Tìm hiểu về cấu tạo ổ cứng HDD

Năm 1958, công ty IBM cho ra đời ổ đĩa cứng đầu tiên của thế giới làm thay đổi về cơ bản cách thức lưu trữ dữ liệu.

Cho đến thời điểm hiện tại, ổ cứng đã có những thay đổi hoàn toàn về mọi mặt; từ dung lượng lưu trữ, phương thức ghi dữ liệu; tốc độ truyền tải, phương thức truyền tải, kích thước, năng lượng tiêu thụ, giá thành v.v…

CẤU TẠO Ổ CỨNG

Đĩa cứng (Hard Disk Drive: HDD) có thể hiểu là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu điện tử bằng cách sử dụng công cụ từ hóa bề mặt các tấm đĩa hình tròn phủ vật liệu từ tính. Những tấm đĩa này thường được làm bằng nhôm hoặc thủy tinh gốm có kích thước xác định, trên bề mặt có phủ một lớp mỏng (0,5-0,7μm) vật liệu từ tính.

Đĩa cứng thường được gắn liền với máy tính điện tử để lưu trữ dữ liệu cho dù chúng xuất hiện muộn hơn so với những chiếc máy tính đầu tiên. Với sự phát triển của công nghệ thông tin, đĩa cứng ngày nay có kích thước tỉ lệ nghịch với khả năng lưu trữ dữ liệu. Trong những thiết kế đầu tiên, đĩa cứng chỉ dành cho các máy tính; ngày nay đĩa cứng còn được sử dụng trong các thiết bị điện tử như máy nghe nhạc kĩ thuật số, máy ảnh số, điện thoại di động thông minh (SmartPhone), máy quay phim kĩ thuật số, thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân và một số thiết bị khác.

Không chỉ tuân theo các thiết kế ban đầu, đĩa cứng đã có những bước tiến công nghệ nhằm giúp lưu trữ và truy xuất dữ liệu nhanh hơn: ví dụ sự xuất hiện của các đĩa cứng lai (Solid State Hybrid Technology:SSHD) giúp cho hệ điều hành hoạt động tối ưu hơn, giảm thời gian khởi động của hệ thống, tiết kiệm năng lượng, sự thay đổi phương thức ghi dữ liệu trên các đĩa từ làm cho dung lượng chứa trên mỗi đĩa từ tăng lên đáng kể.

Dưới đây là hình ảnh của một HDD 3.5 thông thường

Hình ảnh của một HDD 3.5
Phần màu xanh - Printed Circuit Board (PCB)

Phần màu xanh cùng với cổng SATA và cổng kết nối nguồn gọi là “bản mạch in” (Printed Circuit Board) hay PCB. Phần màu đen được làm bằng hợp kim nhôm cùng với tất cả những thứ bên trong gọi là hệ thống bảo vệ ổ đĩa hay còn gọi là HDA. Đây là những thành phần cơ bản.

  1. Cấu tạo, chức năng, nhiệm vụ của PCB

Hình ảnh PCB và các linh kiện điện tử nằm trên.

Hình ảnh PCB và các linh kiện điện tử nằm trên

Trung tâm của PCB là chip lớn nhất gọi là khối vi điều khiển (Micro-Controller Unit) hay MCU. Trên MCU của ổ cứng hiện nay thường bao gồm khu xử lý trung tâm hay là CPU nơi thực hiện tất cả các phép tính toán và các phép đọc /viết tin – Nơi chuyển đổi tín hiệu tương tự từ các đầu từ (HEADs) vào trong thiết bị thông tin số trong quá trình đọc và mã hóa thông tin số thành tín hiệu tương tự khi ổ đĩa cần phải ghi dữ liệu. MCU cũng có cổng IO để kiểm soát tất cả mọi thứ trên PCB và truyền dữ liệu thông qua cổng giao tiếp SATA.

Chip bộ nhớ được sử dụng trên HDD là loại DDR SDRAM, dung lượng của bộ nhớ xác định dung lượng cho vùng nhớ đệm của HDD. Bộ vi xử lý PCB này có bộ nhớ chip Samsung DDR 32Mb tức về mặt lý thuyết: ổ cứng HDD có vùng nhớ đệm 32Mb (ta có thể tìm thấy những thông tin này trong bảng thông số dữ liệu trên ổ cứng này); Tuy nhiên, điều này không thật sự chính xác, bởi bộ nhớ được chia một cách hợp lý trên bộ đệm hoặc bộ nhớ đệm và bộ nhớ firmware (phần nhớ thường ở trong bộ nhớ chỉ đọc ROM). CPU cần dùng một vài bộ nhớ để lưu trữ một vài module firmware và chỉ có ổ đĩa Hitachi/IBM mới cho thấy kích cỡ của bộ nhớ đệm thật sự trong bảng dữ liệu thông số, còn những ổ đĩa khác ta chỉ có thể đoán về kích cỡ bộ nhớ này.

