Este artigo foi escrito a partir de trechos do livro "Hardware - O Guia Definitivo" publicado no antigo site hardware.com, do Carlos E. Morimoto, cujas páginas que o compunham foram alegremente recuperadas através do Waybach Machine. A intenção é utilizar estes antigos textos para criar algo atualizado, mas com uma certa nostalgia, e baseando-se numa fonte muito respeitada na primeira década deste século.
Sem dúvida, o disco rígido foi um dos componentes que mais evoluiu na história da informática. O primeiro drive (o IBM 350) foi apresentado em 1956 e era formado por um conjunto de nada menos que 52 discos de 24 polegadas (610 mm) de diâmetro, dos quais 100 superfícies - cada uma com 100 trilhas - de gravação são usadas (omitindo a superfície superior do disco superior e a superfície inferior do disco inferior). Os discos giram a 1200 RPM e a taxa de transferência de dados é de 8.800 caracteres por segundo. Comparado com os discos atuais, este pioneiro custava uma verdadeira fortuna: 35 mil dólares. Entretanto, apesar de inicialmente serem extremamente caros, os HDDs foram tornando-se populares nos sistemas corporativos, pois forneciam um meio rápido de armazenamento de dados.
Foram produzidas cerca de 1000 unidades do 350 entre 1956 e 1961, quando a produção foi descontinuada em favor de versões mais modernas. Esta foto rara dá uma idéia das suas dimensões:
Imagem 1 - O gabinete do 350 tem 150 cm de comprimento, 170 cm de altura e 74 cm de largura
Como você pode ver, o IBM 350 não era exatamente um "disco rígido" dentro da concepção que temos hoje em dia. O gabinete tinha 1.70 metro de altura e pesava quase uma tonelada. Na época ele era chamado de "unidade de disco" (termo ainda usado hoje em dia por alguns) e podia ser acoplado a diversos computadores produzidos pela IBM. O termo "disco rígido" só surgiu duas décadas depois, junto com os modelos mais compactos.
O 350 foi anunciada pela IBM como um componente do sistema de computador 305 RAMAC em 14 de setembro de 1956. Simultaneamente, um produto muito semelhante, o IBM 355, foi anunciado para o sistema de computador IBM 650 RAMAC. RAMAC significa "Método de acesso aleatório de contabilidade e controle". O primeiro protótipo de engenharia de armazenamento em disco 350 foi liberado para a Zellerbach Paper Company, em São Francisco, em Junho de 1956, com o início da produção em novembro de 1957, sendo enviado uma unidade para a United Airlines em Denver, Colorado.
CURIOSIDADE: A patente US 3.503.060 do programa RAMAC é geralmente considerado o documento legado para unidades de disco. Esta primeira unidade de disco foi inicialmente cancelada pelo Conselho de Administração da IBM devido à sua ameaça ao negócio de cartões perfurados, mas o laboratório em San Jose continuou o desenvolvimento até que o projeto foi aprovado pelo presidente da empresa. A patente pode ser acessada clicando aqui:
De lá pra cá, tivemos uma evolução notável. Hoje em dia os drives já ultrapassaram a marca de 1 TB, utilizam gravação perpendicular e interfaces SAS e SATA. São brutalmente mais rápidos que os modelos antigos e também mais baratos. Mesmo com o barateamento da memória Flash, os HDs ainda continuam imbatíveis na hora de armazenar grandes quantidades de dados.
OBSERVAÇÃO: Em 1973, a IBM lançou um tipo de disco rígido com o codinome “Winchester”. No Brasil, este nome virou sinônimo de HD, retratando mais uma vez a típica 'ignorância compulsória tupiniquim', onde um nome qualquer é atribuído a alguma coisa (este nome referia-se a uma tecnologia específica de fabricação de drives). Ainda hoje você poderá escutar algumas pessoas usando o nome “Winchester”, mesmo sendo completamente incorreto e absurdamente desatualizado.
Por fora, os HDDs antigos eram verdadeiros tijolos de INOX austenítico fundidos e usinados, isto é, carcaças resistes à corrosão e não magnéticas. Entretanto, ainda nos anos 1980, a indústria começou a fazer usinagem de carcaças em liga de Alumínio produzidas por Die Casting, mantendo a resistência à corrosão, mas reduzindo exponencialmente a massa do componente, que já chegava nos seus tamanhos mínimos definitivos.
Aqui temos um diagrama mostrando os principais componentes do HD:
Imagem 2 - Partes do HDD genéricamente apresentadas
Dentro do HDD, os dados são gravados em discos magnéticos, chamados de platters. O nome "disco rígido" vem justamente do fato de os discos internos serem fisicamente extremamente rígidos.
Os platters são compostos de duas camadas. A primeira é chamada de substrato, e nada mais é do que um disco metálico, feito de ligas de Alumínio. Alguns fabricantes passaram a utilizar também ligas de vidro, que oferece algumas vantagens, como a maior dureza, embora também seja mais difícil de se trabalhar. Os primeiros HDs com discos de vidro foram os IBM Deskstar 75GXP, lançados em 2001, e apenas as unidades de 5400 RPM (modelo 40GV) eram relativamente confiáveis.
Independentemente do material usado, é necessária uma planicidade perfeita. Como os discos giram a grandes velocidades e as cabeças de leitura trabalham extremamente próximas da superfície magnética, qualquer variação seria fatal. Para atingir a perfeição necessária, o prato é polido em uma sala limpa, até que se atinja a planicidade requerida. Em seguida, a colocação da superfície magnética com alguns microns de espessura nos dois lados do disco.
Os discos são montados diretamente no rotor do motor, que em geral tem sua capa feita em liga de aço e deve ter precisão o suficiente para evitar qualquer vibração, mesmo sob altas rotações. Este é mais um componente que passa por um processo de usinagem e polimento, já que os discos devem ficar perfeitamente presos e alinhados. No caso de HDs com vários discos, eles são montados usando espaçadores, novamente feitos de liga metálica ferrosa.
Imagem 3 - Um espaçador de liga de aço e a trava da ponta do eixo, com 6 parafusos Torx retirados de um DiamondMax 20 (apenas um disco)
Agora, o espaçador de um Toshiba MK5059GSX, com dois discos:
Imagem 4 - Um espaçador de liga de aço e a trava da ponta do eixo, que apesar de portar vários furos, possui apenas um parafuso central Torx
Os dois tipos de fixação são adotados pela indústria, isto é, ou com vários parafusos ou com apenas um parafuso (não há chaveta em ambos os casos):
Imagem 5 - Um velho Maxtor 541DX de 20 GB já inutilizado pela exposição à umidade e poeira
Finalmente, temos o motor elétrico - em geral do tipo Brushless -, o componente eletromecânico responsável pelas revoluções do disco.
Imagem 6 - Motores sem escovas são fundamentais pra reduzir manutenções
O motor é um dos maiores responsáveis pela durabilidade do HDD, pois uma grande parte das falhas graves provém justamente dele.
Os drives mais antigos utilizavam motores de 3600 rotações por minuto, enquanto que atualmente são utilizados motores de 5400, 7200 ou 10000 RPM. Nos HDs de notebook foram comuns os propulsores de 4200 RPM, mas os de 5400 RPM tomaram conta. Pra aplicações de servidor, há modelos que batem os 15000 RPM. Embora não seja o único, a velocidade de rotação é sem dúvida o fator que influencia mais diretamente no desempenho.
Imagem 7 - Um HDD DELL Cheetah 15K.6 para servidores. Note que ele é produzido pela Seagate
CURIOSIDADE: Os motores DC Brushless também são conhecidos como Spindle e amplamente utilizados em FANs, drives de disquete e drives de CD / DVD / Blu-Ray. Para saber mais sobre os motores com e sem escovas, CLIQUE AQUI! e CLIQUE AQUI!
Os platters são montados diretamente sobre o eixo do motor, sem o uso de sistemas de transmissão complexos. É justamente este design simples que permite uma velocidade tão alta e sem manutenção (trocar correias de um HDD seria uma atividade bem pé no saco).
