1 00:00:00,000 --> 00:00:07,320 Stellen Sie sich jedes Bild vor, das Sie im letzten Jahr aufgenommen haben und das alles im Bereich eines einzigen Tintenpunktes 2 00:00:07,320 --> 00:00:13,980 eines Kugelschreibers gespeichert ist. Nun, ungefähr so ​​werden kompakte Daten in einer Festplatte gespeichert. 3 00:00:13,980 --> 00:00:20,940 In diesem Video werden wir eine öffnen und sehen, wie eine ganze Bibliothek voller Bücher 4 00:00:20,940 --> 00:00:27,360 in die Oberfläche dieser Metallplatte passt. Wir beginnen damit, diese Festplatte zu öffnen und 5 00:00:27,360 --> 00:00:34,320 die darin enthaltenen Komponenten im Detail zu beschreiben. Anschließend befassen wir uns genau mit der Art und Weise, wie das Laufwerk mithilfe 6 00:00:34,320 --> 00:00:41,160 des Lese- und Schreibkopfs Daten speichert, und schauen uns dabei die Spuren, Sektoren und magnetischen Domänen 7 00:00:41,160 --> 00:00:47,880 der Metallplatte an. Abschließend werden wir einige der neuesten Fortschritte untersuchen, die es ermöglichen, dass mehr als ein Terabit an 8 00:00:47,880 --> 00:00:55,620 Daten auf jeden Quadratzentimeter der Festplatte passen. Dieses Video wird von PCBWay gesponsert; Mehr 9 00:00:55,620 --> 00:01:02,100 dazu später, aber jetzt fangen wir gleich an. Im Inneren dieses Laufwerks finden wir eine Vielzahl von 10 00:01:02,100 --> 00:01:08,700 Komponenten. Dies ist die Festplatte oder Platte, auf der alle Daten gespeichert sind und die je nach 11 00:01:08,700 --> 00:01:15,480 Speicherkapazität des Laufwerks mehrere Platten hoch sein kann. Die Scheibe besteht aus einer Aluminium- 12 00:01:15,480 --> 00:01:21,720 Magnesium-Legierung mit mehreren Beschichtungen aus anderen Legierungen, aber die magnetische Funktionsschicht ist 13 00:01:21,720 --> 00:01:29,940 diese 120 Nanometer dünne Schicht aus einer Kobalt-Chrom- Tantal-Legierung, die kleine magnetische Domänen oder 14 00:01:29,940 --> 00:01:36,660 Regionen aufweist, deren Richtung über externe Magnete manipuliert werden kann Felder. Der Plattenteller ist 15 00:01:36,660 --> 00:01:43,920 auf einer Spindel montiert, die sich mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor in der Mitte mit einer Geschwindigkeit von 7200 U/min dreht. 16 00:01:43,920 --> 00:01:50,460 Als nächstes gibt es eine Kopfstapelbaugruppe mit einem Arm über und einem Arm unter jeder Disc 17 00:01:50,460 --> 00:01:56,880 sowie einem Schieber und einem Lese-/Schreibkopf am Ende jedes Arms. Der Schieber ist speziell so konstruiert, 18 00:01:56,880 --> 00:02:03,660 dass er den Luftstrom auffängt, der von der lächerlich schnell rotierenden Scheibe erzeugt wird, und den 19 00:02:03,660 --> 00:02:10,920 Luftstrom dazu nutzt, den Lese-/Schreibkopf so zu schweben oder zu fliegen, dass er nur 15 Nanometer oder etwa 100 Atome von 20 00:02:10,919 --> 00:02:16,679 der Oberfläche der Scheibe entfernt ist . Als Referenz finden Sie hier die Dicke eines Blattes Aluminiumfolie. 