Chip tiếp theo là bộ điều khiển Voice Coil Motor (tạm dịch: môtơ cuộn dây quay) hay trạm điều khiển VCM. Là chip tiêu thụ tốn điện năng nhất trên PCB. Nó điều khiển việc quay vòng cho sự chuyển động của trục chính mô tơ và các đầu từ. Điểm cốt lõi của bộ điều khiển VCM có thể chịu nhiệt độ làm việc tới 100C/212F.

Bộ nhớ Flash Rom lưu trữ phần firmware của ổ đĩa. Khi ta thực hiện một quyền trên ổ đĩa, chip MCU đọc nội dung của chip flash vào trong bộ nhớ và bắt đầu viết code. Nếu không có ổ đĩa code thì sẽ không thể quay được ổ đĩa. Thỉnh thoảng không có một chip flash nào trên PCB mà điều đó có nghĩa nội dung của bộ nhớ flash nằm bên trong MCU.

Bộ cảm biến va chạm có thể phát hiện các va chạm quá mức được áp dụng trên ổ đĩa và gửi tín hiệu số về cho bộ điều khiển VCM. Một thiết bị bảo vệ khác gọi là TVS diode hay là biến áp xung nằm trong mạch bảo vệ. Nó bảo vệ PCB khỏi việc gia tăng đột biến nguồn điện từ nguồn cung cấp điện bên ngoài. Khi TVS điốt phát hiện nguồn điện gia tăng, nó sẽ tự ngắt chính nó và tạo nên 1 đoản mạch giữa két nối nguồn và mặt đất hay khi có các xung điện áp cao thì nó sẽ dẫn các dòng này quay về nguồn (không cho đi qua tải). Có 2 TVS điốt trên PCB này với nguồn bảo vệ từ 5V-12V.

  1. Cấu tạo của HAD (Head/Disk Assembly)

Hình ảnh HAD:

Ta có thể thấy mô tơ và các liên lạc đầu từ (heads contacts). Còn có thêm một lỗ nhỏ hầu như khó để ý đến trên HDA, lỗ này gọi là lỗ thở. Có thể người đọc đã từng nghe rằng: trong ổ cứng là vùng chân không, thực tế không phải vậy. Ổ cứng dùng lỗ thở này để làm cân bằng các áp lực bên trong và bên ngoài HDA. Từ bên trong lỗ thở được đóng lại bởi bộ lọc lỗ thở để làm cho không khí được sạch và khô.

Tháo nắp bảo vệ của ổ cứng, ta có những hình ảnh sau:

Phần nắp này chỉ là một mảnh thép cùng với dây cao su để bảo vệ ổ cứng khỏi bụi bám. Cuối cùng, ta sẽ xem xét phần bên trong của HDA.

Dữ liệu điện tử được lưu trữ trên tấm kim loại hình tròn, ta có thể trên ảnh. Đĩa kim loại được làm bởi nhôm hoặc thủy tinh và được phủ vài lớp hợp chất khác nhau bao gồm cả lớp sắt từ để lưu trữ dữ liệu. Trong ảnh, phần đĩa cứng được bao phủ bởi một lớp bảo vệ màu đen được gọi là dumper. Các dumper thỉnh thoảng gọi là các dải phân cách nằm giữa các đĩa cứng, chúng làm giảm biến động trong không khí và tiếng ồn âm thanh. Thông thường các dumper này được làm từ nhôm hoặc nhựa. các dumpers nhôm thì tốt hơn cho việc làm mát không khi bên trong cho HDA.

Trong bức ảnh tiếp theo cho chúng ta thấy được các đĩa cứng và các dumper.

Các đầu từ được gắn vào HAS (là phần bộ phận lắp ráp đầu từ stack: Head Stack Assembly). Ổ đĩa này có điểm dừng gần với trục chính, và khi ko có nguồn điện trên ổ cứng thì HSA thông thường sẽ dừng lại ở vị trí như trên hình.

