Dyski twarde (HDD - ang. Hard Disk Drive) to jeden z podstawowych nośników danych, który od lat stanowi fundament przechowywania informacji cyfrowej w komputerach osobistych, serwerach, centrach danych, urządzeniach mobilnych, systemach monitoringu i archiwizacji.
Choć w ostatnich latach coraz większą popularność zyskują półprzewodnikowe nośniki SSD (Solid State Drive), to tradycyjne dyski twarde wciąż mają swoje ugruntowane miejsce w świecie techologii, przede wszystkim dlatego, że oferują dużą pojemność i sprawdzoną niezawodność za stosunkowo niską cenę.
W zależności od formatu i zastosowania, dyski twarde różnią się między sobą budową, wydajnością i przeznaczeniem.
Przyjrzyjmy się różnym formatom dysków twardych — od najpopularniejszych modeli 3,5-calowych, przez mniejsze 2,5-calowe, po dyski przeznaczone do urządzeń przenośnych i zastosowań specjalistycznych.
Dyski twarde HDD są najbardziej popularnymi nośnikami do przechowywania i archiwizacji danych, zarówno wśród firm jak i osób prywatnych.
Użytkownicy, przekazując nam uszkodzony dysk twardy, często są zdziwieni jak wrażliwe oraz precyzyjne jest to urządzenie i z jaką łatwością można je uszkodzić tracąc dostęp do danych na nim zawartych.
Warto zatem poznać jego budowę i zasadę działania aby mieć świadomość, że jego los znajduje się w naszych rękach.
Przede wszystkim dysk twardy nie ma nic wspólnego z gramofonem i igłą.
Obudowa lub korpus dysku twardego (my ją nazywamy "hermoblokiem") jest wykonana z metalu, najczęściej z aluminium lub stopów magezów, i chroni wszystkie wewnętrzne elementy przed kurzem, zanieczyszczeniami oraz uszkodzeniami mechanicznymi.
Hermoblok dysku jest również odpowiedzialny za redukcję hałasu elementów mechanicznych oraz odprowadzanie temperatury.
Ważnym zagadnieniem w kontekście korpusu dysku twardego jest jego szczelność i hermetyczność. Istnieje subtelna różnica między tymi dwoma pojęciami:
Szczelność odnosi się do ograniczenia wnikania ciał obcych (kurzu, brudu i innych zanieczyszczeń) z zewnątrz, ale nie oznacza całkowitego uszczelnienia.
Hermetyczność oznacza całkowitą szczelność, czyli całkowite zapobieganie wymianie powietrza między wnętrzem dysku a zewnętrzną atmosferą.
Tradycyjne dyski twarde nie są hermetyczne w sensie absolutnym, posiadają one otwór wentylacyjny umieszczony w pokrywie górnej lub korpusie wyposażony w filtr powietrza, który zapewnia możliwość wyrównywania ciśnienia atmosferycznego i odpowiednią czystość powietrza wewnątrz dysku twardego, skutecznie usuwając cząsteczki pyłu, brudu, wilgoci czy innych zanieczyszczeń, które mogłyby dostać się do wnętrza urządzenia.
Gdyby nie on dysk w trakcie pracy mógłby nie wytworzyć optymalnie wysokiej poduszki powietrznej dla głowic.
Mamy jednak obecne od kilku lat nowe wersje dysków twardych, tak zwane dyski helowe (ang. Helium-filled Hard Drives), wypełnione gazem - helem.
To nowoczesna technologia w świecie dysków twardych, która zyskała popularność dzięki swoim wyjątkowym właściwościom, takim jak niższe zużycie energii i wyższa pojemność.
Hel ma kilka właściwości, które sprawiają, że jest lepszym gazem do wypełniania wnętrza dysku twardego niż powietrze.
Niższa gęstość:
Lepsza izolacja termiczna:
Większa pojemność:
W przeciwieństwie do tradycyjnych dysków twardych, które posiadają wentylację w formie otworów, dyski helowe muszą być hermetyczne, aby zapobiec wypływowi gazu, co mogłoby zmniejszyć ich wydajność, spowodować problemy z zapisem lub odczytem danych, a nawet spowodować uszkodzenie. Zamiast tego, cała konstrukcja jest zaprojektowana tak, aby zatrzymać hel w środku, zapewniając tym samym wymagane warunki pracy.
Utarło się, że słowo "igła" jest zamiennikiem nazwy "głowica", ale fizycznie nie mają one ze sobą nic wspólnego.
Głowica magnetyczna jest zaprojektowana do pracy w bardzo małych odległościach (mikroskalowych) od talerza.
