Ổ cứng là gì?
Ổ đĩa cứng (hard disk drive - HDD) - hay còn gọi là ổ cứng (hard drive), đĩa cứng (hard disk), ổ đĩa cố định (fixed disk) - là một thiết bị cơ điện, sử dụng từ tính để lưu trữ và truy xuất thông tin số bằng cách dùng một hoặc nhiều đĩa cứng được tráng một lớp vật liệu từ tính (hay còn gọi là đĩa từ) và quay ở tốc độ cao. Các đĩa từ được ghép đôi với đầu đọc/ghi (hay còn gọi là đầu từ), thường được bố trí trên một cánh tay đòn của cơ cấu truyền động, giúp đọc và ghi dữ liệu lên bề mặt đĩa từ.
Dữ liệu được truy cập theo phương thức truy cập ngẫu nhiên, nghĩa là các khối dữ liệu riêng lẻ có thể được lưu trữ hoặc truy xuất theo thứ tự bất kỳ, chứ không chỉ theo tuần tự. HDD thuộc loại bộ nhớ bất biến, có khả năng duy trì dữ liệu đã lưu ngay cả khi không được cấp nguồn.
[Để tìm hiểu về sự ra đời của HDD, cũng như sự phát triển của ngành công nghiệp lưu trữ, vui lòng đọc bài viết Bộ nhớ lưu trữ giá 1 triệu USD giảm còn 2 cent cho mỗi gigabyte và Hành trình phát triển của bộ nhớ lưu trữ].
Cấu tạo và nguyên lý làm việc của HDD:
Để nội dung thêm phần trực quan và thực tế, chúng tôi đã giải phẫu một HDD Seagate ST31000333AS dung lượng 1TB còn khá mới.
Bo mạch in (printed circuit board - PCB): Bộ phận màu xanh lục, cấu tạo bằng sợi thủy tinh dệt (vật liệu tổng hợp FR4) và đồng, được gọi là bo mạch in. Rìa ngoài PCB có cổng SATA, cổng nguồn và khối jumper. Các chân trên khối jumper có thể được kết nối để làm chậm tốc độ truyền dữ liệu, nhằm tương thích với những HDD cũ hơn, chậm hơn. PCB giúp cố định vị trí và đấu nối các linh kiện của HDD.
PCB có nhiệm vụ điều khiển các đầu từ và sử dụng một bản đồ đĩa từ được tích hợp để xác định vùng nào còn trống, vùng nào đang chứa dữ liệu. Nó cũng điều khiển vị trí của cuộn dây di động, tốc độ của động cơ trục chính, quản lý nguồn, cũng như truyền dữ liệu đến và đi từ HDD.
Bộ vi điều khiển (micro controller unit - MCU): Trái tim của PCB là con chip lớn nhất ở chính giữa được gọi là bộ vi điều khiển. Trên các HDD hiện đại, MCU thường tích hợp cả bộ xử lý trung tâm (central processor unit - CPU), giúp thực hiện mọi tính toán và hoạt động của kênh đọc/ghi - bộ phận đặc biệt chuyên chuyển đổi tín hiệu tương tự (analog) từ đầu từ sang tín hiệu số trong quá trình đọc, và mã hóa tín hiệu số thành tín hiệu analog khi HDD cần ghi. MCU cũng có các cổng vào/ra để điều khiển mọi thứ trên PCB và truyền dữ liệu thông qua giao tiếp SATA.
Bộ nhớ cache (hay còn gọi là bộ nhớ đệm): Bộ nhớ của PCB là loại chip nhớ DDR SDRAM. Dung lượng bộ nhớ này quy định bộ nhớ cache của HDD. PCB có chip nhớ 32MB (theo datasheet Samsung K4H561638J-LCCC), nghĩa là về lý thuyết HDD sở hữu cache 32MB (bạn có thể tìm hiểu thêm thông tin trong datasheet Seagate ST31000333AS) nhưng dường như không đúng. Bởi về mặt logic, bộ nhớ được chia thành bộ nhớ cache và bộ nhớ firmware. CPU chiếm một ít bộ nhớ để lưu trữ một số mô-đun firmware và theo chúng ta biết chỉ có HDD Hitachi, IBM là nêu dung lượng cache thực trong datasheet; còn đối với những HDD khác, bạn chỉ có thể đoán mà thôi.