Ổ cứng là một bộ máy với cơ chế hoạt động chính xác và để làm việc được thì nó đòi hỏi không khí bên trong phải sạch. Trong lúc làm việc HDD có thể tạo ra một số hạt kim loại rất nhỏ và dầu bên trong. Để làm sạch không khí một cách ngay lập tức, ổ đĩa sử dụng bộ lọc “Tuần hoàn khép kín- Recirculation filter”. Bộ lọc công nghệ cao này thường xuyên thu thập và hút thậm chí những hạt nhỏ nhất với độ lớn micro mét. Bộ lọc nằm trên đường đi của chuyển động không khí tạo ra bằng đĩa xoay.

Tháo nam châm và kiểm tra những thành phần bên dưới:

HDD sử dụng nam châm vĩnh cửu làm bằng đất hiếm Neodymium rất mạnh. Nam châm này có thể nâng tới 1300 lần trọng lượng riêng của nó. Ta có thể xem trên hình ảnh này có nút HSA trên nam châm. Nút HAS sẽ giới hạn chuyển động HSA, nên các đầu từ sẽ không đập vào đĩa kẹp và nó cũng sẽ không làm đĩa bay ra. Những nút HSA có thể có cấu tạo khác nhưng luôn có hai chức năng đó và chúng luôn có trên HDD ngày nay. Trên ổ đĩa này nút HSA thứ 2 nằm trên HDA dưới nam châm top.

Và đây là những gì ta có thể xem dưới nam châm đỉnh.

Ở đây có nút HSA khác, Và ta cũng có thể thấy nam châm thứ 2. Cuộn dây quay là một phần của HSA, cuộn dây quay và nam châm tạo thành trạm điều khiển VCM. VCM và HSA tạo thành Bộ điều chỉnh – là thiết bị nhằm di chuyển các đầu từ. Phần nhựa đen được gọi là chốt điều chỉnh truyền động là một thiết bị bảo vệ – nó nhả HSA ra khi ổ đĩa được nạp vào đầu từ bình thường và nó nên ngăn chặn chuyển động HSA ngay khi tác động nếu đĩa được thả ra. Về cơ bản nó bảo vệ đầu từ khỏi những chuyển động ngoài ý muốn khi HSA ở vùng đỗ. Ở bước tiếp theo chúng ta lấy ra HSA

HSA có chốt trụ thật chính xác (bearing) để làm các chuyển động có thể nẹ và tốt hơn. Phần lớn nhất của HSA được làm từ mẩu nhôm được gọi là tay đòn(Arm). Heads Gimbal Assembly hoặc HGA (là nhóm các đầu từ) gắn với tay đòn. HGAs và tay đòn thường sản xuất trên các nhà máy khác nhau. Dải băng màu cam được gọi là Flexible Printed Circuit hoạt hoặc FPC tham gia vào HSA và đĩa với các việc liên lạc đầu từ.

Hình ảnh sau thể hiện rõ hơn mỗi bộ phận của HSA.

Cuộn dây âm thanh được nối với FPC
Chốt trụ – Bearing

Miếng đệm làm kết nối chắn gió. Cách duy nhất để không khí đi bên trong HDA là thông qua lỗ thông gió. Trên bộ liên lạc này phủ lớp vàng mỏng, cho khả năng dẫn điện tốt hơn.

Đây là định nghĩa cổ điển của tay đòn (arm), hay có thể nói tay đòn chỉ là một phần kim loại của HSA.

Vật màu đen nhỏ ở cuối HGAs được gọi là Nút trượt. Có nhiều nguồn thông tin nói những nút trượt này được hiểu mới chính là những đầu từ nhưng chỉ riêng nút trượt bản thân nó không phải là đầu từ, nó là yếu tố để trợ giúp đọc và ghi phần tử theo bề mặt của đĩa. Độ cao đầu từ so với mặt đĩa HDDs hiện đại là khoảng 5-10 nanômét. Ví dụ như: trung bình tóc của con người là khoảng 25000 nanômét. Nếu có bất kỳ 1 phần tử nào (các hạt bụi nhỏ) đi dưới nút trượt nó có thể ngay lập tức gây nóng (vì ma sát) phần đầu từ và phá hỏng chúng; đó là lý do tại sao phải làm sao phải làm sạch không khí bên trong HDA là rất quan trọng. các phần tử tham gia việc đọc và ghi thật sự được bố trí vào cuối nút trượt và chúng nhỏ đến nỗi chỉ có thể được xem dưới kính hiển vi tốt.

