Анатомия накопителей: жёсткие диски
Он магнитный. Он электрический. Он фотонный. Нет, это не новое супергеройское трио из вселенной Marvel. Речь идёт о хранении наших драгоценных цифровых данных. Нам нужно где-то их хранить, надёжно и стабильно, чтобы мы могли иметь к ним доступ и изменять за мгновение ока. Забудьте о Железном человеке и Торе — мы говорим о жёстких дисках!
Итак, давайте погрузимся в изучении анатомии устройств, которые мы сегодня используем для хранения миллиардов битов данных.
You spin me right round, baby
Механический накопитель на жёстких дисках (hard disk drive, HDD) был стандартом систем хранения для компьютеров по всему миру в течение более 30 лет, но лежащие в его основе технологии намного старше.
Первый коммерческий HDD компания IBM выпустила в 1956 году, его ёмкость составляла аж 3,75 МБ. И в целом, за все эти годы общая структура накопителя не сильно изменилась. В нём по-прежнему есть диски, которые используют для хранения данных намагниченность, и есть устройства для чтения/записи этих данных. Изменился же, и очень сильно, объём данных, который можно на них хранить.
В 1987 году можно было купить HDD на 20 МБ примерно за 350 долларов; сегодня за такие же деньги можно купить 14 ТБ: в 700 000 раз больший объём.
Мы рассмотрим устройство не совсем такого размера, но тоже достойное по современным меркам: 3,5-дюймовый HDD Seagate Barracuda 3 TB, в частности, модель ST3000DM001, печально известную своим высоким процентом сбоев и вызванных этим юридических процессов. Изучаемый нами накопитель уже мёртв, поэтому это будет больше похоже на аутопсию, чем на урок анатомии.
Основную массу жёсткого диска составляет литой металл. Силы внутри устройства при активном использовании могут быть довольно серьёзными, поэтому толстый металл препятствует изгибанию и вибрациям корпуса. Даже в крошечных 1,8-дюймовых HDD в качестве материала корпуса используются металл, однако обычно они делаются не из стали, а из алюминия, потому что должны быть как можно более лёгкими.
Перевернув накопитель, мы видим печатную плату и несколько разъёмов. Разъём в верхней части платы используется для двигателя, вращающего диски, а нижние три (слева направо) — это контакты под перемычки, позволяющие настраивать накопитель под определённые конфигурации, разъём данных SATA (Serial ATA) и разъём питания SATA.
Serial ATA впервые появился в 2000 году. В настольных компьютерах это стандартная система, используемая для подключения приводов к остальной части компьютера. Спецификация формата претерпела множество ревизий, и сейчас мы пользуемся версией 3.4. Наш труп жёсткого диска имеет более старую версию, но различие заключается только в одном контакте в разъёме питания.
В подключениях передачи данных для приёма и получения данных используется дифференцированный сигнал: контакты A+ и A- используются для передачи инструкций и данных в жёсткий диск, а контакты B — для получения этих сигналов. Подобное использование спаренных проводников значительно снижает влияние на сигнал электрического шума, то есть устройство может работать быстрее.
Если говорить о питании, то мы видим, что в разъёме есть по паре контактов каждого напряжения (+3.3, +5 и +12V); однако большинство из них не используется, потому что HDD не требуется много питания. Эта конкретная модель Seagate при активной нагрузке использует менее 10 Вт. Контакты, помеченные как PC, используются для precharge: эта функция позволяет вытаскивать и подключать жёсткий диск, пока компьютер продолжает работать (это называется горячей заменой (hot swapping)).
Контакт с меткой PWDIS позволяет удалённо перезагружать (remote reset) жёсткий диск, но эта функция поддерживается только с версии SATA 3.3, поэтому в моём диске это просто ещё одна линия питания +3.3V. А последний контакт, помеченный как SSU, просто сообщает компьютеру, поддерживает ли жёсткий диск технологию последовательной раскрутки шпинделей staggered spin up.
Перед тем, как компьютер сможет их использовать, диски внутри устройства (которые мы скоро увидим), должны раскрутиться до полной скорости. Но если в машине установлено много жёстких дисков, то внезапный одновременный запрос питания может навредить системе. Постепенная раскрутка шпинделей полностью устраняет возможность таких проблем, но при этом перед получением полного доступа к HDD придётся подождать несколько секунд.