21 00:02:17,340 --> 00:02:22,500 Da die Armbaugruppe auf der sich drehenden Scheibe fliegt, wird sie nur dann über 22 00:02:22,500 --> 00:02:28,500 die Oberfläche gebracht, wenn sie mit voller Geschwindigkeit läuft. Wenn sich die Scheibe nicht dreht, wird die Armbaugruppe 23 00:02:28,500 --> 00:02:35,280 seitlich auf einem kleinen Stück Plastik geparkt. Hier wird ein Schwingspulenmotor verwendet, der aus einer 24 00:02:35,280 --> 00:02:42,120 Drahtspule und zwei starken Neodym-Magneten oben und unten besteht, um die gesamte Armstapelbaugruppe zu bewegen 25 00:02:42,120 --> 00:02:48,600 . Wenn elektrischer Strom durch die Spule fließt, entsteht ein Elektromagnet, der 26 00:02:48,600 --> 00:02:54,660 von den Neodym-Magneten beeinflusst wird und so eine Kraft erzeugt, die den Arm dazu bringt, sich 27 00:02:54,660 --> 00:03:01,140 über die Scheibe zu bewegen. Wenn ein Rückstrom durch die Schwingspule geschickt wird, wird der Arm in die 28 00:03:01,140 --> 00:03:07,380 entgegengesetzte Richtung gezwungen, wodurch die genaue Steuerung der Position des Lese-/Schreibkopfs innerhalb von etwa 29 00:03:07,380 --> 00:03:14,880 30 Nanometern ermöglicht wird. Darüber hinaus bilden die Magnete und die Schwingspule einen ziemlich starken Motor, der es 30 00:03:14,880 --> 00:03:20,760 der leichten Armstapelbaugruppe und dem Lese-/Schreibkopf ermöglicht, sich 31 00:03:20,760 --> 00:03:27,120 bis zu 20 Mal pro Sekunde auf verschiedenen Spuren auf dem Plattenteller hin und her zu bewegen und kleine Anpassungen unglaublich schnell vorzunehmen. 32 00:03:27,120 --> 00:03:33,300 Zur Verbindung mit dem Lese-/Schreibkopf wird ein flexibles Kabelband entlang der 33 00:03:33,300 --> 00:03:38,700 Seite des Arms und nach unten zu diesem Anschluss geführt, der Signale an die Außenseite des 34 00:03:38,700 --> 00:03:46,680 Festplattengehäuses und an die Leiterplatte oder PCB weiterleitet. Auf der Platine befinden sich der Hauptprozessor sowie 35 00:03:46,680 --> 00:03:53,040 ein DRAM-Chip, der als Notizblock für den Prozessor und als Puffer für die ein- und 36 00:03:53,040 --> 00:03:59,940 ausgehenden Daten dient. Zusätzlich ist auf der Platine ein Chip zur Steuerung der Schwingspule und des 37 00:03:59,940 --> 00:04:06,600 bürstenlosen Gleichstrom-Spindelmotors montiert. Am Rand der Platine befindet sich außerdem ein SATA-Anschluss, der 38 00:04:06,600 --> 00:04:11,460 zur Kommunikation mit der Hauptplatine verbunden wird, sowie ein separater Anschluss, der an die Stromversorgung angeschlossen wird. 39 00:04:11,460 --> 00:04:17,820 Weitere wichtige Komponenten sind die Dichtung, die die Festplatte von der Außenumgebung abdichtet, 40 00:04:17,820 --> 00:04:23,940 und zwei Filter, die verstreute Staubpartikel auffangen . Diese Filter sind notwendig, da 41 00:04:23,940 --> 00:04:30,300 die Lese-/Schreibköpfe nur 15 Nanometer von der Platte entfernt sind und ein einzelnes Staubpartikel 42 00:04:30,300 --> 00:04:37,020 bis zu 10.000 Nanometer groß sein kann und bei einer Kollision mit 43 00:04:37,020 --> 00:04:43,560 der 7.200 U/min drehenden Platte großen Schaden anrichten könnte. Nachdem wir uns nun viele dieser Komponenten angesehen haben, sehen wir uns nun an, wie sie funktionieren. 44 00:04:44,520 --> 00:04:51,480 Zunächst wird die Festplatte in konzentrische Kreise aus Spuren unterteilt. Die neuesten Festplatten können 45 00:04:51,480 --> 00:04:58,740 mehr als 500.000 Titel auf nur einer Seite haben. Diese Spuren werden dann in Sektoren unterteilt, und 46 00:04:58,740 --> 00:05:05,820 in jedem Sektor gibt es eine Präambel oder Synchronisationszone, die dem Lese-/Schreibkopf die genaue 47 00:05:05,820 --> 00:05:12,060 Geschwindigkeit der rotierenden Platte und die Länge jedes Datenbits mitteilt. Der nächste Teil des Sektors ist die 48 00:05:12,060 --> 00:05:17,460 Adresse, die dem Lese-/Schreibkopf hilft, zu erkennen, über welche Spur und welchen Sektor er sich gerade befindet. 