Neste artigo, vamos ver em pormenor como funciona cada uma das peças de um disco rígido.
E se um dia o seu disco falhar com ficheiros importantes, a recuperação de dados em disco rígido da Bot começa com um diagnóstico gratuito.
Não recomendamos que faça o mesmo com o seu disco: abri-lo fora de uma sala limpa pode destruí-lo, e aos dados que contém!
Mas, se tiver curiosidade em desmontar um disco rígido, faça-o com um que já não funcione e cujos dados não lhe façam falta (como o que abrimos aqui).
Breve história do disco rígido
O disco rígido é o sistema de armazenamento padrão dos PC em todo o mundo há mais de 30 anos, mas a tecnologia por detrás dele é muito mais antiga.
A IBM lançou o primeiro disco comercial em 1956, com 3,75 MB. E, de um modo geral, a estrutura não mudou muito desde então.
Os discos continuam a usar o magnetismo para armazenar dados e continuam a ter mecanismos para ler e escrever esses dados. O que mudou, e muito, foi a quantidade de dados que conseguem armazenar.
Em 1987, um disco de 20 MB custava cerca de 350 dólares. Hoje, esse valor compra um disco de 14 TB, ou seja, 700 000 vezes mais espaço!
Composição de um disco rígido
Vamos desmontar um disco que não é assim tão grande, mas ainda é bastante decente: um Seagate Barracuda de 3,5″ e 3 TB, mais concretamente o modelo ST3000DM001, famoso pela sua elevada taxa de avarias.
A maior parte do disco rígido é feita de metal fundido. Em utilização intensa, as forças que atuam sobre o dispositivo podem ser consideráveis, e o metal espesso impede que o corpo flita e vibre.
Mesmo os minúsculos discos de 1,8″ têm o corpo em metal, embora este seja normalmente de alumínio e não de aço, porque são concebidos para serem o mais leves possível.
Conectores
Ao virar o disco, vemos uma placa de circuito e várias ligações.
A da parte de cima da placa serve o motor que faz rodar os pratos, e as três de baixo são, da esquerda para a direita, os pinos de jumper, que permitem configurar o disco para determinados modos, a ligação de dados SATA (Serial ATA) e a ligação de alimentação SATA.
O Serial ATA surgiu no início dos anos 2000 e é hoje, nos PC, o sistema padrão para ligar as unidades de armazenamento ao resto do computador.
A especificação passou por muitas revisões desde então e já vai na versão 3.5.
O disco que estamos a dissecar segue uma versão mais antiga, mas isso só afeta um único pino da ligação de alimentação.
As ligações de dados usam a chamada sinalização diferencial para enviar e receber dados: os pinos A+ e A- transmitem instruções e dados do computador para o disco, e os pinos B são usados pelo disco para enviar dados ao computador.
Usar pares de fios desta forma reduz muito o efeito do ruído elétrico no sinal, o que significa que a ligação pode funcionar a velocidades mais altas.
Alimentação
Na ligação de alimentação, há vários pinos para cada tensão (+3,3 V, +5 V e +12 V). A maioria nem é usada, porque os discos rígidos não precisam de muita energia.
Este modelo da Seagate consome menos de 10 W em carga máxima.
Os pinos de alimentação marcados com PC são de pré-carga: permitem ligar e desligar o disco com o computador ligado (o chamado hot swap, ou ligação a quente).
O pino marcado PWDIS permite desligar e voltar a ligar a alimentação do disco remotamente, para o reiniciar, mas isso só é suportado a partir da versão 3.3 do SATA; no nosso disco, é apenas mais uma linha de +3,3 V.
O último pino, marcado SSU, apenas indica ao computador se o disco suporta ou não o arranque escalonado (staggered spin-up).
Os pratos do disco, que veremos mais à frente, têm de atingir a velocidade máxima de rotação antes de o computador o poder usar.
Mas, se a máquina tiver muitos discos, o pico de consumo de todos a arrancar ao mesmo tempo pode perturbar o sistema.
O arranque escalonado dos discos (spin-up) evita esse problema, mas obriga a esperar mais alguns segundos.
Placa lógica
Ao retirar a placa de circuito, vemos como se liga aos componentes no interior do disco.
Os discos rígidos não são herméticos, exceto os de grande capacidade, que usam hélio em vez de ar: como é muito menos denso, causa menos problemas em discos com muitos pratos.