Сняв печатную плату, можно увидеть, как она соединяется с компонентами внутри устройства. HDD не герметичны, за исключением устройств с очень большими ёмкостями — в них вместо воздуха используется гелий, потому что он намного менее плотный и создаёт меньше проблем в накопителях с большим количеством дисков. С другой стороны, не стоит и подвергать обычные накопители открытому воздействию окружающей среды.
Благодаря использованию таких разъёмов минимизируется количество входных точек, через которые внутрь накопителя могут попасть грязь и пыль; в металлическом корпусе есть отверстие (большая белая точка в левом нижнем углу изображения), позволяющее сохранять внутри давление окружающей среды.
Теперь, когда печатная плата снята, давайте посмотрим, что находится внутри. Тут есть четыре основных чипа:
- LSI B64002: чип основного контроллера, обрабатывающий инструкции, передающий потоки данных внутрь и наружу, корректирующий ошибки и т.п.
- Samsung K4T51163QJ: 64 МБ DDR2 SDRAM с тактовой частотой 800 МГц, используемые для кэширования данных
- Smooth MCKXL: управляет двигателем, крутящим диски
- Winbond 25Q40BWS05: 500 КБ последовательной флеш-памяти, используемой для хранения встроенного ПО накопителя (немного похожего на BIOS компьютера)
Открыть накопитель просто, достаточно открутить несколько болтов Torx и вуаля! Мы внутри…
Учитывая, что он занимает основную часть устройства, наше внимание сразу привлекает большой металлический круг; несложно понять, почему накопители называются дисковыми. Правильно их называть пластинами; они изготавливаются из стекла или алюминия и покрываются несколькими слоями различных материалов. Этот накопитель на 3 ТБ имеет три пластины, то есть на каждой стороне одной пластины должно храниться 500 ГБ.
Изображение довольно пыльное, такие грязные пластины не соответствуют точности проектирования и производства, необходимого для их изготовления. В нашем примере HDD сам алюминиевый диск имеет толщину 0,04 дюйма (1 мм), но отполирован до такой степени, что средняя высота отклонений на поверхности меньше 0,000001 дюйма (примерно 30 нм).
Базовый слой имеет глубину всего 0,0004 дюйма (10 микронов) и состоит из нескольких слоёв материалов, нанесённых на металл. Нанесение выполняется при помощи химического никелирования с последующим вакуумным напылением, подготавливающих диск для основных магнитных материалов, используемых для хранения цифровых данных.
Этот материал обычно является сложным кобальтовым сплавом и составлен из концентрических кругов, каждый из которых примерно 0,00001 дюйма (примерно 250 нм) в ширину и 0,000001 дюйма (25 нм) в глубину. На микроуровне сплавы металлов образуют зёрна, похожие на мыльные пузыри на поверхности воды.
Каждое зерно обладает собственным магнитным полем, но его можно преобразовать в заданном направлении. Группирование таких полей приводит к возникновению битов данных (0 и 1). Если вы хотите подробнее узнать об этой теме, то прочитайте этот документ Йельского университета. Последними покрытиями становятся слой углерода для защиты, а потом полимер для снижения контактного трения. Вместе их толщина составляет не больше 0,0000005 дюйма (12 нм).
Скоро мы увидим, почему пластины должны изготавливаться с такими строгими допусками, но всё-таки удивительно осознавать, что всего за 15 долларов можно стать гордым владельцем устройства, изготовленного с нанометровой точностью!
Однако давайте снова вернёмся к самому HDD и посмотрим, что же в нём есть ещё.
Жёлтым цветом показана металлическая крышка, надёжно крепящая пластину к электродвигателю привода шпинделя — электроприводу, вращающему диски. В этом HDD они вращаются с частотой 7200 rpm (оборотов/мин), но в других моделях могут работать медленнее. Медленные накопители имеют пониженный шум и энергопотребление, но и меньшую скорость, а более быстрые накопители могут достигать скорости 15 000 rpm.