49 00:05:17,460 --> 00:05:25,680 Danach haben wir die tatsächlich gespeicherten Daten, typischerweise 4 Kilobyte Daten pro Sektor. Als nächstes gibt es 50 00:05:25,680 --> 00:05:32,580 einen Bereich für einen Fehlerkorrekturcode (ECC), der verwendet wird, um zu überprüfen, ob die im Block gespeicherten Daten 51 00:05:32,580 --> 00:05:39,480 korrekt geschrieben und richtig gelesen werden. Und schließlich gibt es zwischen diesem Sektor und 52 00:05:39,480 --> 00:05:44,400 dem nächsten eine Lücke, die den Lese-/Schreibkopf ermöglicht eine gewisse Toleranz beim Schreiben des Inhalts eines Blocks. 53 00:05:45,120 --> 00:05:50,760 Lassen Sie uns nun den Lese-/Schreibkopf und die Festplatte vergrößern, um genau zu sehen, wie Daten 54 00:05:50,760 --> 00:05:56,040 geschrieben und gelesen werden. Das Schreiben von Daten auf die Festplatte erfolgt durch Manipulation der 55 00:05:56,040 --> 00:06:02,160 Magnetisierungsrichtung einer lokalisierten Region oder Domäne der Kobalt-Chrom-Tantal-Schicht in der 56 00:06:02,160 --> 00:06:07,980 Festplatte und durch Erzwingen einer Magnetisierung der Region nach oben oder unten. 57 00:06:07,980 --> 00:06:18,120 Diese winzige magnetische Domäne oder Region ist etwa 90 x 100 x 125 Nanometer groß, und wenn sie magnetisiert sind, zeigen 58 00:06:18,120 --> 00:06:24,960 alle Atome ihre noch winzigeren magnetischen Nord-/Südpole in die gleiche Richtung. 59 00:06:24,960 --> 00:06:31,440 Um eine einzelne Domäne zu magnetisieren, was dem Schreiben eines einzelnen Datenbits entspricht, 60 00:06:31,440 --> 00:06:37,500 wird ein Strom an eine Drahtspule auf der Rückseite des Schreibkopfs angelegt, wodurch 61 00:06:37,500 --> 00:06:43,140 hier ein starkes Magnetfeld entsteht. Das Magnetfeld wird durch den Schreibkopf geleitet und 62 00:06:43,140 --> 00:06:49,980 auf einen kleinen Punkt an der Spitze fokussiert und springt dann über den 15-Nanometer-Luftspalt in 63 00:06:49,980 --> 00:06:56,760 die Festplatte. Wenn das fokussierte Magnetfeld in eine einzelne Domäne aus Kobalt-Chrom-Tantal gelangt, werden 64 00:06:56,760 --> 00:07:01,920 alle diese Atome gezwungen, ihre winzigen atomaren Magnetfelder 65 00:07:01,920 --> 00:07:06,900 auf das vom Schreibkopf angelegte Magnetfeld auszurichten , wodurch die kleine Domäne 66 00:07:06,900 --> 00:07:13,080 oder Region in einen Permanentmagneten umgewandelt wird . Der Schlüssel liegt darin, dass selbst wenn der Schreibkopf wegbewegt wird, 67 00:07:13,080 --> 00:07:19,200 die Richtung der magnetischen Domänen in dieser Schicht der Festplatte jahrelang erhalten bleibt 68 00:07:19,200 --> 00:07:26,280 und sie ein permanentes Magnetfeld aussenden, das vom Lesekopf bei jedem Lesevorgang wiederholt erfasst werden kann die 69 00:07:26,280 --> 00:07:32,280 in diesem Sektor gespeicherten Daten aus. Das gilt natürlich so lange, bis der Computer und der Schreibkopf 70 00:07:32,280 --> 00:07:38,040 ein neues Datenbit in die Domäne umschreiben, indem sie entweder die Richtung umkehren oder sie beibehalten. 