Фізичні основи роботи комп’ютера

По-перше, ми не рекомендуємо вам брати зовсім вже дешеві моделі. Процесори серії Celeron і Sempron націлені на офісні ПК. Вони урізані по частоті шини, по функціях, об'єму кеш-пам'яті - все це сильно б'є по продуктивності, особливо в іграх і «важких» програмах.

А зараз - сакраментальне питання. AMD або Intel? Питання тут не в якості - обидві компанії випускають цілком якісну продукцію. А ось продуктивність... Доводиться визнати, що Intel поступово здає позиції, і лідерство Athlon 64 на даний момент не викликає сумнівів. Особливо - в ігровому плані. До того ж процесори Athlon споживають менше енергії, а технологія Cool'n'Quiet дозволяє ефективніше її економити. Складніший вибір - узяти два ядра або одне? Перші дорожче, але, з іншого боку, зараз вже повним ходом з'являються ігри і програми, оптимізовані під багатоядерні процесори.

Спочатку розглянемо одноядерні лінійки. AMD випускає Athlon 64 для Socket 939 і Socket 754. Другий варіант ми не рекомендуємо: заощадивши копійки, ви отримаєте модель з одноканальним контролером пам'яті і меншою продуктивністю.

Технологія флеш-пам'яті з'явилася близько 20-ти років тому. Наприкінці 80-х років минулого сторіччя флеш-пам'ять почали використовувати як альтернативу UV-EPROM. З цього часу інтерес до флеш-пам'яті з кожним роком неухильно зростає. Увага, яка приділяється флеш-пам'яті, цілком зрозуміла - адже це сегмент напівпровідникового ринку, який найбільш швидко зростає. Щорічно ринок флеш-пам'яті зростає більш ніж на 15 %, що перевищує сумарне зростання всієї решти напівпровідникової індустрії.

Сьогодні флеш-пам'ять можна знайти в самих різних цифрових пристроях. Її використовують як носій мікропрограм для мікроконтролерів HDD і CD-ROM, для зберігання BIOS в ПК. Флеш-пам'ять використовують в принтерах, КПК, відеоплатах, роутерах, брандмауерах, стільникових телефонах, електронних годинниках, записниках, телевізорах, кондиціонерах, мікрохвильових печах і пральних машинах... список можна продовжувати нескінченно. А останніми роками флеш стає основним типом змінної пам'яті, використовуваної в цифрових мультимедійних пристроях, таких як mp3-плеєри і ігрові приставки. А все це стало можливим завдяки створенню компактних і потужних процесорів. Проте при покупці якого-небудь пристрою, що поміщається в кишені, не варто орієнтуватися лише на процесорну потужність, оскільки в списку пріоритетів вона стоїть далеко не на першому місці.

Почалося це в 1997 році, коли флеш-карти вперше стали використовувати в цифрових фотокамерах.

При виборі портативних пристроїв найважливішим є час автономної роботи при розумних масі і розмірах елемента живлення. Багато залежить від пам'яті, яка визначає об'єм збереженого матеріалу, і тривалість роботи без заряджання акумуляторів. Можливість зберігання інформації в кишенькових пристроях обмежується скромними енергоресурсами. Пам'ять, звичайно використовувана в ОЗП комп'ютерів, вимагає постійної подачі напруги. Дискові накопичувачі можуть зберігати інформацію і без безперервної подачі електрики, зате при записі і зчитуванні даних витрачають її за трьох. Гарним рішенням проблеми виявилася флеш-пам'ять, що не розряджається довільно. Носії на її основі називаються твердотільними, оскільки не мають рухомих частин. На жаль, флеш-пам'ять - коштовне задоволення: середня вартість її мегабайта складає 2 долари, що у вісім разів вище, ніж у SDRAM, не кажучи вже про жорсткі диски. А ось відсутність рухомих частин підвищує надійність флеш-пам'яті: стандартні робочі перевантаження дорівнюють 15 g, а короткочасні можуть досягати 2000 g, тобто теоретично карта повинна чудово працювати при максимально можливих космічних перевантаженнях, і витримати падіння з триметрової висоти. Причому в таких умовах гарантується функціонування карти до 100 років.

Багато виробників обчислювальної техніки бачать пам'ять майбутнього виключно твердотільною. Внаслідок цього відбувається практично одночасна поява на ринку комплектуючих декількох стандартів флеш-пам'яті.

2.3.1 Що таке flash-пам'ять?

