Технологии защиты от ударов и тряски в новейших жестких дисках

Отказы, возникающие при эксплуатации носителей информации на жестких дисках, могут быть вызваны очень многими причинами, в том числе и производственными дефектами. В данной статье мы рассмотрим природу отказов, вызванных внешними механическими воздействиями на жесткий диск (удары, сотрясения, толчки, т. к. именно они являются «невидимыми» провокаторами гибели винчестера в 53% случаев), а также технологии, реализуемые в последних модификациях жестких дисков с целью значительного повышения устойчивости носителей к указанным воздействиям.

Любой отказ или неисправность в накопителе может обернуться частичной или полной потерей очень важной и порой бесценной информации. В виду того, что значительная доля неисправностей в накопителях является следствием непредусмотренных спецификациями механических воздействий на них, в настоящее время особое внимание стало уделяться защите HDD от ударов и толчков.

Падение жесткого диска (пусть даже с очень небольшой высоты) может вызвать внутренние повреждения в накопителе, несмотря на то, что внешне корпус винчестера выглядит безупречно, и на нем нет следов механического воздействия. Самым безопасным такое воздействия будет, если отказ HDD или наличие ошибок на нем были обнаружены при тестировании на заводе изготовителе. В этом случае, накопитель выбраковывается и на этом его жизненный путь закончен. Это не страшно, т. к. он никогда не поступит в эксплуатацию и на него никогда не будет записана информация. Гораздо хуже, если возникшие неисправности при тестировании себя никак не проявили, и накопитель поступил в продажу. Подобные неисправности опасны тем, что они проявят себя позже, постепенно ухудшая параметры накопителя, они несут угрозу хранящимся на накопителе данным…

Удар — это резкое и сильное механическое воздействие на предмет характеризующееся очень малой длительностью. Удары характеризуются огромными ускорениями, которые получает предмет за очень непродолжительное время. Поэтому уровень ударного воздействия, которому подвергнулся предмет, принято измерять в единицах кратных ускорению свободного падения G, равное 9,8 мс2.

Рабочая ударостойкость определяет его стойкость к ударам в рабочем состоянии, при которых обеспечивается безошибочность записи/чтения. Рабочая ударостойкость обычно не велика и составляет около 10-15G у старых накопителей и до 70-150 у новейших, собранных с применением технологий защиты. К счастью, накопители, находящиеся в рабочей системе подвергаются ударам очень редко, да и энергия этих воздействий значительно снижается элементами конструкции корпуса компьютера, поэтому повреждения в этом состоянии жесткие диски получают редко.

Чаще всего жесткие диски испытывают ударные воздействия в моменты транспортировок от поставщика к потребителю и в процессе его установки в PC недостаточно квалифицированным или плохо осведомленным персоналом. В России ситуация часто усугубляется тем, что партии винчестеров перевозят неподготовленным для этого транспортом, не предусматривая никаких дополнительных мер защиты на случай столкновения автомобиля или просто резкого торможения. Очень часто фирмы — продавцы комплектующих, при продаже винчестеров передают их покупателю упакованными в одну единственную электростатическую оболочку. А ведь покупателю его еще до дома или до работы везти. И где гарантия, что сам продавец, не стукнул этот винт, а это очень вероятно в таких точках торговли, как радиорынки. Достаточно посмотреть, как там с ними обращаются. Более того, достаточно сильное ударное воздействие жесткий диск может испытать, если случайно ткнуть его монтажным инструментом, например отверткой, стукнув два винчестера между собой или в результате усиленного проталкивания винчестера в его посадочное место в корпусе компьютера… На рисунке 1 показаны наиболее типичные случаи возникновения ударных воздействий на винчестеры и степень их воздействия на жесткие диски. По вертикали — сила воздействия в единицах кратным ускорению свободного падения (G), по горизонтали длительность воздействия.

• шлепок головок;
• проскальзывание и смещение дисков в пакете;
• появление люфта в подшипниках.