Nos HDs com motor de 3600 RPM eram usados rolamentos ativos sleeve bearing, o sistema mais simples e menos durável. Em seguida, foram adotados rolamentos ball-bearing, com pista de esferas para aumentar a precisão e a durabilidade. Mas isso foi até certo ponto da evolução dos HDDs.
Desde a virada do século os rolamentos do motor se tornaram críticos, pois as imperfeições das esferas - mesmo que invisíveis ao nosso olho - dizem muito sobre a vibração do eixo e, consequentemente, dos discos, gerando problemas no sistema de leitura e gravação, que precisa trabalhar com uma densidade de dados cada vez maior. Se em um simples ventilador de teto conseguimos notar trepidação no rolamento, imagina em um HDD á 7200 RPM!
Vídeo 1 - Como um rolamento de esferas pode ser imperfeito
Com as limitações de precisão na produção de esferas para tal aplicação, Bronzinas com fluido dinâmico (FDBs) são implementados por padrão nos motores, já que é um tanto dispendioso criar algum sistema de amortecimento de harmônicos (Damper) nos discos rígidos. Para saber mais sobre os rolamentos FDB clique na imagem abaixo.
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Para ler e gravar dados, são usadas cabeças de leitura eletromagnéticas (heads) instaladas num suporte denominado slider:
Imagem 8 - O slider é, na verdade, um pequeno escudo metálico que evita interferência das trilhas adjacentes. Esta foto é de um Maxtor DiamondMax 20
Neste Western Digital Caviar WD800, o slider já possui um design diferente:
Imagem 9 - Muitos HDDs possuem um slider com esta haste há frente do chip de leitura / gravação, que também faz parte do escudo contra interferência
O slider, por sua vez, é preso a um braço móvel (arm), o que permite seu acesso a todo o platter. O braço de leitura é uma peça triangular, também feita de ligas metálicas não-ferrosas e compósitos plásticos, para que seja ao mesmo tempo leve, resistente e não interfira de maneira alguma no processo de gravação e leitura, a não ser servindo como ligação elétrica entre o escudo anti-interferência e a carcaça do equipamento. O mecanismo que movimenta o braço de leitura é chamado de atuador (actuator).
Imagem 10 - Um drive WD Caviar WD800, com absurdos 80 GB. Desconsidere a poeira por cima do disco
Nos primeiros discos rígidos, eram usados motores de passo para movimentar os braços e cabeças de leitura. Eles são o mesmo tipo de motor usado nos drives de disquete, onde ao receber um impulso elétrico o motor move o braço por uma curta distância, correspondente ao comprimento de uma trilha. O problema é que eles eram muito suscetíveis a problemas de desalinhamento e não permitiam densidades de gravação muito altas, já que a resolução angular era limitada.
CURIOSIDADE: Para entender o funcionamento dos disquetes, CLIQUE AQUI!
Nos discos costumeiramente acima de 80 MB se utiliza um mecanismo bem mais sofisticado para essa tarefa, composto por um dispositivo que atua através de atração e repulsão eletromagnética e conhecido como voice coil. Basicamente, há um eletroímã na base do braço móvel, que permite que a placa controladora o movimente variando rapidamente o campo eletromagnético. Apesar de parecer suspeito à primeira vista, esse sistema é muito mais rápido, preciso e confiável que os motores de passo. Para você ter uma idéia, os HDDs do início da década de 1980, com motores de passo, utilizavam apenas 300 ou 400 trilhas por polegada, enquanto um Seagate ST3750640AS (de 750 GB, datado de 2007) utiliza nada menos do que 145.000.
Imagem 11 - São duas peças imantadas entre o braço, que possui um pequeno enrolamento de fios de Cobre
OBSERVAÇÃO: Fala-se muito sobre a vulnerabilidade dos HDs com relação a ímãs. Como os HDs armazenam os dados em discos magnéticos, colocar um ímã suficientemente forte próximo a ele pode apagar rapidamente todos os dados. Existem inclusive “desmagnetizadores”, que são eletroímãs ligados na tomada, que você passa sobre os HDs e outros discos magnéticos, justamente com a intenção de apagar os dados rapidamente.
Entretanto, se você abrir um HD condenado, vai encontrar dois ímãs surpreendentemente fortes instalados no voice coil. Naturalmente, estes ímãs não danificam os dados armazenados, senão não estariam ali. O principal motivo disso é que eles estão instalados numa posição perpendicular aos discos magnéticos. Se você remover os ímãs e colocá-los sobre outro HD, vai ver que no outro dia uma boa parte dos dados terão sido perdidos.
CURIOSIDADE: Se você (como todos nós) é do tipo que não consegue desmontar um micro sem deixar cair parafusos nos locais mais inacessíveis do gabinete, tem dificuldades em colocar os parafusos dos dois lados ao instalar o HD e ainda por cima nunca acha uma chave de fenda magnética para comprar, pode usar esses magnetos “roubados” do HD para transformar qualquer chave de fenda em uma chave magnética. Basta “encaixar” os ímãs nela quando quiser o efeito. Esses magnetos são feitos de uma liga contendo neodímio e, além de parafusos, permitem levantar objetos um pouco mais pesados, como martelos, por exemplo… 😉
Observe o enrolamento de fio do braço do Maxtor DiamondMax. Esta bobina fica entre os dois imãs do voice coil, parafusados na carcaça:
Imagem 12 - Perceba o carretel de plástico com fibra de vidro e geometria trapezoidal
CURIOSIDADE: Naturalmente, você deve tomar o cuidado de não aproximar imãs sobre discos rígidos, a menos que queira intencionalmente apagá-los.
Ao contrário da crença popular, chaves magnéticas não são perigosas para os HDs, pois os magnetos usados são muito fracos se comparados aos magnetos usados no mecanismo de leitura e no motor de rotação do HD. Os próprios discos magnéticos são relativamente resistentes a forças magnéticas externas, de forma que ímãs de baixa potência não oferecem grande perigo.
Agora, observe o braço deste Western Digital Caviar WD800:
Imagem 13 - Note que toda a região do braço na parte do voice coil é feita de plástico reforçado com fibra de vidro
Uma placa de metal suporta um ímã de alto fluxo de Neodímio-Ferro-Boro. Abaixo desta placa está a bobina móvel, muitas vezes referida como bobina de voz por analogia com a bobina de falantes, que é anexada ao cubo do atuador e, abaixo disso, há um segundo ímã NIB, montado na placa inferior (alguns projetos usam apenas um ímã).
A bobina de voz em si tem a forma de um trapézio e é feita de fio magnético de Cobre CU1100 duplamente revestido. A camada interna é o revestimento que todo o fio de Cobre deve ter e a externa é termoplástico com FV, que une a bobina depois de enrolada, tornando-a autoportante. As porções da bobina ao longo dos dois lados da ponta da seta (que apontam para o centro do rolamento do atuador) interagem com o campo magnético do ímã fixo. A corrente fluindo radialmente para fora ao longo de um lado da ponta da seta e radialmente para dentro do outro produz a força tangencial.
Se o campo magnético fosse uniforme, cada lado geraria forças opostas que se cancelariam, portanto, a superfície do ímã é metade polo norte e metade polo sul, com a linha divisória radial no meio, fazendo com que os dois lados da bobina vejam campos magnéticos opostos e produzam forças que se somam ao invés de se cancelarem. As correntes ao longo da parte superior e inferior da bobina produzem forças radiais que não giram a cabeça.
A eletrônica do HDD controla o movimento do atuador, e a rotação do disco realiza leituras e gravações sob demanda do controlador de disco. A realimentação eletrônica do drive é realizada por meio de segmentos especiais do disco dedicados ao servo. Estes são círculos concêntricos completos (no caso do método servo dedicado) ou segmentos intercalados com dados reais (no caso do método servo incorporado) - você verá mais sobre o assunto adiante neste texto. O feedback do servo otimiza a relação sinal-ruído do(s) sensor(es) MR (sensor magnetoresistivo aplicado na leitura dos dados do disco) ajustando a bobina de voz do braço acionado. A rotação do disco também é controlada pelo mesmo chip servo.