На відміну від багатьох інших типів напівпровідникової пам'яті, елемент флеш-пам'яті не містить конденсаторів - типовий елемент флеш-пам'яті складається всього лише з одного транзистора особливої архітектури. Елемент флеш-пам'яті чудово масштабується, що досягається не тільки завдяки успіхам в мініатюризації розмірів транзисторів, але і завдяки конструктивним знахідкам, що дозволяють в одному елементі флеш-пам'яті зберігати декілька біт інформації. Флеш-пам'ять історично походить від ROM (Read Only Memory) пам'яті, і функціонує подібно до RAM (Random Access Memory). Дані флеш зберігає в елементах пам'яті, схожих на елементи в DRAM. На відміну від DRAM, при відключенні живлення дані з флеш-пам'яті не зникають. Заміни пам'яті SRAM і DRAM флеш-пам'яттю не відбувається через дві особливості флеш-пам'яті: флеш працює досить повільно і має обмеження за кількістю циклів перезапису (від 10.000 до 1.000.000 для різних типів). Інформація, записана на флеш-пам'ять, може зберігатися дуже тривалий час (від 20 до 100 років), і здатна витримувати значні механічні навантаження (які у 5-10 разів перевищують гранично допустимі для звичайних жорстких дисків). Основна перевага флеш-пам'яті над жорсткими дисками і носіями CD-ROM полягає в тому, що флеш-пам'ять споживає значно (приблизно у 10-20 і більше разів) менше енергії під час роботи. У пристроях CD-ROM, жорстких дисках, касетах і інших механічних носіях інформації, велика частина енергії йде на приведення в рух механіки цих пристроїв. Крім того, флеш-пам'ять є більш компактною за більшість інших механічних носіїв. Флеш-пам'ять історично з'явилася від напівпровідникового ROM, проте ROM-пам'яттю не є, а всього лише має схожу на ROM організацію. Безліч джерел (як вітчизняних, так і зарубіжних) часто помилково відносять флеш-пам'ять до ROM. Флеш ніяк не може бути ROM хоч би тому, що ROM (Read Only Memory) переводиться як "пам'ять тільки для читання". Ні про яку можливість перезапису в ROM мови бути не може! Невелика, з початку, неточність не звертала на себе уваги, проте з розвитком технологій, коли флеш-пам'ять стала витримувати до 1 мільйона циклів перезапису, і стала використовуватися як накопичувач загального призначення, цей недолік в класифікації почав впадати в очі. Серед напівпровідникової пам'яті тільки два типи відносяться до "чистого" ROM - це Mask-ROM і PROM. На відміну від них, EPROM, EEPROM і Flash відносяться до класу енергонезалежної перезаписуваної пам'яті (англійський еквівалент - nonvolatile read-write memory, або NVRWM).

2.3.2 ROM

ROM (Read Only Memory) - пам'ять тільки для читання. Український еквівалент - ПЗП (Постійно Запам'ятовуючий Пристрій). Якщо бути зовсім точним, даний вид пам'яті називається Mask-ROM (Масочні ПЗП). Пам'ять побудована у вигляді масиву елементів (матриці), що адресуються, кожен елемент якого може кодувати одиницю інформації. Дані на ROM записувалися під час виробництва шляхом нанесення за маскою (звідси і назва) алюмінієвих з'єднувальних доріжок літографічним способом. Наявність або відсутність у відповідному місці такої доріжки кодувала "0" або "1". Mask-ROM відрізняється складністю модифікації вмісту (тільки шляхом виготовлення нових мікросхем), а також тривалістю виробничого циклу (4-8 тижнів). А також у зв'язку з тим, що сучасне програмне забезпечення часто має багато недоробок і часто вимагає оновлення, даний тип пам'яті не набув широкого поширення.

Переваги:

- Низька вартість готової запрограмованої мікросхеми (при великих об'ємах виробництва).

- Висока швидкість доступу до елемента пам'яті.

- Висока надійність готової мікросхеми і стійкість до електромагнітних полів.

Недоліки:

- Неможливість записувати і модифікувати дані після виготовлення.

- Складний виробничий цикл.

PROM - Programmable ROM, або одноразово Програмовані ПЗП. Як елементи пам'яті в даному типі пам'яті використовувалися плавкі перемички. На відміну від Mask-ROM, в PROM з'явилася можливість кодувати ("перепалювати") елементи за наявності спеціального пристрою для запису (програматора). Програмування елемента в PROM здійснюється руйнуванням ("пропаленням") плавкої перемички шляхом подачі струму високої напруги.

Можливість самостійного запису інформації в них зробило їх придатними для штучного і дрібносерійного виробництва. PROM практично повністю вийшов з використання наприкінці 80-х років (рис. 2.7).

Рисунок 2.7 - Programmable ROM

Переваги:

- Висока надійність готової мікросхеми і стійкість до електромагнітних полів.

- Можливість програмувати готову мікросхему, що зручно для штучного і дрібносерійного виробництва.

- Висока швидкість доступу до елемента пам'яті.

Недоліки:

- Неможливість перезапису.

- Великий відсоток браку.

- Необхідність спеціального тривалого термічного тренування, без якого надійність зберігання даних була б невисокою.