71 00:07:39,240 --> 00:07:46,500 Lassen Sie uns untersuchen, wie wir Daten von der Festplatte lesen. Bisher haben wir Domains so angezeigt, dass sie nach oben als 72 00:07:46,500 --> 00:07:54,420 binäre 1 und nach unten als 0 zeigen. Obwohl dies konzeptionell einfach ist, ist es in Wirklichkeit nicht der 73 00:07:54,420 --> 00:08:01,260 Fall. Vielmehr ist der Lesekopf so konzipiert, dass er die Ausrichtungsänderungen von magnetischen Domänen erkennt, die 74 00:08:01,260 --> 00:08:07,980 in eine Richtung zeigen, und dann der benachbarten Domäne, die in die entgegengesetzte Richtung zeigt. Dies liegt 75 00:08:07,980 --> 00:08:13,920 daran, dass die von benachbarten Regionen, die ihre Ausrichtung ändern, emittierten Magnetfelder 76 00:08:13,920 --> 00:08:19,500 viel stärker sind als das von nur einer einzelnen Domäne emittierte Feld, das in die eine oder andere Richtung zeigt. 77 00:08:19,500 --> 00:08:25,860 Daher wird jeder Änderung der magnetischen Domäne, die in eine Richtung in die entgegengesetzte 78 00:08:25,860 --> 00:08:31,740 Richtung zeigt, eine 1 zugewiesen, und dem Fehlen eines Übergangs von einer Domäne zur nächsten 79 00:08:31,740 --> 00:08:43,260 wird eine 0 zugewiesen. Daher würde der Schreibkopf eine Binärsequenz von 0011 0010 aufzeichnen so was. 80 00:08:43,799 --> 00:08:54,479 Oder eine Folge von 1101 1110 wie diese, wobei die Einsen Änderungen und die Nullen das Fehlen von Änderungen bedeuten. 81 00:08:55,080 --> 00:09:01,440 Was befindet sich also im Lesekopf, der diese Magnetfelder erkennt? Nun, im Inneren 82 00:09:01,440 --> 00:09:08,100 befindet sich ein mehrschichtiges leitfähiges Material, das aus abwechselnden Schichten ferromagnetischer und 83 00:09:08,100 --> 00:09:15,780 nichtmagnetischer Materialien besteht. Dieses mehrschichtige Material hat eine Eigenschaft, die Riesenmagnetowiderstand oder GMR genannt wird 84 00:09:15,780 --> 00:09:22,500 , und ist, vereinfacht gesagt, ein Material, das seinen spezifischen Widerstand abhängig von der 85 00:09:22,500 --> 00:09:28,740 Stärke der durch es hindurchgehenden Magnetfelder ändert. Daher ist es bei der Verwendung von GMR eine einfache Sache, nur 86 00:09:28,740 --> 00:09:33,960 den spezifischen Widerstand zu messen. Wenn ein niedriger spezifischer Widerstand vorliegt, bedeutet dies, dass starke 87 00:09:33,960 --> 00:09:40,200 Magnetfelder unter dem Lesekopf vorhanden sind, die aus einer Änderung der Domänenausrichtung resultieren, und es ist eine 1, und wenn ein 88 00:09:40,200 --> 00:09:47,040 hoher spezifischer Widerstand vorliegt, bedeutet dies, dass starke Magnetfelder unter dem Lesekopf vorhanden sind Ändern Sie es in eine 0. Dies wirft jedoch das Problem auf, dass eine Zeichenfolge 89 00:09:47,040 --> 00:09:53,820 aus Dutzenden sich nicht ändernder Domänen zu einer mehrdeutigen Anzahl von Nullen führen kann. Um dieses Problem zu beheben, besteht 90 00:09:53,820 --> 00:09:59,940 die Präambel in jedem Sektor lediglich aus einer Reihe abwechselnder Domänen und wird verwendet, 91 00:09:59,940 --> 00:10:05,340 um die Größe jeder Domäne festzulegen. Anschließend wird der Fehlerkorrekturcode am Ende 92 00:10:05,340 --> 00:10:12,600 des Sektors verwendet, um sicherzustellen, dass keine Daten verloren gehen. Als Nächstes werden wir einige Fortschritte 93 