En este artículo explicamos en detalle cómo funciona cada parte de un disco duro. No te recomendamos abrir tu disco: fuera de una sala blanca, el polvo y la manipulación pueden destruirlo y hacer que los datos sean irrecuperables. Si tienes curiosidad por ver un disco duro por dentro, hazlo solo con uno que ya no funcione y que no contenga datos que necesites (como el que hemos abierto aquí).
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Breve historia del disco duro
El disco duro lleva más de 30 años siendo el sistema de almacenamiento estándar de los ordenadores de todo el mundo, pero la tecnología en la que se basa es mucho más antigua. IBM lanzó la primera unidad de disco comercial en 1956, con una capacidad de 3,75 MB. En líneas generales, su estructura ha cambiado poco desde entonces: sigue habiendo platos que usan el magnetismo para almacenar los datos y un mecanismo que los lee y los escribe. Lo que sí ha cambiado, y mucho, es la cantidad de datos que se puede almacenar. En 1987, un disco de 20 MB costaba unos 350 dólares; hoy, con ese mismo dinero, se compra un disco de 14 TB: ¡700.000 veces más espacio!
Componentes del disco duro
Vamos a desmontar un disco duro que no es de los más grandes, pero sí bastante representativo: un Seagate Barracuda de 3 TB y 3,5″, en concreto el modelo ST3000DM001, conocido por su elevada tasa de fallos. La mayor parte del disco duro es una carcasa de metal fundido. Las fuerzas que actúan sobre el dispositivo durante el funcionamiento pueden ser considerables, y el metal evita en gran medida que el cuerpo se deforme o vibre. Incluso los discos de formatos más pequeños usan metal en la carcasa, aunque de aluminio en lugar de acero, para que pesen lo menos posible.
Conectores
Al dar la vuelta a la unidad, vemos una placa de circuito y varios conectores. El de la parte superior de la placa es el del motor que hace girar los platos; los tres de abajo, hacia la derecha, son los jumpers, que permiten configurar ciertos ajustes de la unidad, el conector de datos SATA (Serial ATA) y el de alimentación SATA.
El Serial ATA apareció a principios de la década de 2000 y es el estándar para conectar unidades de almacenamiento al resto del ordenador. La especificación ha pasado por muchas revisiones desde entonces; cuando se escribió este artículo iba por la versión 3.4. Nuestro disco desmontado usa una versión anterior, pero la diferencia solo afecta a un único pin del conector de alimentación. Los conectores de datos usan lo que se llama señalización diferencial para enviar y recibir datos: los pines A+ y A- transmiten instrucciones y datos hacia el disco, mientras que los pines B+ y B- reciben las señales que vienen de él. Usar pares de cables de esta forma reduce mucho el efecto del ruido eléctrico sobre la señal, lo que permite que la conexión funcione a mayor velocidad.
Alimentación
En el conector de alimentación se ve que hay tres pines para cada tensión (+3,3 V, +5 V y +12 V). La mayoría no se usan, porque un disco duro no necesita mucha energía: este modelo de Seagate consume menos de 10 W incluso con carga intensa. Los pines marcados como PC son de precarga: permiten conectar y desconectar el disco con el ordenador encendido (lo que se conoce como conexión en caliente o hot swap). El pin marcado como PWDIS permite apagar y reiniciar el disco a distancia, pero solo lo admite la versión 3.3 de SATA y posteriores; en nuestra unidad es simplemente otra línea de +3,3 V. El último pin, marcado como SSU, solo indica al ordenador si el disco admite el arranque escalonado (staggered spin-up). Los platos del disco (que veremos más adelante) tienen que alcanzar la velocidad máxima de giro antes de que el ordenador pueda empezar a usarlo. Pero si el equipo tiene muchos discos, la demanda repentina y simultánea de energía puede causar problemas al sistema. El arranque escalonado evita estos problemas, a cambio de tener que esperar unos segundos más.
Placa lógica (PCB)
Al quitar la placa de circuito se ve cómo se conecta a los componentes internos de la unidad. Los discos duros no son herméticos, salvo los de gran capacidad, que se llenan de helio en lugar de aire: el helio es mucho menos denso y causa menos problemas en unidades con muchos platos. Aun así, tampoco conviene que el interior quede expuesto al ambiente.
