Binnenin een Harde Schijf: Kop, Platter, PCB en Spindelmotor

Wanneer men de interne structuur van een harde schijf bekijkt, kan men niet anders dan bewondering hebben voor de meesterlijke prestaties op het gebied van elektronica, mechanica, elektrotechniek en materiaalkunde die hierin zijn gecombineerd. De nauwkeurigheid waarmee een HDD werkt, wordt wellicht het best geïllustreerd door de ‘luchtspleet’. Deze term verwijst naar de afstand tussen de gevoelige lees-/schrijfkoppen en de gemagnetiseerde schijven, die met snelheden tot 15.000 tpm draaien. Deze afstand bedraagt doorgaans minder dan 5 nanometer!

Waarschuwing: Harde schijven zijn uiterst complexe apparaten die niet mogen worden geopend buiten speciale omgevingen die bekend staan als cleanrooms. Deze ISO-gecertificeerde omgevingen worden zorgvuldig onderhouden: 300 luchtverversingen per uur en geavanceerde HEPA-filters zorgen ervoor dat een cleanroom van klasse 100 minder dan 100 deeltjes groter dan 0,5 micrometer per kubieke voet lucht bevat. Dit is om ervoor te zorgen dat gevoelige onderdelen, zoals de platen, vrij blijven van verontreiniging. De Klasse 100-cleanroom van STELLAR is de enige dergelijke gecontroleerde omgeving in het land.

Om de structuur van een harde schijf uit te leggen, kijken we naar een interne SATA-schijf van 1 TB van Western Digital.

De schijf is de glanzende schijf die u op de afbeelding hierboven ziet. Deze schijf is meestal gemaakt van aluminium, glas of keramiek. Glas biedt een betere vlakheid van het oppervlak, en daarom hebben kleinere harde schijven – zoals die in laptops – glazen schijven. Ze moeten worden gepolijst zodat de oppervlakteruwheid minder dan 1 angstrom (10⁻¹⁰ m) bedraagt. De platters worden vervolgens voorzien van een primerlaag en verschillende nanometer dikke lagen van niet-magnetische en magnetische legeringen. Ten slotte worden een op koolstof gebaseerde toplaag en een dunne smeerfilm aangebracht om de duurzaamheid te verbeteren.

Laten we nu eens bekijken hoe data op de schijf zijn georganiseerd. Hiervoor moeten we vier begrippen begrijpen: sporen, cilinders, sectoren en domeinen.

• Sporen zijn concentrische cirkels op het oppervlak van de schijf.
• Sectoren zijn onderverdelingen van een spoor, en elke sector slaat een vaste hoeveelheid data op.
• Magnetische domeinen zijn onderverdelingen van sporen; elk domein vertegenwoordigt een eenheid binaire data (nullen en enen).
• Cilinders zijn verticale plannen van sporen

Tussen de schijven bevinden zich dempers of scheidingswanden die luchttrillingen en geluidsoverlast verminderen.

Zoals eerder vermeld, mogen harde schijven alleen worden geopend in een cleanroom van klasse 100 om verontreiniging en schade aan de gevoelige onderdelen te voorkomen. De platen zijn uiterst gevoelig, dus zelfs als er slechts één stofdeeltje, huidschilfers enz. (meestal 1–250 micrometer groot) op terechtkomt, kan de plaat tijdens het gebruik bekrast raken. Hierdoor kan de harde schijf onbruikbaar worden en kunt u de toegang tot de daarop opgeslagen data verliezen.

De schijf is echter niet het enige gevoelige onderdeel in een harde schijf. De kopassemblage, die de lees-/schrijfkoppen bevat, is nog gevoeliger. 

2. Kopstapel (HSA)

De hieronder afgebeelde Head Stack Assembly (HSA) is het centrale onderdeel dat de lees-/schrijfkoppen in staat stelt informatie op de platen op te slaan (en te openen).

Laten we nu eens bekijken hoe de Head Stack Assembly (HSA) werkt.

De HSA is verantwoordelijk voor het positioneren en verplaatsen van de lees-/schrijfkoppen over de platen. Dit zorgt voor nauwkeurigheid in de uitlijning, zodat data wordt gelezen uit of geschreven naar de juiste sector van de plaat.

De HSA is voorzien van armen (lange metalen onderdelen) voor de bevestiging van de koppen, een flexibele printplaat (FPC) die de HSA met het moederbord verbindt en elektrische signalen doorgeeft, een voice-coil-motor (VCM) die de actuator van de HSA aandrijft, evenals schuifelementen en koppen, die de feitelijke mechanismen vormen voor het lezen en schrijven van data.

Om volledig te begrijpen hoe dit werkt, moeten we de lees-/schrijfkop en de complexe structuur ervan nader bekijken.