00:10:12,600 --> 00:10:18,300 in der Festplattentechnologie untersuchen, die die Flächendichte verbessern, also die Anzahl der Bits, die 94 00:10:18,300 --> 00:10:24,240 in einen bestimmten Bereich passen. In dieser Grafik können Sie sehen, wie sich die Flächendichte 95 00:10:24,240 --> 00:10:31,740 in den letzten 60 Jahren um mehr als 50 Millionen Mal erhöht hat . Vielleicht noch wichtiger ist jedoch, dass 96 00:10:31,740 --> 00:10:39,360 die Kosten für die Speicherung von Billionen Datenbits um über 100 Millionen Mal gesunken sind. Stellen Sie sich vor: 97 00:10:39,360 --> 00:10:45,780 Wenn wir diese Festplatte in die 1960er-Jahre zurückversetzen würden, wäre sie über 98 00:10:45,780 --> 00:10:54,240 4 Milliarden Dollar wert, und jetzt, im Jahr 2022, kostet sie weniger als 40 Dollar und ist weitaus schneller und 99 00:10:54,240 --> 00:11:00,600 zuverlässiger als die Festplatten aus den 60er-Jahren ! Ähnlich wie bei Festplatten können Sie bei unserem Sponsor PCBWay 100 00:11:00,600 --> 00:11:08,520 preiswerte und dennoch äußerst zuverlässige Leiterplatten kaufen. Egal, ob 101 00:11:08,520 --> 00:11:14,520 Sie Prototypen für Ihr nächstes Projekt erstellen oder bereit sind, Tausende Ihrer fertigen Geräte in Massenproduktion herzustellen, 102 00:11:14,520 --> 00:11:22,559 PCBWay kann Ihre Leiterplatten schnell zu wettbewerbsfähigen Preisen und mit tadellosen Standards herstellen. 103 00:11:22,560 --> 00:11:28,020 Wenn Sie außerdem nicht wochenlang alle Komponenten auf jede Platine löten möchten, 104 00:11:28,020 --> 00:11:35,040 bietet PCBWay einen PCB-Montageservice an, bei dem die Komponenten für Sie bestückt und auf 105 00:11:35,040 --> 00:11:41,220 die Platine gelötet werden. Sie senden Ihnen während des gesamten Montageprozesses Bilder zu und Sie können direkt 106 00:11:41,220 --> 00:11:47,580 mit den Ingenieuren von PCBWay zusammenarbeiten, um Programmier- und Testprotokolle bereitzustellen. Wenn Sie das nächste Mal 107 00:11:47,580 --> 00:11:54,000 ein Projekt haben und sowohl Zeit als auch Geld sparen möchten, sollten Sie PCBWay für die Herstellung 108 00:11:54,000 --> 00:12:00,540 und Bestückung aller Ihrer Leiterplatten in Betracht ziehen. Vielen Dank an PCBWay für das Sponsoring unseres Kanals 109 00:12:00,540 --> 00:12:07,140 und die Unterstützung der Ingenieurausbildung. Schauen Sie sich PCBWay über den Link in der Beschreibung unten an. 110 00:12:07,800 --> 00:12:13,380 Kehren wir nun zu Festplatten zurück und sehen uns einige der Fortschritte an, die es dieser Festplatte ermöglichen, 111 00:12:13,380 --> 00:12:21,120 Terabytes an Daten zu speichern. Zunächst wurde etwa im Jahr 2010 die Ausrichtung der Domäne von 112 00:12:21,120 --> 00:12:27,240 horizontal auf vertikal geändert, und damit mussten auch die Schreib- und Leseköpfe ihre Ausrichtung ändern. 113 00:12:27,240 --> 00:12:33,780 Diese Orientierungsänderung ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass eine magnetische Domäne mit abnehmendem Volumen 114 00:12:33,780 --> 00:12:39,720 leichter von der Temperatur beeinflusst wird. Wenn Sie also die Ausrichtung auf vertikal ändern, 115 00:12:39,720 --> 00:12:46,920 können die Domänen oder magnetischen Bereiche die Tiefe des Materials nutzen und gleichzeitig 116 00:12:46,920 --> 00:12:52,500 die Fläche auf der Festplatte, die jede Domäne einnimmt, weiter verkleinern. Die nächste Weiterentwicklung, mit der wir uns befassen werden, 117 00:12:52,500 --> 00:12:59,760 heißt „Shingled Magnetic Recording“ oder SMR und ist ab etwa 2020 im Handel erhältlich. 