2.3.3 NVRWM: EPROM

Різні джерела по-різному розшифровують абревіатуру EPROM - як Erasable Programmable ROM або як Electrically Programmable ROM (програмовані ПЗП, що можна стирати, або електрично програмовані ПЗП). Перед записом EPROM необхідно провести стирання (відповідно з'явилася можливість перезаписувати вміст пам'яті). Стирання елементів EPROM виконується відразу для всієї мікросхеми за допомогою опромінювання чіпа ультрафіолетовими або рентгенівськими променями протягом декількох хвилин. Мікросхеми, стирання яких проводиться шляхом засвічування ультрафіолетом, були розроблені Intel в 1971 році, і носять назву UV-EPROM (приставка UV (Ultraviolet) - ультрафіолет). Вони містять віконця з кварцового скла, які після закінчення процесу стирання заклеюють.

Переваги:

- Можливість перезаписувати вміст мікросхеми.

Недоліки:

- Невелика кількість циклів перезапису.

- Неможливість модифікації частини даних, що зберігаються.

- Висока вірогідність "не дотерти" (що зрештою приведе до збоїв) або перетримати мікросхему під УФ-світлом (т.з. overerase - ефект надмірного видалення, "перепалювання"), що може зменшити термін служби мікросхеми і навіть привести до її повної непридатності.

EEPROM (EEPROM або Electronically EPROM) - ППЗУ, які можна електрично витирати, були розроблені в 1979 році в тому ж Intel. У 1983 році вийшов перший 16Кбітний зразок, виготовлений на основі FLOTOX-транзисторів (Floating Gate Tunnel-OXide - "плаваючий" затвор з тунелюванням в оксиді).

Головною відмінною особливістю EEPROM та Flash від раніше розглянутих нами типів енергонезалежної пам'яті є можливість перепрограмування при підключенні до стандартної системної шини мікропроцесорного пристрою. У EEPROM з'явилася можливість проводити стирання окремого елемента за допомогою електричного струму. Для EEPROM стирання кожного елемента виконується автоматично при записі до нього нової інформації, тобто можна змінити дані в будь-якому елементі, не зачіпаючи інші. Процедура стирання звичайно є істотно довшою процедурою, ніж запис.

Переваги EEPROM в порівнянні з EPROM:

- Збільшений ресурс роботи.

- Простіше у використанні.

Недолік:

- Висока вартість Flash (повна історична назва Flash Erase EEPROM).

Винахід флеш-пам'яті часто несправедливо приписують Intel, називаючи при цьому 1988 рік. Насправді пам'ять вперше була розроблена компанією Toshiba в 1984 році, і вже наступного року було почате виробництво 256Кбіт мікросхем flash-пам'яті в промислових масштабах. У 1988 році Intel розробила власний варіант флеш-пам'яті.

У флеш-пам'яті використовується дещо відмінний від EEPROM тип елемента-транзистора. Технологічно флеш-пам'ять схожа як з EPROM так і з EEPROM. Основна відмінність флеш-пам'яті від EEPROM полягає в тому, що стирання вмісту елементів виконується або для всієї мікросхеми, або для певного блоку (кластера, кадру або сторінки). Звичайний розмір такого блоку складає 256 або 512 байт, проте в деяких видах флеш-пам'яті об'єм блоку може досягати 256КБ. Слід відмітити, що існують мікросхеми, що дозволяють працювати з блоками різних розмірів (для оптимізації швидкодії). Стирати можна як блок, так і вміст всієї мікросхеми відразу. Таким чином для того, щоб змінити один байт, спочатку в буфер зчитується увесь блок, де знаходиться байт, який підлягає зміні, стирається вміст блоку, змінюється значення байта в буфері, після чого проводиться запис зміненого в буфері блоку. Така схема істотно знижує швидкість запису невеликих об'ємів даних в довільні ділянки пам'яті, проте значно збільшує швидкодію при послідовному записі даних великими порціями.

Переваги флеш-пам'яті в порівнянні з EEPROM:

- Вища швидкість запису при послідовному доступі за рахунок того, що стирання інформації у флеш проводиться блоками.

- Собівартість виробництва флеш-пам'яті нижче за рахунок простішої організації.

Недолік: Повільний запис в довільні ділянки пам'яті.

2.3.4 Організація flash-пам'яті

У найпростішому випадку кожен елемент зберігає один біт інформації і складається з одного польового транзистора із спеціальною електрично- ізольованою ділянкою ("плаваючим" затвором - floating gate), здатною зберігати заряд багато років (рис. 2.8). Наявність або відсутність заряду кодує один біт інформації.

При запису заряд поміщається на плаваючий затвор одним з двох способів (залежить від типу елемента): методом інжекції "гарячих" електронів або методом тунелювання електронів. Стирання вмісту елемента (зняття заряду з "плаваючого" затвора) проводиться методом тунелювання.