Чтобы снизить урон, наносимый пылью и влагой воздуха, используется фильтр рециркуляции (зелёный квадрат), собирающий мелкие частицы и удерживающий их внутри. Воздух, перемещаемый вращением пластин, обеспечивает постоянный поток через фильтр. Над дисками и рядом с фильтром есть один из трёх разделителей пластин: помогающих снижать вибрации и поддерживать как можно более равномерный поток воздуха.
В левой верхней части изображения синим квадратом указан один из двух постоянных стержневых магнитов. Они обеспечивают магнитное поле, необходимое для перемещения компонента, указанного красным цветом. Давайте отделим эти детали, чтобы видеть их лучше.
То, что выглядит как белый пластырь — это ещё один фильтр, только он очищает частицы и газы, попадающие снаружи через отверстие, которое мы видели выше. Металлические шипы — это рычаги перемещения головок, на которых находятся головки чтения-записи жёсткого диска. Они с огромной скоростью движутся по поверхности пластин (верхней и нижней).
Посмотрите это видео, созданное The Slow Mo Guys, чтобы увидеть, насколько они быстрые:
В конструкции не используется чего-то вроде шагового электродвигателя; для перемещения рычагов по соленоиду в основании рычагов проводится электрический ток.
Обобщённо их называют звуковыми катушками, потому что они используют тот же принцип, который применяется в динамиках и микрофонах для перемещения мембран. Ток генерирует вокруг них магнитное поле, которое реагирует на поле, созданное стержневыми постоянными магнитами.
Не забывайте, что дорожки данных крошечны, поэтому позиционирование рычагов должно быть чрезвычайно точным, как и всё остальное в накопителе. У некоторых жёстких дисков есть многоступенчатые рычаги, которые вносят небольшие изменения в направление только одной части целого рычага.
В некоторых жёстких дисках дорожки данных накладываются друг на друга. Эта технология называется черепичной магнитной записью (shingled magnetic recording), и её требования к точности и позиционированию (то есть к попаданию постоянно в одну точку) ещё строже.
На самом конце рычагов есть очень чувствительные головки чтения-записи. В нашем HDD содержится 3 пластины и 6 головок, и каждая из них плавает над диском при его вращении. Для этого головки подвешены на сверхтонких полосках металла.
И здесь мы можем увидеть, почему умер наш анатомический образец — по крайней мере одна из головок разболталась, и что бы ни вызвало изначальный повреждение, оно также погнуло один из рычагов. Весь компонент головки настолько мал, что, как видно ниже, очень сложно получить её качественный снимок обычной камерой.
Однако мы можем разобрать отдельные части. Серый блок — это специально изготовленная деталь под названием «слайдер»: когда диск вращается под ним, поток воздуха создаёт подъёмную силу, поднимая головку от поверхности. И когда мы говорим «поднимает», то имеем в виду зазор шириной всего 0,0000002 дюйма или меньше 5 нм.
Чуть дальше, и головки не смогут распознавать изменения магнитных полей дорожки; если бы головки лежали на поверхности, то просто поцарапали бы покрытие. Именно поэтому нужно фильтровать воздух внутри корпуса накопителя: пыль и влага на поверхности диска просто сломают головки.
Крошечный металлический «шест» на конце головки помогает с общей аэродинамикой. Однако чтобы увидеть части, выполняющие чтение и запись, нам нужна фотография получше.
На этом изображении другого жёсткого диска устройства чтения и записи находятся под всеми электрическими соединениями. Запись выполняется системой тонкоплёночной индуктивности (thin film induction, TFI), а чтение — туннельным магнеторезистивным устройством (tunneling magnetoresistive device, TMR).
Создаваемые TMR сигналы очень слабы и перед отправкой должны проходить через усилитель для повышения уровней. Отвечающий за это чип находится рядом с основанием рычагов на изображении ниже.
Как сказано во введении к статье, механические компоненты и принцип работы жёсткого диска почти не изменились за многие годы. Больше всего совершенствовалась технология магнитных дорожек и головок чтения-записи, создавая всё более узкие и плотные дорожки, что в конечном итоге приводило к увеличению объёма хранимой информации.
Однако механические жёсткие диски имеют очевидные ограничения скорости. На перемещение рычагов в нужное положение требуется время, а если данные разбросаны по разным дорожкам на различных пластинах, то на поиски битов накопитель будет тратить довольно много микросекунд.
