كيف يعمل القرص الصلب

تخيّل كلّ صورةٍ التقطتها خلال العام الماضي محفوظةً في مساحة نقطةٍ واحدةٍ من الحبر من قلم حبرٍ جاف، هذه هي تقريبًا كميّة ضغط البيانات المخزّنة داخل محرك الأقراص الصلبة، وفي هذا المقال سنقوم بفتح واحدٍ لنرى كيف يمكن لمكتبةٍ كاملةٍ من الكتب أن توضع على سطح هذا القرص المعدنيّ.

القرص الصلب

كيف تعمل محركات الأقراص الصلبة - HDD

سنبدأ بفتح القرص الصلب وتفصيل المكونات الموجودة بداخله بعد ذلك سنتعمق في كيفية قيام محرك الأقراص بتخزين البيانات باستخدام رأس القراءة والكتابة، وفي هذه العملية سنلقي نظرةً على القطاعات، المسارات والمجالات المغناطيسيّة للقرص المعدنيّ، وأخيرًا سنستكشف بعضًا من أحدث التطورات التي تتيح احتواء أكثر من تيرابايت من البيانات داخل كلِّ بوصةٍ مربعةٍ من القرص.

مكونات القرص الصلب - HDD

دعنا ننتقل مباشرةً إلى داخل محرك الأقراص HDD لنجد مجموعةً متنوعةً من المكونات، اولها القرص أو الطبق الذي يخزّن جميع البيانات وقد يكون أكثر من قرص حسب سعة تخزين محرك الأقراص، يتكون القرص من سبيكة ألومنيوم و مغنيزيوم مع طبقاتٍ متعددةٍ من سبائك أخرى.

مكونات القرص الصلب

لكن الطبقة الوظيفية المغناطيسيّة هي هذه الطبقة الرقيقة التي تبلغ 120 نانومترٍ من سبيكة تانتاليوم كوبالت كروم والتي تحتوي على مجالاتٍ أو مناطق مغناطيسيّةٍ صغيرةٍ يمكن التحكم في اتجاهها عبر مجالاتٍ مغناطيسيّة خارجيّة، يتم تثبيت القرص على عمود دورانٍ يدور بسرعة 7200 دورةٍ في الدقيقة باستخدام محرك DC بدون مِسفَرات في مركزه

بجواره مجموعة محاور الرأس HSA بذراعٍ واحدٍ فوق كلِّ قرصٍ وذراعٍ تحت كلِّ قرص، مع شريط تمريرٍ ورأس قراءةٍ وكتابةٍ في نهاية كل ذراع، تم تصميم شريط التمرير بشكلٍ فريد بحيث يلتقط تدفق الهواء الناتج عن القرص الدوار السريع ويستخدمه ليطفو أو يطير مع رأس القراءة والكتابة بحيث يكون على بعد 15 نانومتر فقط أو حوالي 100 ذرة بعيدًا عن سطح القرص.

كيف يتم تحريك أذرع القراءة والكتابة على القرص

تطفو مجموعة الذراع فوق القرص الدوار، ويتم وضعها على السطح عندما يكون بأقصى سرعة وعندما لا يدور القرص يتم وضع مجموعة الذراع على الجانب على قطعةٍ صغيرةٍ من البلاستيك، هنا يتم استخدام محرك ملفٍ يتكون من الأسلاك ومغناطيسيّ نيوديميوم قويين في الأعلى والأسفل لتحريك مجموعة الذراع بالكامل.

رأس القراءة والكتابة

عندما يتم تمرير تيارٍ كهربائيٍّ عبر الملف، فإنه يخلق مغناطيسًا كهربائيًا يتأثر بمغانط النيوديميوم ليولد قوةً تتسبب في تحريك الذراع عبر القرص، عندما يتم إرسال تيارٍ عكسيٍّ عبر الملف يجبر الذراع على الحركة في الاتجاه المعاكس وبالتالي يمكن التحكم في الموضع الدقيق لرأس القراءة والكتابة في غضون حوالي 30 نانومتر.

