Neste artigo, vamos dissecar um disco rígido e entender em detalhes como funciona cada uma de suas partes.
Se o seu HD já dá sinais de falha e os arquivos são importantes, conheça o nosso serviço de recuperação de HD e HD externo.
Não recomendamos que você faça o mesmo com o seu HD: abrir um disco rígido fora de uma sala limpa deixa entrar poeira e pode destruí-lo de vez, junto com a chance de recuperar os dados.
Se a curiosidade falar mais alto, desmonte apenas um disco que já não funciona e cujos dados você não precisa (como este que abrimos aqui).
Breve histórico da unidade de disco rígido
O disco rígido é o sistema de armazenamento padrão dos PCs no mundo todo há mais de 30 anos, mas a tecnologia por trás dele é bem mais antiga.
A IBM lançou o primeiro disco rígido comercial em 1956, com 3,75 MB. E, de modo geral, a estrutura básica não mudou muito desde então.
Continuam existindo discos que usam magnetismo para armazenar dados e mecanismos para ler e gravar esses dados. O que mudou, e muito, foi a quantidade de dados que eles conseguem armazenar.
Em 1987, um HD de 20 MB custava cerca de US$ 350. Hoje, esse valor compra um disco de 14 TB: 700.000 vezes mais espaço!
Componentes do disco rígido
O disco que vamos desmontar não chega a esse tamanho, mas ainda é bem respeitável: um HD Seagate Barracuda de 3,5″ e 3 TB, mais precisamente o modelo ST3000DM001, conhecido pela alta taxa de falhas.
Ele já não funciona, então isto é mais uma autópsia do que uma aula de anatomia.
A maior parte do disco rígido é feita de metal fundido. Sob uso intenso, as forças dentro do dispositivo podem ser consideráveis, e o metal espesso impede que o corpo flexione e vibre.
Até os minúsculos HDs de 1,8″ têm corpo de metal, mas costumam usar alumínio em vez de aço, já que são projetados para ser o mais leves possível.
Conectores
Virando o disco, vemos uma placa de circuito e vários conectores.
O conector da parte de cima da placa é o do motor que gira os discos. Os três de baixo são, da esquerda para a direita: pinos de jumper, que permitem ajustar certas configurações da unidade, o conector de dados SATA (Serial ATA) e o de alimentação SATA.
O Serial ATA surgiu no início dos anos 2000 e, nos PCs, é o padrão para ligar as unidades ao resto do computador.
A especificação passou por muitas revisões desde então e já chegou à versão 3.5.
Nosso “cadáver” segue uma versão mais antiga, mas a diferença afeta apenas um único pino do conector de alimentação.
As conexões de dados usam a chamada sinalização diferencial para enviar e receber dados: os pinos A+ e A− transmitem instruções e dados para o HD, enquanto os pinos B+ e B− recebem os sinais vindos dele.
Usar pares de fios dessa forma reduz muito o impacto do ruído elétrico no sinal, o que permite velocidades de transferência maiores.
Alimentação
No conector de alimentação, há três pinos para cada tensão (+3,3 V, +5 V e +12 V). Nem todos são usados, já que os discos rígidos não precisam de muita energia.
Este modelo específico da Seagate usa menos de 10 W sob carga pesada.
Os pinos de alimentação marcados como PC fazem a pré-carga: eles permitem conectar e desconectar o HD com o computador ligado (o chamado hot swap, ou troca a quente).
O pino PWDIS permite desligar e religar o HD remotamente, mas isso só existe a partir do SATA 3.3; no nosso disco, ele é apenas mais uma linha de +3,3 V.
O último pino, marcado como SSU, apenas informa ao computador se o disco rígido suporta ou não a partida escalonada (staggered spin-up).
Os discos dentro do dispositivo, que veremos mais adiante, precisam atingir a velocidade máxima de rotação antes que o computador possa usá-lo.
Mas, se a máquina tiver muitos HDs, a demanda súbita e simultânea de energia pode sobrecarregar o sistema.
Escalonar a partida dos discos evita esse problema, mas significa esperar alguns segundos a mais.
Placa lógica
Ao remover a placa de circuito, vemos como ela se liga aos componentes dentro da unidade.
Os discos rígidos não são herméticos, exceto os de grande capacidade, que são preenchidos com hélio em vez de ar: por ser muito menos denso, o hélio causa menos turbulência em unidades com muitos pratos.
