Apesar do fato de que, com o tempo, mais e mais trilhas são colocadas em cada milímetro quadrado de pratos e as cabeças de leitura / gravação se tornam mais complexas a cada poucos anos, a confiabilidade dos discos rígidos está crescendo constantemente. Assim, a empresa Backblaze, que se dedica ao armazenamento de dados, preparou um relatório para o segundo trimestre de 2020, dedicado aos discos rígidos que nela utilizam. No final das contas, a taxa anual de falhas de disco, em comparação com o ano passado, caiu significativamente.
Isso significa que os HDDs se tornam mais confiáveis com o tempo? Como as tecnologias promissoras de gravação magnética, como MAMR e HAMR, podem afetar a confiabilidade do disco rígido nas próximas décadas?
O caminho de "mega" a "tera"
O primeiro HDD foi colocado à venda na década de 1950. Era um IBM 350 com capacidade de 3,75 MB. O dispositivo foi embalado em uma caixa de 152x172x74 cm, que incluiu 50 discos com um diâmetro de 24 polegadas (610 mm). Se você voltar aos nossos tempos, descobrimos que o melhor disco rígido moderno de 3,5 polegadas (aproximadamente 14,7 × 10,2 × 2,6 cm) pode armazenar até 18 TB de dados usando a tecnologia de gravação convencional (não lado a lado).
Mecanismo interno do disco rígido IBM 350
No IBM 350, os pratos giravam a 1200 rpm. E nas últimas décadas, os discos rígidos têm se desenvolvido no sentido de reduzir o diâmetro das placas e aumentar sua velocidade de rotação (os valores típicos são 5400-15000 rpm). Outras melhorias incluem colocar as cabeças de leitura / gravação mais próximas da superfície do prato.
O dispositivo de armazenamento IBM 1301 DSU (Unidade de armazenamento de disco) foi lançado em 1961. Era um design inovador em que cada prato tinha seu próprio cabeçote de leitura / gravação. Outra inovação desse modelo foi que as cabeças flutuaram acima da superfície do disco giratório sob a ação de forças aerodinâmicas. Isso tornou possível reduzir o espaço entre as cabeças e a superfície do disco.
Após 46 anos de desenvolvimento, a IBM vendeu seu negócio de HDD para a Hitachi em 2003. Naquela época, a capacidade dos discos rígidos havia aumentado 48.000 vezes, e seu tamanho diminuiu 29.161 vezes. O consumo de energia caiu de 2,3 kW para cerca de 10 watts (para modelos de desktop), e o preço por megabyte caiu de $ 68.000 para $ 0,002. Ao mesmo tempo, o número de pratos diminuiu de dezenas para, no máximo, dois.
Aumentando a densidade de armazenamento
Dispositivos mecânicos e eletrônicos, assim como computadores, sempre evoluíram para a miniaturização. Os imensos computadores de tubo ou relé das décadas de 1940 e 50 evoluíram para sistemas de transistores menos volumosos e, depois, para maravilhas modernas em miniatura da tecnologia baseada em circuitos integrados especializados. Os discos rígidos seguiram um caminho semelhante.
Por dentro do Seagate MicroDrive HDD de 1 polegada
A eletrônica de controle dos discos rígidos experimentou todas as delícias do desenvolvimento de VLSI, eles usaram servo drives cada vez mais precisos e econômicos. Os avanços na ciência dos materiais resultaram em placas mais leves e lisas (vidro ou alumínio) com revestimento magnético aprimorado. A densidade de gravação cresceu. Os criadores de discos rígidos foram ficando cada vez melhores em compreender as peculiaridades de seus elementos individuais (microcircuitos, soldas, drives, cabeçotes de leitura / gravação) e melhorias revolucionárias em suas características não ocorreram imediatamente, mas gradualmente, por meio de pequenas melhorias.
Seis discos rígidos abertos - de 8 "a 1" ( fonte )
Embora tenha havido pelo menos duas tentativas de miniaturização séria de discos rígidos, tomando a forma de 1,3 " HP Kittyhawk em 1992 e o 1" Microdrive em 1999, o mercado Como resultado, ele fez sua escolha, focando nos modelos de formatos de 3,5 e 2,5 polegadas. Microdrives têm sido apresentados como uma alternativa aos cartões CompactFlash baseados em NAND, citando seus pontos fortes como maior capacidade de armazenamento e ciclos de reescrita virtualmente ilimitados, tornando-os adequados para uso em sistemas embarcados.