Як правило, наявність заряду на транзисторі ідентифікується як логічний "0", а його відсутність - як логічна "1". Сучасна флеш-пам'ять звичайно виготовляється за 0,13- і 0,18-мікронним техпроцесом.

Рисунок 2.8 - Схема флеш-елемента

2.3.5 Загальний принцип роботи елемента флеш-пам'яті

Розглянемо простий елемент флеш-пам'яті на одному n-p-n транзисторі. Елементи подібного типу найчастіше застосовувалися в flash-пам'яті з NOR-архітектурою, а також в мікросхемах EPROM (рис.2.9). Поведінка транзистора залежить від кількості електронів на "плаваючому" затворі. "Плаваючий" затвор відіграє ту ж роль, що і конденсатор в DRAM, тобто зберігає запрограмоване значення. Поміщення заряду на "плаваючий" затвор в такому елементі проводиться методом інжекції "гарячих" електронів (CHE - channel hot electrons), а зняття заряду здійснюється методом квантомеханічного тунелювання Фаулера-Нордхейма (Fowler-Nordheim (FN)).

Під час зчитування, при відсутності заряду на "плаваючому" затворі, під впливом позитивного поля на затворі, що управляє, утворюється n-канал в підкладці між витоком і стоком, і виникає струм.

Рисунок 2.9 - Зчитування інформації flash-пам'яті з NOR-архітектурою

Наявність заряду на "плаваючому" затворі міняє вольт-амперні характеристики транзистора таким чином, що при звичайній для зчитування напрузі канал не з'являється, і струму між витоком і стоком не виникає (рис. 2.10).

Рисунок 2.10 - Ілюстрація неможливості зчитування інформації

При програмуванні (рис. 2.11) на стік і затвор, що керує, подається висока напруга (причому на затвор, що керує, напруга подається приблизно в два рази вище). "Гарячі" електрони з каналу інжектуються на плаваючий затвор і змінюють вольт-амперні характеристики транзистора. Такі електрони називають "гарячими" за те, що мають високу енергію, достатню для подолання потенціального бар'єру, створюваного тонкою плівкою діелектрика.

Рисунок 2.11 - Схема програмування елемента flash-пам'яті

При стиранні висока напруга подається на витік. На затвор, що керує, подається висока напруга з зарядом “-” (рис. 2.12). Електрони тунелюють на витік.

Рисунок 2.12 Схема стирання інформації з елемента flash-пам'яті

Ефект тунелювання - один з ефектів, що використовують хвильові властивості електрона. Сам ефект полягає в подоланні електроном потенціального бар'єру малої "товщини". Для наочності уявимо собі структуру, що складається з двох провідних ділянок, розділених тонким шаром діелектрика (збіднена ділянка). Подолати цей шар звичайним чином електрон не може - не вистачає енергії. Але при створенні певних умов (відповідна напруга і т.п.) електрон проскакує шар діелектрика (тунелює крізь нього), створюючи струм.

Важливо відмітити, що при тунелюванні електрон з'являється "по інший бік", не проходячи крізь діелектрик. Така ось "телепортація".

Відмінність методів тунелювання Фаулера-Нордхейма (FN) і методу інжекції "гарячих" електронів:

- Channel FN tunneling - не вимагає великої напруги. Елементи, що використовують FN, можуть бути менше елементів, що використовують CHE.

- CHE injection (CHEI) - вимагає вищої напруги, в порівнянні з FN. Таким чином, для роботи пам'яті потрібна підтримка подвійного живлення.

Програмування методом CHE здійснюється швидше, ніж методом FN.

Слід відмітити, що, окрім FN і CHE, існують інші методи програмування і стирання елементів, які успішно використовуються на практиці, проте два описаних нами застосовуються найчастіше.

Процедури стирання і запису сильно зношують елемент флеш-пам'яті, тому в новітніх мікросхемах деяких виробників застосовуються спеціальні алгоритми, що оптимізують процес стирання-запису, а також алгоритми, що забезпечують рівномірне використання всіх елементів в процесі функціонування.

Деякі види осередків флеш-пам'яті на основі МОП-транзисторів з "плаваючим" затвором:

- Stacked Gate Cell - елемент з багатошаровим затвором. Метод стирання - Source-Poly FN Tunneling, метод запису - Drain-Side CHE Injection.

- SST Cell, або SuperFlash Split-Gate Cell (Silicon Storage Technology - компанія-розробник технології) - елемент с розщепленим затвором. Метод стирання - Interpoly FN Tunneling, метод запису - Source-Side CHE Injection.

Two Transistor Thin Oxide Cell - двотранзисторний елемент з тонким шаром окислу. Метод стирання - Drain-Poly FN Tunneling, метод запису - Drain FN Tunneling.