Самым распространенным последствием удара в накопителе является «шлепок головок», Рисунок 2. Он происходит когда энергиия удара направлена вертикально или под некоторым углом к горизонтальной плоскости. В этом случае, происходит отрыв магнитой головки от поверхности диска и затем ее резкое опускание на поверхность магнитного диска. В момент соприкосновения, головка врезается в поверхность своей кромкой, положение головки выравнивается и она с силой прижимается к поверхности всей плоскостью. В результате этого диск получает поверхностные повреждения, мельчайшие частички и осколки рассеиваются по поверхности магнитного диска.

Не стоит думать, что эти осколки смогут улететь за пределы диска в виду центробежных сил возникающих при бешеном вращении диска. По причине магнитной природы диска и микроскопического размера осколков, они остануться на диске и ничем их оттуда не убрать. Кроме того, после удара, сама головка может получить физическое повреждение, а ее магнитные свойства резко ухудшаются. На практике данные повреждения проявляются в виде так называемых «битых кластеров». Если просматривать такой диск в программах с визуальным интерфесом типа Norton Speed Disk, то повреждения поверхности проявятся в виде одного или нескольких хаотично расположенных сбойных кластеров. Повреждения вызванные дефектом одной из головок скорее всего проявятся в виде гораздо большего количества дефектных кластеров и в их расположении будет четко отслеживаться некоторая закономерность. Но даже в том случае, если дефекты на диске не проявились сразу после ударного воздействия на накопитель, эти дефекты дадут о себе знать позже (через месяц или даже через год!). Почему? Давате рассмотрим этот вопрос детальней.

Принцип работы магнитно-резистивной (MR) головки при чтении данных состоит в изменении сопротивления электрическому току в соответствии с изменением магнитного поля. Элемент чтения такой головки представляет собой очень тонкую пленку специального материала, которая меняет свое сопротивлении в соответствии с расположением магнитных доменов на поверхности вращающегося диска. Расположение этих доменов, определяется записанной на диск информацией. Изменение сопротивления пленки, регистрируется специальным каналом чтения и передается на дальнейшую обработку компаратору, окончательно определяющему, что было записано, ноль или единица. MR головки обладают еще одним свойством, непосредственно относящимся к нашей теме — конечное активное сопротивление пленки зависит от ее температуры.

В нормальных условиях, при раскрученном до рабочих оборотов диске, воздушный поток приподнимает головку над диском, и она парит над гладкой поверхностью диска, не касаясь его. Если же на диске будут частицы или неровности сопоставимые по размерам с зазором между головкой и диском, то они, проносясь с огромной скоростью под парящей головкой, задевают ее, и трение мгновенно разогревает головку. Этот нагрев, тут же сказывается на сопротивлении пленочного покрытия головки и оно резко повышается. Канал чтения неверно интерпретирует изменение сопротивления головки и чтение данных в этом месте становится невозможным.

Постоянное воздействие температуры преждевременно старит головку, а проносящиеся под головкой частицы действуют как абразивная шкурка. Способность головки реагировать на изменение магнитного поля ухудшается со временем (на диске появляются все новые и новые нечитаемые сектора, или как говорят диск начал «сыпаться»), и в конечном итоге происходит полный выход головки из строя.

Одним из возможных решений проблемы может явиться осторожность и квалифицированность людей обращающихся с накопителями. Но таким способом проблему решить тяжело, т. к. даже за рубежом, более 30% жестких дисков устанавливаются в компьютеры не подготовленным персоналом вне фирм производителей компьютеров. В России этот процент гораздо выше. Более того, очень много случаев, когда ударные воздействия являются следствием случайности, а не халатности.

Таким образом, решение данной проблемы должно реализовываться через повышение ударной стойкости самого накопителя. В последнее время производителя накопителей разработали целый ряд недорогих и эффективных технологических решений по повышению ударной стойкости и надежности продукции и к нашему счастью, теперь это решение не ограничивается надписью «Handle with care!» на корпусе.

Посмотрим, что же предлагают нам основные производители.