Прежде чем переходить к другому типу накопителей, давайте укажем ориентировочные показатели скорости типичного HDD. Мы использовали бенчмарк CrystalDiskMark для оценки жёсткого диска WD 3.5″ 5400 RPM 2 TB:
В первых двух строчках указано количество МБ в секунду при выполнении последовательных (длинный, непрерывный список) и случайных (переходы по всему накопителю) чтения и записи. В следующей строке показано значение IOPS, то есть количество операций ввода-вывода, выполняемых каждую секунду. В последней строке показана средняя задержка (время в микросекундах) между передачей операции чтения или записи и получением значений данных.
В общем случае мы стремимся к тому, чтобы значения в первых трёх строчках были как можно больше, а в последней строчке — как можно меньше. Не беспокойтесь о самих числах, мы просто используем их для сравнения, когда будем рассматривать другой тип накопителя: твердотельный накопитель.
Как устроен жёсткий диск и принцип работы HDD и SSHD
Жёсткий диск может хранить в себе большое количество данных, но знаете ли вы как он устроен внутри или принцип его работы?
Так вот я вам наглядно покажу. HDD состоит из двух частей. Корпус, чёрного цвета и прикрытый крышкой, это гермоблок. Плата на обратной стороне, это контроллер. О нём я расскажу чуть позже. А сейчас посмотрим что внутри гермоблока.
Открыв крышку, сразу бросается в глаза большая блестящая пластина, занимающая большую часть корпуса и зажатая шайбой. Это и есть сам жесткий диск, их кстати может быть несколько расположенных один над другим.
Пластины крепятся на шпиндель электромотора, который заставляют их вращаться со скоростью 7200 об/мин, а контроллер поддерживает постоянную скорость вращения при помощи контактов на обратной стороне корпуса, через них же и осуществляется питание. Именно на пластинах хранятся все данные, причём не только пользовательские, но и служебные необходимые самому устройству.
Чем больше пластин, тем больше информации может вместить устройство, а выполнены они обычно из металлических сплавов (хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но они были не долговечны, встречаются даже керамические диски).
Покрыты пластины ферромагнитным слоем, который и хранит всю информацию. Этот слой разбивается на сотни тысяч узких дорожек, каждая из дорожек разделена на секторы это позволяет определять, куда записывать и где считывать информацию. А вся карта о секторах и дорожках находится в памяти контроллера.
Ну а чтобы записать данные, над диском с большой скоростью движется металлический кронштейн, который называется коромысло, на его конце находятся слайдеры с магнитными головками.
Головка проходя над дорожкой намагничивает микроскопическую область на ферромагнитном слое, устанавливая магнитный момент такой ячейки в одно из состояний «0» или «1», а с помощью улавливания магнитного потока происходит считывание информации, когда головка проходит над областью с измененной полярностью, она фиксирует импульс напряжения, этот импульс считывается как единица, а его отсутствие как 0,(каждый такой 0 и 1 называется «бит»). Считываемые головкой сигналы очень слабы и перед отправкой на контроллер должны проходить через усилитель. Отвечающий за это чип находится с боку коромысла (preamplifier).
Вся эта конструкция приводится в движение при помощи привода основанном на электромагнетизме. Который называется сервопривод. Вот он позиционирует коромысло в то место, куда нужно записать или откуда считать информацию и управляется интегральной микросхемой. Внутри он состоит из двух мощных неодимовых магнитов, катушки и фиксатора. Фиксатор предотвращает какие-либо движения головок в отключенном состоянии и пока шпиндель не наберёт обороты. Всё это важно, потому что от этой конструкции зависит долговечность головок, а от скорости и точности перемещения коромысла зависит время поиска данных на поверхности пластин. Интересно ещё то что головка коромысла обычно не соприкасается с дисками, а парит над ними при помощи восходящих воздушных потоков на расстоянии примерно 10 нм от крутящейся пластины благодаря аэродинамической форме слайдера.
А так как это очень маленькие расстояния, и все детали движутся на огромных скоростях. Внутри корпуса есть циркуляционный фильтр (recirculation filter), он находится на пути потоков воздуха, создаваемый вращением пластин, этот фильтр постоянно собирает и задерживает мельчайшие частицы которые могли бы повредить пластины и хранящуюся на них информацию или вывести из строя магнитную головку. Кроме него, на обратной стороне корпуса и на крышке имеются маленькие, почти незаметное отверстия (breath hole). Они служит для выравнивания давления и прикрыты фильтром (breath filter), которые так же задерживают частицы пыли и влаги.