كما أن المغانط والملف يصنعان محركًا قويًا إلى حدٍّ ما فيمكّن مجموعة الذراع خفيفة الوزن ورأس القراءة والكتابة من التحرك ذهابًا وإيابًا إلى مساراتٍ مختلفةٍ عبر الطبق حتى 20 مرةٍ في الثانية وإجراء تعديلاتٍ صغيرةٍ بسرعةٍ هائلة، ولأجل توصيله برأس القراءة والكتابة يتم ربط شريطٍ مرنٍ على جانب الذراع وصولاً إلى هذا الموصل الذي يغذي الإشارات إلى الجزء الخارجيّ من حاوية محرك الأقراص الصلبة وإلى لوحة الدوائر المطبوعة أو PCB.

المكونات الأخرى للقرص الصلب

يوجد على PCB المعالج الرئيسيّ بالإضافة إلى شريحة DRAM التي تستخدم كلوحة مسوّدةٍ للمعالج ومخزنٍ مؤقتٍ للبيانات الواردة والصادرة، كذلك يوجد على PCB شريحةٌ للتحكم في الملف والمحرك من نوع DC بدون مِسفَرات.

وعلى حافة PCB موصل SATA يتصل باللوحة الأم للتواصل معها وموصلٌ منفصلٌ يرتبط بمزوّد الطاقة.

لوحة الدوائر الإلكترونية

من المكونات الإضافية المهمة غطاء الحماية الذي يغلق القرص بعيدًا عن البيئة الخارجية واثنين من المرشحات التي تلتقط أيّ جزيئات غبارٍ شاردة، هذه المرشحات ضروريةٌ لأن رؤوس القراءة والكتابة تقع على بعد 15 نانومترٍ فقط من القرص ويمكن أن يصل حجم جسيم الغبار الواحد إلى 10000 نانومترٍ لذا قد يتسبب في أضرارٍ جسيمةٍ إذا اصطدم بقرصٍ يدور بسرعة 7200 دورةٍ في الدقيقة.

كيف تتم الكتابة على القرص الصلب

الآن بعد أن بحثنا في العديد من المكونات دعنا نرى كيف تعمل، إن القرص مقسمٌ إلى مساراتٍ من الدوائر متحدة المركز، يمكن أن تحتوي أحدث محركات الأقراص الصلبة على أكثر من 500000 مسار على جانبٍ واحدٍ فقط، ثم يتم تقسيم هذه المسارات إلى قطاعاتٍ وفي كلِّ قطاعٍ مقدمةٌ أو منطقة مزامنةٍ تخبر رأس القراءة والكتابة بالسرعة الدقيقة للقرص الدوار وطول كلِّ بتٍ من البيانات.

مسارات الهارد ديسك

القسم التالي من القطاع هو العنوان الذي يساعد رأس القراءة والكتابة على معرفة المسار والقطاع الذي تم وضعه عليه حاليًا، بعده لدينا البيانات الفعليّة التي يتم تخزينها وعادةً ما تكون أربعة كيلوبايتٍ من البيانات لكلِّ قطاع، بعد ذلك منطقةٌ لرمز تصحيح الأخطاء أو ECC والذي يتم استخدامها للتحقق من أن البيانات المخزنة في الكتلة مكتوبةٌ بدقةٌ وتم قراءتها بشكلٍ صحيح، وأخيرًا هناك فجوةٌ بين هذا القطاع والقطاع الذي يليه، مما يتيح لرؤوس القراءة والكتابة بعض التسامح عند كتابة محتويات الكتلة.

تتم كتابة البيانات على القرص عن طريق تغيير اتجاه المغنطة لمنطقةٍ أو مجالٍ موضعيٍّ من طبقة التانتاليوم كروم كوبالت في القرص وإجبار المنطقة على أن تكون ممغنطة في اتجاه الشمال أو اتجاه الجنوب، يبلغ حجم هذا المجال أو المنطقة المغناطيسيّة الصغيرة حوالي 90 × 100 ×125 نانومتر، عند مغنطتها سيكون لجميع الذرات أقطابٌ مغناطيسيّة صغيرةٌ من الشمال والجنوب تشير إلى نفس الاتجاه.

كيف تتم مغنطة المجالات في القرص الصلب

من أجل مغنطة مجالٍ واحدٍ وهو ما يعادل كتابة بتٍ واحدٍ من البيانات يتم تطبيق تيارٍ على ملفٍ من الأسلاك في الجزء الخلفيّ من رأس الكتابة مما ينشئ مجالًا مغناطيسيّا قويًا، يتم توجيه المجال المغناطيسيّ عبر رأس الكتابة وتركيزه في نقطةٍ صغيرةٍ عند الطرف ليقفز عبر فجوة الهواء التي تبلغ 15 نانومتر إلى القرص.