Окрім елементів, що найбільш часто зустрічаються, з "плаваючим" затвором, існують також елементи на основі SONOS-транзисторів, які не містять плаваючого затвору. SONOS-транзистор нагадує звичайний МНОП (MNOS) транзистор. У SONOS-елементах функцію "плаваючого" затвору і оточуючого його ізолятора виконує композитний діелектрик ONO. Розшифровується SONOS (Semiconductor Oxide Nitride Oxide Semiconductor) як Напівпровідник-Діелектрик-Нитрид-Діелектрик-Напівпровідник.

Замість нитрида в майбутньому планується використовувати полікристалічний кремній.

2.3.6 Багаторівневі елементи (MLC - Multi Level Cell)

Останнім часом багато компаній почали випуск мікросхем флеш-пам'яті, в яких один елемент зберігає два біти. Технологія зберігання двох і більш біт в одному елементі одержала назву MLC (multilevel cell - багаторівневий елемент). Достовірно відомо про успішні тести прототипів, що зберігають 4 біта в одному елементі. Зараз багато компаній знаходяться у пошуках граничного числа біт, які здатні зберігати багаторівневий елемент.

У технології MLC використовується аналогова природа елемента пам'яті. Як відомо, звичайний однобітний елемент пам'яті може приймати два стани - "0" або "1". У флеш-пам'яті ці два стани розрізняються за величиною заряду, який поміщено на "плаваючий" затвор транзистора. На відміну від "звичайної" флеш-пам'яті, MLC здатна розрізняти більше двох величин зарядів, поміщених на "плаваючий" затвор, і, відповідно, більше число станів. При цьому кожному стану у відповідність ставиться певна комбінація значень біт.

Під час запису на "плаваючий" затвор поміщається кількість заряду, відповідна необхідному стану. Від величини заряду на "плаваючому" затворі залежить порогова напруга транзистора. Порогову напругу транзистора можна заміряти при читанні і визначити за ним записаний стан, а значить і записану послідовність бітів.

Основні переваги MLC мікросхем:

- Низьке співвідношення $/МБ.

- При рівному розмірі мікросхем і однаковому техпроцесі "звичайної" і MLC-пам'яті, остання здатна зберігати більше інформації (розмір елемента той же, а кількість біт, що зберігаються в ньому - більше).

На основі MLC створюються мікросхеми більшого об'єму, ніж на основі однобітних елементів.

Основні недоліки MLC:

- Зниження надійності, у порівнянні з однобітними елементами, і, відповідно, необхідність вбудовувати складніший механізм корекції помилок (чим більше бітів на елемент - тим складніше механізм корекції помилок).

- Швидкодія мікросхем на основі MLC частіше нижча, ніж у мікросхем на основі однобітних елементів.

Хоча розмір MLC-елемента такий же, як і у однобітного, додатково витрачається місце на специфічні схеми читання/запису багаторівневих елементів (рис. 2.13). Технологія багаторівневих елементів від Intel (для NOR-пам'яті) носить назву StrtaFlash, аналогічна від AMD (для NAND) - MirrorBit.

Рисунок 2.13 - Порівняльна схема одно- та багаторівневих елементів

2.4 Магнітний запис інформації

З часом швидкість обертання шпінделя зростала, підвищувалася точність позиціонування зчитуючої головки, додавалася «розумна» електроніка. Але основний принцип устрою жорстких дисків практично не змінився.

Жорсткий диск - це гранично точна електронно-механічна система. Всередині розташований шпіндель - це вісь, на яку жорстко нанизуються круглі пластини. Чим швидше маленький двигун шпінделя розкручує пластини, тим, в більшості випадків, жвавіше працює вінчестер. Для сучасних дисків характерні швидкості 5400 або 7200 обертів за хвилину. Шпінделі HDD для серверів і робочих станцій працюють швидше - на 10 і навіть 15 тисячах об/хв.

Як тільки вмикається комп'ютер, двигун починає розкручувати диски. Спочатку ненадовго активується форсований режим - вінчестер споживає максимум енергії, набираючи «крейсерську» швидкість. Працювати доводиться надзвичайно багато, без щонайменших відхилень, тому ресурс у механіки жорсткого диска величезний.

Пластин може бути декілька, а може бути всього одна: у більшості сучасних вінчестерів їх від однієї до п'яти. Виготовляються пластини з металу, покритого феромагнітним шаром завтовшки близько 10 мікрон. Раніше для цих цілей використовувався оксид заліза, сьогодні найчастіше кобальт. Всього в пластині чотири шари: перший - основа (залізо або кераміка), другий - магнітний (служить для запису інформації), третій - захисний (оберігає від розмагнічування), ну, і четвертий - особливе мастило, яке відповідає за відведення тепла і захист від корозії. Товщина захисного шару - 5 нм, а мастила - близько 2 нм.

До уваги: 1 нанометр (нм) - це одна тисячна мікрона, або ж метра.