Внутренности гермоблока мы рассмотрели, давайте теперь вернёмся к контроллеру, так как очень сложная и важная часть жёсткого диска. Эта плата с разъёмами представляет собой интегральную схему, которая синхронизирует работу диска с компьютером и управляет всеми всеми процессами внутри hdd. Перевернув плату, можно увидеть что это целый микрокомпьютер со своим процессором, оперативной и постоянной памятью и есть своя система ввода/вывода.
Чип с большим количеством ножек это MCU — контроллер который занимается всеми расчётами и преобразует аналоговый сигнал с головки в цифровой и наоборот. Для ускорения этих операций рядом распаян чип с памятью DDR SDRAM. Который служит в роли буфера для хранения промежуточных данных, которые уже считаны с жесткого диска, но еще не были переданы для дальнейшей обработки, а также для хранения данных, к которым система обращается довольно часто.
А вот два других крупных чипа это Flash память и её контроллер. Они действует как большой кэш для часто используемых данных, для повышения производительности. Но эти чипы устанавливаются только в гибридных HDD и в большенстве дисков их нет.
(по сути это ssd внутри hdd=SSHD).
Так же, важным чипом является контроллер управления двигателем и головками VCM controller, так как, он управляет питанием MCU, Блоком магнитных головок внутри гермозоны и двигателем hdd.
Так же на плату устанавливаются датчики вибрации (shock sensor) которые определяет уровень тряски и в случаи высокой интенсивности отправляют сигнал VCM контролеру на корректировку движения головок или на их парковку и выключение hdd. В действительности, эти датчики плохо работают, так что лучше не трясти и не ронять жёсткий.
Компоненты hdd мы рассмотрели, давайте теперь свяжем всё это вместе чтобы был понятен сам принцип работы жесткого диска.
При подаче питания на Жёсткий диск, двигатель расположенный внутри корпуса начинает раскручивать шпиндель на котором закреплены магнитные пластины. И пока пластины ещё не набрали обороты, чтобы между головкой коромысла и диском образовалась воздушная подушка, головки запаркованы у шпинделя у центра, чтобы не навредить секторам с информацией и самой головке. Как только обороты достигают нужного уровня, сервопривод (электромагнитный двигатель) приводит в движение коромысло, которое уже позиционируется в то место, откуда нужно считать служебную информацию о состоянии жесткого диска и других необходимых сведениях о нем, эта область со служебной информацией называется нулевой дорожкой. После неё уже считываются все остальные данные хранящиеся на диске.
Ну а в случае когда питание, резко прекращается, двигатель переходит в режим генератора, и энергия от вращения шпинделей превращается в электрическую энергию, благодаря которой, головки безопасно паркуются и не повреждаются.
Как вы видите, жёсткий диск удивительное и сложное инженерное устройство. Надеюсь, что я смог достаточно понятно и подробно представить для вас базовую информацию об его устройстве.
офигеть, я такое в хакере читал. в 98м году.
А еще из HDD получаются отличные брелки!
Всё ништяк: и анимация, и знания, но дикция — это просто атас.
Здесь лучше не писать ничего познавательного, найдутся умники, которым всё не так. Пишите, как вы обосрались десять лет назад или пятнадцать лет назад услышали от бати банальщину.
То есть, подождите, гермоблок не совсем герметичен, получается, если он через этот фильтр сообщается с атмосферой?
Как будто Фиксиков посмотрел, спасибо 🙂
с хера ли камера — гемоблок
если она не герметична?
там сквозные дырки в атмосферу через фильтр
герметичные только новые диски с гелием
остальным герметичность не нужна
Тока паркуются головки в другую сторону 🙂
В самом начале следует написать что если диск разобрать, есть очень большая вероятность потерять данные.
«контроллер поддерживает постоянную скорость вращения при помощи контактов на обратной стороне корпуса, через них же и осуществляется питание.»
«Ну а в случае когда питание, резко прекращается, двигатель переходит в режим генератора, и энергия от вращения шпинделей превращается в электрическую энергию, благодаря которой, головки безопасно паркуются и не повреждаются.»
