Shock — это по-нашему

Скажите, положа руку на сердце, вам приходилось ронять винчестер или компьютер? Валидол после этого глотали? И на сколько полегчал ваш кошелек после комплексной физиопроцедуры: «потеря данных + лекарства + замена диска + нервы и беготня»? Так вот, производители жестких дисков решили-таки наступить на горло фармацевтической промышленности и дружно ударили по потребителю очередями ударостойких трехдюймовых моделей. О них и поговорим.

На самом деле ударостойкость винчестеров выгодна, прежде всего, самим производителям, поскольку заметно уменьшает число возвратов в течение гарантийного срока. Ведь при отсутствии внешних повреждений корпуса доказать, что дефекты вызваны небрежным обращением с диском, практически невозможно. Ситуация осложняется еще и тем, что даже за пределами России до 30 процентов жестких дисков (по оценке компании Quantum) устанавливается в компьютеры неквалифицированным персоналом. Да и наши «продавцы & сборщики», чего греха таить, отнюдь не всегда аккуратно обращаются с комплектующими, а удар или падение диска может привести к дефектам, которые обнаружатся только спустя некоторое время после продажи.

Ниже мы рассмотрим системы ударозащиты современных винчестеров и проверим эффективность одной из них на практике. Но сначала немного теории…

Степень ударного воздействия (при падении, толчках) обычно измеряют в единицах, кратных ускорению свободного падения g (~9,8 м/с²). За типовую принимается полусинусоидальная перегрузка как отвечающая максимуму при отклике упругой системы на однократное воздействие внешнего импульса. В качестве отраслевого стандарта времени воздействия (полупериод синусоиды) принимают интервалы в 2 мс и 11 мс, что примерно соответствует падению/толчкам свободного диска (первая цифра) и корпуса с закрепленным в нем диском (вторая). Наиболее опасными для дисков считаются перегрузки длительностью 2 мс. Ударостойкостью диска считают его способность переносить за время удара заявленные в спецификациях значения ускорений.

Удары по винчестеру наиболее вероятны, когда он выключен. То есть во время доставки, продажи, монтажа и так далее. Поэтому «нерабочей» ударостойкости уделяется больше внимания, нежели «рабочей». Типовые воздействия в нерабочем состоянии — это падения и столкновения одиночного (незакрепленного) диска; они могут достигать 250 g и более за время 0,5-2 мс.

Очень опасны короткие и жесткие удары (сотни g за время меньше 1 мс), например, диска о каменный пол или двух дисков друг о друга (скажем, при клонировании операционных систем при массовой сборке блоков). Такие удары обычно выходят за рамки спецификации по ударостойкости и могут привести к повреждению механики (смещение дисков в пакетах, дефекты в подшипниках, необратимый изгиб алюминиевых пластин диска или кронштейнов головок). Но самым распространенным является все же удар головок о поверхность пластин - так называемый шлепок.

У выключенных современных дисков головки запаркованы в крайнем положении в специальной защитной зоне, и шлепок не так страшен, потому что не разрушает рабочего ферромагнитного покрытия пластин. Однако существует вероятность, что при сильном ударе головки сместятся и повредят рабочую магнитную поверхность. Такие случаи сопровождаются характерным щелчком и появлением испорченных кластеров. При этом могут повредиться и головки. Кроме того, даже в парковочной области защитное покрытие пластины может разрушиться, и микроскопические осколки попадут на поверхность с данными.

В рабочем режиме, когда диск, как правило, закреплен в системном блоке и удары смягчаются конструкцией компьютера, перегрузки диска из-за толчков системного блока достигают 30 g за время 10-20 мс. Однако головки парят над поверхностью вращающихся пластин на высоте около 25 нм (см., например, «КТ» #337), и любая заметная перегрузка может привести к шлепку головки о диск. Это повлечет за собой частичное разрушение ферромагнитного покрытия в местах шлепка и попадание осколков на близлежащую поверхность диска. Осколки на большой скорости будут царапать головку и покрытие пластины, а разогрев головки из-за трения об осколки приведет к смещению рабочей точки магниторезистивного элемента и постепенной деградации его характеристик.