Veja a bobina em mais detalhes:
Imagem 14 - Note que a disposição da bobina é sempre muito semelhante entre os modelos de HDDs
Os braços possuem um pequeno rolamento de esfera em seu ponto de fixação com a carcaça:
Imagem 15 - Perceba o pequeno rolamento neste WD Caviar WD800
Observe este vídeo, com o braço sendo movimentado manualmente:
Vídeo 2 - O braço de leitura e gravação no DiamondMax
Veja outro vídeo, agora do Caviar WD800:
Vídeo 3 - Veja que em ambos os modelos há um limitador de curso
Para que o HD possa posicionar a cabeça de leitura sobre a área exata referente à trilha que vai ser lida, existem sinais de feedback gravados na superfícies do disco, que orientam o posicionamento do braço. Eles são sinais magnéticos específicos, gravados durante a fabricação dos discos (a famosa formatação física), que são protegidos através de instruções de bloqueio incluídas no firmware do HD contra alteração posterior. Esses sinais eliminam os problemas de desalinhamento que existiam nos primeiros discos rígidos.
A densidade de trilha disponível depende de vários fatores, incluindo a capacidade de desempenho de um Servo Sistema na unidade de disco rígido que, entre outras coisas, fornece acompanhamento de trilha, ou seja, mantém o alinhamento de um transdutor de leitura ou gravação com relação à linha central de uma trilha desejada. Um tipo de Servo Sistema, às vezes chamado de "servo incorporado", emprega dados de servo na mesma estrutura que armazena dados do usuário. Um formato Servo incorporado para a superfície do disco tem a característica básica de uma pluralidade de regiões de dados Servo de extensão radial (às vezes chamadas de "servo wedges") e uma pluralidade intercalada de regiões de dados do usuário de extensão radial.
Diagrama 1 - Cada região de dados do usuário tem uma pluralidade de segmentos de trilha de dados do usuário, e cada região de dados Servo tem uma pluralidade de segmentos de trilha de dados Servo
De acordo com outro elemento de um formato Servo incorporado, os dados Servo incluem identificação de trilha usados durante operações de busca de trilha e burst usados durante operações de acompanhamento de trilha. Enquanto os dados estão sendo lidos numa unidade de disco rígido Servo incorporada, um transdutor (MR ou GMR) produz um sinal de leitura analógico multiplexado no tempo que durante uma revolução do disco representa dados Servo durante cada um de um primeiro conjunto de intervalos de tempo e representa dados do usuário durante cada um de um segundo conjunto de intervalos de tempo.
A taxa na qual as cunhas Servo passam sob um transdutor de leitura é chamada de "taxa de amostragem servo", que é igual à taxa de revolução do disco multiplicada pelo número de cunhas Servo da superfície.
Uma alta taxa de amostragem Servo é desejável para o propósito de fornecer um sistema robusto. Por outro lado, aumentar a taxa de amostragem geralmente envolve alocar mais área de superfície para cunhas Servo e, portanto, impacta negativamente a eficiência do formato de superfície.
CURIOSIDADE: A densidade de bits linear disponível depende de vários fatores, incluindo a capacidade de desempenho de circuitos que são comumente chamados de "canal de leitura". Alguns tipos de canais de leitura são:
-> Canal de detecção de pico;
-> Canal de dados amostrados, categoria que inclui um canal de resposta parcial, máxima verossemelhança (PRML) e um canal EPR4.
Em uma unidade de disco rígido com qualquer um desses canais de leitura, o canal de leitura recebe um sinal de leitura analógico de um transdutor durante uma operação de leitura. O sinal de leitura analógico é caracterizado por uma "frequência de canal". Conforme usado nesta arte, "frequência de canal" é o recíproco de um período de tempo "T", onde "T" é o período de tempo consumido enquanto um ímã de comprimento elementar passa sob o transdutor durante uma operação de leitura com o disco girando a uma velocidade angular constante. A este respeito, o comprimento de cada ímã registrado ao longo de uma trilha como resultado de uma operação de gravação é, para uma primeira ordem de aproximação, um comprimento elementar ou um múltiplo inteiro do comprimento elementar. Cada ímã de comprimento elementar pode ser referido como uma "célula de bit" que é definida durante uma operação de gravação.
Numa pluralidade de HDDs, é normal o braço de leitura / gravação ficar repousado sob o disco nos momentos de inatividade. Elas só saem dessa posição quando os discos já estão girando em velocidade máxima. Para prevenir acidentes, as cabeças de leitura voltam à posição de descanso sempre que não estão sendo usadas, apesar dos discos continuarem girando.
É justamente por isso que às vezes, ao sofrer um pico de tensão, ou o micro ser desligado enquanto o HD está sendo acessado, surgem setores defeituosos. Ao ser cortada a energia, os discos param de girar e é desfeito o colchão de ar, fazendo com que as cabeças de leitura possam vir a tocar os discos magnéticos.
Para diminuir a ocorrência desse tipo de acidente, nos HDs modernos é utilizado um sistema que recolhe as cabeças de leitura automaticamente para a área de descanso quando a energia é cortada (tecnologia chamada de auto-parking). A área de descanso é também chamada de “landing zone” e engloba algumas das trilhas mais centrais do disco, uma área especialmente preparada para receber o impacto do “pouso” das cabeças de leitura. Uma das tecnologias mais populares é a LZT (LASER Zone Texture), desenvolvida pela IBM, onde um LASER é usado para produzir pequenas cavidades ao longo da zona de pouso, que reduzem o atrito com a cabeça de leitura:
Imagem 16 - Como é a LASER Zone Texture
Entretanto, alguns projetos mais novos começaram a implementar um suporte polimérico para que a(s) cabeça(s) fiquem resguardadas:
Imagem 17 - As "rampas" de repouso do braço em um Toshiba MK5059GSX de 2,5"
Repare o design da rampa de três braços deste Toshiba:
Imagem 18 - Não há inscrições de composição química no componente, entretanto, analisando o funcionamento, polímeros de baixo atrito e alta resistência térmica, tais como PA, PI ou PTFE devem ser aplicados
Esta tecnologia foi inicialmente usada em HDs de notebook, mas recentemente passou a ser usada também nos de 3,5" para desktops. Ela pode parecer simples, mas na verdade exige bastante tecnologia, devido à precisão necessária. O motivo maior de sua implementação é aproveitar as trilhas centrais do disco para a gravação de dados, e não para o repouso do braço.
O braço de leitura / gravação utiliza-se de artifícios simples para retornar à posição de descanso. No caso do Maxtor DiamondMax, podemos ver uma trava que só permite a movimentação do braço através da força centrífuga de deslocamento de ar do próprio disco:
Vídeo 4 - Como funciona o limitador de movimento do braço de leitura num Maxtor DiamondMax 20 (80 GB)
Observe o design do limitador, ficando parcialmente por debaixo do disco:
Imagem 19 - O movimento do disco gera um deslocamento de ar capaz de causar o arrasto da haste e a liberação do braço de leitura / gravação
Já no HDD WD Caviar, há apenas um limitador feito de resina polimérica e com um pequeno imã em uma das extremidades:
Imagem 20 - Note o limitador de cor amarelada mantendo o braço de leitura / gravação em posição de descanso através de um pequenino imã
No caso do WD Caviar, a força do Voice Coil sobrepõe a força do pequenino imã, retirando o braço de leitura / gravação da posição de descanso e o colocando para trabalhar!