Bộ điều khiển động cơ trục chính (spindle motor) và cuộn dây di động (voice coil motor - VCM). Đây là thành phần tiêu thụ điện nhiều nhất trên PCB. Nó điều khiển hoạt động quay của động cơ trục chính và sự chuyển động của đầu từ. Lõi chip VCM có thể chịu được nhiệt độ làm việc lên đến 100 độ C (tức 212 độ F).
Bộ nhớ flash (flash memory): Chip flash có nhiệm vụ lưu trữ firmware. Khi bạn cấp nguồn cho HDD, chip MCU sẽ đọc nội dung của chip flash đưa vào bộ nhớ và bắt đầu thi hành mã. Nếu không có các mã này, ổ đĩa thậm chí sẽ không thể quay. Một số ổ đĩa không có chip flash trên PCB, khi đó nội dung bộ nhớ flash nằm bên trong MCU.
Cảm biến sốc (shock sensor): Cảm biến sốc có thể phát hiện những cú sốc quá mức đối với HDD, sau đó gửi tín hiệu đến bộ điều khiển VCM. Bộ điều khiển VCM sẽ lập tức đưa đầu từ về vị trí đỗ (hay còn gọi là vị trí nghỉ) và đôi khi dừng quay ổ đĩa. Nó được thiết kế nhằm bảo vệ ổ đĩa không bị hư hỏng nhưng thực tế không phải như vậy, do đó bạn không nên đánh rơi ổ đĩa - nó sẽ chết. Ở một số HDD, cảm biến sốc được dùng để phát hiện những rung động dù là rất nhỏ và tín hiệu từ các cảm biến này giúp bộ điều khiển VCM điều chỉnh sự chuyển động của đầu từ. Những ổ đĩa như vậy sẽ có ít nhất hai cảm biến sốc.
Điốt triệt xung quá áp (transient voltage suppression - TVS): Thêm một thiết bị bảo vệ khác nữa đó là điốt triệt xung quá áp. Nó bảo vệ PCB khỏi các xung điện (vượt giá trị ngưỡng cho phép) từ nguồn cấp bên ngoài. Khi phát hiện xung điện, điốt TVS sẽ dẫn điện và rẽ dòng điện vượt mức đi qua nó, nhờ đó triệt xung quá áp. Nó sẽ tự động trở lại trạng thái bình thường khi tình trạng quá áp qua đi. Có hai điốt TVS trên PCB này, một cái bảo vệ 5V và một cái bảo vệ 12V.
Mặt đế (base): Phần vỏ nhôm màu đen (hay còn gọi là mặt đế) chứa tất cả bộ phận bên trong được gọi là khối đầu từ và đĩa từ (head and disk assembly - HDA). Có một lỗ nhỏ ít được chú ý trên HDA, lỗ này được gọi là lỗ thở (breath hole). Có lẽ bạn đã từng nghe nói rằng môi trường bên trong của HDD là chân không, điều này không đúng. HDD sử dụng lỗ thở để cân bằng áp suất bên trong và bên ngoài HDA. Bên trong lỗ thở được ngăn kín bởi bộ lọc thở nhằm đảm bảo cho không khí sạch và khô.
Nắp (lid): Phần nắp của HDD không có gì đặc biệt, chỉ là một miếng thép không gỉ và sợi dây cao su để ngăn bụi.
HDD sau khi mở nắp: Đĩa từ là nơi chứa thông tin quý giá, bạn có thể thấy đĩa từ trên cùng (top platter) như trong hình. Đĩa từ được làm bằng nhôm hoặc thủy tinh bóng láng và phủ một số lớp hợp chất khác nhau, như lớp bôi trơn (lubricant layer), lớp bảo vệ (protective layer), lớp lưu trữ (media layer) và cuối cùng là lớp nền (substrate).