Технология SPS (Shock Protection System) была разработана в первой половине 1998 года и впервые внедрена в винчестерах серии Fireball EL. Она представляет собой 14 улучшений и технологических решений в конструкции накопителя направленных, прежде всего на поглощение и минимизацию отрицательного эффекта ударов с высокой энергией и коротким временем воздействия. Это явилось результатом долгого и тщательного исследования поведения, взаимодействия конструктивных элементов, нагрузок и их распределения во время удара. Повторимся, самым пагубным последствием таких ударов, является отрыв головки от диска и ее дальнейший резкий шлепок по нему. Решения примененные инженерами Quantum исключают или значительно уменьшают высоту отрыва головки при ударе (Рисунок 3). Основная энергия удара поглощается остальными конструкциями накопителя, что предотвращает шлепок и появление осколков, ведущих к преждевременному старению жесткого диска. На настоящий момент, следующие модели Quantum собираются с применением SPS: VikingII, Fireball EL, Fireball CX, Fireball CR, Fireball Plus KA, Fireball Plus KX, Atlas III, Atlas IV, Atlas 10k, BigFoot TS.

Технология SPS II явилась логическим продолжением технологии SPS и была объявлена в 1999 году. Первым жеским диском с такой технологией стал Fireball Ict В то время как, SPS обеспечивала повышенный уровень устойчивости к ударам полученным накопителем в нерабочем состоянии, SPS II дополнительно защищает работающий накопитель от производства записи /чтения в моменты удара и тряски возникающие в случае толчков системного блока работающего компьютера. Вместо записи на диск, данные кэшируются, и будут записаны на диск позже, когда энергия толчка будет поглощена и диск будет в спокойном состоянии. Рисуноки 4 и 5 показывают процесс записи в момент удара на не защищенный и защищенный технологией SPS II диски. На момент написания SPS II используется в трех новейших моделях Quantum — Fireball Ict, Fireball Ict10k и AtlasV.

Технология GFP (G-force protection) компании Seagate объединяет в себе ряд технологических решений направленных на улучшение нерабочей ударостойкости носителей. Эта технология обеспечивает большую степень защиты таких компонентов жестких дисков как: двигатель и подшипник вращения дисков, головки, гибкие держатели головок и диски.

Уменьшив массу и размеры головок, а так же увеличив величину клиренса между держателем и диском, инженеры компании заметно уменьшили кинетическую энергию этих компонентов приобретаемую ими в процессе удара. А значит, у головок становится меньше шансов произвести шлепок по диску в момент внешнего воздействия. Seagate также уделила внимание защите и прочности подшипников вращения дисков и узлу крепления дисков в пакете.

Дефекты возникающие в подшипнике (см. рис. 6) ведут к повышенной шумности и вибрациям винчестера, что к конечном итоге может привести к отказу двигателя.

Проскальзывание дисков в узле крепления происходит достаточно редко, но даже если это и происходило в результате удара, то жесткие диски семейства Barracuda и Cheetah всегда имели способность работать с проскользнувшим диском благодаря встроенной системе коррекции головок на каждый оборот диска (once per revolution compensation — OPR). Сервосистема диска использует OPR для определения величины, на сколько сдвинут диск от своего первоначального положения, и в соответствии с этим корректирует положение головок, так чтобы положение головки соответствовало записанной на диск дорожке. В технологии GPS применена улучшенная система OPR, что вдвое увеличивает способность сервосистемы обслуживать сдвинутые диски.

Технология GPS будет применена на новейших высокопроизводительных накопителях Seagate Barracuda 18LP/36/50 и Cheetah 18LP/36. В целом применение GPS позволит, по мнению производителя, увеличить сопротивляемость ударным воздействиям на 30% для дисков Barracuda и на 40% для семейства Cheetah.