No Maxtor 541DX, um equipamento ainda mais antigo e com apenas 20 GB de capacidade, a trava do braço é feita através de uma alavanca com um pequeno imã muito próximo do motor:
Imagem 21 - O motor foi removido para facilitar a visualização
No vídeo seguinte, o funcionamento do 541DX:
Vídeo 5 - Este drive foi retirado do lixo, e por isso está bastante 'encardido'
Apesar de evitar danos físicos, o auto-parking nada pode fazer para evitar perda de dados ao desligar o micro incorretamente. Mesmo que todos os arquivos estejam salvos, ainda existem dados no cache de disco (criado pelo sistema operacional, usando parte de memória RAM) e também no cache do HDD (que utiliza memória RAM também). Para acelerar as operações de gravação, todos os arquivos (sobretudo os pequenos) são salvos inicialmente nos caches e depois transferidos para os discos magnéticos em momentos de ociosidade. Quando o micro é desligado abruptamente, os dados em ambos os caches são perdidos, fazendo com que você sempre perca as últimas alterações, muitas vezes em arquivos que acreditava estarem salvos.
Por causa de tudo isso, é sempre importante usar um nobreak em micros de trabalho. A longo prazo, os dados perdidos e possíveis danos ao equipamento por causa de quedas de energia acabam custando muito mais do que um nobreak popular.
Ao ler um arquivo, a controladora posiciona a cabeça de leitura sobre a trilha onde está o primeiro setor referente a ele e espera que o disco gire até o setor correto. Este tempo inicial, necessário para iniciar a leitura, é chamado de tempo de acesso, e mesmo os HDs de 7200 RPM da primeira década deste século fica em torno de 12 milésimos de segundo, o que é uma eternidade em se tratando de tempo computacional. O HD é relativamente rápido ao ler setores sequenciais, mas ao ler vários pequenos arquivos espalhados pelo platter, o desempenho pode cair assustadoramente. É por isso que existem programas desfragmentadores, que procuram reorganizar a ordem dos arquivos, de forma que eles sejam gravados em setores contínuos.
Outro dado interessante é a maneira como as cabeças de leitura lêem os dados, sem tocar na camada magnética. Se você tiver a oportunidade de ver um disco rígido aberto, verá que, com os discos parados, as cabeças de leitura são pressionadas levemente em direção ao disco, tocando-o com uma certa pressão. Aqui temos o braço de leitura de um HD, depois de removido. Veja que mesmo sem o disco magnético entre elas, as duas cabeças de leitura pressionam-se mutuamente:
Imagem 22 - Essa concepção pode riscar o disco
Apesar disso, quando os discos giram à alta rotação, forma-se uma espécie de colchão de ar, que repele a cabeça de leitura, fazendo com que ela fique sempre a alguns nanômetros de distância dos discos. É o mesmo princípio utilizado na asa de um avião, e a principal diferença neste caso é que a cabeça de leitura é fixa, enquanto os discos é que se movem, mas, de qualquer forma, o efeito é o mesmo. É por este motivo que as rampas de repouso foram criadas, pois ao ser desligado, o braço, ou os braços vão para a região mais central dos platters (riscando-os ao longo do tempo), ocupando um espaço que poderia ser usado para gravação.
OBSERVAÇÃO: Esse é o motivo pelo qual impactos durante o funcionamento do drive podem fazer com que a cabeça de leitura encoste na superfície do disco e risque-a, danificando e inutilizando a região. Dentre todos os discos que trabalhei, apenas em alguns modelos da Maxtor e da Seagate vi a seguinte frase sobre garantia:
Imagem 23 - "...or if the drive experiences shock in excess of 350 Gs"
O choque de velocidade (impacto mecânico) tem dois componentes. A intensidade, medida em Gs (lembre-se que a força G da Terra é de 9,80665 m/s³), e duração, medida em milissegundos. Uma queda da altura de uma mesa em um piso de cerâmica pode resultar em um choque de mais de 1.000 Gs em um período de cerca de 3 milissegundos. Níveis de choque mais altos geralmente têm duração mais curta, talvez frações de milissegundos, e níveis de choque mais baixos podem ter uma duração de até 20 milissegundos. Choques que resultam em esmagamento ou flexão de superfícies de impacto podem durar centenas de milissegundos.
Como veremos a seguir, os HDs não são fechados hermeticamente (há exceções), muito menos a vácuo, pois é necessário ar para criar o efeito.
A distância é tão curta que mesmo ao vivo você tem a impressão de que a cabeça está raspando no disco, embora na realidade não esteja. Como a cabeça de leitura se movimenta rapidamente durante a operação do disco, é muito difícil tirar fotos.
CURIOSIDADE: Os já referidos Deskstar 75GXP sofriam com a gradual raspagem da camada magnética na superfície de vidro, inutilizando várias partes do platter ou até mesmo o drive inteiro:
Imagem 24 - Cinco discos removidos de um IBM Deskstar 75GXP morto que falhou em um servidor na Universidade da Flórida em abril de 2003. Dez cabeças quebraram tão severamente que quase toda a mídia magnética foi removida da parte útil das superfícies dos pratos, revelando os substratos de vidro transparente. Um disco no canto superior esquerdo tem algum material magnético em uma parte da região voadora da cabeça
As unidades 75GXP eram conhecidas por uma taxa anormalmente alta de falhas na cabeça de leitura / gravação, devido ao revestimento magnético logo começar a se soltar e respingar dos pratos, criando poeira metálica no compartimento dos discos e levando a falhas em grandes áreas dos platters. A combinação de duas tecnologias (cabeças GMR em pratos de vidro de 3,5 polegadas) são consideradas as principais responsáveis pelos problemas.
Uma atualização de firmware introduziu o nivelamento de desgaste que evita que as cabeças permaneçam muito tempo na mesma área, reduzindo assim o potencial de colisões. A mesma atualização de firmware também corrigiu uma possível corrupção de dados devido a um problema com as operações de segundo plano SMART.
O HD possui duas cabeças de leitura para cada disco (uma para cada face), de forma que um drive com quatro discos utiliza oito cabeças de leitura, presas ao mesmo braço móvel, formando uma Head Stack Assembly (pilha de cabeçotes).
Embora usar mais discos permita construir drives de maior capacidade, não é comum que os fabricantes utilizem mais de quatro (alguns projetos atuais que trabalham em pressão atmosférica conseguem usar 6 pratos), pois a partir daí torna-se muito difícil (e caro) produzir componentes com a precisão necessária para manter todos os discos alinhados. Antigamente, era comum que unidades de alta capacidade (e alto custo), sobretudo os destinados a servidores, possuíssem seis, ou até mesmo doze discos, mas eles saíram de moda a partir da década de 1990 devido à baixa demanda. Desde então, os fabricantes padronizaram a produção em torno dos HDs com até quatro discos e quem precisa de mais capacidade compra vários e monta um sistema RAID. No caso dos servidores, é muito comum o uso de racks, com um grande número de unidades SAS ou SATA.
Na década de 1960, a Control Data (uma das primeiras pioneiras em pesquisa e tecnologia de computadores) fabricou um tambor rotativo preenchido com Hélio. Outras empresas fizeram tentativas semelhantes de encher HDDs com Hélio. Todos esses produtos usavam tanques externos com o gás para manter e repor a atmosfera interna, e isso provou ser uma configuração ineficiente e proibitivamente cara, que permitia produzir apenas um número muito pequeno de drives. O grupo de armazenamento Control Data eventualmente evoluiu para Magnetic Peripherals, Inc. (MPI) durante o final da década de 1970, um consórcio de armazenamento para empresas de computadores não IBM.
O trabalho foi reiniciado em HDDs na década de 1980. Na verdade, a IBM e a Nippon Telephone and Telegraph (NTT) desenvolveram conjuntos de discos, selados em grandes latas de metal cheias de Hélio (drive ou HDA-in-a-can), formando um drive de 14 polegadas e 55 galões, sendo vedado com um selo de lata padrão dobrado e frisado. Na MPI, estudos de viabilidade e pesquisas sobre discos rígidos pressurizados com Hélio também foram reiniciados. No entanto, a única introdução de produto desse esforço foi Patty — um HDD com Hélio para a NTT no Japão — amplamente considerado um fracasso devido à perda muito rápida do gás por permeação. Ou seja, a perda de Hélio por substâncias sólidas. O mecanismo de vedação primário no HDD de hélio da NTT sofria de permeação.