Cấu trúc của đĩa từ: Lớp bôi trơn có độ dày từ 1 đến 2nm giúp hạn chế ma sát giữa lớp bảo vệ và đầu từ. Lớp bảo vệ được làm bằng cacbon và bao phủ bởi lớp bôi trơn để bảo vệ lớp từ tính của đĩa từ. Lớp bảo vệ có độ nhẵn ít nhất 0,4nm - tựa như hình tròn của trái đất với chỉ 5,7cm (2,3 inch) là không hoàn hảo. Lớp lưu trữ được làm bằng vật liệu từ tính, thường là hợp kim Coban với kim loại khác và chỉ dày khoảng 100 nguyên tử. Lớp nền không có từ tính và thường được làm bằng nhôm hoặc thủy tinh (lớp này dày hơn gấp nhiều lần so với những lớp khác nếu được hiển thị theo đúng tỷ lệ).
Cả hai mặt của đĩa từ đều được sử dụng, với mỗi mặt thường có thể chứa khoảng 500GB (gigabyte) dữ liệu, tổng cộng có 4.000GB (tức 4TB) trong 4 đĩa từ.
So sánh khả năng lưu trữ dữ liệu: Nếu những bit 1 và 0 trên 4 đĩa từ của HDD 4TB vừa nêu trên được in lên khổ giấy letter (kích thước 8,5 inch x 11 inch) với font chữ 12pt, khi đó sẽ có đến 9,6 tỷ trang - số lượng trang giấy đủ để lấp đầy 957.000 tủ đựng hồ sơ 4 ngăn tiêu chuẩn. Những chiếc tủ này có thể bao phủ 65 tầng lầu của tòa nhà One World Trade Center tại Mỹ.
Quá trình ghi đa đĩa: Dữ liệu được ghi vào cả hai mặt của mỗi đĩa từ tại cùng một vị trí tương ứng; nếu dữ liệu có kích thước 16 bit được ghi vào hoặc đọc từ đĩa từ, khi đó mỗi 8 mặt của đĩa từ sẽ đảm nhận 2 bit để cho ra đủ số bit cần thực thi.
Ví dụ, cụm từ TRAN SANG có thể được ghi vào cả hai mặt của 4 đĩa từ như minh họa trong hình.
Tấm ngăn (hay còn gọi là dumper): Như bạn có thể thấy, một phần đĩa từ được che đậy bởi tấm ngăn. Dumper nằm ở giữa các đĩa từ, có tác dụng giảm thiểu biến động không khí và tiếng ồn. Dumper thường được làm bằng nhôm hoặc nhựa, nhưng loại nhôm tốt hơn trong việc làm mát không khí bên trong HDA.
Vị trí đỗ (parking area): Đầu từ được lắp trên khối ngăn xếp đầu từ (head stack assembly - HSA). HDD này có vị trí đỗ gần với trục của động cơ trục chính và nếu nguồn điện không được cấp vào ổ đĩa, bình thường HSA sẽ đỗ như hình trên.
Nhiều HDD hiện đại áp dụng công nghệ đỗ bên ngoài đĩa từ, trên một cơ cấu đỗ riêng biệt. Về mặt kỹ thuật, đây không phải là bộ phận của HSA. Cơ cấu này được thiết kế để đầu từ khỏi phải lơ lửng trên đĩa từ khi ổ đĩa đang nhàn rỗi, hoặc khi không được cấp nguồn.
Bộ lọc (filter): Trong quá trình sản xuất, bên trong HDD có khả năng còn sót lại những chất ô nhiễm; hay trong quá trình hoạt động, HDD có thể tạo ra những hạt bụi rất nhỏ hoặc hơi dầu ở bên trong. Vì mục đích an toàn và để làm sạch không khí ngay tức thì, ổ đĩa sử dụng một bộ lọc, hay còn gọi là bộ lọc tuần hoàn (recirculation filter).
Bộ lọc công nghệ cao này sẽ bắt lấy và hấp thụ vĩnh viễn (không để thoát ra) những hạt bụi, hơi dầu, thậm chí là vô cùng nhỏ bé. Bộ lọc tuần hoàn nằm trên đường chuyển động của không khí, được tạo bởi hoạt động quay của đĩa từ.
Nam châm vĩnh cửu (permanent magnet): Mỗi nam châm vĩnh cửu (vật liệu từ tính tự nhiên) có một cực "bắc" và một cực "nam", với đặc tính cực bắc hút cực nam và ngược lại. Các HDD sử dụng nam châm Neodymi, loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất hiện nay. Nam châm này có thể nâng một vật nặng gấp 1.300 lần khối lượng của nó, do đó bạn không nên đặt ngón tay vào giữa thanh nam châm này với thép hoặc với một thanh nam châm khác - khả năng bạn sẽ bị dập tay.