тут вообще слов нет, одни эмоции
И ни слова про разницу между CMR и SMR, применение TRIM в HDD, особенности прошивки в разных сериях дисков, в зависимости от их назначения, и т.п.
Компактный ПК SFF формата в корпусе Sirius S 40
Размеры ПК — Длина 22,9см, Ширина 15 см, Высота 25 см
Корпус сделан из алюминия толщиной 3 мм, качество на высоте, собирается как конструктор.
Все детали в комплекте, даже отвёртка шестигранная.
Видеокарта помещается длиной до 22 см и толщиной до 6 см
Кулер для процессора в высоту до 6.5 см
Так-же можно со стороны материнки установить 4 накопителя формата 2.5
Блок питание формата SFX, SFX-L
Так-же снизу можно поставить вентилятор 92 мм
По цене всё вышло в 78 тыс. руб
Корпус: Sirius S40
Материнская плата: Z490M-ITX/ac
Процессор: i5 10400
Кулер для процессора: Jonsbo HP-400
Оперативная память: Goodram IRDM RGB 2x8gb 3800 Mhz
Блок питания: EVGA SuperNOVA 550 GM 80+ Gold
Видеокарта: RTX 3060 Galax ( KFA2 )
SSD Samsung m2 Evo 970 Plus 500gb
Silicon Power m2 512gb
Корпус был куплен за 5.200 руб но продавец уже снял с продажи. Есть варианты как на Али так и на Таобао.
Температуры — При стресс-тесте в фурмарк видеокарта греется до 69 градусов за 12 минут.
Процессор до 72 при стресс-тесте в Aida 64
Первый высокопроизводительный пластиковый процессор стоимостью в 1 цент
30-40 лет назад, когда персональные компьютеры были ещё в новинку, а интернета как такового не было, пионеры вычислительной технологии предсказывали, что в будущем электронные чипы станут настолько дешёвыми, что они будут повсюду — в домах, в транспорте, даже в человеческом теле. Для того времени эта идея казалась фантастической, даже абсурдной. ПК тогда были очень дороги и в большинстве своём даже не подключались к интернету. Мысль о том, что миллиарды крохотных чипов когда-нибудь станут дешевле семечек, казалось нелепой.
Десятилетиями технари обещают мир, где абсолютно каждый объект, с которым мы будем сталкиваться — мебель, посуда, одежда — будет обладать «умом» благодаря сверхдешёвым программируемым процессорам. Если вам интересно, почему этого до сих пор не произошло, то это потому, что никто не построил работающие процессоры, которые можно было бы производить миллиардами стоимостью в 1 цент каждый.
Со временем абсолютно всё вокруг нас станет «умным». Производители, не сделавшие свою продукцию «умной», в какой-то момент будут вытеснены с рынка конкурентами, которые успели это сделать. Одним из путей добиться таких дешёвых микропроцессоров, являются микрочипы из пластика.
Почти 50 лет назад Intel создала первый в мире серийно выпускаемый микропроцессор — 4004, скромный 4-битный ЦП с 2300 транзисторами, изготовленными по технологии 10 мкм из кремния и способным выполнять только простые арифметические операции. С момента этого новаторского достижения происходило непрерывное технологическое развитие с возрастающей сложностью до такой степени, что современные кремниевые 64-разрядные микропроцессоры теперь имеют 30 миллиардов транзисторов (например, микропроцессор AWS Graviton2, изготовленный по техпроцессу 7 нм). Микропроцессоры настолько укоренились в нашей жизни, что стали метаизобретением, то есть инструментом, позволяющим реализовать другие изобретения.
Микропроцессоры лежат в основе каждого электронного устройства, включая смартфоны, планшеты, ноутбуки, маршрутизаторы, серверы, автомобили и, в последнее время, интеллектуальные объекты, составляющие Интернет вещей. Хотя традиционная кремниевая технология включает в себя как минимум один микропроцессор, встроенный в каждое «умное» устройство на Земле, она сталкивается с ключевыми проблемами, чтобы сделать повседневные предметы умнее. Стоимость является наиболее важным фактором, препятствующим применению традиционной кремниевой технологии в этих повседневных предметах. Хотя экономия за счёт масштаба производства кремния помогла резко снизить себестоимость единицы продукции, себестоимость единицы микропроцессора по-прежнему непомерно высока. Кроме того, кремниевые чипы не являются естественно тонкими и гибкими, что является очень желательными характеристиками для встроенной электроники в эти предметы повседневного обихода.
