قطب‌های مغناطیسی، از طریق هد تشخیص داده میشود و سپس جریانی ایجاد میشود که به صورت باینری ۱ یا ۰ تعبیر میشود.
درایوهای با ظرفیت بالا
تا چند سال پیش، تصور می‌شد که ظرفیت هارد درایوها، به دلیل محدودیت‌های فیزیکی به ۳ ترابایت محدود خواهدبود. این تفکر با عرضه درایوهایی با ظرفیتی بالای ۳ ترابایت از بین رفت. مشکل ظرفیت، تراکم داده است. هرچه اطلاعات بیشتری را بتوانید روی یک سطح پلتر فشرده کنید، ظرفیت درایو، بزرگتر خواهدشد.
کمپانی‌ها درایوهایی با ظرفیت‌های بسیار بالاتر تا ۱۰ ترابایت را ارائه دادند. حال سوال اینجاست که چگونه به چنین ظرفیت‌هایی دست یافته‌اند؟ بهبودهایی در روند نوشتن و ذخیره‌سازی اطلاعات بر روی پلترها ارائه شده‌است. انتظار نمی‌رود که اندازه فیزیکی پلترها تغییر کند، اما مقدار اطلاعاتی که می‌تواند بر روی صفحه فشرده کنند، (اغلب از آن‌ها به عنوان تراکم داده‌ها یاد میشود) بیشتر و بیشتر میشود.
متدهای ذخیره‌سازی نیز تغییر کرده‌اند. در طول سال‌های گذشته، روش نوشته شدن اطلاعات بر روی پلترهای هارد درایو تغییر کرده‌است. در هارد درایوهای با روش قدیمی، اطلاعات به صورت طولی روی پلتر نوشته می‌شد. اما از ابتدای سال ۲۰۰۵، روش ذخیره‌سازی به صورت عمودی تغییر کرد. این حالت امکان ذخیره‌سازی بیت‌های بیشتر در اینچ مربع را فراهم می‌کند.
در حال حاضر پیشرفت‌های بزرگ‌تری نیز در نحوه نوشتن داده‌ها در پلترها رخ داده است. تولیدکنندگان هارددرایوها تصمیم به استفاده از تکنولوژی HAMR دارند. این روش از لیزر برای گرم کردن سطح، قبل از نوشته‌شدن اطلاعات استفاده می‌کند. در این روش ذخیره‌سازی از آلیاژ پلاتین آهن استفاده میشود که بسیار پایدار است.