Nút chặn HSA (HSA stopper): Như bạn thấy trong hình, ổ đĩa này có các nút chặn HSA nằm ở hai thanh nam châm trên và dưới. HSA stopper giới hạn sự chuyển động của HSA để đầu từ không đập vào nắp kẹp đĩa từ và không bay ra khỏi đĩa từ (hoặc cơ cấu đỗ).
HSA stopper có thể được cấu tạo khác nhau nhưng luôn có hai cái (tương tự ổ đĩa đang đề cập hoặc như hình trên) và chúng luôn hiện diện trong các HDD hiện đại.
Hình trên cho ta thấy HSA stopper thứ hai (phía bên phải).
Chốt khóa cơ cấu truyền động (actuator latch): Phần nhựa màu đen (phía bên trái) được gọi là chốt khóa cơ cấu truyền động. Bình thường, nó sẽ nhả HSA khi ổ đĩa không đưa đầu từ vào vị trí đỗ (trạng thái hoạt động), và nó sẽ khóa sự chuyển động của HSA trong trường hợp có chấn động nếu ổ đĩa bị rơi.
Chốt khóa cơ cấu truyền động có thể được cấu tạo khác nhau. Nhiều ổ đĩa sử dụng lực hút của chính hai thanh nam châm trên và dưới thay vì dùng cơ cấu bằng nhựa, nhưng chức năng là hoàn toàn giống nhau. Về cơ bản, nó giúp bảo vệ đầu từ khỏi những chuyển động ngoài ý muốn khi HSA đang ở vị trí đỗ.
Cuộn dây di động (voice coil) là một bộ phận của HSA, cuộn dây di động và nam châm vĩnh cửu tạo thành cơ cấu truyền động (actuator), đây là thiết bị làm cho đầu từ di chuyển.
Điện đi qua cuộn dây di động tạo thành nam châm điện (từ trường được tạo bởi dòng điện). Chiều của dòng điện trong cuộn dây làm thay đổi hướng của cực bắc và nam của nam châm điện, khiến cho cuộn dây di động dịch chuyển lại gần hoặc ra xa cực bắc và nam của nam châm vĩnh cửu. Cường độ và khoảng thời gian của dòng điện sẽ xác định việc cuộn dây di chuyển nhanh như thế nào và xa bao nhiêu.
Tốc độ dịch chuyển của cuộn dây di động: Cuộn dây di động dịch chuyển đủ nhanh để quay cánh tay đòn từ phía ngoài vào phía trong đĩa từ (toàn trình) với tần suất trên 50 lần mỗi giây!
Cánh tay đòn (arm): HSA có một ổ trục chính xác để đầu từ di chuyển tốt và mượt mà. Phần lớn nhất của HSA được làm bằng nhôm, có tên gọi là cánh tay đòn.
Khối khớp gimbal đầu từ (head gimbal assembly - HGA) [khớp gimbal được đề cập bên dưới] là một trong hai khối phụ của khối đầu từ, cùng với HSA. Hai khối này thường được sản xuất theo quy trình khác nhau, ở những nhà máy khác nhau, sau đó được lắp ghép lại thành khối đầu từ.
Đây là cách xác định cánh tay đòn trước đây. Đôi khi người ta coi cánh tay đòn bao gồm toàn bộ phần kim loại của HSA.
Mạch in dẻo (flexible printed circuit - FPC): Miếng mỏng màu cam được gọi là mạch in dẻo, giúp kết nối HSA và đĩa từ với bộ tiếp điểm HSA (HSA contacts). Cáp FPC truyền mọi thông tin và dòng điện giữa PCB với cơ cấu truyền động. Gioăng cao su (gasket) giúp cho bộ tiếp điểm được kín khí. Con đường duy nhất để không khí đi vào bên trong HDA là thông qua lỗ thở. Trên HDD này, bộ tiếp điểm được phủ một lớp vàng mỏng để tăng khả năng dẫn điện.
Con trượt (slider): Vật nhỏ màu đen ở đoạn cuối của HGA được gọi là con trượt. Nhiều bài viết nói rằng con trượt là đầu từ nhưng cách gọi này không đúng.