Mesmo assim, o interior do HD não pode ficar exposto ao ambiente.
Com esses conectores, há menos pontos por onde sujeira e poeira poderiam entrar na unidade.
Há um pequeno furo na carcaça de metal (o grande ponto branco no canto inferior esquerdo da imagem acima) para que a pressão interna se mantenha próxima à pressão ambiente.
Agora que a placa foi removida, vamos ver o que há nela. São 4 chips principais:
- LSI B64002: o chip controlador principal, que trata das instruções, do fluxo de dados de entrada e saída, da correção de erros etc.;
- Samsung K4T51163QJ: 64 MB de DDR2 SDRAM a 800 MHz, usados como cache de dados;
- Smooth MCKXL: controla o motor que gira os discos;
- Winbond 25Q40BWS05: 512 KB de memória flash serial, que guarda parte do firmware do disco (algo parecido com o BIOS de um PC).
Quanto aos componentes da placa de circuito, há pouca diferença entre os muitos modelos de disco rígido disponíveis.
Discos maiores pedem mais cache (os modelos mais recentes chegam a 256 MB de DDR3 ou mais) e o controlador principal pode ser um pouco mais sofisticado na correção de erros, mas a diferença não vai muito além disso.
Motor dos pratos
Como ocupa a maior parte da unidade, o grande círculo de metal chama logo a atenção, e não é difícil entender por que esses dispositivos se chamam discos rígidos.
Os pratos são feitos de vidro ou alumínio e revestidos com várias camadas de diferentes compostos.
Esta unidade de 3 TB tem três pratos, então cada um armazena 1 TB, ou seja, 500 GB por face.
A foto desses pratos empoeirados não faz justiça à precisão de engenharia e fabricação necessária para produzi-los.
Nesta unidade, o disco de alumínio tem 0,04 polegada (1 mm) de espessura, mas foi polido a ponto de a altura média das irregularidades da superfície ser inferior a 0,000001 polegada (cerca de 25 nm).
Sobre o metal foi aplicada uma camada de base com apenas 0,0004 polegada (10 mícrons) de espessura, formada por vários compostos.
Isso é feito por deposição eletrolítica e, depois, por deposição a vapor, o que prepara o disco para receber o material magnético que armazena os dados digitais.
Esse material costuma ser uma liga complexa de cobalto, organizada em anéis concêntricos, cada um com cerca de 0,00001 polegada (cerca de 250 nm) de largura e 0,000001 polegada (25 nm) de profundidade.
Em escala microscópica, as ligas metálicas formam grãos, como bolhas de sabão flutuando na água.
Cada grão tem seu próprio campo magnético, que pode ser alinhado em uma direção definida.
É a orientação desses grupos de campos que representa os bits 0 e 1.
Os revestimentos finais são uma camada de carbono, para proteção, e um polímero lubrificante, para reduzir o atrito de contato. Juntos, não passam de 0,0000005 polegada (12 nm) de espessura.
Logo veremos por que os pratos precisam ser fabricados com tolerâncias tão apertadas, mas é impressionante pensar que, por cerca de US$ 15, dá para ter em mãos essa fabricação em escala nanométrica!
Voltemos ao HD inteiro para ver o que mais há nele.
A caixa amarela destaca a tampa de metal que prende os pratos ao motor do eixo (spindle), o motor elétrico que gira os discos.
Neste disco rígido, eles giram a 7.200 RPM, mas outros modelos são mais lentos.
Discos mais lentos fazem menos barulho e consomem menos energia, mas também têm desempenho menor; já os mais rápidos chegam a 15.000 RPM.
Para reduzir os efeitos nocivos da poeira e da umidade, um filtro de recirculação (caixa verde) captura as partículas minúsculas e as retém.
O ar movimentado pela rotação dos pratos garante um fluxo constante pelo filtro.
Sobre os discos, ao lado do filtro, fica um dos três separadores de pratos: eles ajudam a reduzir as vibrações e mantêm o fluxo de ar o mais regular possível.
No canto superior esquerdo da imagem, marcado em azul, está um dos dois ímãs permanentes.
Eles fornecem o campo magnético necessário para mover o componente destacado em vermelho. Vamos tirar algumas peças para ver isso melhor.
O que parece um curativo grosso é outro filtro, só que este retém partículas e gases vindos de fora, que entram pelo furo que vimos antes.
