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2014.12.16
硬碟基本原理


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硬碟 (Hard Disk or Fix Disk)是高科技、高精密產業,集電子半導體、雷射光學、精密機械、高等物理化學等科技。目前PC很多週邊產品在許多國家均可製造,唯獨CPU和硬碟只有美、日商有能力製造,可見製造難度。硬碟因其產業結構龐大涉及尖端科技,所以美國原廠對硬碟技術管制嚴格,一般無法輕易取得關鍵技術。
硬碟是利用2進位磁性儲存原理是將資料用其控制電路透過硬碟讀寫頭(Read / Write Head ),去改變磁片上表面上極細微的磁蕊的正負極性 ( ﹢﹣)來加以儲存,所以這幾片磁片就相當重要。而磁片為儲存更多的資料,則須將磁蕊製作的愈細愈小(類似相機底片的感光顆粒),再Coating (濺鍍)到磁片表面上,密度相當高,而硬碟讀寫頭為了能在磁片表面高速來回移動讀取資料,則需漂浮在磁片表面不可接觸,但太高讀取訊號會太弱,無法達到高容量要求,所以需盡可能壓低,其飛行高度(Flying Height)約為 0.5 uin (可比喻成一架大型747客機其飛行高度須保持在1 Inch而不可墜毀)所以磁片表面上須相當光滑平整,任何異物、塵埃均會造成硬碟讀寫頭打傷磁面(限於髮徑的1 %以下)而造成硬碟資料永久性傷害。所以硬碟的裝配修復全程需在Class 100高潔淨度的Clean Room (無塵室)內進行,作資料救援也是同理。
硬碟零件大致分為,磁片(Media)、讀寫頭(Read Write Head)、馬達(Spindle Motor & Voice Coil Motor)、底座(Base)、電路板(PCBA)等幾大項組合而成。 
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65474145Media 的基板是金屬或玻璃材質製成,為達到高密度高穩定的品質,基板要求表面光滑平整,不可有任何暇疵,將磁粉Coating 濺鍍到基板表面上,最後再塗上保護潤滑層。此處有2項高科技,一為如何製造出不含雜質極細微的磁粉;二為如何將磁粉均勻的Coating上去。


以3.5”Media計算,其內徑為25mm,需扣掉最外及最內圈不儲存Data的部分,實際只剩20mm。磁片是以2進位磁性儲存,塗佈極細磁粉,一磁粉只呈帶電or不帶電,“+” or “–”
一粒磁粉=1Bit636322258Bit=1Byte
1Mb=1024 x 1024=1,048,576Byte
1GB=1,048,576 x 1,024=1,073,741,824Byte100GB=107,374,182,400Byte x 8Bit =858,993,459,200 Bit (磁粒)
(1個Bit記錄0或1,8Bit只可記錄一個字元如A、B或C…。事實上不是以Bit為單位,在此為求簡單易懂,故以Bit形容。)
可見其密度相當高,所以Media不可有任何污染,全程製造均需在Class 100高潔淨度的Clean Room內,這也是硬碟機要求需在Clean Room才能拆解的原因。Media出廠時,是完全空白無任何資料訊號存在,需交由各硬碟廠組裝時自行編碼(Servo Track Write)才可使用。


A58547458AHead 是由上、下多片讀寫頭固定在同一組Arm上,來回移動時是整組Arm一起移動,一般讀寫原理是,例如﹕當10MB Data進來時,第1個Head先寫4096 Byte(視規格各異),第2 Head寫4096 Byte,依此類推,呈垂直讀寫,所以1 支檔案是被分成很多段存在各磁面上,讀取時也是同理,如此多磁頭同時讀寫可達到高速要求,但現在又有更先進的科技出現。Arm 因需高速來回移動,不可抖動,並精準移至原位址,各Head垂直度不可有分毫誤差 (限於頭髮的0.001 ﹪寬度) 所以 Head、Media均不可鬆動或偏角,否則會無法定軌。目前科技尚無法將誤差的Head或Media調整回原址,因需以3D立體來看X、Y點及各Head的垂直點外,還需顧及外徑與內徑的公差,這也是硬碟怕碰撞的原因,更不可能去更換Head。

32658555Spindle Motor上裝有1至多片Media,以7,200或10,000 RPM 定速旋轉,為保持其Balance不可抖動,所以Bearing(分滾珠液態)品質要求嚴謹,需能忍受24 H x 365 Days持續運轉而不磨損、不產生高溫噪音。
硬碟組裝時,是依序將Spindle Motor、Media、Voice Coil Motor、Head裝上固定後,先測試各Head在其所處Media的Fly Height值,是否合格(約為0.5 uin).
因為Head是利用氣流漂浮在Media上不接觸的原理,才可在各軌間高速來回移動,但太高讀取訊號太弱,太低會磨損到Media表面,所以 Media表面上須相當光滑平整,任何異物、塵埃均會使得Head打傷磁面而造成Data永久性傷害。似車子在高速時輪胎去撞到大石頭,後果嚴重。所以硬碟的裝配修復全程需在高潔淨度的無塵室內進行。此項安裝作業需用雷射儀器完成,無法使用人工。


45441114各大元件裝畢後,此時Media因尚無任何Sector存在,硬碟還無法讀取,需經各廠依其規格用專用的Servo Track Writer,透過其Head在Media進行一圈一圈 Embedded Servo 的編碼動作。
100GB=107,374,182,400 Byte / 512Byte=209,715,200 Sector。
因太精細,Servo write 是以雷射控制,不得誤差。因Media是圓形,內徑較小所以所編出的Sector數量會比外徑少,這是所謂的Zone Bit Recording編碼法,這也是最困難的技術。
Embedded Servo 完成後,此時硬碟已可使用,接上電腦 Power On後,Head 已可正常定軌,BIOS 已可 Detect 其規格,出現 Sector 值。最後 BIOS 會將 Controller 交由作業系統,只需 Create New Partition 及 Format 就可正式儲存 Data。

以上基本原理介紹,讀者應可得知幾項問題需注意:
  1. Media不可污染,所以需在Class 100高潔淨度的Clean Room拆解。
  2. Head 、Media兩者唇齒相依,當初固定後,即用Servo Track Writer將各面Media作垂直性的Embedded Servo,就不容許再有誤差,只要稍有碰撞,Head就無法定軌,所以更不可能將Head或Media拆下或裝至另一同型硬碟。
  3. Media 是2進位磁性媒介,就像錄音帶磁粒只容許一種極性存在,因此只要 Head 有電流產生即可改變其原值,所以一台受損的硬碟只要稍有不慎,很容易再被寫入而破壞原 Data。
 

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