Como em outros casos semelhantes, as limitações físicas na velocidade de gravação e no tempo de acesso aleatório aos dados, em última análise, tornaram os HDDs os hóspedes mais desejáveis, onde o mais importante é a capacidade de armazenar grandes quantidades de informações de maneira econômica e confiável. Isso permitiu que o mercado de HDD se adaptasse aos sistemas desktop e servidor, bem como às necessidades de vigilância por vídeo e backup de dados (aqui eles competem com drives de fita).
Razões para falhas no disco rígido
Embora as partes mecânicas dos discos rígidos sejam frequentemente vistas como o ponto mais fraco, as falhas do disco rígido podem ser causadas por mais do que apenas essas partes. Entre essas razões estão as seguintes:
- Fator humano.
- Falhas de hardware (mecânicas, eletrônicas).
- Danos ao firmware.
- Fatores ambientais (temperatura, umidade).
- Fonte de energia.
Os discos rígidos são testados quanto à resistência ao choque quando a alimentação está desligada ou durante a operação (os pratos giram, as cabeças de leitura / gravação não estão estacionadas). Se o disco for submetido a um estresse mais intenso do que foi projetado, a unidade responsável pelo movimento das cabeças pode ser danificada, as cabeças podem colidir com a superfície dos pratos do disco. Se o disco não for exposto a tais influências, o principal motivo de suas falhas, muito provavelmente, será seu desgaste natural. Os fabricantes de discos rígidos fornecem um tempo médio de falha (MTBF, tempo médio antes da falha), o que dá uma ideia de quanto tempo um disco rígido pode funcionar em condições normais.
O MTBF é obtido extrapolando os dados de desgaste do dispositivo ao longo de um período de tempo. Existem padrões pelos quais este indicador é calculado. O MTBF para discos rígidos está normalmente em qualquer lugar na faixa de 100.000 a 1 milhão de horas. Portanto, para realmente testar o disco, levaria de 10 a 100 anos para observá-lo. Ao mesmo tempo, os fabricantes, ao indicar MTBF para discos, partem do pressuposto de que o disco funcionará nas condições recomendadas. É aqui que os drives funcionam em empresas de armazenamento como a Backblaze.
Obviamente, se você expor o disco rígido a um impacto muito forte (deixá-lo cair no chão de pedra, por exemplo), ou se ocorrer uma falha grave na fonte de alimentação da unidade (digamos, um pico de energia), a vida útil do HDD será reduzida. Menos óbvio é que a confiabilidade dos discos rígidos pode ser afetada por defeitos de fabricação que não são exclusivos dos discos rígidos. Eles são o motivo pelo qual uma métrica como "taxa de falha aceitável" se aplica à maioria dos produtos.
Não se trata do usuário. É sobre a linha de produção
Os discos rígidos demonstram altos valores de MTBF. A empresa Backblaze, compreensivelmente, se esforça para garantir que quase 130.000 de seus HDDs "vivam" alegremente até uma idade avançada e se retirem com calma para um mundo melhor (geralmente uma fábrica de britagem de sucata). Mas mesmo uma empresa como a Backblaze está relatando uma taxa de falha anual de 1,07% (AFR) no primeiro trimestre de 2020. Felizmente para eles, essa é a taxa mais baixa desde que começaram a publicar esses relatórios em 2013. No primeiro trimestre de 2019, por exemplo, seu AFR era de 1,56%.
Em um dos meus materiaisfoi dito que durante a produção de dispositivos que incluam circuitos integrados, podem aparecer neles defeitos, que não se manifestam imediatamente, mas depois de algum tempo, durante o funcionamento dos dispositivos. Com o tempo, fatores como eletromigração, estresse térmico e mecânico podem levar a falhas em microcircuitos. Assim, as conexões dos fios nos casos dos microcircuitos podem ser quebradas, a eletromigração pode danificar as conexões soldadas e os próprios microcircuitos (especialmente após exposição a um dispositivo de descarga eletrostática).