Mas também não convém que o interior fique exposto ao ambiente.
Há um orifício na caixa metálica (o grande ponto branco no canto inferior esquerdo da imagem acima) que permite manter a pressão do ar interior igual à exterior.
Agora que a placa de circuito está fora, vejamos o que tem. Há 4 chips principais a destacar:
- 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 memória cache;
- Smooth MCKXL: controla o motor que faz rodar os pratos;
- Winbond 25Q40BWS05: 512 kB de memória flash série, usada para guardar o firmware do disco (um pouco como a BIOS de um PC).
No que toca aos componentes da placa de circuito, há poucas diferenças entre a enorme variedade de discos rígidos disponíveis.
Os discos de maior capacidade têm mais cache (os modelos mais recentes chegam a ter 256 MB de DDR3) e o controlador principal pode ser um pouco mais sofisticado no tratamento de erros, mas pouco mais muda.
Motor e pratos
Como ocupa a maior parte do disco, a nossa atenção vai logo para o grande círculo metálico, e é fácil perceber porque é que se chamam discos.
Os pratos são feitos de vidro ou de alumínio e revestidos com várias camadas de diferentes compostos.
Este disco de 3 TB tem três pratos, pelo que cada um guarda 1 TB, ou seja, 500 GB em cada face.
A fotografia destes pratos empoeirados não faz justiça à precisão de engenharia e de fabrico necessária para os produzir.
Neste disco, o prato de alumínio tem 0,04 polegadas (1 mm) de espessura, mas foi polido a tal ponto que a altura média das irregularidades da superfície é inferior a 0,000001 polegadas (cerca de 25 nm).
Sobre o metal foi aplicada uma camada de base com apenas 0,0004 polegadas (10 mícrones) de espessura, composta por várias camadas de compostos.
Esta camada é aplicada por galvanoplastia e depois por deposição de vapor, que prepara o prato para receber o material magnético onde são guardados os dados digitais.
Este material é normalmente uma liga complexa de cobalto, organizada em anéis concêntricos (as pistas), cada um com cerca de 0,00001 polegadas (cerca de 250 nm) de largura e 0,000001 polegadas (25 nm) de profundidade.
À escala microscópica, as ligas metálicas formam grãos, como bolas de sabão a flutuar na água.
Cada grão tem o seu próprio campo magnético, que pode ser orientado numa determinada direção.
É o agrupamento destes campos que dá origem aos bits de dados, os 0 e os 1.
Os revestimentos finais são uma camada de carbono, para proteção, e um polímero, para reduzir o atrito em caso de contacto. Juntos, não ultrapassam 0,0000005 polegadas (12 nm) de espessura.
Daqui a pouco vamos perceber porque é que os pratos têm de ser fabricados com tolerâncias tão apertadas, mas é surpreendente pensar que, por apenas 15 dólares, pode ser o orgulhoso proprietário deste fabrico à escala nanométrica!
Voltemos a olhar para o disco inteiro para ver o que mais lá está.
O retângulo amarelo destaca uma tampa metálica que prende firmemente os pratos ao motor do eixo, o motor elétrico que os faz rodar.
Neste disco, os pratos rodam a 7200 RPM, mas há modelos que rodam mais devagar.
Os discos mais lentos fazem menos ruído e gastam menos energia, mas também têm pior desempenho; já os mais rápidos podem chegar às 15 000 RPM.
Para reduzir os efeitos nocivos do pó e da humidade, um filtro de recirculação (retângulo verde) apanha as partículas minúsculas e retém-nas.
O ar deslocado pela rotação dos pratos garante um fluxo constante através do filtro.
Por cima dos pratos, ao lado do filtro, está um dos três separadores de pratos, que ajudam a reduzir as vibrações e a manter o fluxo de ar o mais regular possível.
No canto superior esquerdo da imagem, assinalado a azul, está um dos dois ímanes permanentes.
São eles que fornecem o campo magnético necessário para mover o componente assinalado a vermelho. Vamos retirar algumas peças para o ver melhor.
O que parece um penso rápido grosso é outro filtro, mas este retém as partículas e os gases que vêm do exterior, à medida que entram pelo orifício que vimos antes.
Dentro do HDA
As hastes metálicas são os braços do atuador, que seguram as cabeças de leitura/escrita do disco e se movem para a frente e para trás sobre as superfícies dos pratos (superior e inferior) a uma velocidade altíssima.