W dyskach wypełnionym powietrzem dystans pracy głowic od powierzchni wynosi około 1 Mikrometr [µm] (0,001 Milimetr [mm]), a w dyskach wypełnionym helem odległość ta wynosi zaledwie 2 Nanometry [nm] (2,0 × 10-6 Milimetry [mm]).
Głowica jest odpowiednio zawieszona na sprężystym ramieniu i przesuwana nad talerzem w taki sposób, aby unikać bezpośredniego kontaktu z jego powierzchnią.
W dyskach twardych zapis i odczyt danych odbywa się na zasadzie magnetyzmu, w czasie zapisu danych, głowica zmienia stan magnetyczny powierzchni talerza poprzez generowanie pola magnetycznego, a w trakcie odczytu danych wykrywa zmiany w polu magnetycznym powierzchni talerza.
Igła kojarzy się bardziej z urządzeniami, które wchodzą w fizyczny kontakt z nośnikiem danych, tak jak w gramofonach.
W przypadku dysków twardych, bezpośredni kontakt "igły" z powierzchnią talerza mógłby prowadzić do uszkodzenia powierzchni nośnika oraz powodować zatrzymywanie się talerzy lub zacięcia głowicy w mechanizmie.
Błąd ten spowodowany jest prawdopodobnie przez to, że sam element odpowiedzialny za odczyt i zapis danych (ang. slider) jest nieco schowany pod szerszą częścią ramienia głowicy, a najbardziej wysunięty jej koniec spoczywjący na rampie parkingowej (wąs parkingowy - nazewnictwo nasze) faktycznie może przypominać igłę.
Igła, tak jak w gramofonach, może tylko fizycznie przemieszczać się po powierzchni i nie ma zdolności do wykrywania zmian w polu magnetycznym ani generowania odpowiednich jego zmian.
Wyobraźmy sobie, jak musiałby być zbudowany dysk, aby po zapisie danych przez igłę oczyścić powierzchnię oraz powstałe rowki z pozostałości takiej operacji i jak szybko sama igła jak i powierzchnia dysku twardego uległaby zużyciu, zwłaszcza przy obrotach talerzy sięgających 5400, 7200, 10000 czy 15000 obrotów na minutę.
Siłownik (ang. Actuator Arm) to mechanizm, który odpowiada za przesuwanie głowic w płaszczyźnie poziomej względem talerzy nad ich powierzchnią od wewnętrznej do zewnętrznej krawędzi i działa na zasadzie elektromagnesu (w starych dyskach wykorzystywany do tego był silnik krokowy), pozwala to na linowy ruch i precyzyjne ustawienie głowic w odpowiednich miejscach na powierzchni platerów.
Kiedy dysk twardy nie odczytuje ani nie zapisuje danych użytkownika, ale nie został uśpiony (czyli nie znajduje się w trybie oszczędzania energii), głowica działa w sposób, który zapewnia gotowość do natychmiastowego rozpoczęcia operacji odczytu lub zapisu w przypadku potrzeby.
W takim stanie głowica zatrzymuje się w pozycji neutralnej, nie jest jednak całkowicie nieruchoma – wciąż znajduje się nad powierzchnią cyklicznie odczytując sygnały serwo oraz okreslając swoją aktualną pozycję.
Kiedy dysk przechodzi w tryb uśpienia (np. w wyniku braku aktywności przez dłuższy czas), siłownik fizycznie przesuwa głowicę do specjalnej strefy - w zależności od modelu do wewnętrznej strefy wydzielonej na powierzchni talerzy (starsze dyski) lub do zewnętrznej rampy wykonanej z tworzywa (nowe dyski twarde) - zwaną parkingiem głowicy.
W tym stanie głowica jest zamknięta w bezpiecznym położeniu gdzie nie może już wpływać na dane przechowywane na talerzu.
Nie istnieje program do naprawiania sektorów uszkodzonych fizycznie - tak zwanych bad sektorów w dyskach twardych.
Im dłużej zmuszamy dysk do pracy, czyli odczytu poszczególnych sektorów, nie znając jego stanu technicznego, tym trudniejsze może okazać się późniejsze odzyskiwanie danych.
Taka sytuacja może mieć miejsce, gdy elementy MR (czytająco - zapisujące) zespołu głowic uległy uszkodzeniu, a pracująca głowica jest niepotrzebnie obciążona i ulega dalszej degradacji, lub zniszczeniu uległa powierzchnia talerzy dysku, która w czasie skanowania może być dalej uszkadzana.
O ile w pierwszym przypadku rozwiązaniem jest wymiana głowic z dysku dawcy, o tyle uszkodzenie powierzchni talerzy jest nieodwracalne.
Jeżeli dysk jest jeszcze w stanie odczytywać dane należy natychmiast wykonać kopię posektorową uszkodzonego dysku na zdrowy nośnik i z niego odzyskiwać dane.