رأس القراءة والكتابة على المناطق القابلة للمغنطة

عندما يمر المجال المغناطيسيّ المُركّز إلى مجالٍ واحدٍ من كروم الكوبالت التانتاليوم، تُجبر جميع هذه الذرات على محاذاة مجالاتها المغناطيسيّة الذريّة الصغيرة مع المجال المغناطيسيّ المطبّق من رأس الكتابة وبالتالي تحويل المجال الصغير أو المنطقة إلى مغناطيسٍ دائم، والفكرة هنا أنه حتى عندما يتحرك رأس الكتابة بعيدًا فإنه يتم الاحتفاظ باتجاه المغناطيس في المجالات الموجودة في هذه الطبقة من القرص لسنوات.

وتطلق مجالًا مغناطيسيّا دائم، يمكن استشعاره بشكلٍ متكررٍ بواسطة رأس القراءة في كلِّ مرةٍ تقرأ فيها البيانات المخزنة في هذا القطاع وذلك بالطبع إلا أن يقوم الحاسوب ورأس الكتابة بإعادة كتابة جزءٍ جديدٍ من البيانات إلى هذا المجال إما عن طريق قلب الاتجاه أو إبقائه على حاله.

كيف تتم قراءة البيانات من القرص الصلب

فلنستكشف كيف نقرأ البيانات من القرص، لقد أظهرنا المجالات على أنها تشير إلى الأعلى كالرقم 1 في نظام العدّ الثنائيّ وتشير إلى الأسفل كالرقم 0، بينما من الناحية النظريّة فالأمر ليس كذلك، بل إن رأس القراءة مصمم لاكتشاف التغيرات في اتجاه المجالات المغناطيسية التي تشير إلى اتجاهٍ واحد ومن ثم المجال المجاور الذي يشير إلى الاتجاه المعاكس.

وذلك لأن المجالات المغناطيسية المنطلقة من المناطق المجاورة والتي تقوم بتبديل اتجاهها أقوى بكثيرٍ من المجال المنبعث من منطقة واحدة فقط يشير إلى اتجاهٍ ما أو غيره، وبالتالي فإن كل تغيير في المجال المغناطيسيّ الذي يشير باتجاهٍ واحدٍ إلى الاتجاه المعاكس يتم تعيينه كرقم 1 وغياب الانتقال من مجالٍ إلى آخر يتم تعيينه 0، لذلك فإن رأس الكتابة سيسجل تسلسلًا ثنائيًا مثل 0011 0010 أو التسلسل 1101 1110 حيث تتغير الواحدات والأصفار لا تغيير.

ماذا يوجد داخل رأس القراءة كي يكتشف هذه المجالات المغناطيسية

في الداخل مادةٌ موصلةٌ متعددة الطبقات تتكون من طبقاتٍ متناوبةٍ من المعادن المغناطيسية والمواد غير المغناطيسية، هذه المادة متعددة الطبقات لها خاصية تسمى المقاومة المغناطيسيّة العملاقة أو GMR وببساطةٍ هي مادةٌ تتغير مقاومتها اعتمادًا على قوة المجالات المغناطيسية التي تمر عبرها.

لذا فإن استخدام GMR هو مسألةٌ بسيطةٌ تتمثل في قياس المقاومة فقط وعندما تكون هناك مقاومةٌ منخفضةٌ فهذا يعني وجود مجالاتٍ مغناطيسيّةٍ قويةٍ أسفل رأس القراءة ناتجةٌ عن تغيير اتجاه المجال مما يعني الرقم 1 وعندما تكون هناك مقاومةٌ عاليةٌ ولا يوجد تغيير فهو الرقم 0، ولكن هذا يطرح مشكلةً ألا وهي يمكن لسلسلةٍ من عشرات المجالات غير المتغيرة أن تؤدي إلى عددٍ غامضٍ من الأصفار.

لإصلاح ذلك ببساطة تعيّن المقدمة في كلِّ قطاع إلى مجموعةٍ من المجالات المتناوبة التي تستخدم لتحديد حجم كل مجال ثم يتم استخدام رمز تصحيح الخطأ الموجود في الجزء الخلفيّ من القطاع لضمان عدم فقدان أيّ بيانات.

تطورات الأقراص الصلبة - الهارد ديسك

لنستكشف بعض التطورات في تقنية محرك الأقراص الصلبة التي حسنت الكثافة الهوائيّة أي عدد البتات التي يمكن احتواؤها داخل منطقة معينة، فقد زادت الكثافة الهوائيّة أكثر من 50 مليون مرة خلال الستين عامًا الماضية،

ولكن ربما الأهم هو أن تكلفة تخزين تريليونات البتات من البيانات قد انخفضت بأكثر من 100 مليون مرة

فقط تخيل لو أننا سنسافر عبر الزمن بهذا القرص الصلب إلى ستينيات القرن الماضي، فستبلغ قيمته أكثر من 4 مليارات دولار، والآن في عام2022 يكلّف أقلّ من أربعين دولارًا وهو أسرع بكثيرٍ وأكثر موثوقيّةٍ من محركات الأقراص في فترة الستينيات.

فلنعد الآن إلى محركات الأقراص الصلبة ونرى بعض التطورات التي تسمح لهذا القرص بتخزين تيرابايت من البيانات، أولاً في عام 2010 تقريبًا تم تحويل اتجاه المجال من كونه أفقيًا إلى الوضع الشاقوليّ ومعه كان على الرؤوس الكتابة والقراءة أيضًا تغيير اتجاهها، ويرجع هذا التغيير في الاتجاه إلى حقيقة أنه مع تقلص المجال المغناطيسيّ في الحجم، فإنه يصبح أكثر سهولةً في التأثر بدرجة الحرارة.

تقنيات التسجيل على القرص الصلب

عند تغيير الاتجاه إلى الشاقوليّ فإنه يمكن للنطاقات أو المناطق المغناطيسيّة الاستفادة من عمق المادة مع تقلص المساحة الموجودة على القرص لكلّ مجال، التقدم التالي الذي سننظر فيه يسمى التسجيل المغناطيسيّ المغطّى أو SMR والذي بدأ تتداوله التجاريّ حوالي عام 2020، قبله استخدمت محركات الأقراص الصلبة التسجيل المغناطيسيّ التقليديّ أو CMR حيث يبلغ عرض مسارات البيانات 90 نانومتر ولها أشرطة حماية على جانبيّ المسار.

ولكن مع التسجيل المغطّى تتم كتابة المسارات لتتداخل جزئيًا مع المسارات المكتوبة مسبقًا بدون أشرطة حماية لفصل كل مسار، وبالتالي يمكننا احتواء العديد من المسارات والمزيد من البيانات في منطقةٍ معينة، رأس القراءة أصغر بكثيرٍ من رأس الكتابة، ونتيجةً لذلك يمكن قراءة مسارٍ واحدٍ بشكلٍ موثوقٍ في وقتٍ ما.

ولكن المشكلة هي أنه إذا قمت بالكتابة مباشرةً فوق المسار وكان المسار العلويّ للبيانات المتداخلة لا يزال جيدًا أو يحوي بياناتٍ صالحة، فسيتعين على محرك الأقراص قراءة تلك البيانات الصالحة أولاً وتخزينها في المخزن المؤقت DRAM ثم كتابة كلٍّ من المسار السفليّ للبيانات الجديدة والمسار العلويّ من البيانات الصالحة، لذلك يمكن أن يؤدي التخزين المؤقت وخطوات القراءة والكتابة الإضافيّة إلى فقدان الأداء.

التقدم الثالث الذي سنناقشه هو التسجيل المغناطيسيّ المدعوم بالحرارة أو HAMR وهو غير متوفرٍ تجاريًا بعد، تستخدم هذه التقنية ليزرًا صغيرًا مركّزًا لتسخين المنطقة التي يتم الكتابة عليها بشكلٍ نشط، بتسخين المجال يمكن التأثير بسهولةٍ على المنطقة المغناطيسيّة أو إجبارها على التوجّه في اتجاهٍ معين، وهذا أمر ضروريّ لأن كلًا من رأس الكتابة والمجال الكهرومغناطيسيّ صغيران بشكلٍ هائل، وبجعل تغيير المنطقة المغناطيسيّة سهولًا بشكلٍ أكبر باستخدام الحرارة المركزة يمكننا الاستمرار في تقليص حجم المجال المغناطيسيّ.

المصدر Branch Education