Інформація на пластини записується у вигляді намагнічених концентричних ділянок - доріжок. Оксид заліза, або будь-яке інше феромагнітне покриття, складається з ділянок, в кожному з яких вектора магнітних моментів диполів направлені в один бік. Візуально це можна уявити як велику кількість стрілок, напрямлених строго уперед або назад. Кожна стрілка - це біт інформації, одиниця або нуль.

Зчитуюча головка диска - непростий елемент. Спеціальний моторчик (привод головки) регулює положення головки над доріжкою диска з точністю до пари мікрон. За відсутності струму головка «спить» в особливій паркувальній зоні пластини - поряд з віссю. Звичайно, в цій ділянці “млинця” інформація не записується.

Як тільки шпіндель починає розкручувати диски, створюється потік повітря, яке тисне на аеродинамічну конструкцію - важіль головки. В результаті важіль головки, форма якого нагадує крило літака, в буквальному розумінні злітає. Зчитування даних відбувається на відстані декількох мікрон від поверхні, щонайменше торкання пластини викликає непоправну втрату даних і псування самої головки. Тому шпінделю і доводиться весь час обертатися.

Максимально наблизити головку до зчитуючої поверхні не так давно вдалося інженерам компанії Fujitsu, які розробили спеціальний змащувальний шар. Теоретична відстань між головкою і пластиною зменшилася до 8 нм. Чим ближче головка до пластини, тим меншого розміру магнітні ділянки можна використовувати. Отже, на одну концентричну доріжку поміститься більше біт інформації [5].

Якщо в жорсткому диску декілька «млинців», над кожним ширятиме власна головка. Всі головки переміщаються одночасно, і це не дивно, адже пластини нанизані на єдиний привод. Переміщатися головка в процесі зчитування може тільки горизонтально, по дузі.

У одному дюймі пластини знаходиться близько восьми тисяч доріжок. Для наведення головки на доріжку в даний час використовується акустичний мотор. Він складається з двох потужних магнітів і дротяної котушки. Конструкція нагадує звичайний динамік - звідси і назва «Акустичний мотор».

Котушка під дією струму створює електромагнітне поле, унаслідок чого починає зміщуватися у бік магнітів. Упевнитися, наскільки точно встановилася головка над пластиною, вінчестер може за допомогою зворотного зв'язку. Прочитуючи спеціальні службові мітки, записані на “млинці” в заводських умовах, привод головки повідомляє електроніку вінчестера про своє місцезнаходження. У разі потреби головка робить ще одну спробу добратися до мети. І тут дуже важливий параметр часу пошуку (seek time) - час, за який привод виводить головку на доріжку.

Для зчитування інформації досить часто використовуються індуктивні тонкоплівкові головки. Принцип дії схожий з магнітною головкою касетного магнітофона. Головка вінчестера проходить над «стрілками», які своїм магнітним полем генерують в обмотці головки електричний струм. Сигнал, що поступив, посилюється, пропускається через фільтри і потім розшифровується електронною «начинкою» вінчестера.

Сьогодні створюються якісніші головки. Один з нових типів активно застосовує компанія Seagate. Це магніто-резистивні головки, які використовують фізичний ефект, відкритий лордом Уїльямом Кельвіном в 1857 році. А саме, що магнітне поле міняє опір металевого провідника. Коли магніторезистивна головка потрапляє в магнітне поле, сила струму в ланцюзі змінюється, що і дозволяє відрізнити «одиницю» від «нуля». Зчитаний таким чином біт інформації тут же потрапляє в електронну схему. Основна перевага нового типу головок - можливість щільніше записувати інформацію, тому що роздільна здатність магніторезистивних головок вища, ніж у індуктивних. Крім того, електричний сигнал магніторезистивних головок чистий і практично не потребує додаткової фільтрації. Нарешті, нові головки не чутливі до швидкості обертання пластин, тоді як точність зчитування в індуктивних елементах залежить від швидкості проходження головки над поверхнею пластини.

Єдиний гнучкий елемент всієї конструкції жорсткого диска - це провідник, який пов'язує важіль головки з електронікою. Важіль весь час перебуває в русі, кидається від однієї доріжки до іншої, тому дріт повинен бути міцним, але таким, що не сковує рухи важеля [5].

2.4.3 Електроніка HDD

Як відомо, розбирати вінчестери зазвичай строго не рекомендується. Адже відстань між головкою (рис. 2.16) і пластиною - декілька мікрон, і достатньо всього однієї порошинки, щоб зіпсувати складне устаткування. А відновлення розгерметизованого жорсткого диска коштує у декілька разів дорожче, ніж покупка нового, і навіть сервісні центри зазвичай обмежуються тільки порятунком інформації.