En la carcasa metálica hay un pequeño orificio (el punto blanco grande en la esquina inferior izquierda de la imagen) que permite que la presión del aire en el interior se mantenga igual a la del ambiente. Con la placa ya desconectada, veamos qué contiene. Hay cuatro chips principales en los que fijarse:
- LSI B64002: el chip controlador principal, que gestiona las instrucciones, el flujo de datos de entrada y salida, la corrección de errores, etc.
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB de SDRAM DDR2 a 800 MHz, que se usan como caché de datos
- Smooth MCKXL: controla el motor que hace girar los platos
- Winbond 25Q40BWS05: 4 Mbit (512 KB) de memoria flash serie, donde se almacena el firmware de la unidad (algo parecido a la BIOS de un ordenador).
En cuanto a los componentes de la placa, hay pocas diferencias entre la amplia gama de discos duros disponibles. Los discos de mayor capacidad necesitan más caché (los modelos más recientes llegan a 256 MB de DDR3) y el chip controlador principal puede ser algo más sofisticado en la gestión de errores, pero poco más.
Platos y motor
Lo primero que llama la atención son los grandes círculos de metal que ocupan casi todo el interior de la unidad; no es difícil entender por qué se habla de discos. Estos platos están hechos de vidrio o aluminio y recubiertos con varias capas de distintos compuestos. Esta unidad de 3 TB tiene tres platos, así que cada uno almacena 1 TB: 500 GB por cara.
La imagen de estos platos polvorientos no hace justicia a la precisión de ingeniería y fabricación que exigen. En esta unidad, el plato de aluminio tiene 1 mm de grosor, pero está pulido hasta tal punto que la altura media de las irregularidades de la superficie es inferior a unos 30 nm. Sobre el metal se aplica una capa base de solo 10 micras (0,0004 pulgadas), formada por varias capas de compuestos. Se deposita primero por galvanoplastia y después por deposición en fase de vapor, lo que prepara el plato para recibir el material magnético que almacena los datos digitales. Ese material suele ser una aleación compleja de cobalto, organizada en anillos concéntricos (las pistas) de unos 250 nm de ancho y 25 nm de profundidad. A escala microscópica, la aleación forma granos, como pompas de jabón flotando en el agua. Cada grano tiene su propio campo magnético, que puede orientarse en una dirección determinada. Los grupos de granos orientados forman los bits de datos, los 0 y los 1. Las últimas capas son una película de carbono que protege la superficie y un polímero que reduce la fricción; juntas no superan los 12 nm de grosor. Enseguida veremos por qué los platos deben fabricarse con tolerancias tan estrictas, pero es asombroso pensar que, por unos 15 dólares, se puede tener en casa esta pieza fabricada a escala nanométrica. Volvamos a ver el disco completo para descubrir qué más contiene.
El recuadro amarillo señala una tapa metálica que sujeta los platos firmemente sobre el motor del eje (spindle), el motor eléctrico que los hace girar. Este disco duro gira a 7200 RPM, pero hay modelos más lentos. Las unidades más lentas hacen menos ruido y consumen menos energía, pero también rinden menos, mientras que otras más rápidas llegan a las 15.000 RPM. Para reducir los efectos nocivos del polvo y la humedad del aire se usa un filtro de recirculación (recuadro verde), que recoge las partículas pequeñas y las retiene en su interior. El aire que mueven los platos al girar garantiza un flujo constante a través del filtro. Sobre los platos, junto al filtro, se encuentra uno de los tres separadores de platos, que ayudan a reducir las vibraciones y a mantener el flujo de aire lo más estable posible. En la esquina superior izquierda de la imagen, marcado en azul, está uno de los dos imanes permanentes. Estos imanes generan el campo magnético necesario para mover el componente marcado en rojo. Retiremos algunas de estas piezas para verlo mejor.
Lo que parece una tirita gruesa es otro filtro (el filtro de respiración), pero este limpia las partículas y los gases que vienen del exterior al entrar por el orificio que vimos antes.
Dentro del HDA
Las piezas metálicas en forma de púa son los brazos del actuador, que sostienen los cabezales de lectura/escritura del disco duro y los desplazan por la superficie de los platos (por arriba y por abajo) a una velocidad altísima. En lugar de usar algo como un motor paso a paso para colocar los brazos, se hace pasar una corriente eléctrica por una bobina de hilo situada en la base del brazo.