Cận cảnh con trượt & vị trí phần tử đọc/ghi: Các phần tử đọc/ghi thực sự nằm ở phía cuối của con trượt và chúng rất nhỏ bé, chỉ có thể được nhìn thấy qua kính hiển vi.
Hình chụp con trượt & phần tử đọc/ghi qua kính hiển vi: (c) con trượt, (d) phần tử đọc/ghi và phần nhô của bộ phận điều khiển độ cao bay bằng nhiệt (thermal flying height control - TFC). Hình (e) là giản đồ miêu tả phần nhô của TFC (không theo tỷ lệ).
Chức năng của con trượt: Con trượt đóng vai trò như một bộ cánh, giúp các phần tử đọc/ghi bay trên bề mặt đĩa từ. Bề mặt của con trượt có hình dạng khắc đặc biệt, nhằm mục đích điều chỉnh luồng không khí và áp lực. Khi đĩa từ quay, không khí bên dưới con trượt tạo thành bề mặt đệm không khí (air bearing surface - ABS) và giữ cho đầu từ nằm cách khoảng vài nanomet so với mỗi đĩa từ (hay còn gọi là độ cao bay - flying height).
So sánh độ cao bay: Trên các HDD hiện đại, độ cao bay của đĩa từ chỉ khoảng 2 đến 4nm, trong khi con số này ở dấu vân tay người là khoảng 4.000nm, hạt bụi khoảng 10.000nm và sợi tóc người khoảng 75.000nm. Nếu có bất kỳ hạt bụi nào đi vào phía dưới con trượt, nó sẽ ngay lập tức đốt nóng các phần tử đọc/ghi (do ma sát) và giết chết chúng, đó là lý do giải thích tại sao không khí sạch bên trong HDA lại quan trọng đến vậy.
Bộ tiền khuếch đại (preamplifier): Còn một thành phần rất quan trọng của HSA, đó là bộ tiền khuếch đại. Bộ tiền khuếch đại gồm có một con chip, giúp điều khiển các đầu từ và khuếch đại tín hiệu từ/đến chúng.
Tại sao bộ tiền khuếch đại phải nằm bên trong HDA? Tín hiệu từ các đầu từ rất yếu và có tần số trên 1GHz đối với HDD hiện đại, nếu bỏ đi bộ tiền khuếch đại thì những tín hiệu yếu ớt từ HDA không còn tồn tại, chúng sẽ bị triệt tiêu trên đường đến PCB.
Điều khiển truy cập đầu từ: Bộ tiền khuếch đại có nhiều đường mạch đi đến đầu từ (phần bên phải) hơn là đi đến HDA (phần bên trái), do HDD chỉ có thể làm việc với một đầu từ tại một thời điểm. HDD gửi tín hiệu điều khiển đến bộ tiền khuếch đại và bộ tiền khuếch đại sẽ chọn đầu từ mà HDD cần tại thời điểm đó.
Số lượng tiếp điểm của đầu từ: HDD này có 6 tiếp điểm cho mỗi đầu từ, tại sao nhiều vậy? Một tiếp điểm được nối mass, hai tiếp điểm khác dành cho đầu từ. Hai tiếp điểm khác nữa dành cho cơ cấu vi truyền động. Tiếp điểm cuối cùng dành cho bộ gia nhiệt.
Cơ cấu vi truyền động (micro actuator) là những thiết bị từ hoặc áp điện đặc biệt có thể di chuyển hoặc xoay con trượt, giúp điều chỉnh vị trí đầu từ bên dưới một track.
Bộ gia nhiệt (heater) dùng để điều chỉnh độ cao bay của đầu từ thông qua việc làm nóng khớp gimbal.
Khớp gimbal là loại khớp đặc biệt giúp kết nối con trượt với HGA. Khớp gimbal được làm từ hai miếng hợp kim khác nhau, với độ giãn nở nhiệt khác nhau.
Cách hoạt động của khớp gimbal: Khi khớp gimbal được gia nhiệt, nó sẽ tự uốn cong về phía bề mặt đĩa từ và hoạt động này làm giảm độ cao bay. Sau khi nguội đi, khớp gimbal tự trả về trạng thái thẳng như ban đầu.