Рисунок 2.16 - Головка яка зчитує: розміри передньої частини головки, яка зчитує - 0,3Ч1 мм. У центрі - нанесена літографією мідна котушка, яка використовується для запису даних. Пластини з боків виготовлені із золота

Електроніка вінчестера представлена на печатній платі (текстоліті) з нижнього боку пристрою. Тут знаходиться справжнісінький мініатюрний комп'ютер: центральний процесор, пам'ять і цифровий сигнальний процесор (Digital Signal Processor), що відповідає за сигнали читання/запису. Працює вінчестер під управлінням власної програми, записаної в мікросхему ПЗП або в службові ділянки жорсткого диска.

Спочатку запитані комп'ютером дані прочитуються з пластини, потім поступають в кеш-пам'ять і тільки потім прямують в ОЗП комп'ютера. На швидкодію вінчестера впливає швидкість обертання шпінделя, процесор і об'єм пам'яті. Бувають екзотичні випадки, коли жорсткі диски з 5400 об/хв працюють швидше, ніж моделі з 7200 об/хв, але це скоріше виключення з правил.

Об'єм буфера коливається в межах від 2 до 16 Мбайт. Чим більше пам'яті, тим більше даних головка може зчитати на випередження [5].

2.4.4 Різноманітність видів HDD

Вінчестери можна класифікувати за шириною. Форм-фактор 3,5 дюйма - стандарт для настільних систем. Жорсткі диски цього типу мають найбільшу продуктивність і місткість.

2,5-дюймові моделі традиційно застосовуються в ноутбуках, автомобільних ПК і різній побутовій техніці. Радіус «млинців» там менше, відповідно, і інформації міститься менше. Що ж до швидкості обертання шпінделя, вона тільки недавно наблизилася до швидкостей настільних моделей і складає 7200 об/хв. Місткість - до 500 Гбайт.

Існують також жорсткі диски (рис. 2.17) форм-факторів 1,8, 1 і 0,8 дюймів. Такі вінчестери не можуть похвалитися місткістю і швидкістю, зате частенько знаходять застосування в МР3-плеєрах, ультра портативних ноутбуках і переносних зовнішніх дисках.

Зовнішніми жорсткими дисками можуть бути вінчестери будь-якого форм-фактора. Вони випускаються з інтерфейсами USB 1.1/2.0, FireWire і eSATA. Основні їх переваги - мобільність і легкість підключення до ПК. Операційна система сама визначає диск і миттєво дозволяє працювати з ним. Мінус же більшості зовнішніх вінчестерів - невисока швидкість: приблизно у два рази нижче, ніж у вбудованих аналогів [5].

Рисунок 2.17 - Жорсткий диск у розібраному вигляді; якщо ви бачите важіль головки, шпіндель і пластину, це означає, що вашому жорсткому диску вже нічого не допоможе - він розгерметизований

Канал передачі інформації зазвичай обмежується інтерфейсами USB і FireWire. Але іноді швидкодія мобільних вінчестерів явно нижче із-за технологій захисту пластин від трясіння.

Внутрішні жорсткі диски, як для ноутбуків, так і для настільних ПК, обладнані або паралельним інтерфейсом PATA, або послідовним SATA. Перший відомий також як IDE і поки що присутній у всіх сучасних комп'ютерах. Але зараз стандарт вже вичерпав себе, і його активно витісняє SATA, пропонуючи в потенціалі швидкість до 300 МБ за секунду проти максимальних 133 Мбайт/с по каналу IDE.

З'єднується жорсткий диск з материнською платою двома кабелями. Один з них подає напругу, інший, інтерфейсний, відповідає за обмін даними. На відміну від IDE-вінчестерів, SATA працюють з напругою 3,3, 5 і 12 В замість 5 В. Новий тип інтерфейсних кабелів включає всього сім дротів, тоді як стандарт IDE вимагав 80-жильного дроту.

Паралельний інтерфейс РАТА здатний приймати на один порт два вінчестери. В цьому випадку номінальна швидкість, наприклад, 133 Мбайт/с, ділиться на два. З SATA цей номер поки не пройде. Щоб підключити два жорсткі диски, потрібно два незалежні порти (у так званому SATA 2.5 вже можна підчіплювати декілька дисків на канал). Кожен вінчестер отримує повноцінний канал обміну даних і не втрачає в швидкості. Відпадає і необхідність призначати жорстким дискам статусу master (той, що веде), і slave (ведений), що позбавляє від багатьох проблем, пов'язаних з сумісністю різних вінчестерів.

Це цікаво: теоретична швидкість інтерфейсу, як PATA, так і SATA, ще ніколи не вимагалася повною мірою. Навіть найновіший вінчестер навряд чи може задіювати 30 % пропускної спроможності SATA [5].

2.4.5 Гучні імена виробників HDD

Продукція Western Digital славиться швидкодією, за яку, втім, доведеться платити. Справи компанії йдуть успішно, і Western Digital упевнено тримається на плаву.