С другой стороны, гибкая электроника предлагает эти желательные характеристики. За последние два десятилетия эта технология продвинулась вперед, предлагая недорогие, тонкие, гибкие и удобные устройства, включая датчики, память, батареи, светоизлучающие диоды, сборщики энергии и печатные схемы. Это основные компоненты для создания любого интеллектуального интегрированного электронного устройства. Недостающим элементом является гибкий микропроцессор. Основная причина, по которой до сих пор не существует жизнеспособного гибкого микропроцессора, заключается в том, что относительно большое количество тонкоплёночных транзисторов (TFT) необходимо интегрировать на гибкой подложке для выполнения каких-либо значимых вычислений.
Микропроцессор PlasticARM
Например, в 2021 году компания Arm воспроизвела свой простейший 32-битный микроконтроллер M0 из пластика, но даже это не могло соответствовать требованиям. Проблема, по мнению инженеров Иллинойсского университета Урбана-Шампейн и британского производителя гибкой электроники PragmatIC Semiconductor, заключается в том, что даже самые простые микроконтроллеры промышленного стандарта слишком сложны, чтобы изготавливать их из пластика массово.
В отличие от обычных полупроводниковых устройств, гибкие электронные устройства строятся на подложках, таких как бумага, пластик или металлическая фольга, и используют активные тонкоплёночные полупроводниковые материалы, такие как органические соединения, оксиды металлов или аморфный кремний. Они предлагают ряд преимуществ по сравнению с кристаллическим кремнием, включая низкие производственные затраты. Тонкоплёночные транзисторы (TFT) могут быть изготовлены на гибких подложках при гораздо меньших затратах на обработку, чем полевые транзисторы «металл-оксид-полупроводник» (MOSFET), изготовленные на кристаллических кремниевых пластинах. Цель технологии TFT не в том, чтобы заменить кремний. Поскольку обе технологии продолжают развиваться, вполне вероятно, что кремний сохранит преимущества с точки зрения производительности, плотности и энергоэффективности. А TFT позволят создавать электронные продукты с новыми форм-факторами и стоимостью, недостижимой для кремния, тем самым значительно расширяя диапазон потенциальных приложений.
Микропроцессоры с разрядностью 8-бит и 4-бит соответственно
Промежуточный подход заключается в интеграции микропроцессорных кристаллов на основе кремния в гибкие подложки, что также называется гибридной интеграцией, когда кремниевая пластина утончается, а кристаллы из пластины интегрируются в гибкую подложку. Хотя интеграция тонкого кремниевого кристалла предлагает краткосрочное решение, этот подход по-прежнему опирается на традиционные дорогостоящие производственные процессы. Следовательно, это не жизнеспособное долгосрочное решение, позволяющее производить миллиарды повседневных смарт-объектов, которые ожидаются в следующем десятилетии и далее.
В исследовании, которое будет представлено на Международном симпозиуме по компьютерной архитектуре ISCA 2022, трансатлантическая команда представляет простой, но полнофункциональный пластиковый процессор, который можно изготовить по цене менее 1 цента. Команда из Университета Иллинойса разработала 4-битные и 8-битные процессоры специально для того, чтобы минимизировать размер и максимизировать процент производимых рабочих интегральных схем. Чип 4-битной версии сработал, выдав 81 % производительности, и этого достаточно, чтобы преодолеть барьер в 1 цент.
Испытательная установка для пластикового микрочипа
Архитектура 4-битного пластикового микрочипа
Пластиковые процессоры были изготовлены с использованием гибкого тонкоплёночного полупроводника, оксида индия, галлия и цинка (IGZO), который может быть построен из пластика и способного работать даже при изгибе вокруг миллиметрового радиуса. Но в то время, когда надёжный производственный процесс является обязательным условием, именно дизайн возымел большее значение.
