2009/1/1

簡單介紹硬碟內部構造





硬碟是高科技、高精密產業,集電子半導體、雷射光學、精密機械、高等物理化學等科 技。目前PC上很多週邊產品在很多國家均可製造,唯獨CPU和硬碟只有美商有能力製造(日商已逐年退出)可見製造難度。硬碟因其產業結構龐大涉及尖端科 技,所以美國原廠對硬碟技嚴格,一般是無法輕易取得關鍵技術。

硬碟的儲存原理是將資料用其控制電路透過硬碟讀寫頭(Read Write Head )去改變磁片上表面上極細微的磁蕊的正負極性 ( ﹢﹣)來加以儲存,所以這幾片磁片就相當重要。

而磁片為儲存更多的資料,則須將磁蕊製作的愈細愈小(類似相機底片的感光顆粒),再Coating(濺鍍)到磁片表面上,密度相當高,而硬碟讀寫頭為了能在磁片表面高速來回移動讀取資料,則需漂浮在磁片表面不可接觸,但太高讀取訊號會太弱,無法達到高容量要求,所以需盡可能壓低,其飛行高度(Flying Height)約為0.5 uin (可比喻成一架大型747客機其飛行高度須保持在1Inch而不可墜毀)所以磁片表面上須相當光滑平整,任何異物、塵埃均會造成硬碟讀寫頭打傷磁面(限於髮徑的1%以下)而造成硬碟資料永久性傷害。所以硬碟的裝配修復全程需在Class 100高潔淨度的Clean Room (無塵室)內進行。


硬碟大致分為,磁片Media、讀寫頭Read WriteHead、馬達Spindle Motor & Voice Coil Motor、底座Base、電路板PCBA等幾大項組合而成。


Media 的基板是金屬或玻璃材質製成,為達到高密度高穩定的品質,基板要求表面光滑平整,不可有任何暇疵,然後再將磁粉Coating 濺鍍到基板表面上,最後再塗上保護潤滑層。此處有2項高科技,一為如何製造出不含雜質極細微的磁粉;二為如何將磁粉均勻的Coating上去。
以3.5” Media計算,其內徑為25mm,需扣掉最外及最內圈不儲存Data的部分,實際只剩20mm,如換算成60GB Media以Bit為單位(1個Bit記錄0或1,8Bit只可記錄一個字元如A、B或C…。事實上不是以Bit為單位,在此為求簡單易懂,故以Bit形 容)



Media每面粗計密度為﹕32,901,120,000 Bit,可見其密度相當高,所以Media不可有任何污染,全程製造均需在Class 100高潔淨度的Clean Room內,這也是硬碟機要求需在Clean Room才能拆解的原因。

Media出廠時,是完全空白無任何訊號存在,需交由各硬碟廠組裝時自行編碼。

Head 是由上、下多片讀寫頭固定在同一組Arm上,來回移動時是整組Arm一起移動,一般讀寫原理是,例如﹕當10MB Data進來時,第1個Head先寫4096 Byte(視規格各異),第2Head寫4096 Byte,依此類推,呈垂直讀寫,所以1 支檔案是被分成很多段存在各磁面上,讀取時也是同理,如此多磁頭同時讀寫可達到高速要求,但現在又有更先進的科技出現。

Arm 因需高速來回移動,不可抖動,並精準移至原位址,各Head垂直度不可有分毫誤差(限於頭髮的0.001 ﹪寬度)所以Head、Media均不可鬆動或偏角,否則會無法定軌。目前科技尚無法將誤差的Head或Media調整回原址,因需以3D立體來看X、Y 點及各Head的垂直點外,還需顧及外徑與內徑的公差,這也是硬碟怕碰撞的原因,更不可能去更換Head。

Spindle Motor上裝有1至多片Media,以7,200或10,000 RPM 定速旋轉,為保持其Balance不可抖動,所以其Bearing(分滾珠、液態)品質要求嚴謹,需能忍受24 H x 365 Days持續運轉而不磨損、不產生高溫噪音。

硬碟組裝時,是依序將Spindle Motor、Media、Voice Coil Motor、Head裝上固定後,先測試各Head在其所處Media的FlyHeight值,是否合格﹖(約為0.5 u in)

因 為Head是利用氣流漂浮在Media上不接觸的原理,才可在各軌間高速來回移動,但太高讀取訊號太弱,太低會磨損到Media表面,所以 Media表面上須相當光滑平整,任何異物、塵埃均會使得Head打傷磁面而造成Data永久性傷害。所以硬碟的裝配修復全程需在高潔淨度的Clean Room (無塵室)內進行。此項安裝作業需用雷射儀器完成無法使用人工。

各大元件裝畢後,此時Media因尚無任何Sector存在,硬碟還無法使用,需經各廠依其規格用專用的Servo Track Writer透過其Head在Media進行一圈一圈Embedded Servo的編碼動作﹒若以60GB Media規格計每面的Sectors總數約為﹕64,260,000 Sectors但因Media是圓形,內徑較小所以所編出的Sector數量會比外徑少,這是所謂的Zone Bit Recording編碼法,這也是最困難的技術。

Embedded Servo完成後,此時硬碟已可使用,接上電腦Power On後,Head已可正常定軌,BIOS已可Detect其規格,出現Cylinder、Head、Sector等值﹒最後BIOS會將 Controller交由作業系統,只需Create New Partition及Format就可正式儲存Data。
以上基本原理介紹,讀者應可得知幾項問題需注意﹕

  • Media不可污染,所以需在Class 100高潔淨度的Clean Room拆解。
  • Head 、Media是唇齒相依,當初固定後,即用Servo Track Writer將各面Media作垂直性的Embedded Servo,就不容許再有誤差,只要稍有碰撞Head就無法定軌,所以更不可能將Head或Media拆下或裝至另一同型硬碟。
  • Media是磁性媒介,就像錄音帶只容許一種極性存在,因此只要Head有電流產生即可改變其原值,所以一台受損的硬碟只要稍有不慎,是很容易再被寫入而破壞原Data。

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