No final da década de 1990, houve um rápido aumento na densidade de área, com aumentos significativos em bits por polegada (BPI) e, especialmente, trilhas por polegada (TPI). O aumento da densidade exigiu a redução nas alturas do transdutor com revestimentos de cabeça/disco mais finos correspondentes. As demandas por maior densidade de área foram acompanhadas por solicitações adicionais de equipamentos de alto desempenho. A necessidade de maior rendimento de dados resultou na introdução de drives Enterprise de 10K e 15K RPM com vibração induzida por vento significativamente maior. Um estudo de HDD selado contendo uma atmosfera de Hélio quase puro foi novamente ressuscitado como uma solução potencial para a futura combinação de TPIs ainda maiores com revestimentos mais finos e RPMs mais altos.
A extinta Maxtor também entrou na onda e começou a trabalhar em HDDs de Hélio, assim como a Seagate e a Western Digital no início dos anos 2000. Na verdade, tanto a Maxtor quanto a Seagate seguiram caminhos muito semelhantes de forma independente: cada uma projetou e produziu um design de drive selado tudo-em-um.
Quando a Seagate adquiriu a Maxtor no início de 2006, ambas desenvolveram HDDs herméticos pressurizados com Hélio com um C-seal revestido de Estanho compressível localizado entre a carcaça e a tampa. Este C-seal foi usado para selar o disco rígido para teste de acionamento, permitindo assim o retrabalho (possivelmente exigindo o uso de um novo C-seal) e também para selar drive por até 5 anos.
Embora tecnicamente viável, os C-seals padrão só podiam ser fabricados em formatos redondos. Como as unidades de disco não são redondas, elas exigiam C-seals personalizados caros, que por sua vez exigiam linhas de revestimento de Estanho de alta velocidade, bem como fábricas greenfield. Um problema técnico com os C-seals, que nunca foi totalmente resolvido, era a baixa capacidade de choque do C-seal comprimido. Após um choque, por exemplo, um equipamento com Hélio poderia ter um aumento de vazamento e/ou a perda do gás por meio de um 'arroto' único.
De qualquer maneira, os ganhos de capacidade podem ser obtidos adicionando cada vez mais discos em um formato padrão de 3,5”, exigindo pratos mais finos. O Hélio, que possui cerca de 1/7 da densidade do ar é necessário para reduzir a vibração causada por turbulência, o que permite melhorar a densidade de área do disco, reduzir as espessura dos pratos, além da unidade operar mais fria e consumir menos energia.
Em 2013, depois que a Western Digital adquiriu a Hitachi Global Storage Technologies - que havia comprado a divisão de discos rígidos da IBM em 2003 -, a empresa apresentou o primeiro drive comercial com Hélio do mundo. Ele tinha 50% mais capacidade do que qualquer equipamento cheio de ar e consumia apenas três quartos da energia. Naquela altura, já estava sendo testado por clientes como Netflix, CERN e os principais nomes em mídia social e pesquisa. Atualmente, os HDDs preenchidos com Hélio da Western Digital são vendidos com a grife HelioSeal no mercado.
Naturalmente, qualquer HD aberto fora de uma sala limpa acaba sendo impregnado por partículas de poeira, e por isso condenado a apresentar badblocks e outros defeitos depois de alguns minutos de operação.
Mas vamos focar nos equipamentos que trabalham preenchidos com ar, sob pressão atmosférica.
Todo drive é montado e selado em um ambiente livre de partículas, as famosas salas limpas. Apesar disso, eles não são hermeticamente fechados. Em qualquer HD, você encontra um pequeno orifício para entrada de ar (geralmente na carcaça ou diretamente sob a tampa superior), que permite que pequenos volumes de ar entrem e saiam, mantendo a pressão interna do HD sempre igual à do ambiente.
Esse orifício dá acesso a um compartimento na carcaça ou caixa plástica na tampa portando um pequeno filtro TNT de microfibras de PTFE (PoliTetraFluorEtileno, mais conhecido como Teflon), além de uma pequena quantidade de silica em pó, que impede a entrada de partículas de poeira e umidade.
Imagem 25 - Uma pequena caixa de Policarbonato com o filtro branco de PTFE no WD Caviar
Já no DiamondMax, vemos o mesmo filtro, só que cobrindo uma cavidade usinada na carcaça de liga de Alumínio:
Imagem 26 - Perceba as marcas das minhas unhas na superfície do filtro. Ele é um tanto macio e fica bem próximo ao disco
O filtro fica próximo ao platter para aproveitar a força centrífuga e facilitar a movimentação do ar. Devido a isso, a pressão do ar tem uma certa influência sobre a operação do equipamento.
No HDD Dell Cheetah 15K.6, a caixa do filtro de ar é enorme e também possui em seu interior um punhado de silica granulada (absorção de umidade), sendo posicionada ao lado do voice coil:
Imagem 27 - Note o filtro de PTFE por cima e o segundo filtro de partículas 'sachê' na lateral
Os Discos Rígidos são normalmente projetados para funcionar a altitudes de até três mil metros acima do nível do mar. Em altitudes muito elevadas, a pressão do ar é menor, comprometendo a criação do colchão de ar. Para casos extremos (uso militar, por exemplo), existem HDs pressurizados, que podem trabalhar a qualquer altitude, além dos já citados drives herméticos com Hélio.
Internamente, o HD possui um segundo filtro, que limpa continuamente o ar movimentado pelos platters. Ele tem a função de capturar as partículas que se desprendam dos componentes internos durante o uso, devido a desgaste ou choques diversos. Aqui temos uma foto de um, preso num dos cantos da parte interna do HD:
Imagem 28 - Observe a posição do filtro
Este pequeno filtro é disposto de uma forma a se aproveitar do deslocamento de ar provocado pela movimentação do disco, já que a rotação cria uma força tangencial, de ejeção. 'Forçando a barra', há um efeito de 'bomba de ar' que facilita o trabalho de filtragem contínuo.
Volte para a imagem do Dell Cheetah 15K.6 e perceba que ele possui dois filtros de partículas deste.
Mesmo assim, por melhores que sejam as condições de trabalho, o HD continua sendo um dispositivo baseado em componentes mecânicos, que têm uma vida útil muito mais curta que a de outros componentes do micro. De uma forma geral, os HDs para desktop funcionam de forma confiável por de cerca de cinco anos (em um PC usado continuamente). Depois disso, é melhor substituir o HD por um novo e mover o antigo para outro micro secundário, onde ele não vá armazenar informações importantes, pois a possibilidade de defeitos começa a crescer exponencialmente.
A capacidade de um HD é determinada por basicamente dois fatores:
-> A tecnologia utilizada, que determina sua densidade;
-> e o diâmetro dos discos, que determina a área útil de gravação.
A densidade de gravação dos HDDs tem aumentado de forma surpreendente, com a introdução de sucessivas novas técnicas de fabricação. Para você ter uma idéia, no IBM 350 os discos eram simplesmente pintados usando uma tinta especial contendo limalha de ferro, um processo bastante primitivo.
Com o passar do tempo, passou a ser usado o processo de eletroplating, que é semelhante à eletrólise usada para banhar bijuterias à Ouro. Esta técnica não permite uma superfície muito uniforme e justamente por isso só funciona em discos de baixa densidade. Ela foi usada até o final da década de 1980.
A técnica usada atualmente (chamada de sputtering) é muito mais precisa. Nela a superfície magnética é construída depositando grãos microscópicos de forma incrivelmente uniforme. Quanto menores os grãos, mais fina e sensível é a superfície, permitindo densidades de gravação mais altas.
A densidade de gravação de um platter é medida em gigabits por polegada quadrada (Gb/in³). Os drives fabricados na segunda metade de 2006, por exemplo, utilizavam em sua maioria pratos com densidade de 100 gigabits por polegada quadrada (ou 12.5 GB/in³). Neles, cada bit é armazenado em uma área magnética com aproximadamente 200 x 50 nanômetros (uma área pouco maior que a de um transístor nos processadores fabricados numa técnica de 0.09 micron) e é composta por apenas algumas centenas de grãos magnéticos. Estes grãos medem apenas alguns nanômetros e são compostos por ligas de Cobalto, Cromo, Platina, Boro e outros materiais raros, muito longe da limalha de ferro utilizada pelos pioneiros.