Este mecanismo se llama voice coil (bobina móvil), porque usa el mismo principio con el que los altavoces y los micrófonos mueven sus membranas. La corriente genera un campo magnético a su alrededor, que interactúa con el campo creado por los imanes permanentes. No olvidemos que las pistas de datos son diminutas, así que el posicionamiento de los brazos tiene que ser extremadamente preciso, como todo lo demás en la unidad. Algunos discos tienen actuadores de varias etapas, capaces de hacer pequeñas correcciones moviendo solo una parte del brazo. En ciertos discos, además, las pistas de datos se solapan parcialmente. Esta tecnología se llama grabación magnética shingled (SMR), y exige todavía más exactitud y precisión (es decir, alcanzar la posición correcta una y otra vez).
En el extremo de los brazos están los delicados cabezales de lectura/escritura. Nuestro disco tiene 3 platos y 6 cabezales, y cada uno vuela sobre la superficie del plato mientras este gira. Para ello, los cabezales van suspendidos de dos láminas metálicas ultrafinas. Aquí se ve por qué nuestro ejemplar ya no funciona: al menos un cabezal se ha soltado, y lo que causó la avería original también ha doblado algunos de los brazos. El conjunto del cabezal es tan pequeño que resulta muy difícil fotografiarlo bien con una cámara normal, como se ve a continuación:
Aun así, se distinguen algunas partes: el bloque gris es una pieza mecanizada con gran precisión llamada slider (deslizador), porque al girar el plato por debajo, el flujo de aire genera una fuerza de sustentación que levanta el cabezal de la superficie. Y cuando decimos «levanta», hablamos de una separación de menos de 5 nm. Si estuvieran más lejos, los cabezales no podrían detectar los cambios en los campos magnéticos de la pista. Si, por el contrario, tocaran la superficie, simplemente rayarían el recubrimiento. Por eso hay que filtrar el aire dentro de la carcasa: el polvo y la humedad sobre la superficie del plato destruirían los cabezales. El pequeño «poste» metálico del extremo del cabezal mejora la aerodinámica del conjunto. Pero hace falta una imagen mejor para ver las partes que realmente leen y escriben.
En la imagen de arriba, de otro disco duro, los elementos de lectura y escritura están debajo de todas las pistas eléctricas. La escritura se hace con un cabezal inductivo de película delgada (TFI), mientras que la lectura la realiza un sensor magnetorresistivo de efecto túnel (TMR). Las señales que produce el sensor TMR son muy débiles y tienen que pasar por un preamplificador antes de enviarse a la placa. El chip que se encarga de ello se ve cerca de la base de los brazos del actuador, en la imagen siguiente.
Rendimiento
Usamos el Marca de disco de cristal para comparar un disco duro WD 3,5″ 5400 RPM 2 TB:
Las dos primeras líneas muestran la tasa de transferencia en MB por segundo en lecturas y escrituras secuenciales (una serie larga y continua de datos) y aleatorias (saltando de un punto a otro del disco). La línea siguiente muestra el valor de IOPS, es decir, el número de operaciones de entrada/salida por segundo. La última línea indica la latencia media (en microsegundos) entre el momento en que se emite la orden de lectura o escritura y el momento en que se obtienen los datos. En general, los valores de las tres primeras líneas deben ser lo más altos posible, y el de la última, lo más bajo posible.
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Conclusión
Como vimos al principio del artículo, los componentes mecánicos y el funcionamiento de un disco duro han cambiado poco con los años. Lo que más ha evolucionado es la tecnología de las pistas magnéticas y de los cabezales de lectura/escritura, que permite pistas más estrechas y densas y, por tanto, más capacidad de almacenamiento. Aun así, los discos duros mecánicos tienen limitaciones claras de rendimiento: los brazos del actuador necesitan tiempo para llegar a la posición correcta y, si los datos están repartidos por pistas distintas, la unidad pierde varios milisegundos buscando los bits. Y recuerda: tanto si tu disco tiene daños físicos como lógicos, en Bot, con más de dos décadas de experiencia, podemos ayudarte a recuperar tus datos con seguridad y rapidez, en un laboratorio con sala blanca Clase 100 (ISO 5). Si necesitas recuperar tus datos, inicia tu recuperación con nosotros y forma parte de nuestros más de 200.000 casos.