Пионером в области применения специальных противоударных технологий в «настольных» моделях винчестеров по праву можно считать фирму Quantum. Два года назад она стала оснащать диски серий Fireball EL и EX патентованной противоударной системой Quantum Shock Protection System (SPS). Помнится, даже на одной из презентаций представитель Quantum, рассказывая о ней и небрежно теребя один из таких дисков, заметил, что теперь его можно без печальных последствий опрокидывать из стоячего положения (на ребре) в лежачее (на столе), однако наглядно продемонстрировать это собравшейся общественности он все же не решился — видимо сказалась инерция мышления и боязнь ненароком загубить диск. Замечу, что ниже мы все же проверим это на практике.

Таблица 1. Ударостойкость современных 3,5-дюймовых
жестких дисков с интерфейсом IDE.

Итак, начиная с лета 1999 года и остальные фирмы-производители последовали ее примеру и в той или иной мере стали «упрочнять» диски и указывать соответствующие характеристики в спецификациях (см., например, «Компьюферру» #6 в «КТ» #328). Ударостойкость современных IDE-винчестеров приведена в таблице. К сожалению, в отличие от остальных фирм Quantum упорно не приводила данных в спецификациях своих IDE-дисков вплоть до моделей lct15, однако судя по параметрам аналогичных SCSI-моделей, ударостойкость систем SPS и SPS II — одна из лучших. Замечу попутно, что ударостойкость жестких дисков для мобильных компьютеров в несколько раз выше благодаря применению более сложных систем защиты, рассмотрение которых выходит за рамки статьи.

Кроме того, отдельного разговора заслуживает указанная в таблице вибростойкость современных дисков, нормируемая в спецификациях для частот «тряски» от единиц до сотен герц. Она важна, поскольку нередко системные блоки во время работы подвержены как внешним, так и внутренним вибрациям (от таких компонентов, как вентиляторы, CD-ROM-дисководы, да и сами винчестеры). Достаточно посмотреть график воздействия собственных вибрацийна плохо закрепленный диск, имеющий скорость вращения 7200 об./мин., — скорость чтения при этом заметно падает и очень неравномерна.

Quantum SPS и SPS II

Суть пионерской технологии Quantum Shock Protection System (SPS) состоит в мерах, принимаемых, главным образом, против шлепка головки о поверхность пластины во время резких коротких ударов в нерабочем состоянии. Используя новые методы анализа взаимодействия компонентов диска при ударе, инженеры фирмы произвели в общей сложности четырнадцать улучшений конструкции с тем, чтобы большинство внешних воздействий поглощалось внутренними элементами диска до того, как они дойдут до самых чувствительных деталей — головки и поверхности пластины. В результате в момент удара головка практически не отклоняется от своего равновесного положения над пластиной, и шлепка не происходит. Конечно, эта система не обеспечивает защиту от очень сильного удара, но Quantum уверяет, что диск защищен настолько, насколько это возможно. Так, по ее оценкам, применение SPS позволило на 70 процентов уменьшить возврат дисков!

Дальнейшим развитием технологии стала Quantum Shock Protection System II (SPS II), применяемая в IDE-моделях Fireball lct08, lct10, lct15 и Fireball Plus LM, а также некоторых SCSI-дисках. Наряду с улучшением сохранности диска при переноске и монтаже SPS II предусматривает меры защиты от потери информации во время работы. Она позволяет увеличить ударостойкость диска в нерабочем и рабочем состоянии до 300 g при 2-миллисекундном воздействии. Суть нововведений в следующем. При толчке во время записи информации на диск блок головок дрожит, и информация записывается не строго вдоль нужной дорожки, а хаотично с некоторым разбросом (см. рисунок), после чего, с большой вероятностью, она будет потеряна и может повредить данные на соседних дорожках. Технология SPS II приостанавливает процесс записи во время подобных толчков и возобновляет его только после исчезновения тряски.