Bề mặt của nút trượt không phải là phẳng, nó có những đường rãnh aerodynamical. Các đường rãnh này trợ giúp nút trượt ở trên một độ cao nhất định. Không khí dưới nút trượt tạo thành Không khí bề mặt đệm (Air Bearing Surface) hoặc ABS. ABS làm nút trượt hầu như song song với bề mặt của đĩa.

Đây là hình ảnh khác của nút trượt

Những phần liên lạc của đầu từ:

Một phần rất quan trọng của HAS là bộ khuếch đại, bộ khuếch đại này là một con chip, nó điều khiển các đầu từ và các tín hiệu đến và đi được khuếch đại.

Bộ phận khuếch đại này nằm bên trong HDA đơn giản vì các tín hiệu từ các đầu từ là rất yếu và trên các HDD hiện nay có tần số lớn hơn 1GHz, nếu không có bộ phận khuếch đại này ở HDA thì những tín hiệu yếu đó sẽ bị mất đi trên đường tới PCB.

Bộ phận khuếch đại này có nhiều rãnh tới các đầu từ (bên phải) hơn là tới HDA (bên trái), bởi vì HDD có thể hoạt động chỉ với một đầu từ (một cặp đọc-ghi) tại một thời điểm. HDD gửi các tín hiệu điều khiển tới bộ khuếch đại và bộ khuếch đại lựa chọn đầu từ mà HDD cần tại thời điểm hiện tại. HDD có sáu phần tử liên lạc trên mỗi đầu từ, tại sao lại cần nhiều như thế? Mỗi phần tử liên lạc cho phần tiếp bề mặt, hai cái khác cho phần tử đọc-ghi. hai cái khác nữa cho các bộ vi xử lý truyền động (microactuators) – bộ phận áp điện riêng hay các thiết bị nam châm (từ tính) mà có thể làm chuyển động hoặc xoay chiều nút trượt, nó giúp điều chỉnh các vị trí của đầu từ dưới các rãnh. Và cuối cùng phần tử liên lạc cuối cùng cho phần giữ nhiệt- heater. Heater có thể giúp cho việc điều chỉnh độ cao cảu đầu từ so với mặt đĩa. Heater có thể làm nóng các khớp nối, khớp nối đặc biệt này kết nối với nút trượt tới HGA, khớp nối này được làm từ hai sọc hợp kim khác nhau cùng với độ dãn nở khác nhau. Một khi khớp nối này được làm nóng, nó tự chuyển hướng tới phía bề mặt của đĩa và làm giảm độ cao giữa đầu từ và bề mặt đĩa xuống. sau khi làm mát lại thì khớp nối này lại thẳng lại như ban đầu.

Tháo phần top dumper.

HDD sau khi đã tháo top dumper và HSA

Loại bỏ phần kẹp trục đĩa.

Phần kẹp trục đĩa ép đĩa vào trong các gói nhỏ, do vậy chúng không thể bị di chuyển.

Đĩa cũng được đặt trên một trục quay, phần kẹp trục đĩa được tạo nên đủ sự ma sát để giữ đĩa trên trục khi trục xoay.

Nhấc tấm đĩa thừ ra khỏi trục, ta có hình ảnh tiếp theo:

Ta có thể thấy phần thứ hai của đĩa và phần thứ hai của trục quay.

Miếng đệm kim loại là 1 chi tiết hoàn chỉnh, chính xác làm từ nam châm hoặc nhựa tổng hợp.

Cấu tạo phần HDA và chân đế.

Đây là bộ phận lọc cho lỗ thông không khí của HDD: Breath filter: Dùng để lọc không khí và thông hơi. Lỗ thông hơi được đặt bên phải dưới lớp lọc hơi. Hãy quan sát màng thông hơi gần hơn.

Vì không khí từ bên ngoài chắc chắn chứa bụi, màng lọc hơi sẽ loại bỏ bụi bằng các lớp của màng lọc và nó dày hơn so với bộ lọc tuần hoàn, ngoài ra nó còn có chất hóa học đioxit xilich keo bên trong để giảm bớt không khí ẩm.

Phần tiếp theo, chúng ta tìm hiểu về một vài nguyên nhân chính gây mất dữ liệu trên HDD, các lỗi, sự cố thường xảy ra trên HDD và phương án xử lý tốt nhất.

——————-

Tạ Thanh

 

,

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *