Modernas unidades de disco rígido (HDDs) combinam de uma maneira interessante o culminar da engenharia de precisão na produção em massa e a mais desprezada tecnologia de armazenamento. Apesar de apelidos nada lisonjeiros como "ferrugem giratória", a maioria dos discos consegue girar placas magnéticas extremamente suaves a alguns nanômetros das cabeças de gravação e leitura ao longo de suas vidas. Os suportes deste, por sua vez, puxam os solenóides, capazes de posicionar a cabeça exatamente sobre a trilha magnética microscópica em poucos milissegundos.
Apesar do fato de que por muitas décadas mais e mais dessas trilhas magnéticas foram amontoadas em um milímetro quadrado de pratos, e as cabeças de leitura e gravação estão sendo constantemente substituídas por outras cada vez mais complexas, a confiabilidade das unidades de disco rígido está constantemente crescendo. Em um relatório do segundo trimestre de 2020 da empresa de armazenamento Backblaze, está claro que a taxa de falha anual de seus discos rígidos é significativamente menor do que no ano passado.
A questão é: isso significa que os discos rígidos se tornarão ainda mais confiáveis com o tempo e como novas tecnologias como MAMR e HAMR podem influenciar esse processo nas próximas décadas.
De mega a tera
Mecanismo interno e seus cinquenta pratos de 610 mm. IBM 350
HDDs Os primeiros HDDs foram vendidos na década de 1950. O IBM 350 tinha uma capacidade de armazenamento de 3,75 MB e cinquenta discos de 24 "(610 mm) em um gabinete de 152 x 172 x 74 cm. Hoje, os discos rígidos mais avançados em 3,5" (14,7 X 10,2 x 2,6 cm) pode conter até 18 TB usando a tecnologia de gravação convencional (não lado a lado ).
Os pratos do IBM 350 giravam a 1200 rpm. Os novos HDDs se concentram na redução do tamanho da pastilha e no aumento da velocidade do fuso (5400 - 15.000 rpm). Outras melhorias incluem colocar as cabeças de leitura e gravação mais próximas da superfície do prato.
O 1961 IBM 1301 DSU (Unidade de armazenamento em disco) foi uma inovação significativa - ele usava colchetes separados com cabeçotes de leitura e gravação para cada um dos pratos. Outra inovação foi a aerodinâmica - as cabeças ficavam em vôo livre acima da superfície das placas, apoiadas em uma almofada de ar, o que possibilitava reduzir bastante a distância delas à superfície.
Após 46 anos de desenvolvimento, em 2003 a IBM vendeu seu negócio de HDD para a Hitachi. Naquela época, a capacidade dos discos havia aumentado 48.000 vezes e o volume havia diminuído muito. 29 161 vezes. O consumo de energia caiu de 2,3 kW para 10 W (modelos de desktop) e o custo por megabyte caiu de $ 68.000 para $ 0,002. Ao mesmo tempo, o número de pratos diminuiu de dezenas para no máximo um par.
Armazenamos mais dados em menos espaço
Internals 1 ″ Seagate MicroDrive A
miniaturização sempre foi o objetivo principal de todos os campos - seja mecânica, eletrônica ou computação. O tubo gigante ou monstros de computador de retransmissão das décadas de 1940 e 1950 evoluíram para sistemas de transistores menores e, em seguida, para maravilhas ASIC modernas e finas. A tecnologia de armazenamento passou pelas mesmas mudanças.
A unidade eletrônica dos HDDs experimentou todos os benefícios da crescente popularidade dos circuitos VLSI, bem como o aumento da precisão e do consumo de energia dos servos. A densidade de gravação por unidade de área aumentou com o desenvolvimento da ciência dos materiais, graças à qual placas cada vez menos pesadas e mais lisas (vidro ou alumínio) apareceram, e a qualidade do revestimento magnético melhorou. À medida que melhoramos a compreensão das propriedades dos componentes individuais (caixas ASIC, ligas de solda, solenóides, aerodinâmica do suporte, etc.), as revoluções foram gradualmente substituídas por melhorias incrementais.
Seis discos rígidos abertos variando em tamanho de 8 "a 1"
Embora eles tenham tentado aproximar-se da miniaturização extrema dos discos rígidos já duas vezes (1,3 "HP Kittyhawk microdrive em 1992 e 1" Microdrive1999), eventualmente o mercado se estabeleceu nos formatos de 3,5 "e 2,5". O fator de forma Microdrive foi apresentado como uma alternativa aos cartões CompactFlash que usavam a tecnologia NAND Flash - uma alternativa com capacidade maior e reescritas virtualmente infinitas que era adequada para sistemas embarcados.
Como em outras áreas, as limitações físicas na velocidade de gravação e tempos de acesso aleatório tornam os discos rígidos mais úteis onde grandes quantidades de armazenamento são importantes por pouco dinheiro, bem como alta confiabilidade. Como resultado, o mercado de HDD foi otimizado para desktops e servidores, bem como para vigilância por vídeo e fins de backup (competindo com filme).
Compreender os motivos da falha do disco rígido
Embora geralmente se acredite que o ponto fraco dos discos rígidos sejam suas partes mecânicas, várias razões podem ser responsáveis pelas falhas, a saber:
- Erro humano;
- Falha de equipamentos, tanto mecânicos quanto eletrônicos;
- Danos ao firmware;
- Fatores externos (calor, umidade);
- Nutrição.
O HDD recebe o valor de impacto físico permissível quando a alimentação é desligada ou durante a operação (quando as placas estão girando e os cabeçotes não estão estacionados). Exceder este valor pode danificar os solenóides que movem os braços ou a cabeça pode atingir a superfície da placa. Se esses valores não forem excedidos, o principal motivo da falha será o desgaste natural, cujo grau é determinado pelo número de MTBF (tempo médio entre falhas, "tempo médio entre falhas ").
O MTBF é derivado da extrapolação do desgaste observado ao longo do tempo. O MTBF para uma unidade de disco rígido é normalmente de 100.000 a 1 milhão de horas, e para testar o desempenho da unidade durante todo o período, ela teria que permanecer por 10 a 100 anos [não exatamente -aqui está uma explicação mais correta / aprox. trad.]. Esse número pressupõe que o disco rígido esteja operando nas condições recomendadas.
Obviamente, sujeitar o HDD a choques bruscos (deixando-o cair no chão de concreto) ou picos de energia (picos de energia, descargas eletrostáticas) encurtará sua vida útil. Menos óbvios são os defeitos de fabricação que podem ser encontrados em qualquer produto, portanto, a maioria dos produtos tem uma “taxa de falha aceitável”.
Não é sobre você, é sobre a linha de produção
Apesar do MTBF forte e do aparente esforço da Backblaze para garantir que seus 130.000 discos rígidos girem alegremente para o resto da vida e depois para o paraíso do disco rígido (geralmente por meio de uma trituradora de metal), a Backblaze relatou que no primeiro trimestre de 2020, a probabilidade anual de falha (AFR ) foi de 1,07%. Felizmente, esse é o menor número para a empresa desde que começou a publicar relatórios em 2013. Por exemplo, no primeiro trimestre de 2019, o AFR foi de 1,56%.
Como já mencionamos, durante a produção e instalação de circuitos integrados , podem aparecer falhas , que se manifestarão já durante o funcionamento do HDD. Com o tempo, coisas como eletromigração, calor e estresse mecânicopode causar falhas de circuito, de rompimento de fios dentro do pacote do IC, ao desgaste dos pontos de solda ou circuitos dentro do IC devido à eletromigração (especialmente devido à descarga eletrostática).
Os componentes mecânicos dos HDDs estão sujeitos às tolerâncias de engenharia de precisão e também à lubrificação adequada. No passado, pode ter ocorrido um problema de aderência do cabeçote, onde as propriedades do lubrificante mudavam com o tempo, até que os suportes perdessem a capacidade de sair da posição estacionada. Hoje, a lubrificação aprimorada mais ou menos resolveu esse problema.
Ainda assim, em cada etapa do processo de fabricação, existe a possibilidade de falhas que eventualmente se acumulam e podem estragar o belo e brilhante MTBF, colocando o produto no lado ruim do gráfico de taxa de rejeição (em forma de " banho "). Esta curva representa um pico inicial na taxa de falha devido a graves defeitos de fabricação, após o qual a taxa de falha cai até que o gráfico se aproxime do fim da vida útil do dispositivo.
Olhando para a frente
Os discos rígidos de hoje refletem claramente o quão maduro se tornou o processo de produção - muitos dos velhos problemas que os atormentaram na última década foram resolvidos ou contornados. Algumas inovações importantes, como a mudança para acionamentos preenchidos com hélio , ainda não produziram ganhos significativos em eficiência ou confiabilidade. Outras mudanças, como a transição de PMZ, gravação magnética perpendicular , para HAMR, gravação termomagnética, não devem afetar muito a vida útil do disco rígido, exceto por quaisquer problemas associados à própria tecnologia.
Na verdade, o futuro da tecnologia de discos rígidos parece monótono para quem adora armazenamento de alto volume por pouco dinheiro, o que deve durar pelo menos dez anos. Os princípios básicos das unidades de disco rígido, ou seja, o armazenamento de orientações magnéticas em um wafer, podem ser transferidos até mesmo para moléculas individuais. Inovações como o HAMR devem aumentar a estabilidade de longo prazo dessas orientações magnéticas.
Essa é uma grande vantagem dos HDDs em relação ao NAND Flash, que usa pequenos capacitores para armazenar cargas e um método de gravação que os danifica fisicamente. Lá, as restrições físicas são muito mais severas e levaram a projetos mais complexos, como a memória flash de célula de quatro níveis (QLC), que precisa distinguir entre 16 valores de voltagem diferentes em cada uma das células. Essa complexidade significa que as unidades baseadas em QLC são pouco mais rápidas do que discos rígidos de 5400 RPM em muitos casos, especialmente quando se trata de latência.
Reduzir a rotação
O primeiro disco rígido que usei no meu próprio computador foi um Seagate de 20 ou 30 MB no IBM PS / 2 (386SX), que meu pai me deu depois que eles mudaram para novos PCs no trabalho - aparentemente, eles precisavam liberar colocar no armazém. Na época do MS-DOS, isso bastava para o sistema operacional, vários jogos, WordPerfect 5.1 e muito mais. No final dos anos 90, já era um volume ridículo, e quando se tratava de discos rígidos, já estávamos falando em gigabytes.
Apesar do fato de que desde então eu troquei muitos PCs e laptops, até agora apenas drives de estado sólido estão morrendo. Isso, bem como os indicadores da indústria - como os relatórios do Backblaze - me dão a confiança de que os novos discos rígidos funcionarão por muito tempo. Talvez, quando a memória 3D XPoint se tornar barata e grande o suficiente, a situação mude.
Até então, gire.