Las modernas unidades de disco duro (HDD) combinan de una manera interesante la culminación de la ingeniería de precisión en la producción en masa y la tecnología de almacenamiento más despreciada. A pesar de apodos tan poco halagadores como "óxido giratorio", la mayoría de los discos logran rotar placas magnéticas extremadamente suaves a unos pocos nanómetros de los cabezales de grabación y lectura a lo largo de su vida. Los soportes de este último, a su vez, tiran de los solenoides, capaces de colocar el cabezal exactamente sobre la pista magnética microscópica en unos milisegundos.
A pesar de que durante muchas décadas más y más de estas pistas magnéticas se han apiñado en un milímetro cuadrado de platos, y los cabezales de lectura y escritura se reemplazan constantemente por otros cada vez más complejos, la confiabilidad de las unidades de disco duro crece constantemente. En un informe del segundo trimestre de 2020 de la empresa de almacenamiento Backblaze, está claro que la tasa anual de fallas de sus discos duros es significativamente menor que el año pasado.
La pregunta es, ¿significa esto que los discos duros se volverán aún más confiables con el tiempo y cómo las nuevas tecnologías como MAMR y HAMR pueden influir en este proceso en las próximas décadas?
De mega a tera
Mecanismo interno y sus cincuenta platos de 610 mm IBM 350
HDD Los primeros HDD comenzaron a venderse en la década de 1950. El IBM 350 tenía una capacidad de almacenamiento de 3,75 MB y cincuenta discos de 24 "(610 mm) en un gabinete de 152 x 172 x 74 cm. Los más avanzados de 3,5" (14,7 X 10,2 x 2,6 cm) puede almacenar hasta 18 TB utilizando tecnología de grabación convencional (sin mosaicos ).
Los platillos del IBM 350 giraban a 1200 rpm. Los nuevos discos duros se centran en reducir el tamaño de la plaquita y aumentar la velocidad del husillo (5400 - 15 000 rpm). Otras mejoras incluyen colocar los cabezales de lectura y escritura más cerca de la superficie del plato.
La unidad de almacenamiento en disco (unidad de almacenamiento en disco) IBM 1301 de 1961 fue una innovación significativa: utilizaba soportes separados con cabezales de lectura y escritura para cada uno de los platos. Otra innovación utilizó la aerodinámica: las cabezas volaban libremente por encima de la superficie de las placas, sostenidas por un colchón de aire, lo que permitió reducir en gran medida la distancia entre ellas y la superficie.
Después de 46 años de desarrollo, en 2003 IBM vendió su negocio de HDD a Hitachi. En ese momento, la capacidad de los discos había aumentado 48.000 veces y el volumen había disminuido considerablemente. 29 161 veces. El consumo de energía se redujo de 2,3 kW a 10 W (modelos de escritorio), y el costo por megabyte se redujo de 68.000 dólares a 0,002 dólares. Al mismo tiempo, el número de platos disminuyó de decenas a un máximo de un par.
Almacenamos más datos en menos espacio
Internos 1 ″ Seagate MicroDrive La
miniaturización siempre ha sido el objetivo principal de todos los campos, ya sea la mecánica, la electrónica o la informática. Los gigantescos monstruos informáticos de tubo o relé de las décadas de 1940 y 1950 evolucionaron hasta convertirse en sistemas de transistores más pequeños y luego en modernas y delgadas maravillas de ASIC. La tecnología de almacenamiento ha sufrido los mismos cambios.
La electrónica de accionamiento de los discos duros ha experimentado todos los beneficios de la creciente popularidad de los circuitos VLSI, así como la precisión y el consumo de energía cada vez mayores de los servos. La densidad de grabación por unidad de área aumentó con el desarrollo de la ciencia de los materiales, gracias a lo cual aparecieron placas cada vez menos pesadas y más suaves (vidrio o aluminio), y mejoró la calidad del recubrimiento magnético. A medida que fuimos mejorando en la comprensión de las propiedades de los componentes individuales (carcasas ASIC, aleaciones de soldadura, solenoides, aerodinámica del soporte, etc.), las revoluciones fueron reemplazadas gradualmente por mejoras incrementales.
Seis discos duros abiertos que varían en tamaño de 8 "a 1"
Aunque la miniaturización extrema de los discos duros ya se ha probado dos veces ( microdrive HP Kittyhawk de 1.3 " en 1992 y Microdrive de 1"1999), finalmente el mercado se decidió por factores de forma de 3,5 "y 2,5". El factor de forma Microdrive se promocionó como una alternativa a las tarjetas CompactFlash que usaban tecnología NAND Flash, una alternativa con mayor capacidad y reescrituras prácticamente infinitas que era muy adecuada para sistemas integrados.
Como en otras áreas, las limitaciones físicas en la velocidad de escritura y los tiempos de acceso aleatorio hacen que los discos duros sean más útiles donde grandes cantidades de almacenamiento son importantes por poco dinero, además de una alta confiabilidad. Como resultado, el mercado de HDD se optimizó para computadoras de escritorio y servidores, así como para propósitos de videovigilancia y respaldo (compitiendo con películas).
Comprender las razones de la falla del disco duro
Aunque generalmente se cree que el punto débil de los discos duros son sus partes mecánicas, varias razones pueden ser las culpables de las fallas, a saber:
- Error humano;
- Fallo del equipo, tanto mecánico como electrónico;
- Daño al firmware;
- Factores externos (calor, humedad);
- Nutrición.