As partes mecânicas dos discos rígidos dependem da precisão do cumprimento das tolerâncias tecnológicas e da qualidade da lubrificação das partes móveis. Anteriormente, havia um problema como a colagem do bloco de cabeças magnéticas na superfície do disco rígido (esticção ). Mas com o tempo, as características dos lubrificantes melhoraram e o bloco de cabeça não pode mais sair da área de estacionamento. Como resultado, esse problema foi mais ou menos resolvido hoje.
Mas, no entanto, em cada etapa do processo de produção, há uma chance de estragar algo. Em última análise, isso se manifesta como algo que degrada os bonitos números do MTBF. O disco rígido que falha fica no lado negro da curva da taxa de falha. Esta curva é caracterizada por um pico alto logo no início, indicando falhas devido a graves defeitos de fabricação. Em seguida, o número de defeitos diminui e parece calmo o suficiente até que o dispositivo expire, após o que ele sobe novamente.
Qual é o próximo?
Chegou a hora dos
discos rígidos HAMR, como os conhecemos, são um exemplo do resultado final de um processo de fabricação bem ajustado. Muitos dos problemas que afetaram esses dispositivos nos últimos cinco anos foram corrigidos ou mitigados. Mudanças comparativamente perceptíveis na produção de HDD, como a mudança para a produção de drives preenchidos com hélio ,ainda não tiveram um impacto significativo em sua taxa de falhas. Outras mudanças, como a mudança de Gravação Magnética Perpendicular ( PMR ) para Gravação Magnética Assistida por Calor ( HAMR) não deve afetar significativamente a vida útil dos discos rígidos. E isso desde que as novas tecnologias não tragam novos problemas.
Em geral, o futuro tecnológico do HDD parece, em todos os sentidos, bastante enfadonho. Eles serão instalações de armazenamento de baixo custo e grande capacidade que podem funcionar normalmente por pelo menos uma dúzia de anos. O princípio básico da criação de discos rígidos, em particular a magnetização de pequenas seções das placas, pode se desenvolver a tal nível quando o papel dessas "seções" for desempenhado por moléculas individuais. E se você adicionar algo como HAMR aqui, pode-se esperar um aumento significativo na vida de armazenamento de informações no HDD.
Os discos rígidos têm uma vantagem significativa sobre o NAND, que usa capacitores minúsculos para armazenar cargas e usa um método para gravar dados que danifica fisicamente esses capacitores. As limitações físicas dessa memória são muito mais severas do que as aplicáveis aos discos rígidos. Isso leva a um design de memória mais complexo, por exemplo, à criação de drives baseados em células de memória capazes de armazenar quatro bits (Quad-Level Cell, QLC). Ao trabalhar com essas células, 16 níveis de voltagem devem ser distinguidos. Devido à complexidade da memória QLC, parece que os SSDs correspondentes em muitos cenários são apenas um pouco mais rápidos do que discos rígidos de 5400 rpm. Isso é especialmente verdadeiro para atrasos no acesso a dados.
Resultado
Meu primeiro disco rígido foi um Seagate de 20 ou 30 megabytes em um IBM PS / 2 (386SX). Este computador foi trazido para mim do trabalho por meu pai. Eles mudaram para novos PCs e, provavelmente, queriam liberar armazéns de tecnologia antiga. Na época do MS DOS, 20-30 MB eram suficientes para o sistema operacional e para um monte de jogos, e para WordPerfect 5.1 e muito mais. Claro, essa quantidade de memória no final dos anos 90 parecia ridícula. Então, por falar em discos rígidos, eles operavam não com megabytes, mas com gigabytes.
Apesar do fato de eu ter possuído muitos desktops e laptops desde então, ironicamente, o único drive que, por assim dizer, morreu em minhas mãos foi um SSD. Isso, assim como as publicações sobre discos rígidos, como os relatórios do Backblaze, me dá uma forte confiança de que os dias em que os últimos discos de HDD pararão de girar estão muito distantes. Talvez essa previsão mude apenas quando algo como a tecnologia 3D XPoint permitir a criação de unidades suficientemente grandes e acessíveis. Nesse ínterim, deixe tudo continuar normalmente.
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