Durante más de 60 años, la unidad de disco duro (HDD) ha desempeñado un papel importante en la era moderna de la tecnología digital. La capacidad de almacenamiento de la unidad de disco duro ha aumentado de solo 5 MB en 1956 en cincuenta discos de 24 pulgadas a más de 10 TB (Tera Bytes) almacenados en discos de tres 1/2 pulgadas de diámetro. Durante este período relativamente corto, la mecatrónica y el control desempeñaron un papel vital en el rápido crecimiento de la capacidad de la unidad de disco duro y la disminución continua del costo.
El término “mecatrónica” describe una rama de la ingeniería como la integración de la ingeniería mecánica con la electrónica y el control en el diseño y la fabricación del proceso del producto. Muchos de los dispositivos y sistemas que encontramos en la vida cotidiana, como una cámara con enfoque automático y exposición automática, un cajero automático, un escáner o impresora, un robot y una unidad de disco duro son los ejemplos más obvios de sistemas mecatrónicos. En los discos duros, los bits de información se almacenan en pistas concéntricas de datos en un disco giratorio recubierto con medios magnéticos mientras se graba la información, y también se recuperan utilizando los cabezales de lectura / escritura. En este artículo, intentaremos describir los componentes utilizados en cualquier HDD que se pueden clasificar en general en 4 categorías:
- Componentes magnéticos
- Componentes electromecánicos
- Componentes mecánicos
- Electrónica
Componentes magnéticos
Los componentes magnéticos, los medios (plato) y la (s) cabeza (s) son los componentes principales que permiten el almacenamiento y la recuperación de información binaria.
Platos
Los datos se graban en un plato que gira continuamente, un disco hecho de aluminio o vidrio y recubierto por ambos lados con una fina capa de material magnético. El plato se monta a través de un agujero en el centro en el eje (eje) de un motor que hace girar los discos. En la mayoría de los HDD, los discos se giran a 5.400 o 7.200 RPM, o más, en el caso de las unidades de alto rendimiento. Los platos están cubiertos con varias capas de otros materiales. Dos elementos separados, las cabezas de escritura y lectura, se usan para escribir datos o leer datos de los discos. Estas dos cabezas están montadas juntas en una estructura más grande, llamada deslizador. El control deslizante proporciona conectividad eléctrica a ambas cabezas, ayuda a colocar las cabezas de lectura y escritura muy cerca (volando) a la superficie magnetizada del disco giratorio con su superficie aerodinámica para lograr la característica de vuelo deseada. El aire que se mueve junto con el disco giratorio y queda atrapado entre el disco y la superficie aerodinámica del control deslizante produce un cojinete de aire que hace que el control deslizante flote. La superficie del disco debe ser extremadamente suave para producir una señal de lectura uniforme de las cabezas que vuelan a unos pocos nanómetros por encima del disco. Esta es la razón por la cual los analizadores de datos utilizan una instalación de sala limpia, un entorno especial en el que los componentes del disco duro pueden examinarse y, si es necesario, repararse o reemplazarse (trasplantarse).
Este es un buen punto para explicar un problema relativamente común relacionado con los discos duros, la fricción de la cabeza. Una cabeza del tamaño de un grano de azúcar a veces puede “aterrizar” en el disco. Mientras está parado, la cabeza montada en un control deslizante toca la superficie del disco y se produce una fuerza de fricción. La fricción entre los controles deslizantes y los discos se opone al par aplicado durante el giro del cabezal, y el disco no puede funcionar ni girar.
Algunas unidades anteriores solían colocar sus cabezas sobre una textura apropiada en un pequeño anillo anular, conocido como zona de aterrizaje, en el disco cerca del orificio central y los controles deslizantes se empujan a esta zona de aterrizaje antes de girar el eje para que descansen sobre la superficie con textura cuando la unidad se activa la próxima vez. Hoy en día, el diseño de carga / descarga dinámica se ha adoptado para resolver el problema de fricción entre la cabeza y el plato ya que este método evita el contacto entre los controles deslizantes y los discos estacionarios sacando los controles deslizantes de la superficie del disco antes de girar. Una pestaña de elevación que se extiende desde el brazo se acopla a una estructura de rampa a medida que el actuador se mueve más allá del radio exterior del disco. Las rampas levantan (‘descargan’) las cabezas de las superficies del disco cuando el actuador se mueve a la posición de estacionamiento. Durante el giro, el brazo del actuador se empuja sobre la rampa después de que la bandeja alcanza la velocidad especificada para que los controles deslizantes se disparen.
Componentes electromecánicos
Motor del eje
Un motor DC sin escobillas se usa para hacer girar la pila de discos en una HDD. Los husillos de accionamiento de alto rendimiento y alto rendimiento giran a 10.000 RPM o más; mientras que muchos modelos de unidades para computadoras de escritorio y portátiles todavía usan velocidades de husillo de 5400 RPM o 7,200 RPM.