Дальнейшим развитием этой технологии стала технология ShockBlock Enhanced. Теперь Maxtor утверждает, что ее технология позволяет накопителям ее производства противостоять ударам с уровнем до 1000 G!. Первым накопителем произведенным с этой технологией стал DiamondMax 6800. Чем же достигнута такая высокая ударостойкость. По мнению Maxtor, делая держатели головок более гибкими, производители не только не снижают силу шлепка головки о диск, а даже увеличивают его, так как эффект «хлыста», только усиливает удар. Maxtor наоборот сделала держатели гораздо более упругими в своих новых накопителях. Неизбежно, увеличив упругость держателя, компании пришлось дополнительно решать вопрос обеспечения прежнего «парения» головок над диском во время его вращения. И видимо ей это удалось. Более того, компания пошла дальше. Справедлив рассудив, что пагубным эффектом является не столько сам шлепок, а его последствия (частицы и осколки на диске), то нужно сделать так чтобы даже после шлепка появление осколков было мене вероятным. Посмотрите на рисунок. Головка, опускаясь после удара, всегда бьет о диск своей кромкой. Вероятность повредить диск — очень велика.

Поэтому компания изменила конструкцию крепления головки к держателю таким образом, что бы даже во время шлепка, головка ударялась о диск равномерно всей поверхностью. Это в несколько раз уменьшает вероятность появления осколков и частиц после удара головки.

Компания не изобретала и не патентовала каких либо громких технологий по защите дисков от ударных воздействий, но, тем не менее, многие из производимых в настоящее время винчестеров очень устойчивы к нерабочим ударным нагрузкам. Например, винчестеры серий MPE3xxx имеют удароустойчивость на уровне 250 G. А модели серий Hornet 9, 10, 11 до 600 G! Причем, их варианты для мобильных компьютеров способны нормально переносить до 700 G в нерабочем состоянии и до 125 G во время работы.

В первом квартале 2000 года компания Samsung представит в России две новые модели винчестеров серии SpinPoint: V9100 и V10200. Cовместное использование в этих моделях двух собственных технологий защиты от ударов ImpacGuard (ТМ) и Shock Skin Bumper (ТМ) позволит обеспечивать защиту от ударных воздействий с уровнем до 250G в нерабочем состоянии. Более ранние модели SpinPoint серий V6800, V4300, V4, V3, V3A, V3200 имеют показатели 75G для длительности воздействия в 11 ms (или 200G Ref. для длительности в 2ms). Несколько выпадает из этого ряда модели серии W2100, у которой эти показатели ниже.

Мне не удалось найти какой либо информации о применяемых в винчестерах данной компании специальных технологиях защиты от ударов. Но, судя по техническим данным винчестеров, этих технологий возможно и не было. Ряд моделей запущенных в производство совсем недавно, имеют повышенную ударостойкость на уровне 150-200 G. Остальные модели на уровне 60-70 G. Поэтому также требуют очень нежного обращения.

Существующие на настоящий момент накопители серий DeskStar и UltraStar емкостью свыше 3.5 Gb имеют удароустойчивость на уровне 175 G в нерабочем состоянии. Модели этих серий с емкостью ниже 3.5 Gb имеют меньшие возможности выдержать внешние ударные воздействия. Модели винчестеров для мобильных компьютеров серии TravelStar от 2.2 Gb и выше обладают очень неплохими показателями и способны переносить до 400-500G в нерабочем состоянии и до 150 G в рабочем. Недавно анонсированные новые модели винчестеров UltraStar 36, 72 будут производится с использованием технологии Active Damping, которая позволит эксплуатировать эти винчестеры в условиях с повышенным уровнем вибрации.

Жесткий диск очень чувствительное к тряскам и ударам устройство и поэтому требует к себе очень внимательного отношения. Диски, произведенные год, полтора назад, имели очень не большую удароустойчивость (на уровне 60-100G), поэтому некоторые из вас, наверное, только сейчас видят на своем «винте» результаты удара произведенного год назад, о котором вы даже и не подозревали.

Купив винчестер, обратите внимание на появившиеся сбойные кластеры в течение гарантийного срока, и если появился хотя бы один - срочно меняйте. И не поддавайтесь ни на какие убеждения продавцов по поводу того, что один два нечитаемых кластера — это в пределах нормы. Появление битых кластеров неизбежно приведет к появлению новых и новых, вплоть до выхода винчестера из строя. Вопрос только в том, насколько долго он протянет.