Em vez de usar um motor de passo para posicionar os braços, é enviada uma corrente elétrica por uma bobina de fio na base do braço.
É a chamada voice coil (bobina móvel), porque usa o mesmo princípio com que os altifalantes e os microfones movem os seus cones.
A corrente gera à sua volta um campo magnético, que reage com o campo criado pelos ímanes permanentes.
Não se esqueça de que as pistas de dados são minúsculas, por isso o posicionamento dos braços tem de ser extremamente preciso, como tudo o resto no disco.
Alguns discos têm atuadores de vários estágios, que conseguem fazer pequenos ajustes movendo apenas uma parte do braço.
Em certos discos, as pistas de dados sobrepõem-se parcialmente. Esta tecnologia chama-se gravação magnética shingled (SMR), e a exigência de exatidão e repetibilidade (acertar sempre na mesma posição) é ainda maior.
Na ponta dos braços estão as delicadas cabeças de leitura/escrita.
O nosso disco tem 3 pratos e 6 cabeças, e cada cabeça voa sobre o prato enquanto este roda. Para isso, as cabeças estão suspensas por duas lâminas metálicas ultrafinas.
É aqui que se percebe porque é que o nosso exemplar não funciona: pelo menos uma cabeça soltou-se e, fosse qual fosse a causa da avaria original, também dobrou alguns dos braços.
O conjunto da cabeça é tão pequeno que é muito difícil obter uma boa imagem com uma máquina fotográfica comum, como se vê abaixo:
Ainda assim, conseguimos distinguir algumas partes: o bloco cinzento é uma peça maquinada com grande precisão, chamada slider; à medida que o prato roda por baixo dele, o fluxo de ar gera sustentação e levanta a cabeça da superfície.
E quando dizemos «levanta», falamos de uma folga de apenas 0,0000002 polegadas, ou seja, menos de 5 nm.
Mais longe do que isso, as cabeças não conseguiriam detetar as variações dos campos magnéticos da pista.
Se as cabeças assentassem na superfície, limitar-se-iam a riscar o revestimento. É por isso que o ar dentro do disco tem de ser filtrado: pó e humidade na superfície do prato destruiriam as cabeças.
O minúsculo «poste» metálico na ponta da cabeça serve para melhorar a aerodinâmica. Mas precisamos de uma imagem melhor para ver as partes que fazem efetivamente a leitura e a escrita.
Na imagem acima, de outro disco rígido, as partes que leem e escrevem estão por baixo de todas as pistas elétricas.
A escrita é feita por um elemento indutivo de película fina (TFI) e a leitura por um sensor magnetorresistivo de efeito de túnel (TMR).
Os sinais produzidos pelo sensor TMR são muito fracos e têm de passar por um pré-amplificador, que lhes aumenta o nível, antes de poderem ser enviados para a placa.
O chip responsável por isso pode ser visto próximo à base dos braços do atuador, na imagem abaixo.
Desempenho
Usámos o CrystalDiskMark para testar um disco rígido WD de 3,5″, 5400 RPM e 2 TB:
As duas primeiras linhas mostram a taxa de transferência em MB por segundo em leituras e escritas sequenciais (um bloco longo e contínuo) e aleatórias (saltando de um ponto para outro do disco).
A linha seguinte mostra um valor de IOPS, o número de operações de entrada/saída realizadas por segundo.
A última linha mostra a latência média (tempo em microssegundos) entre o pedido de leitura/escrita e a obtenção dos dados.
De um modo geral, os valores das 3 primeiras linhas devem ser o mais altos possível, e o da última linha o mais baixo possível.
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Conclusão
Como vimos na introdução, 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 pistas magnéticas e das cabeças de leitura/escrita, que permitiu pistas mais estreitas e densas e, com isso, mais capacidade de armazenamento.
Ainda assim, os discos rígidos mecânicos têm limitações de desempenho evidentes: os braços do atuador demoram algum tempo a chegar à posição certa e, se os dados estiverem espalhados por pistas diferentes em pratos diferentes, o disco gasta um número relativamente grande de milissegundos à procura dos bits.
E não se esqueça: quer o seu disco tenha danos físicos ou lógicos, nós, na Bot, podemos recuperar os seus dados com a segurança e a rapidez que só mais de duas décadas de experiência permitem.
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