Так, например, на презентации новых продуктов на выставке «Комтек 2000» Quantum — наверное, в качестве демонстрации потрясающей ударостойкости своих новых винчестеров — раздавала сувенир в виде крохотного компьютера из пористой резины (см. фото), обладающего непревзойденной на сегодняшний день ударостойкостью! Кстати, там же Quantum первой из дискостроителей представила русскоязычный софт Q-SUIT, предназначенный для диагностики жестких дисков и продающийся с OEM-компьютерами (одно время его можно было бесплатно скачать с сайта www.formoza.ru).

Maxtor ShockBlock Mechanics

Первая реализация технологии ShockBlock от Maxtor приходится на серию дисков DiamondMax Plus 5120, вышедших в первой половине 1999 года. Однако уже в следующем поколении дисков (DiamondMax 6800) их ударостойкость для 2-миллисекундного воздействия была повышена. Кстати, только в спецификациях винчестеров Maxtor отмечается, что для указанной ударостойкости в рабочем состоянии гарантируется не только отсутствие разрушений, но даже ошибок чтения/записи! Более того, испытания в лаборатории фирмы показали, что такие диски могут выдерживать удары до 1000 g. Технология ShockBlock применяется и во всех последующих моделях от Maxtor.

Исследования ударных воздействий в реальных условиях, в том числе при сборке компьютеров, показали, что самые сильные удары диска (от сотен до тысячи g за время в доли миллисекунды) часто происходят в процессе его установки в системный блок. Они способны оторвать головку от диска с последующим шлепком. Технология ShockBlock Enhanced предусматривает несколько этапов защиты. На первом этапе снижается ударная нагрузка на головку — благодаря менее гибкому механизму ее подвески (уменьшена «хлесткость» кронштейна головки), а также поглощению удара другими деталями диска. На втором — уменьшается вероятность отрыва головки от диска при сильном ударе и последующего шлепка. Этому способствует более жесткий механизм подвески и на 40 процентов облегченные головки (которым труднее преодолеть прижимную силу при том же ускорении). Наконец, на третьем этапе минимизируются возможные разрушения, если отрыв головки и шлепок о поверхность пластины все же произошли. Наибольшие разрушения поверхности случаются, если головка падает на диск краем или углом. Специальная конструкция головки и ее подвески обеспечивает плоское прилегание головки к диску во время шлепка, заметно снизив вероятность образования осколков. Кроме того, в зоне парковки головок («зоне приземления», как ее называют в Maxtor) усилено защитное покрытие диска.

Seagate G-Force Protection

Компания Seagate уделяет ударостойкости своих дисков большое внимание, и ее новые IDE-винчестеры сегодня одни из самых крепких — держат до 350 g. Во главу угла здесь поставлена защита от перегрузок в нерабочем состоянии. С этой целью были улучшены все внутренние компоненты диска (головки, их подвеска, мотор шпинделя, зажим пластин), а также микропрограмма управления. Меры по повышению ударостойкости в дисках Seagate сходны с теми, что применяют Quantum и Maxtor, но есть и ряд отличий.

Благодаря специальной конструкции внутренних компонентов удалось подавить резонансные колебания, возникающие внутри диска при ударе, добиться синхронной реакции каждого компонента на перегрузку и резко снизить вероятность шлепка головки о пластину. Этому способствовали как уменьшенная масса и размер головки и замена проволочной подвески гибкой системой Flex on Suspension, помогающей управлять положением головки над пластиной, так и доработка подвески, кронштейна с головкой и пластин (снижен их резонанс). Кроме того, приняты меры по предотвращению соприкосновения с пластинами самих подвесок и кронштейнов (а не только головок) во время удара, для чего увеличены зазоры между ними и пластиной, а также добавлен амортизатор у основания кронштейна.