118 00:12:59,760 --> 00:13:06,240 Vor der „Shingled Magnetic Recording“ verwendeten Festplatten typischerweise die Technik „ 119 00:13:06,240 --> 00:13:13,260 Classic Magnetic Recording“ oder CMR, bei der sich die Datenspuren befanden Sie sind 90 Nanometer breit und haben 120 00:13:13,260 --> 00:13:18,060 Schutzbänder auf beiden Seiten der Spur. Bei der Schindelaufzeichnung 121 00:13:18,060 --> 00:13:24,660 werden die Spuren jedoch so geschrieben, dass sie sich teilweise mit zuvor geschriebenen Spuren überlappen, ohne Schutzbänder, um die 122 00:13:24,660 --> 00:13:31,140 einzelnen Spuren zu trennen. Somit können wir viel mehr Tracks und viel mehr Daten in einen bestimmten Bereich unterbringen. 123 00:13:31,140 --> 00:13:37,620 Beachten Sie, dass der Lesekopf viel kleiner ist als der Schreibkopf und daher jeweils eine geschichtete Spur 124 00:13:37,620 --> 00:13:43,200 zuverlässig gelesen werden kann. Das Problem besteht jedoch darin, dass, wenn Sie über eine Spur schreiben 125 00:13:43,200 --> 00:13:49,320 und die obere Spur der geschindelten Daten noch gute oder gültige Daten sind, das Laufwerk zuerst 126 00:13:49,320 --> 00:13:55,320 diese gültigen Daten lesen und im DRAM- Puffer speichern muss und dann beide unteren Spuren schreiben muss der 127 00:13:55,320 --> 00:14:02,220 neuen Daten und die obere Spur der gültigen Daten. Infolgedessen können die Pufferung und die zusätzlichen Lese- und 128 00:14:02,220 --> 00:14:07,800 Schreibschritte zu einem Leistungsverlust führen. Der dritte Fortschritt, den wir besprechen werden, 129 00:14:07,800 --> 00:14:15,720 ist die wärmeunterstützte Magnetaufzeichnung (HAMR), die noch nicht kommerziell erhältlich ist. Im Wesentlichen 130 00:14:15,720 --> 00:14:22,920 nutzt diese Technologie einen kleinen, fokussierten Laser, um den Bereich zu erwärmen, in den aktiv geschrieben wird. 131 00:14:22,920 --> 00:14:29,940 Durch Erhitzen der Domäne kann der magnetische Bereich leichter beeinflusst oder dazu gezwungen werden, sich 132 00:14:29,940 --> 00:14:35,400 in eine bestimmte Richtung auszurichten. Dies ist notwendig, da sowohl der Schreibkopf als auch das lokalisierte 133 00:14:35,400 --> 00:14:41,760 elektromagnetische Feld unglaublich klein sind und 134 00:14:41,760 --> 00:14:47,340 wir die Größe der magnetischen Domäne weiter verkleinern können, indem wir den magnetischen Bereich durch fokussierte Wärme leichter erzwingen. 135 00:14:48,120 --> 00:14:54,300 Das ist so ziemlich alles für die Funktionsweise von Festplatten. Vielen Dank an alle unsere Patreon- und YouTube- 136 00:14:54,300 --> 00:15:00,180 Mitgliedssponsoren, die bei der Erstellung dieses Videos mitgeholfen haben. Das ist Branch Education und wir erstellen 137 00:15:00,180 --> 00:15:06,960 3D-Animationen, die tief in die Technologie eintauchen, die unsere moderne Welt antreibt. Sehen Sie sich ein weiteres Branch- 138 00:15:06,960 --> 00:15:13,440 Video an, indem Sie auf eine dieser Karten klicken, oder klicken Sie hier, um sich anzumelden. Danke, dass du bis zum Ende zugeschaut hast!