До вінчестерів Samsung недавно відносилися скептично із-за їх невисокої надійності і низької продуктивності. Але сьогодні їх продукція вже не поступається конкурентам. Що стосується Hitachi, то і у неї справи йдуть непогано. Жорсткі диски не б'ють рекордів швидкості, але забезпечують високу стабільність.

Продукція компаній досить рівна в плані співвідношення ціна/якість. Хіба що зустрічаються окремі невдалі моделі, так що, підібравши симпатичну позицію в прайс-листі, не полініться зібрати про неї інформацію в Інтернеті [5].

2.4.6 Перпендикулярні перспективи запису

Щільність запису на пластини вінчестерів підходить до своєї межі. Як би низько виробники не опускали зчитуючу головку до поверхні “млинця”, до нескінченності зменшувати розмір магнітних ділянок неможливо. На певній стадії диполі магнітних ділянок починають самодовільно змінювати напрям магнітних ліній, і дані в цьому випадку безповоротно втрачаються.

Щоб вдихнути нові сили в жорсткі диски, інженери звернулися до давно відомої технології перпендикулярного магнітного запису, яку активно досліджували в 70-80-х роках минулого століття. Сенс її полягає в тому, щоб вектори (раніше згадані «стрілки») не лежали в площині пластини, а були перпендикулярні їй. При цьому магнітні ділянки займають менше місця, і до того ж не міняють напряму під дією супермагнетизма, оскільки різнойменні полюси не напрямлені один до одного. Інновація була навіть випробувана, що привело до випуску 2,88-мегабайтних «перпендикулярних» дискет. Правда, їх вартість була непомірною, і ємкі дискети не прижилися.

Для роботи з новими “млинцями” потрібні головки абсолютно іншої конструкції. Склад магнітного шару пластини також зазнав зміни: тепер це двошарова антиферомагнітна підкладка для стабільності магнітного поля і шар запису, який складається із сплавів кобальту, платини і хрому.

Жорсткі диски з перпендикулярним записом форм-факторів 3 і 2,5 дюймів вже поступили в продаж [5].

2.4.7 SSD проти HDD

Переваги твердотільних накопичувачів очевидні - вони легкі, невимогливі до живлення і не містять механічних деталей. А це і несприйнятливість до трясіння, і повна безшумність, і несхильність до магнітних полів. Проблем з сумісністю немає - SSD-накопичувачі підключаються до знайомих інтерфейсів SATA або РАТА.

Єдина перешкода до розповсюдження нової технології - вартість. Сьогодні 32 Гбайт SSD Samsung обійдеться в 1000$. Але вартість модулів NAND падає з кожним місяцем, так що вже через пару років ми напевно розпрощаємося з «механічним» жорстким диском, як би не було його шкода.

Зараз компанія Samsung спільно з Microsoft готує проміжну ланку - гібридний диск (HHD, Hybrid Hard Disk). Накопичувач - звичайний жорсткий диск, а флеш-пам'ять виконує функцію буфера, знижуючи навантаження на механіку. Більшу частину часу шпіндель крутитиметься на знижених обертах, набираючи штатну швидкість лише в моменти перевантаження буфера. Можна чекати, що гібридний диск стане споживати значно менше енергії і працювати швидше за традиційні жорсткі диски [5].

Не дивлячись на явне технічне застарівання, HDD можуть супроводити нас ще впродовж багатьох десятиліть. Так, наприклад, котушкові накопичувачі на магнітних стрічках до цих пір активно застосовуються для архівації даних в крупних компаніях. Жорсткі диски цілком можуть прийти на зміну магнітній стрічці в галузі зберігання величезних масивів інформації...

2.4.8 Перпендикулярний Hitachi

Hitachi (рис. 2.18) не відстає від лідерів індустрії жорстких дисків. Компанія представила модель Travelstar 5K160 для ноутбуків місткістю 160 Гбайт і швидкістю шпінделя 5400 об/хв. Цей жорсткий диск використовує метод перпендикулярного запису для нанесення інформації на пластини, а також головку другого покоління, що знаходилася на стадії тестування з 2004 року.

Рисунок 2.18 - Hitachi Travelstar 5K160

Метод перпендикулярного запису повинен був стати перехідною технологією від старого методу запису до лазерних носіїв, але, судячи з усього, затримається. У перспективі цей метод дозволить нанести до 500 Гбайт даних на квадратний дюйм [5].

2.5 Прилади, в яких використовується лазер

Сьогодні компакт-диски виглядають так само, як і двадцять років тому. Виготовляються носії з прозорого полікарбонату, який покривають тонким напиленням алюмінію, срібла або золота, що відбиває. Потім наносять захисний шар лаку, щоб повністю захистити від контактів із зовнішнім середовищем і випадкових пошкоджень.

До уваги: діаметр дисків - 120 мм, товщина - 1,2 мм. Випускають також невеликі «болванки» (80 мм). Будь-який сучасний привод читає обидва типи дисків.