Уникальная противоударная мера — доработка подшипника крепления пластин. Сильный удар шарика по обойме подшипника может повредить сам шарик, поцарапать дорожку качения и даже привести к деформации обоймы. Поврежденный подшипник заставит вибрировать и изнашиваться мотор шпинделя и пластины с данными, возрастет шум. В качестве контрмеры Seagate применяет крупные шарики, диаметр которых намного больше, чем в большинстве других винчестеров. Рост площади соприкосновения шарика с дорожками качения снижает вероятность повреждений. Кроме того, в некоторых дисках новейшей серии Seagate Barracuda ATA III планируется применять жидкостные (fluid dynamics) подшипники, которые также повышают ударостойкость и снижают шум диска.

Еще две интересные меры приняты против смещения пластин в зажимах. Возможность такого смещения при очень сильном ударе исключить нельзя, а последствия могут быть плачевны — от усиления вибрации и шума до повышенной нагрузки на шпиндельный мотор, подшипники и сервосистему привода головок (чтобы поддерживать головки над нужной дорожкой) с последующим отказом диска. Во-первых, была разработана особо прочная конструкция дисковых зажимов. Во-вторых, на случай, если смещение все же произошло, придумана хитрая микропрограмма, позволяющая постоянно удерживать головку над центром дорожки, дабы избежать потери данных. Для этого определяется величина смещения диска и производится коррекция смещения головок на один оборот диска (Once Per Revolution Compensation).

Все эти меры и составляют запатентованную Seagate технологию G-Force Protection. А в последних моделях винчестеров фирма добавила еще пару простеньких с виду, но очень эффективных ступеней защиты — амортизирующую прозрачную пластиковую упаковку SeaShell Cover, в которой диск покидает завод, транспортируется и продается конечным пользователям, и тонкую резиновую оболочку SeaShield, покрывающую диск снизу и сверху, но не выступающую за обычные габариты диска, так что нет необходимости ее снимать (см. рисунки). При установке диска в системный блок эта оболочка защищает электронику диска от статического электричества и значительно смягчает толчки и удары. Шутки шутками, а такие простые меры позволяют снизить возврат дисков на 70 процентов, а сами винчестеры выдерживают лабораторные перегрузки до 1000 g.

Samsung Impac Guard

Корейцы также оснастили свои новые дискипатентованными противоударными средствами. Технология Shock Skin Bumper (SSB) представляет собой тонкий пластиковый ободок вокруг диска, правда, не такой мягкий и большой, как оболочка SeaShield (см. рис.).

Помимо смягчения наиболее сильных и резких ударов сверху, ободок служит своеобразным индикатором того, что с диском плохо обращались. Измерения в лаборатории Samsung (см. диаграмму)показали, что такой ободок способен втрое снизить перегрузки при падении диска под разными углами.

Система Impac Guard более «интеллектуальна» и включает четыре улучшения конструкции кронштейна с головкой для снижения вероятности их контакта с диском (см. соответствующие рисунки): конструкция основания кронштейна ограничивает перемещения диска (1), введены ограничители колебаний дисков (2) и гибкой подвески головок (3), а новая подвеска дополнительно стабилизирует головку (4). В результате ударостойкость, заявляемая для новых дисков Samsung, вполне отвечает современным требованиям.

IBM Ramp Load/Unload

«Унылый Хвастун» (Big Blue) до последнего времени не объявлял никаких специальных названий для противоударных систем своих винчестеров. Да и хвастаться особо было нечем: IDE-диски IBM обладали едва ли не худшей среди аналогов ударостойкостью в нерабочем состоянии. Однако в новейших сериях Deskstar 75GXP и 40GV (см. «КТ» #354) гигант винчестеростроения спохватился и решил побаловать нас технологией Ramp Load/Unload. Записывающие головки при выключении будут парковаться вдали от поверхности диска на специальном «скате», что значительно увеличивает предел перегрузок, которые сможет выдержать диск в нерабочем состоянии, а керамические подшипники шпинделя и ламинированные покрытия уменьшат акустический шум на 7 дБ. Технология Ramp Load/Unload позволит добиться лучшей в своем классе «нерабочей» ударостойкости — 350 g для винчестеров с одной-тремя пластинами на скорости вращения 7200 об./мин. и до 400 g — на 5400 оборотах!

