Гелиевая подушка: второе дыхание магнитных дисков

Лет тридцать тому назад, рассуждая о кон­струк­ции жестких ди­сков, не­кто Патрик Басс в журнале Antic привел замечательное сра­в­не­ние по­лё­та го­ло­вок над по­верх­но­стью магнитных дисков с плани­ровани­ем Бо­ин­га на вы­со­те 15 см от по­верх­но­сти зем­ли. Со­сед­нее фо­то прекрасно ил­лю­стри­ру­ет эту ситуацию. Глядя на него можно до­га­даться: почему ис­чер­па­ла себя «ста­рая» те­х­но­ло­гия маг­нит­ной за­пи­си. И почему бу­ду­щее — за на­ко­пи­те­ля­ми с гелием внутри. А те­перь давайте по­про­бу­ем раз­об­рать­ся, что имен­но стало по­след­ним вздохом «ат­мо­сфер­ных» ди­с­ков в по­ль­зу гелий-на­пол­нен­ных устройств.

Еще раз о преимуществах гелиевой технологии

Две недели назад Seagate анонсировала диски 10TB, наполненные гелием. HGST производит ге­ли­е­вые диски вы­со­кой емкости уже два года. Получается, тех­но­ло­гия стала стандартом. Это объ­яс­ня­ет­ся тем, что плот­ность ге­лия со­став­ля­ет всего лишь 15% от плот­нос­ти воздуха (0,178 кг/м³ против 1,225 кг/м³), что обес­пе­чи­ва­ет:

• меньшее сопротивление вращению, а значит, позволяет применять более экономичные приводы шпин­де­ля меньшей мощности (пишут про 23% экономию на холостом ходу и аж 44% в пересчете на удельную емкость);
• точность позиционирования магнитных головок, что обеспечивает высокую плотность записи.

Есть еще одна польза от инертного гелия: его теплопроводность равна 0,152. У воздуха перенос тепла оце­ни­ва­ет­ся в 0,022, у неона — 0,049, у аргона — 0,016. Последние два благородных газа при худшей плотности имеют со­по­ста­ви­мую с воздухом теплопроводность. Понятно, почему их использование об­су­ж­да­ет­ся только в контексте ка­мер и бес­ка­мер­ных по­кры­шек ав­то­мо­би­лей. А вот использование ге­лия позволяет существенно улучшить ути­ли­за­цию теп­ла от са­мо­го слож­но­го ком­по­нен­та дисковой под­си­с­те­мы: читающих и пишущих головок.

Мы подошли к главной проблеме магнитной записи — технологии записи и чтения. Сразу отметим, что она ре­али­зу­ет­ся раз­дель­ны­ми ка­на­ла­ми: пишущие головки имеют значительно большие размеры по сра­вне­нию с чи­та­ю­щи­ми. Тем не менее, блок головок — это единое целое, которое парит над маг­нит­ным слоем. От него головки от­де­ле­ны га­зо­вой по­душ­кой, размер которой в случае гелий-на­пол­нен­ной ка­ме­ры уменьшен до предела.

Рис 1. Блок головок жесткого магнитного диска состоит из раздельных каналов записи и чтения

Итак, благородный газ обеспечивает низкую высоту пролёта над магнитным слоем. Это в свою очередь сни­жа­ет то­ко­вую на­груз­ку на головки, а возможный их нагрев, связанный с трением, компенсируется лучшей тепло­про­вод­но­стью. Ну, и расстояние между пластинами становится меньше — значит, их па­кет может содержать большее число ра­бо­чих дис­ков. Это открывает путь к забытому ныне форм­-фак­тору полноразмерных на­ко­пи­те­лей (Full-Height).

Запись требует гелиевую подушку!

Для дисков, наполненных гелием, разгерметизация камеры диска приводит к изменению аэро­ди­на­ми­че­ских ха­рак­теристик пла­ни­ро­ва­ния блока магнитных головок. Изменение плотности атмосферы влияет на подъемную силу, в ре­зуль­та­те чего расстояние между записываемой поверхностью и го­лов­ка­ми увеличивается. Ги­по­те­ти­чески, это де­ла­ет не­воз­мож­ным только запись на диск, но по-прежнему по­зво­ляет читать данных.

Рис 2. Блок головок парит над поверхностью магнитной пластины, защищенный гелиевой подушкой

Причины для такого положения дел можно разделить на две группы. Первая обусловлена фун­да­мен­таль­ны­ми фи­зи­че­ски­ми прин­ци­па­ми магнитной записи. Вторая группа причин связана с логикой ра­бо­ты накопителя и осо­бен­но­стями ре­ак­ции на различные виды ошибок. Здесь хотелось бы ак­цен­ти­ро­вать внимание на двух моментах:

1. Современные накопители не используют верификацию записи, так как эта операция существенно снижает производительность из-за необходимости повторного прохода по дорожке. Это означает, что ошибка за­пи­си не будет обнаружена сразу и даст о себе знать только при попытке чтения искаженных данных, когда уже будет поздно. Для читаемых данных устройство проверяет циклическую контрольную сумму и в случае сбоя выполняется повтор.
2. Неудачное чтение не повреждает данные, если, конечно, головка не царапает диск физически и не про­ис­хо­дит несанкционированное включение тока записи из-за сбоя электроники. Результатом неудачной записи может быть искажение служебной информации и как вариант, полная неработоспособность накопителя.

Резюме

Фактор сохранности данных делает жесткий диск уникальным устройством с точки зрения теории на­­деж­но­сти. По­тре­би­те­лю интересна не только абстрактная интенсивность отказов, но и детальная их клас­си­фи­ка­ция с раз­де­ле­ни­ем на две группы: допускающие и не допускающие восстановление ин­фор­ма­ции. Вопрос о том, к какой из этих групп от­но­сит­ся раз­гер­ме­ти­за­ция камеры, неизбежен для гелий-наполненных устройств.