Por dentro do HDA
As hastes de metal são os braços atuadores, que seguram as cabeças de leitura e gravação do disco rígido e se movem de um lado para o outro sobre as superfícies dos pratos (superior e inferior) em altíssima velocidade.
Em vez de um motor de passo para posicionar os braços, uma corrente elétrica passa por uma bobina de fio na base do braço.
Esse conjunto é chamado de voice coil, porque usa o mesmo princípio que alto-falantes e microfones usam para mover seus cones.
A corrente gera um campo magnético ao seu redor, que interage com o campo dos ímãs permanentes.
Lembre-se de que as trilhas de dados são minúsculas, então o posicionamento dos braços precisa ser extremamente preciso, como tudo no disco.
Alguns HDs têm atuadores de vários estágios, que fazem pequenos ajustes movendo apenas uma parte do braço.
Em certos HDs, as trilhas de dados se sobrepõem parcialmente. Essa tecnologia se chama gravação magnética shingled (SMR), e a exigência de exatidão e precisão (acertar a posição certa repetidas vezes) é ainda maior.
Nas extremidades dos braços estão as delicadas cabeças de leitura/gravação.
Nosso disco rígido tem 3 pratos e 6 cabeças, e cada uma flutua sobre o disco enquanto ele gira. Para isso, as cabeças ficam presas a duas lâminas de metal ultrafinas.
É aqui que vemos por que nossa amostra parou de funcionar: pelo menos uma cabeça se soltou e, seja o que for que causou o dano, também entortou alguns dos braços de suporte.
O conjunto da cabeça é tão pequeno que é muito difícil conseguir uma boa foto com uma câmera comum, como se vê abaixo:
Mesmo assim, dá para distinguir algumas partes: o bloco cinza é uma peça usinada chamada slider. Quando o disco gira embaixo dele, o fluxo de ar gera sustentação e levanta a cabeça da superfície.
E, quando falamos em levantar, estamos falando de uma distância de apenas 0,0000002 polegada, menos de 5 nm.
Mais longe que isso, as cabeças não conseguiriam detectar as variações dos campos magnéticos da trilha.
Se as cabeças encostassem na superfície, simplesmente raspariam o revestimento. É por isso que o ar dentro da carcaça do HD precisa ser filtrado, e por isso o disco só pode ser aberto em sala limpa: poeira e umidade na superfície do disco destruiriam as cabeças e os dados.
O minúsculo “polo” de metal na ponta da cabeça ajuda na aerodinâmica. Mas precisamos de uma imagem melhor para ver as partes que de fato leem e gravam os dados.
Na imagem acima, de outro disco rígido, as partes que leem e gravam ficam embaixo de todas as trilhas elétricas.
A gravação é feita por um elemento indutivo de filme fino (TFI), e a leitura, por um sensor magnetorresistivo de tunelamento (TMR).
Os sinais produzidos pelo TMR são muito fracos e precisam passar por um pré-amplificador, que aumenta seu nível, antes de seguirem adiante.
O chip responsável por isso fica perto da base dos braços atuadores, como mostra a imagem abaixo.
Desempenho
Usamos o CrystalDiskMark para medir o desempenho de um disco rígido WD de 3,5″, 5.400 RPM e 2 TB:
As duas primeiras linhas mostram a taxa de transferência, em MB por segundo, em leituras e gravações sequenciais (um bloco longo e contínuo) e aleatórias (saltando por diferentes pontos do disco).
A linha seguinte mostra o valor de IOPS, ou seja, o número de operações de entrada e saída realizadas por segundo.
A última linha mostra a latência média (em microssegundos) entre o pedido de leitura ou gravação e a entrega dos dados.
De modo geral, os valores das 3 primeiras linhas devem ser os mais altos possíveis, e o da última, o mais baixo possível.
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Conclusão
Como vimos no início, os componentes mecânicos e o funcionamento de um disco rígido não mudaram muito ao longo dos anos.
O que mais evoluiu foi a tecnologia das trilhas magnéticas e das cabeças de leitura e gravação, que permitiu trilhas mais estreitas e densas e, portanto, mais capacidade de armazenamento.
Mesmo assim, os discos rígidos mecânicos têm limitações claras de desempenho: os braços atuadores levam tempo para chegar à posição certa e, se os dados estiverem espalhados por trilhas diferentes em pratos separados, a unidade gasta vários milissegundos procurando os bits.
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