Considerando que os discos giram a 7200 RPM e a cabeça de leitura lê os dados a mais de 50 MB/s (quando lendo setores sequenciais), atingir densidades como as atuais é simplesmente impressionante.
Longitudinal Magnetic Recorder (LMR)
Este esquema mostra como funciona o processo de escrita e gravação em um HD:
Diagrama 2 - Esta técnica foi popular até meados de 2007
Como você pode ver, a cabeça é composta por dois dispositivos separados, um para gravação e outro para leitura. O dispositivo de gravação é similar a um eletroímã, onde é usada eletricidade para criar o campo magnético necessário para gravação. Nos primeiros HDDs, tínhamos um filamento de cobre enrolado sobre um corpo de Ferro. Nos HDDs atuais, os materiais usados são diferentes, mas o princípio de funcionamento continua o mesmo.
Imagem 29 - As cabeças de leitura / gravação LMR do WD Caviar WD800
OBSERVAÇÃO: Apesar dos diagramas apresentarem um mecanismo de gravação baseado numa bobina ao lado de um sensor MR, nos discos rígidos que NÃO trabalham com leitura por indução (qualquer unidade projetada dos anos 1990 pra cá) há apenas uma 'pastilha' (geralmente de cor preta ou acinzentada) com ambos os sistemas, isto é, gravação e leitura.
Imagem 30 - A pequena pastilha que serve tanto pra leitura quanto para gravação. Captura de um Maxtor 541DX
No processo de escrita, uma tensão elétrica positiva ou negativa é aplicada na bobina, o que faz com que um campo eletromagnético seja criado na cabeça. Este campo magnetiza a superfície bem abaixo da cabeça, alinhando as partículas magnéticas para a esquerda ou para a direita, dependendo da polaridade da DDP aplicada. Lembre-se que a inversão da polaridade da corrente elétrica resulta também na mudança de polaridade do campo eletromagnético.
O dispositivo de leitura, por sua vez, faz o processo oposto. Quando ele passa sobre as partículas magnetizadas, sofre interferência devido ao campo magnético emitido por elas, através de um processo de indução (nos HDs antigos) ou magnetoresistência (nos atuais), resultando em uma fraca corrente, que é posteriormente amplificada e filtrada num chip instalado próprio braço de leitura / gravação:
Imagem 31 - Note que o chip é soldado numa placa flexível feita de Poli-Imida instalada sob o próprio braço. Se trata de um HDD Maxtor 541DX (20 GB) datado de 2001
Como comparativo, neste WD Caviar WD800 (80 GB), datado de 2004, o amplificador / filtro já é no formato CoF (Chip on Film) e também numa PCB flexível de Poli-Imida:
Imagem 32 - três anos separam o 541DX do WD800, e os saltos de tecnologia são perceptíveis
O dispositivo de leitura é protegido por um escudo, que faz com que ele capte apenas o campo magnético do bit que está sendo lido, e não dos seguintes. Você pode notar que não existe isolamento entre os dispositivos de leitura e gravação. Isso acontece porque apenas um deles é usado de cada vez.
Note que essa divisão existe apenas nos HDs modernos, que utilizam cabeças de leitura MR ou GMR (Magnetoresistência e Magnetoresistência Gigante, respectivamente). Nos antigos, que ainda utilizavam cabeças de leitura com bobinas de Ferrite, o mesmo dispositivo fazia a leitura e a gravação, tal como nos disquetes.
O grande problema é que, assim como em outras áreas da informática, a tecnologia avançou até o ponto em que se começou a atingir os limites físicos da matéria. Em um disco rígido, a área referente a cada bit armazenado funciona como um minúsculo ímã, que tem sua orientação magnética alterada pela cabeça de leitura. A área da superfície utilizada para a gravação de cada bit é chamada de "magnetic element", ou elemento magnético.
A partir de um certo ponto, a área de gravação torna-se tão pequena que a orientação magnética pode ser alterada de forma aleatória pela própria energia térmica presente no ambiente (fenômeno chamado de superparamagnetismo), o que faz com que a mídia deixe de ser confiável.
A tecnologia usada nos HDs fabricados até a primeira metade de 2007 é chamada de gravação longitudinal (longitudinal recording), onde a orientação magnética dos bits é gravada na horizontal, de forma paralela à mídia. A partir dos 100 gigabits por polegada quadrada, tornou-se muito difícil aumentar a densidade de gravação, o que acelerou a migração para o sistema de gravação perpendicular (perpendicular recording), onde a orientação magnética passa a ser feita na vertical, aumentando muito a densidade dos discos.
Estima-se que, utilizando gravação longitudinal, seria possível atingir densidades de no máximo 200 gigabits por polegada, enquanto que utilizando gravação perpendicular seja possível atingir até 10 vezes mais. Isso significa que os fabricantes ainda terão margem para produzir HDDs de até 10 TB antes de esgotar as possibilidades oferecidas pela nova tecnologia.
Perpendicular Magnetic Recorder (PMR)
Na gravação perpendicular, a mídia é composta de duas camadas. Inicialmente temos uma camada de Cromo, que serve como um indutor, permitindo que o sinal magnético gerado pelo dispositivo de gravação "atravesse" a superfície magnética, criando um impulso mais forte e, ao mesmo tempo, como uma espécie de isolante entre a superfície de gravação e as camadas inferiores do disco.
Ele poderia (até certo ponto) ser comparado à camada extra usada nos processadores fabricados com tecnologia SOI (silicon on insulator), onde uma camada isolante é criada entre os transístores e o wafer de Silício, reduzindo a perda de elétrons e, consequentemente, o consumo elétrico do processador.
Sobre a camada de Cromo, são depositados os grãos magnéticos. A diferença é que agora eles são depositados de forma que a orientação magnética seja vertical, e não horizontal. A cabeça de leitura e gravação também é aperfeiçoada, de forma a se capaz de lidar com a nova orientação (partículas ainda mais pequenas):
Diagrama 3 - De meados de 2007 pra cá, este método se tornou padrão, sofrendo apenas melhorias
OBSERVAÇÃO: Apesar dos diagramas apresentarem um mecanismo de gravação baseado numa bobina ao lado de um sensor MR, nos discos rígidos que NÃO trabalham com leitura por indução (qualquer unidade projetada dos anos 1990 pra cá) há apenas uma 'pastilha' (geralmente de cor preta ou acinzentada) com ambos os sistemas, isto é, gravação e leitura.
Embora pareça uma modificação simples, o uso da gravação perpendicular nos platters é uma conquista técnica notável.
CURIOSIDADE: O processo de gravação perpendicular foi adotado rapidamente por todos os principais fabricantes. O primeiro foi a Fujitsu, que lançou um HD de 1.8" com gravação perpendicular ainda em 2005. A próxima foi a Seagate que, em abril de 2006, anunciou o Barracuda 7200.10, um disco de 3.5" com 750 GB. Em agosto de 2006 a Fujitsu anunciou um HD de 2.5" com 160 GB, e em Janeiro de 2007 a Hitachi anunciou o Deskstar 7K1000, um HD de 3.5" com 1 TB, que utiliza um design incomum, com 5 platters em vez dos 4 comumente usados.
Os sensores MR e GMR de leitura utilizados nos HDDs contemporâneos também são conhecidos como "válvulas de spin". Essas cabeças de leitura consistem em várias camadas de sensores que exploram o efeito da Magnetorresistência (MR) e da Magnetorresistência Gigante (GMR) para detectar campos magnéticos extremamente fracos.
Quando a válvula de spin passa sobre um domínio magnético, a magnetização de uma das camadas do sensor (a camada "livre") gira, gerando uma grande mudança na resistência elétrica.