W przypadku usterki elektroniki dysku twardego samo jej przełożenie we współcześnie produkowanych napędach jest nieskuteczne.
Ma to związek z tym, że obecnie produkowane dyski twarde mają na tyle dużą gęstość zapisu danych, że każdy z nich ma przypisane indywidualne parametry pracy zapisane w pamięci ROM.
Przy samym przełożeniu dysk nie jest w stanie poprawnie skalibrować się do pracy.
W miarę rozwoju technologii występują również nowe usterki, które również są mylone z uszkodzeniem PCB a mieszczące się po stronie oprogramowania wewnętrznego, które znajduje się w tak zwanej Strefie Serwisowej (SA - Service Area). Ta z kolei mieści się na powierzchni magnetycznej dysku i nie ma nic wspólnego z elektroniką zewnętrzną.
Ponadto producenci nośników magnetycznych zaczęli coraz bardziej zabezpieczać swoje produkty poprzez blokowanie dostępu do Stefy Serwisowej oraz sprzętowo szyfrując Obszar Danych (DA - Data Area).
Usterka często mylona z uszkodzeniem elektroniki. Jednak w większości wypadków dotyczy uszkodzenia zespołu głowic.
Głowica podczas pracy unosi się na poduszce powietrznej a odległość między elementem zapisująco - czytającym a powierzchnią magnetyczną wynosi około 1 mikrometra. Przyczyną powstania tego zjawiska jest wysoka prędkość obrotowa talerzy i elastyczne ramiona głowicy
Usterka głowicy może powstać na skutek zaniku zasilania jak również pochodzić od wszelkich wstrząsów podczas pracy. Elementy czytająco - zapisujące w takim przypadku mogą ulec oderwaniu oraz przyczynić się do zapiłowania powierzchni platerów.
Druga często spotykana usterka związana ze wstrząsem lub upadkiem dysku to przyklejenie elementów czytająco - zapisujących głowic do powierzchni talerzy.
W takiej sytuacji dysk nie będzie w stanie uruchomić osi napędowej, a z dysku dobiegać nas będą niepokojące dźwięki - na przykład cichy pisk w odstępach około pół do jednej sekundy.
Dysków po takich zdarzeniach lub z podobnymi objawami najlepiej nie uruchamiać.
Otwarcie dysku w niesprzyjających warunkach, to jest poza komorą laminarną, jest często popełnianym błędem.
I nie chodzi tutaj o błędne twierdzenie, iż wewnątrz tradycyjnego dysku panuje próżnia lub jest w nich specjalny gaz.
W dyskach twardych znajduje się powietrze wysokiej czystości, a same dyski są wyposażone w otwory wentylacyjne i filtry aby wyrównać ciśnienie oraz umożliwić tworzenie się poduszki powietrznej.
Otwarcie pokrywy w takich warunkach kończy się zabrudzeniem talerzy, a należy pamiętać o wcześniej wspomnianej gęstości zapisu danych - cząstka kurzu,
która może być niewidoczna gołym okiem może podczas obrotu talerzy uderzyć w głowicę i uszkodzić ją samą lub zarysować powierzchnię platerów i uszkodzić większą część sektorów.
Odzyskiwanie danych po takich domowych zabiegach jest bardzo utrudnione lub niekiedy w ogóle niemożliwe.
Wracając na moment do informacji jakoby w dyskach twardych znajdował się gaz - tak, od niedawna są produkowane i dostępne w sprzedaży dyski wypełnione helem, tak zwane Helium Hard Drive. Posiadają one dwie pokrywy z czego wierzchnia jest zespawana z korpusem nośnika i jest niedemontowalna.
Jest to czynność, którą wykonuje się w ostateczności.
Sytuacje, kiedy konieczny jest demontaż platerów są dwie.
Pierwsza to sytuacja, w której niemożliwy jest poprawny ruch rotacyjny silnika spowodowany uszkodzeniem łożyska, uzwojenia lub wygięcia jego osi.
Druga sytuacja to konieczność inspekcji powierzchni oraz ewentualnego usunięcia zabrudzeń.
Do niedawna uważano, że desynchronizacja talerzy uniemożliwia jakiekolwiek procedury odzysku.
Niektóre dyski faktycznie są bardzo wrażliwe na zmianę położenia platerów względem siebie jednak udało nam się opracować metodę markowania ich położenia oraz programową kontrolę odczytywanego obszaru.
Dzięki tym zabiegom możliwe jest odzyskanie danych z dysków, które mają naruszoną powierzchnię magnetyczną, były zabrudzone przez pył z zapiłowania oraz takich, w których kontaminacja pochodzi z warunków zewnętrznych i znajduje się na spodnich powierzchniach platerów.