A la unidad de disco duro se le asigna el valor de impacto físico permisible cuando se apaga la energía o durante el funcionamiento (cuando los platos están girando y los cabezales no están estacionados). Exceder este valor puede dañar los solenoides que mueven los brazos o el cabezal puede golpear la superficie de la placa. Si no se superan estos valores, la razón principal del fallo será el desgaste natural, cuyo grado está determinado por el número de MTBF (tiempo medio entre fallos, "tiempo medio entre fallos ").
El MTBF se obtiene extrapolando el desgaste observado a lo largo del tiempo. El MTBF para una unidad de disco duro suele ser de 100.000 a 1 millón de horas y, para probar el rendimiento de la unidad durante todo este período, debería permanecer encendida durante 10 a 100 años [no del todo -aquí hay una explicación más correcta / aprox. transl.]. Este número asume que el disco duro está funcionando en las condiciones recomendadas.
Obviamente, someter el disco duro a golpes bruscos (dejarlo caer sobre un piso de concreto) o sobrecargas de energía (sobrecargas, descargas electrostáticas) acortará su vida útil. Menos obvios son los defectos de fabricación que se pueden encontrar en cualquier producto, por lo que la mayoría de los productos tienen una "tasa de falla aceptable".
No se trata de ti, se trata de la línea de producción
A pesar del fuerte MTBF y los obvios intentos de Backblaze de hacer todo lo posible para que sus 130.000 discos duros giren felizmente de por vida, y luego ir al cielo en busca de discos duros (generalmente a través de una trituradora de metal), la compañía informó que en el primer trimestre de 2020, la probabilidad anual de falla (AFR ) fue del 1,07%. Afortunadamente, este es el número más bajo para la empresa desde que comenzó a publicar informes en 2013. Por ejemplo, en el primer trimestre de 2019, la AFR fue de 1,56%.
Como ya hemos mencionado, durante la producción e instalación de circuitos integrados , pueden aparecer fallas , que se manifestarán ya durante el funcionamiento del HDD. Con el tiempo, cosas como la electromigración, el calor y el estrés mecánicopuede causar fallas en el circuito, desde la rotura de cables dentro del paquete del CI, hasta el desgaste de los puntos de soldadura o los circuitos dentro del CI debido a la electromigración (especialmente debido a una descarga electrostática).
Los componentes mecánicos de los HDD están sujetos a tolerancias de ingeniería de precisión, así como a una lubricación adecuada. En el pasado, puede haber habido un problema de atascamiento de la cabeza donde las propiedades del lubricante cambiaron con el tiempo hasta que los soportes perdieron la capacidad de moverse fuera de la posición de estacionamiento. Hoy en día, la lubricación mejorada ha resuelto más o menos este problema.
Sin embargo, en cada paso del proceso de fabricación, existe la posibilidad de fallas que eventualmente se acumulan y pueden estropear el hermoso y brillante MTBF, colocando el producto en el lado malo del gráfico de tasa de rebote (con forma de " baño "). Esta curva representa un pico temprano en la tasa de fallas debido a defectos de fabricación severos, después de lo cual la tasa de fallas cae hasta que el gráfico se acerca al final de la vida útil del dispositivo.
Mirando hacia el futuro
Los discos duros de hoy reflejan claramente la madurez del proceso de producción: muchos de los viejos problemas que los han afectado durante la última década se han resuelto o eludido. Algunas innovaciones importantes, como el cambio a las unidades con relleno de helio , aún no han producido ganancias significativas en eficiencia o confiabilidad. Otros cambios, como la transición de PMZ, grabación magnética perpendicular , a HAMR, grabación termomagnética, no deberían afectar en gran medida la vida útil de la unidad de disco duro, excepto por los problemas asociados con la tecnología en sí.
De hecho, el futuro de la tecnología de las unidades de disco duro parece aburrido para cualquiera que ame el almacenamiento de gran volumen por poco dinero, que debería durar al menos diez años. Los principios básicos de las unidades de disco duro, es decir, el almacenamiento de orientaciones magnéticas en una oblea, se pueden transferir incluso a moléculas individuales. Las innovaciones como HAMR deberían aumentar la estabilidad a largo plazo de estas orientaciones magnéticas.
Esta es una gran ventaja de los discos duros sobre NAND Flash, que utiliza pequeños condensadores para almacenar cargas y un método de escritura que los daña físicamente. Allí, las restricciones físicas son mucho más estrictas y han dado lugar a diseños más complejos, como la memoria flash de celda de cuatro niveles (QLC), que tiene que distinguir entre 16 valores de voltaje diferentes en cada una de las celdas. Esta complejidad ha significado que los discos basados en QLC sean apenas más rápidos que los discos duros de 5400 RPM en muchos casos, especialmente cuando se trata de latencia.
Reducir la rotación
El primer disco duro que usé en mi propia computadora fue un Seagate de 20 o 30 MB en IBM PS / 2 (386SX), que mi padre me dio después de que se cambiaron a nuevas PC en el trabajo; aparentemente, necesitaban liberar colocar en el almacén. En los días de MS-DOS, esto era suficiente para el sistema operativo, un montón de juegos, WordPerfect 5.1 y mucho más. A finales de los 90 ya era un volumen ridículo, y en cuanto a discos duros ya estábamos hablando de gigabytes.
A pesar de que desde entonces he cambiado muchas PC y portátiles, hasta ahora solo las unidades de estado sólido están muriendo. Esto, así como los indicadores de la industria, como los informes de Backblaze, me dan la confianza de que los nuevos discos duros funcionarán durante mucho tiempo. Quizás, cuando la memoria 3D XPoint sea lo suficientemente barata y grande, la situación cambiará.
Hasta entonces, hazlo tú mismo.