Infelizmente, a magnetização no sensor de referência - a camada que não gira - é muito afetada pelo ruído induzido pelos domínios magnéticos adjacentes.
Os fabricantes têm melhorado a estabilidade magnética dessas cabeça de leitura substituindo a camada fixa por uma estrutura sintética antiferromagnética (SAF) e incorporando a válvula de spin entre dois escudos magnéticos.
No entanto, a estrutura SAF ocupa uma grande parte da espessura total da válvula de spin e os fabricantes têm dificuldade em reduzir essa espessura abaixo dos 20 nm.
O problema pode ser contornado usando um tipo melhorado de válvula de spin, chamada DDSV (Differential Dual Spin Valves, em português "válvula de spin dupla diferencial"). Essencialmente, uma DDSV é formada por duas válvulas de spin separadas por uma camada condutora. Ela só responde a uma transição de campo magnético muito localizada e, portanto, não requer blindagem magnética para filtrar o ruído.
Como a blindagem magnética para filtrar o ruído é dispensada, a resolução de leitura da DDSV é limitada apenas pela espessura da camada de separação e das camadas livres - na prática, apenas alguns nanômetros.
Shingled Magnetic Recording (SMR)
Em 2014, a técnica SMR (gravação magnética em camadas, feita com base na PMR) passou a ser utilizada em determinados modelos de disco rígido, e com isso, a gravação perpendicular tradicional passou a ser conhecida como CMR (Conventional Magnetic Recording, em português "gravação magnética convencional").
Na técnica SMR, há uma pequena sobreposição nas trilhas magnéticas. Como a cabeça de leitura é menor do que a de gravação, ela consegue ler os dados mesmo com essa pequena sobreposição, permitindo mais trilhas na superfície magnética dos pratos, resultando em uma maior capacidade de armazenamento, que de acordo com a Seagate, chega a 25%.
Quando dados são gravados, como há sobreposição na área da trilha adjacente, os dados desta outra trilha também precisam ser regravados. Assim, a regravação dos dados desta outra trilha também afetam a próxima trilha, e por aí vai, feito 'efeito dominó'. Para que não seja necessário regravar todas as trilhas (o que faria com o que a unidade se tornasse extremamente lenta), elas são agrupadas em bandas espaçadas entre si. Assim, ao gravar dados em uma trilha, somente as trilhas seguintes dentro da mesma banda precisam ser regravadas.
Inevitávelmente, há um desperdício de tempo regravando dados que já estavam armazenados anteriormente, e para que isso não impacte o desempenho do drive, o platters possuem uma área (as trilhas mais próximas da borda externa) que é utilizada como cache (uma área de transferência temporária) e que usa gravação PMR.
Assim, ao enviar dados para serem gravados no HDD, tais dados são gravados primeiro nessa área que utiliza gravação perpendicular. A controladora presente no disco rígido vai movendo os dados presentes na área de cache para os setores desejados e fazendo as regravações necessárias dentro de uma mesma banda. Isso permite que as regravações não afetem o desempenho da unidade.
Todavia, quando o computador envia uma grande quantidade de dados de forma ininterrupta para o drive e que ocupa toda a área de cache, o drive precisa de um tempo para conseguir transferir esses dados para os setores internos, fazer as regravações de trilhas dentro daquela banda e liberar o espaço que aqueles dados estavam ocupando na área PMR. Nesta situação, novos dados a serem gravados não podem ser enviados ao equipamento, e a taxa de transferência cai. No dia-a-dia, o usuário sente lentidão na gravação de dados.
Sendo assim, discos rígidos SMR não são recomendados para aplicações que envolvam a gravação de uma quantidade muito grande de dados ao mesmo tempo, como é o caso de servidores e aplicações para edição profissional multimídia, pois a queda de desempenho serão perceptíveis. Em contrapartida, para o usuário comum, não há qualquer diferença no uso de discos rígidos com tecnologia SMR.
Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR)
A Gravação Magnética Assistida por Calor (HAMR) é mais uma técnica para elevar a capacidade de armazenamento de dados do HDD, mas semaumentar suas dimensões físicas.
Os drives baseados em HAMR costumam ter um minúsculo diodo LASER na cabeça de gravação que aquece a área que irá receber os dados em temperaturas que podem passar de 400 ºC. Em seguida, em questão de nanossegundos, essa área é resfriada rapidamente para voltar à temperatura ambiente. Essa técnica permite que a cabeça inverta a polaridade magnética das partículas de modo muito preciso e estável, tanto que é possível deixá-las mais próximas umas das outras, o que favorece o aumento da densidade do disco.
Vale destacar que apenas um ponto microscópico do disco é aquecido nesse processo, logo, não há risco de o drive como um todo superaquecer.
Como vimos, os primeiros drives eram gigantescos, e utilizavam discos de até 24 polegadas de diâmetro. Com o passar das décadas, eles foram encolhendo, até chegar ao que temos hoje.
O problema em produzir discos muito compactos é que a superfície de gravação fica exponencialmente menor, permitindo gravar um volume menor de dados. Apesar disso, os demais componentes continuam custando quase o mesmo (ou até mais, dependendo da escala de miniaturização necessária). Isso faz com que o custo por GigaByte cresça, conforme o tamanho físico do equipamento diminui. Um exemplo prático disso é a diferença no $/GB entre os HDs de 2.5" para notebooks e os modelos de 3,5" para desktops.
CURIOSIDADE: A partir de um certo nível de miniaturização, o custo por megabyte se torna mais alto que o dos cartões de memória Flash, e os HDs deixam de ser viáveis. O melhor exemplo é o HD de 0.85" apresentado pela Toshiba em 2005, que tinha como objetivo atender o mercado de palmtops e smartphones. Ele era tão pequeno que podia ser produzido no formato de um cartão SD e possuía um consumo elétrico baixíssimo:
Imagem 33 - Imagine um HDD com tamanho comparável ao de um cartão de memória Flash
O problema é que ele seria lançado em versões de apenas 2 e 4 GB, com preços a partir de US$ 150. Com a rápida queda no custo da memória Flash, logo surgiram cartões de 2 e 4 GB que custavam menos, de forma que o mini-HD acabou não encontrando seu lugar no mercado e foi descontinuado silenciosamente.
O interessante é que o oposto também é verdadeiro. drives com discos muito grandes também acabam sendo inviáveis, pois são mais lentos e mais passíveis de problemas que os equipamentos baseados em discos menores. Isso se deve a vários fatores.
O primeiro é a questão da rotação, já que discos maiores são mais pesados e demandam um maior esforço do motor de rotação, consumindo mais energia e gerando mais calor e mais barulho. Discos maiores também acabam sendo menos rígidos, o que impede que sejam girados a velocidades muito altas e tornam todo o equipamento mais sensível a impactos. Dobrar o diâmetro dos discos faz com que a rigidez proporcional seja reduzida em até 75%.
O segundo é a dificuldade de produção. Com o avanço da tecnologia, a mídia de gravação precisa ser cada vez mais fina e uniforme. Quanto maiores os discos, mais difícil é recobrir toda a superfície sem o surgimento de um grande número de pontos defeituosos.
Já o terceiro motivo, é o maior tempo de acesso, já que com uma superfície maior as cabeças de leitura demoram muito mais tempo para localizar os dados (justamente devido à maior distância a ser percorrida). Se combinarmos isso com a velocidade mais baixa de rotação, acabamos tendo uma redução muito grande no desempenho.
CURIOSIDADE: Isso explica porque os drives de 5.25" usados nos primeiros PCs foram rapidamente substituídos pelos de 3.5". O pico evolutivo dos HDDs de 5.25" foram os Quantum Bigfoot, produzidos até 1999, em capacidades de até 18 GB. Embora eles armazenassem um maior volume de dados por platter, a velocidade de rotação era bem mais baixa (apenas 3600 RPM), os tempos de acesso eram maiores e, ainda por cima, a durabilidade era menor.