Однако не следует забывать, что диски IBM давно оснащаются интересной системой TrueTrack Servo Technology, запатентованной еще в марте 1997 года. Ее суть в следующем. Одним из факторов, ограничивающих плотность хранения данных на винчестерах, являются ошибки точного позиционирования головки на дорожке из-за вибраций шпинделя и небольших смещений положения диска, которые могут приводить к хаотичным ошибкам чтения и записи. Особенно заметно это для дисков с высокой скоростью вращения шпинделя. Технология TrueTrack Servo использует специальные алгоритмы адаптивной рекалибровки сервосистемы, периодически компенсирующие изменения, произошедшие из-за смещения или вибрации дисков. В частности, одним из алгоритмов исправления ошибок служит функция генерирования поперечных вибраций головка-дорожка с обработкой данных на лету. Позже был разработан специальный чип, который реализует эти алгоритмы без задержек, присущих обычным DSP, и дополнительно уменьшает ошибки из-за вибраций. В новейших SCSI-дисках IBM эта система дополнена специальной технологией виброзащиты Active Damping.

Таким образом, не являясь истинно ударозащитной технологией, TrueTrack Servo способна эффективно улучшать ударо- и вибростойкость дисков во время работы, что наглядно проявляется в спецификациях, где диски IBM лидируют (65 g). В IDE-винчестерах для десктопов эта технология применяется уже два года, начиная с моделей Deskstar 14GXP и 16GP (Titan).

Western Digital Shock Guard

Лицензировав в свое время технологии IBM для дисков серии Expert, компания Western Digital переняла все вышеназванные достоинства и недостатки. Однако в сериях Caviar она всегда шла своим путем, постепенно наращивая «толщину брони» с малоприемлемых значений для старых моделей до внушительных в более новых дисках (с плотностью записи 10 Гбайт на пластину и выше), которые впервые оснащены системой ударозащиты Shock Guard. Эта система разработана в расчете на противодействие большим вибрациям во время работы (без ухудшения производительности) и способна выдерживать 2-миллисекундные удары с ускорением до 65 g. «Нерабочая» ударостойкость также высока — 300 g. Кроме того, в комплексной технологии Data Lifeguard от WD предусмотрена защитная парковка головок в случае сбоев функционирования других систем, что, конечно, не защищает от ударов, но механической стойкости диску все же добавляет.

Fujitsu

Аккуратные, но скрытные японцы до сих пор молчат о применяемых ими мерах по защите от ударов, хотя уже четвертое поколение IDE-дисков Fujitsu имеет весьма неплохую «нерабочую» ударостойкость в 250 g. Остается надеяться, что потомки самураев не застынут в позе Будды и будущие разработки порадуют нас закалкой знаменитого самурайского меча.

Теперь перейдем к практике

Для полевых «шоковых» испытаний была выбрана винтовка Quantum из линейки Fireball lct (точнее — lct10) как обладающая одной из самых совершенных систем SPS II и весьма популярная сейчас в России.

Я решил отказаться от специальных испытательных стендов и использовать жизненные ситуации — различные виды свободного падения диска на твердый деревянный стол. Чтобы придать процедуре некоторую научность и методичность, оценим амплитуду и продолжительность перегрузок, при этом возникающих. Нам вполне хватит школьного курса физики.