Ensamble o Actuador de Pila de Cabeza (HSA)
El movimiento del cabezal de lectura / escritura entre diferentes pistas de la superficie del disco se realiza mediante un actuador. Mientras que los actuadores utilizados en los primeros días se diseñaron alrededor de cables y poleas, dichos diseños fueron reemplazados por actuadores hidráulicos introducidos a fines de los años sesenta y principios de los setenta. Algunas de las primeras generaciones de HDD también usaron motores paso a paso como actuadores. Con el aumento de la densidad de las pistas de datos, el control de bucle abierto no se pudo realizar y el control de bucle cerrado con el motor de bobina móvil, reemplazando los motores paso a paso. El VCM es un actuador de tipo bobina móvil, en el que una bobina se mantiene suspendida en el campo magnético producido por pares de imanes permanentes fijados a la carcasa de la unidad de disco duro.
Los brazos del actuador están hechos de acero sólido o aluminio de un grosor significativo, no adecuados para sujetar los cabezales de lectura y escritura sobre la superficie del disco. Un brazo extendido, conocido como la suspensión, lleva el control deslizante de la cabeza. La suspensión está hecha de una delgada lámina de acero inoxidable y está unida al brazo del actuador.
En las unidades modernas, la HSA hace que el movimiento del deslizador se convierta en un arco y no en una línea recta. Cada deslizador de cabeza está unido a la punta de una suspensión. Por lo general, hay tantos controles deslizantes en un HDD como la cantidad de superficies del plato. Todos los brazos de suspensión están unidos a una sola pieza de actuador. El control deslizante flota sobre el disco giratorio que tiene un cierto grado de rugosidad en relación con la altura de la mosca. La suspensión proporciona una fuerza sobre el deslizador en la dirección hacia el interior del disco para contrarrestar las fuerzas aerodinámicas ascendentes de la superficie que soporta el aire. HSA por lo general alberga un chip denominado colector y está montado en el cable flexible que transmite una señal entre los cabezales y la electrónica de transmisión.
Las cabezas están montadas en cada punta del brazo / control deslizante del actuador y tienen el tamaño de un grano de azúcar. Si bien la tecnología detrás de este componente es bastante compleja y mejorada constantemente, su estructura interna y diseño pueden explicarse en detalle en algún otro artículo. Es crucial entender que hay dos componentes principales responsables de los discos y las operaciones de las unidades internas.
Componentes mecánicos
El alojamiento de la unidad es la carcasa externa de la unidad de disco duro. Proporciona funciones para montar la unidad en la bahía de unidades del sistema host y admite otros componentes de la unidad de disco duro, como el motor de cabezal, el actuador, los filtros, la electrónica, etc. Hay dos partes básicas de la carcasa: cubierta superior y base plato. Todos los componentes están ensamblados en la placa base. El gabinete está cubierto o sellado utilizando empaquetaduras montadas en la cubierta superior. El ambiente dentro del gabinete debe mantenerse y limpiarse. Cualquier partícula en la interfaz cabeza-disco puede causar abrasión del disco, lo que ocasiona la pérdida de datos y un aumento en el número de partículas de residuos. Como se describió anteriormente, esta es la razón por la que trabajamos en una sala limpia, para garantizar operaciones libres de partículas. Las partículas creadas durante la operación de impulso por contacto repentino entre el disco y el control deslizante son expulsadas del disco giratorio por la fuerza centrífuga y finalmente atrapadas en el filtro, colocadas en el espacio vacío dentro del recinto.
Electrónica
Los componentes electrónicos de una unidad de disco duro se pueden categorizar de acuerdo con las siguientes funciones:
- Electrónica para leer / escribir, también conocida como la electrónica del canal
- Electrónica para girar los discos y posicionamiento del cabezal de lectura / escritura, también conocido como canal servo
- Electrónica para controlar diversas operaciones (como leer datos, escribir datos, transferir datos entre HDD y host, etc.) del disco o del controlador de disco
- Electrónica para la interfaz con el sistema host, y
- RAM, ROM, etc.
Varios de estos componentes funcionales a menudo se combinan en un solo chip (ASIC). Como resultado, no vemos muchos circuitos integrados en la PCB (placa de circuito impreso) de una unidad de disco duro. Como se indicó anteriormente, un IC que no se coloca en la PCB, pero se guarda dentro de la caja de la unidad, es el preamplificador (o conmutador).
Si bien tratamos de cubrir diferentes situaciones en las que los clientes perdieron sus datos en un disco duro y se recuperaron con Data Analysers, este artículo está aquí para ayudarlo a distinguir cada componente en un disco duro, como se puede mencionar en su informe de análisis realizado por nuestro ingenieros al recibir su unidad.
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