Вместо того, чтобы адаптировать существующую архитектуру микроконтроллера для пластика, команда Иллинойса начала с нуля создавать конструкцию под названием Flexicore. Производительность падает очень быстро, если увеличивать количество проводящих каналов. Зная это, команда разработала конструкцию, способную свести к минимуму количество необходимых каналов. Помогло использование 4-битной и 8-битной логики вместо 16-битной или 32-битной. Как и разделение памяти, в которой хранятся инструкции, от памяти, в которой хранятся данные. Но команда также сократила количество и сложность инструкций, которые процессор способен выполнять.
Сравнение кремния и IGZO на примере дисплея телевизора
Почему не кремний?
Вам может быть интересно, почему кремниевые процессоры не могут выполнять работу сверхдешёвых гибких вычислений. По сравнению с пластиком кремний дорог и негибок, но если сделать чип достаточно маленьким, пластик мог бы и не понадобиться. Тем не менее, кремний не справляется с этой задачей по двум причинам: во-первых, хотя площадь схемы можно сделать сверхмалой, всё же нужно оставить сравнительно большое пространство по краям, чтобы чип можно было вырезать из пластины. В случае такого простого микроконтроллера, как Flexicore, вокруг края будет больше места, чем области, содержащей схемы. Более того, понадобится ещё больше места для размещения достаточного количества контактных площадок ввода-вывода, чтобы данные и питание могли попасть на чип. Внезапно получается большая площадь дорогостоящего пустого кремния, что увеличивает расходы выше критической отметки в 0,01 доллара США.
Команда ещё больше упростила, разработав процессор таким образом, чтобы он выполнял инструкцию за один такт вместо многоступенчатых конвейеров современных процессоров. Затем они разработали логику, реализующую эти инструкции путем повторного использования частей, что ещё больше уменьшило количество вентилей.
Всё это привело к созданию 4-битного FlexiCore площадью 5,6 квадратных миллиметра, состоящего всего из 2104 полупроводниковых устройств (примерно столько же, сколько транзисторов в Intel 4004 1971 года) по сравнению с примерно 56 340 устройствами для PlasticARM. Это на порядок меньше, чем у самых маленьких кремниевых микроконтроллеров с точки зрения количества вентилей. Команда также разработала 8-битную версию FlexiCore, но она пока не дала положительных результатов.
С PragmatIC Semiconductor команда из Иллинойса произвела пластины с пластиковым покрытием, заполненные 4-битными и 8-битными процессорами, протестировала их при различных напряжениях в нескольких программах. Эксперимент кажется простым, но он новаторский. Большинство исследовательских процессоров, созданных с использованием некремниевых технологий, дают настолько низкую производительность, что результаты сообщаются с одного или, в лучшем случае, нескольких работающих чипов. Это первая работа, в которой кто-либо получал данные с нескольких микросхем для любой некремниевой технологии.
Не удовлетворившись таким успехом, команда разработала инструмент проектирования для изучения архитектурных оптимизаций для различных приложений. Например, инструмент показал, что энергопотребление можно значительно снизить, если немного увеличить количество вентилей.
Индустрия чипов была ориентирована на показатели мощности и производительности и в некоторой степени надёжности. Сосредоточение внимания на стоимости позволяет создавать новые компьютерные архитектуры и нацеливаться на новые приложения. Это именно та инновация в дизайне, которая необходима для поддержки по-настоящему вездесущей электроники.
Подписывайтесь на наш блог, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Discovery Как это устроено? Жесткий Диск.
В компьютере жесткий диск отвечает за хранение данных. Операционная система Windows, программы, фильмы, фотографии, документы, вся информация, которую вы загружаете в компьютер, сохраняется на жестком диске. А информация в компьютере это самое ценное! Видео для размещения на сайте
Best free movie search engine
You do not want to pay for watching a video and for you this parameter is a priority? Embedy.ru made sure that you can quickly find movies and serials in good quality. The search is performed on a variety of sources. Therefore, you will absolutely find what interests you.
Источник https://habr.com/ru/post/489840/
Источник https://pikabu.ru/story/kak_ustroen_zhyostkiy_disk_i_printsip_rabotyi_hdd_i_sshd_8351741
Источник https://embedy.ru/movies/R1A5YTFoblFJT1h5L0EvSnQrM21qdUdCVkQvMGFvbjJ2a0hrRWpVOGV4cz0=