De lees-/schrijfkop is een minuscuul onderdeel aan het uiteinde van de schuif die in contact staat met het magnetische oppervlak van de schijf.

• Tijdens het lezen detecteert de kop magnetische domeinen (kleine magnetische gebieden op de schijf die nullen en enen vertegenwoordigen). Het magnetische signaal wordt omgezet in een elektrisch signaal en vervolgens in digitale data voor de computer.
• Tijdens het schrijven wijzigt de kop de magnetische oriëntatie van het oppervlak van de schijf om nieuwe binaire data te coderen.

De in de onderstaande afbeelding gemarkeerde slider speelt een cruciale rol in de werking van de lees-/schrijfkop. Deze dient als ondersteuningsstructuur voor de kop en is ontworpen om net boven het oppervlak van de schijf te zweven.

Een belangrijk concept dat hier moet worden benadrukt, is de leeshoogte – de uiterst kleine afstand tussen de lees-/schrijfkop en de schijf. Deze afstand is cruciaal voor de nauwkeurigheid van lees- en schrijfbewerkingen. Ze is ongelooflijk klein en varieert doorgaans tussen 5 en 10 nanometer. Ter vergelijking: een menselijke haar is ongeveer 25.000 nanometer dik. Deze ongelooflijk lage leeshoogte is noodzakelijk voor nauwkeurigheid tijdens lees- en schrijfbewerkingen.

Als de vlieghoogte groter zou zijn, zou dit de nauwkeurigheid aantasten, en als deze lager zou zijn, zou dit het risico op kopbotsingen (waarbij de kop tegen de schijf botst) vergroten.

Gezien de minuscule vlieghoogte kunnen zelfs microscopisch kleine stof- of oliedeeltjes de werking van de leeskop verstoren of ernstige schade veroorzaken. Om dit tegen te gaan,

• zijn harde schijven uitgerust met recirculatiefilters om de interne lucht te reinigen; en
• een inlaatfilter dat voorkomt dat externe verontreinigingen via de inlaatopening binnendringen.

Laten we nu eens kijken naar het onderdeel dat verantwoordelijk is voor het aansturen van deze nauwkeurige bewegingen en processen binnen de harde schijf.

3. Printplaat

De printplaat (PCB) vormt de elektronische ruggengraat van een harde schijf. Deze regelt de werking en beschermt de componenten.

De printplaat (PCB) kan worden begrepen door te kijken naar zes van de belangrijkste componenten, die elk een cruciale rol spelen in de werking van het apparaat.

1. Ten eerste is er de microcontrollerunit – het brein van de printplaat. Deze combineert een CPU voor gegevensverwerking en een lees-schrijfkanaal om analoge signalen van de koppen om te zetten in digitale data. Ook beheert deze de gegevensoverdracht via de SATA-interface en bewaakt deze de volledige werking van de harde schijf.
2. Het tweede onderdeel is het geheugen of de cache. Meestal is er een DDR SDRAM-chip die tijdelijke data opslaat voor snelle toegang. Het geheugen is verdeeld in twee delen: het buffer-/cachegeheugen voor snelle data-toegang en het firmwaregeheugen voor het opslaan van belangrijke bedieningsinstructies.
3. Het derde onderdeel is de VCM-controller (Voice Coil Motor Controller). Deze regelt zowel de spindelmotor, die de platen laat draaien, als de bewegingen van de koppen voor lees- en schrijfbewerkingen. Dit is het onderdeel van de harde schijf dat de meeste stroom verbruikt.
4. Het vierde onderdeel is de flash-chip, die een deel van de firmware bevat die nodig is voor het opstarten en de werking van de harde schijf. Zonder deze firmware zou de schijf niet eens gaan draaien.
5. Het vijfde onderdeel is de schoksensor. Deze sensor kan trillingen of fysieke schokken detecteren. Als de schijf bijvoorbeeld valt, parkeert de schoksensor automatisch de koppen om schade aan de platen te voorkomen.
6. Het zesde onderdeel is de TVS-diode (Transient Voltage Suppression Diode), die de harde schijf beschermt tegen stroompieken. Als er een stroompiek optreedt, absorbeert de TVS-diode de overtollige spanning en zorgt voor een kortsluiting om verdere schade te voorkomen.

Vervolgens kijken we naar het mechanisme dat ervoor zorgt dat de platen met precies de vereiste snelheden draaien om efficiënte toegang tot data te garanderen.

Conclusie

U zou nu een uitgebreid inzicht moeten hebben in de complexe werking van een harde schijf.

Dit overzicht belicht de indrukwekkende technologie achter harde schijven. Kleine verbeteringen aan afzonderlijke componenten hebben bijgedragen aan de voortdurende ontwikkeling van harde schijven. Met de technologische vooruitgang kunnen we verwachten dat ze lichter, sneller, kosteneffectiever en betrouwbaarder worden.