As unidades de 3,5" e de 2,5" atuais parecem ser o melhor balanço entre os dois extremos. Os de 3,5" oferecem um melhor desempenho, mais capacidade de armazenamento e um custo por GB mais baixo (combinação ideal para um desktop), enquanto os de 2.5" são mais compactos, mais silenciosos, consomem menos energia e são mais resistentes a impactos, características fundamentais no caso dos notebooks.
Temos ainda os HDs de 1,8" (mais finos e do tamanho de um cartão PCMCIA), que são usados em notebooks ultra-portáteis, além de MP3 players e alguns dispositivos de armazenamento portátil.
Uma quarta categoria são os microdrives, que utilizam discos de 1" (pequenos o suficiente para serem produzidos no formato de cartões CompactFlash) e podem ser utilizados em palmtops e MP3 players. Eles foram utilizados no Palm Life Drive (4 GB) e também no iPod Nano (4 e 8 GB), mas acabaram perdendo seu espaço para os cartões de memória Flash. A Hitachi chegou a anunciar o desenvolvimento de microdrives de 20 GB utilizando tecnologia de gravação perpendicular, mas a produção em série acabou sendo cancelada, pois o preço de venda seria mais alto que o da mesma quantidade de memória Flash.
Organização da superfície
Para organizar o processo de gravação e leitura dos dados, a superfície dos discos é dividida em trilhas e setores. As trilhas são círculos concêntricos, que começam próximo da borda do disco e vão se tornando menores conforme se aproximam do centro. É diferente de um CD-ROM ou DVD, onde temos uma espiral contínua.
Para facilitar ainda mais o acesso aos dados, as trilhas se dividem em setores, que são pequenos trechos de 512 Bytes cada um, embora projetos atuais utilizem o formato AF (Advanced Format), cujos setores tem 4 kiB (4096 Bytes), maximizando o aproveitamento da puperfície.
Cada setor possui seus respectivos dados de endereço e verificação de erros (checksun), além de, claro, os dados do usuário. Todos os dados de controle posicionados antes dos dados do usuário são demoninados "cabeçalho", enquanto os dados de controle posicionados após os dados de usuário são denominados "rodapé".
Gráfico 1 - Clique na imagem para amplia-la
Além das trilhas e setores, também há as faces de disco. Como vimos, os HDs atuais possuem, geralemnte, de 1 a 4 discos. Como são utilizadas ambas as faces de cada disco, temos um total de 2 a 8 faces e o mesmo número de cabeças de leitura.
Como todas as cabeças de leitura estão presas no mesmo braço móvel, elas não possuem movimento independente. Para acessar informações armazenadas na trilha 199.982 da face de disco 3, por exemplo, a controladora do disco ativa a cabeça de leitura responsável pelo disco 3 e, a seguir, ordena ao braço de leitura que se dirija à trilha correspondente. Não é possível que uma cabeça de leitura esteja na trilha 199.982 ao mesmo tempo que outra esteja na trilha 555.631 de outro disco, por exemplo.
Já que todas as cabeças de leitura sempre estarão na mesma trilha de seus respectivos discos, deixamos de chamá-las de trilhas e passamos a usar o termo "cilindro". Um cilindro nada mais é do que o conjunto de trilhas com o mesmo número nos vários discos. Por exemplo, o cilindro 1 é formado pela trilha 1 de cada face de disco, o cilindro 2 é formado pela trilha 2 de cada face, e assim por diante.
Diagrama 4 - E assim os HDDs são projetados desde sempre
A trilha mais externa do disco possui mais que o dobro de diâmetro da trilha mais interna e, conseqüentemente, possui capacidade para armazenar um volume muito maior de dados.
Nos primeiros discos rígidos, assim como nos disquetes, todas as trilhas do disco, independentemente de seu diâmetro, possuíam o mesmo número de setores, fazendo com que nas trilhas mais externas, os setores ocupassem um espaço muito maior do que os setores das trilhas mais internas. Existia então um grande espaço desperdiçado, pois era preciso nivelar por baixo, fazendo com que todas as trilhas possuíssem o mesmo número de setores permitido pelas trilhas mais internas.
Atualmente, os HDs utilizam o Zoned bit Recording (ZBR), que permite variar a quantidade de setores por trilha, de acordo com o diâmetro da trilha a ser dividida, permitindo uma organização mais racional do espaço em disco e, consequentemente, uma maior densidade de gravação. O HD pode ter então 1584 setores por trilha na área mais externa dos discos e apenas 740 na área mais interna, por exemplo. Como os discos giram sempre na mesma velocidade, isso causa um pequeno efeito colateral, que é uma considerável variação no desempenho de acordo com a área do disco que está sendo lida, proporcional ao número de setores por trilha.
Trocando em miúdos, o desempenho ao ler as trilhas mais externas acaba sendo mais que o dobro do obtido ao ler as mais internas. É por isso que em geral se recomenda colocar a partição com a instalação do sistema, ou com a partição swap no início do disco (que corresponde às trilhas mais externas) para obter o melhor desempenho.
Usando um programa de benchmark que permita realizar uma leitura sequencial de toda a superfície do platter, como o HD Tach, você obterá sempre um gráfico onde a taxa de leitura começa num nível alto (trilhas externas) e vai decaindo até atingir o ponto mais baixo no final do teste (ao ler o conteúdo das trilhas mais internas).
Um dos principais motivos do desempenho dos HDs não ter crescido na mesma proporção da capacidade ao longo das últimas décadas é que a densidade das trilhas aumentou numa escala muito maior que a dos setores dentro destas. Ou seja, as trilhas foram ficando mais "finas", mas o número de setores por trilha passou a aumentar em escala incremental. Aumentar o número de trilhas permite aumentar a área de armazenamento, mas é o número de setores por trilha, combinado com a velocidade de rotação do HD que determina a performance.
Um antigo Maxtor 7040A, de 40 MB, por exemplo, possuía uma taxa de leitura média em torno de 700 KB/s, o que permitia ler todo o conteúdo do disco em cerca de um minuto.
Um Seagate Barracuda 7200.10, de 750 GB, é bem mais rápido, com uma taxa média de leitura de 64 MB/s. Todavia, apesar disso, como a capacidade é brutalmente maior, ler todos os dados do disco demoraria pelo menos 3:15 horas!
Por outro lado, também podemos mensurar a rapidez através do RPM. Quanto maior a velocidade de rotação, mais rápido poderão ser lidos os dados do disco. Por exemplo, em um drive de 7200 RPM, o disco gira 120 vezes por segundo, significando que cada trilha pode ser lida em 1/120 de segundo (ou 8,33 ms). Já em um disco rígido de 5400 RPM, o disco gira 90 vezes por segundo, e cada trilha pode ser lida em 1/90 segundo (ou 11,1 ms).
Neste capítulo tratamos mais do aspecto mecânico dos discos rígidos, enquanto a lógica ficará para a PARTE 2.
Infelizmente não possuo uma câmera com especificações suficientes para capturar imagens com alta definição de peças muito pequenas, portanto, fico devendo fotos das cabeças de leitura / gravação que utilizam tecnologia PMR / CMR e HAMR (esta última ainda é novidade no mercado e cara demais pra tal trabalho).
Caso queira contribuir com mais informações, fique à vontade para entrar em contato conosco pelo e-mail hardwarecentrallr@gmail.com.
FONTES e CRÉDITOS:
Texto: Leonardo Ritter; livro de hardware do Carlos E. Morimoto (recuperado através do Waybach Machine).
Imagens, diagramas e gráficos: Leonardo Ritter; Enciclopédia Magnética; Google Imagens; Wikipedia.
Fontes: Desmonte de HDDs; outros conteúdos do próprio HC; Patentes relacionadas à Western Digital recuperadas do Google Patents; Site da Seagate e Blog da Western Digital; Sasaki Informatica; Enciclopédia Magnética; datasheets de chips utilizados em HDDs; Clube do Hardware; livro de hardware do Gabriel Torres (edição de 2022); Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).
Última atualização: 23 de Março de 2025.
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