Đômen từ (magnetic domain): Những electron trong nguyên tử tạo ra các vùng từ và hướng mà chúng "quay" xác định hướng cực từ bắc và nam. Các đômen từ của HDD thường có khoảng 100.000 nguyên tử, với các cực từ được định hướng theo cùng một hướng.
Đầu ghi (write head) tạo ra trường điện từ, sao cho cực bắc của một đômen từ hướng lên hoặc xuống. Các vùng từ tính có một phía được tập trung nhiều hơn, trong khi phía còn lại bị phân tán nhiều hơn. Điều này cho phép đầu ghi chỉ cần tác động đến những nguyên tử ở một phía của vùng từ tính ("phía trên" như trong hình). Một đômen từ có cực bắc hướng lên sẽ được gán mức logic 1, trong khi cực bắc hướng xuống sẽ là 0. Mỗi mức logic 1 hoặc 0 được coi là một "bit" dữ liệu.
Đầu đọc (read head) là những thiết bị hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm (tunnel magnetoresistance - TMR), gồm một lớp cách điện nằm ở giữa hai vật liệu nhạy từ. Các vùng từ tính của đĩa từ ảnh hưởng đến vật liệu nhạy từ gần nhất, khiến cho các electron (những "chấm màu trắng" trong hình) đi vào hầm, tức di chuyển qua lớp cách điện và làm đảo cực tính của vật liệu nhạy từ thứ hai. Nhờ vậy, việc "đọc" các vùng khác nhau của đĩa từ mà không làm nhiễu loạn chúng.
Hình trên cho ta thấy hình dáng của dumper trên cùng (top dumper) đã được tháo rời.
Đây là bộ phận HDA khi không có dumper trên cùng và HSA. Ta có thể thấy rõ thanh nam châm dưới (bottom magnet), đĩa từ trên cùng và nắp kẹp đĩa từ.
Động cơ trục chính (spindle) có tích hợp một nam châm vĩnh cửu, tạo thành bộ phận cơ bản của động cơ điện cùng với các cuộn dây đồng cố định. Phần lớn HDD có đĩa từ quay ở tốc độ 5.400 (90Hz) hoặc 7.200 (120Hz) vòng/phút (revolutions per minute - RPM).
Động cơ trục chính sử dụng các ổ đệm chất lỏng (fluid bearing) để giảm thiểu ma sát, tiếng ồn và tăng độ bền. Trục của động cơ trục chính nằm trong một khoang nhỏ kín khí bên trong ổ đệm, được bao quanh bởi một lớp bôi trơn mỏng. Lớp bôi trơn này có tác dụng lấp kín khoảng trống xung quanh trục và ngăn trục tiếp xúc với ổ đệm.
Nắp kẹp đĩa từ (platter clamp) có tác dụng ép chặt các đĩa từ thành một khối để chúng không bị xê dịch. Đĩa từ nằm yên trên trục của động cơ trục chính, nắp kẹp tạo đủ lực ma sát để giữ các đĩa từ trên trục khi động cơ trục chính quay.
Vòng đệm (spacer ring): Ở giữa đĩa từ trên cùng và đĩa từ thứ hai, ngoài dumper thứ hai ra còn có thêm vòng đệm. Chúng được đặt ở giữa mỗi đĩa từ để tạo khoảng trống cho đầu từ di chuyển.
Vòng đệm được làm bằng hợp kim phi từ tính hoặc polyme, và là chi tiết có độ chính xác cao để đảm bảo các đĩa từ và cánh tay đòn được căn chỉnh đúng.
Bộ lọc thở (breath filter): Sau khi tháo rời các bộ phận còn lại ra khỏi HDA, ta thấy có một bộ lọc thở nằm trên mặt đế. Hầu hết HDD đều có lỗ thở (ngoại trừ những HDD helium mới hơn được chèn kín hoàn toàn và không có lỗ thở) bằng bộ lọc than hoạt tính nhằm hấp thụ hơi, ngăn bụi và duy trì mật độ không khí trong một phạm vi nhất định - cần thiết để đầu từ duy trì đúng độ cao bay khi đĩa từ quay.
Do không khí bên ngoài có bụi, nên bộ lọc thở được thiết kế với nhiều lớp lọc và dày hơn nhiều so với bộ lọc tuần hoàn, nó cũng có thể chứa một số hạt silica gel để làm giảm độ ẩm không khí.