При свободном падении тела массой m с высоты h на неподвижное тело, обладающее коэффициентом упругости k, в момент удара возникнут затухающие колебания. Максимальное ускорение (перегрузка) падавшего тела при ударе равно a_max=(2ghk/m)^1/2, а полупериод колебаний (то есть время удара, указываемое в спецификациях) равен t~p(m/k)^1/2, где g — ускорение свободного падения. Если диск опрокидывается на стол из положения «стоя на ребре», в качестве h выступает примерно его «полувысота» (точнее, высота, на которой находится центр тяжести диска). Вес нашего подопытного кролика составил полкило (дохляк?), а вот чтобы посчитать коэффициент k, надо учесть твердость материала столешницы и такой непостоянный фактор, как площадь соприкосновения диска со столом в первый момент удара.

Оценки показали, что, например, при падении этого диска плашмя на мой стол с высоты 10 см перегрузка составляла примерно от 200 до 1000 g для времени от 2 до 0,4 мс соответственно, то есть находилась на грани ударостойкости для данной модели или несколько превышала ее. Варьируя высоту падения, можно увеличивать или уменьшать перегрузки. Так, при опрокидывании диска из положения, когда он стоит на длинном («крепежном») ребре, перегрузки, как правило, не бывают больше 300-400 g (по крайней мере, в моем случае), то есть «почти безопасны» для большинства новейших дисков.

Методика ударных испытаний заключалась в постепенном увеличении высоты падения диска на стол. Для каждой высоты накопитель в выключенном состоянии трижды ронялся каждой из сторон (всего их шесть, включая боковины). После этого диск тщательно проверялся на предмет появления битых кластеров (программами Norton Disk Doctor 4.5 и Spinrite 5) и исправности остальных функций (программой HDD Utility 2.5 и поиском подозрительных на слух шумов в работе).

Квалификационные высоты 3 и 5 см были пройдены непринужденно. Затем успешно проверены все возможные варианты опрокидывания диска с боковин. Следом шла опасная планка 10 см, но и она была легко взята. Окончательно осмелев, диск пошел на рекорд — 15 см, но и тут никаких ухудшений или битых блоков! Пробовать дальше я не стал — уже для 15 см при каждом ударе диска о стол звук был такой, что пачка валидола в аптечке настойчиво напоминала о себе, а иногда слышались характерные щелчки (видимо, из-за отрыва запаркованных головок).

Ободренный результатами «холодных» испытаний, я, «совсем наглость потеряв», решил проверить в действии ударостойкость «по-горячему», то есть при чтении/записи данных. Как вы помните, в этом случае система защиты SPS II в момент удара должна прекращать обращение к диску и возобновлять его только после затухания колебаний. Был запущен циклический тест поверхности из NDD с показом карты процесса проверки. Слишком усердствовать я не стал, ограничившись опрокидыванием диска с боковин и падениями плашмя с высоты не более 10 см, а в качестве подстилки поначалу использовал стандартный пластиковый коврик для мыши, но потом убрал и его (для высот до 7 см). Действительно, в момент удара тест приостанавливался на время от долей до пары секунд, после чего, как ни в чем не бывало, возобновлялся. Битых кластеров за все время испытаний так и не появилось! Не увеличилось и количество ремаппированых блоков (судя по программе HDDSpeed 2.1), а также не появилось провалов в графике подорожечного чтения (измерен по WinBench 99). Под конец ударных испытаний были пройдены тесты быстродействия диска — оно ничуть не пострадало!

Таким образом, можно сделать вывод, что Quantum сконструировала весьма эффективную систему ударозащиты. А ударостойкость новейших винчестеров может быть заметно выше паспортной, что должно успокоить самых нерадивых пользователей и сборщиков. Такие диски можно почти безболезненно уронить на твердую поверхность с небольшой высоты. Другие производители пока не рискнули предоставить нам свои винчестеры для подобных испытаний.

И все же не следует забывать, что лучшей противоударной защитой дисков является ваша осторожность. И если появился хоть один сбойный кластер, не ждите, пока их станет больше, — лучше сразу обменять диск, пока он на гарантии. Как-нибудь мы рассмотрим средства диагностики винчестеров (как фирменные от дискостроителей, так и от сторонних производителей софта), а также методы борьбы с плохими блоками, коль скоро они появились на диске.