拆解HDD:探究内部机电奇迹
来源:eetop 发布时间:2022-10-19 分享至微信
对于闪存(flash)产业多年来在成本、容量、性能和可靠度等方面取得的进展,我在过去的许多文章中(可以追溯到约四分之一世纪左右…)经常表达由衷钦佩。我想自己应该存有个人偏见,因为我在大学毕业后(不包括大学期间的实习期间)的工程生涯“缘起”——八年的时间在英特尔(Intel)担任应用工程师,而那段时间正逢该公司固态储存装置的萌芽期。
然而,老实说,我发现硬盘驱动器(HDD)的机电奇迹才是更让人惊艳的技术成就:
由一个或(通常)多个磁盘(platter),以高达15,000RPM的速度旋转。每个磁盘搭配一个或(通常)两个读/写磁头,磁头悬停在快速旋转的磁盘一侧或两侧只几纳米距离,并快速存取所需储存磁道与扇区的数据。
相较于其他竞争设计,可实现更低功耗、高度坚固与稳定性。
由于PRML (部份响应最大似然)感测、译码与主流PMR (垂直磁记录)、次代SMR (迭瓦磁记录)与后续兴起HAMR (热辅助磁记录)等储存技术,所压缩至每个磁盘上的数据越来越多。
我见过很多硬盘内部的照片,但从来没有亲手拆过。一般当硬盘坏掉时(这些年来我只遇到过几次这种情况,但并不一定因为本身既有的问题),我就直接用强力磁铁或大锤敲打,以避免其他人存取原本储存于其上的信息,之后就能放心扔掉它。但最近发生了一些事情让我有机会进一步详细看看硬盘内部。
如今,在配备网络储存装置(NAS)时,我不再以全额零售价购买全新硬盘了,而是挑选翻新的日立全球储存技术(HGST) Ultrastar硬盘,这在亚马逊(Amazon)、eBay、Newegg等网站均有销售。HGST是日立在2003年收购IBM磁盘驱动器事业时所成立的子公司(因此也说明了其他老员工可能仍记得“Ultrastar”品牌),但实际上已经不存在了。威腾电子(Western Digital;WD)在2012年收购了HGST,这一品牌到2018年就被淘汰了。这表示这些硬盘有年纪了,但截至目前为止我的运气很好,他们通常还支持翻新商提供的多年保固。

有一天,我开始研究QNAP TS-328的软件使用接口:

后来,我注意到在NAS bay 3的3TByte硬盘中有个“警告”标示:

进一步浏览用户接口(UI),发现在硬盘上有16个扇区回报“S.M.A.R.T. ID 197 Current Pending Sector”(目前待处理扇区)属性:

以下是197属性的定义,由维基百科提供。
列入“不稳定”扇区(等待重新对应,因为有不可恢复的读取错误)。如果一个不稳定的扇区随后被成功读取,该扇区就会被重新对应,而其值就会减少。扇区上的读取错误不会立即重新对应扇区(因为无法读取正确的值,所以不知道要重新对应的值,而且以后也可能为可读取);相反地,硬盘韧体会记住该扇区需要重新对应,并在下次成功读取时重新对应。
然而,有些硬盘在成功读取时不会立即重新对应这些扇区;相反地,硬盘会先行尝试写入有问题的扇区,如果写入操作成功,该扇区会被标记为良好(在此情况下,“重新分配计算”(0xC4)将不会增加)。这是一个严重的缺点,因为如果硬盘包含边缘扇区,而这些扇区在成功写入操作后过了一段时间才会持续失效,那么硬盘则不会重新对应这些问题扇区。
但QNAP的用户手册中指出,我不一定需要马上做什么事情。我甚至并未收到来自NAS的通知信件,这说明了应该没什么迫切性:

尽管如此,我身边还有一个备用的3TB硬盘,且其替代品还不到40美元,所以我便直接动手交换。几个小时后,在RAID重建后,一切又可以正常工作了:

因此,今天的拆解对象就是Ultrastar 7K3000 3TB了!如同往常一样,伴随一枚0.75吋(19.1mm)直径的10美分硬币作为比较。请注意,根据我先前的产品时间评论,卷标上印有2013年4月的制造日期:

除了安装螺丝的位置,这个硬盘的上下两面并没有什么需要注意的,在其两侧也没有哪一侧值得讨论:

另一边更有趣:从左到右是15针电源连接器和8针SATA连接器(右边的另外两个位置则无作用)。直接看一下底部(右图):

来自PCB的四条扁平电缆大概是为旋转磁盘的马达提供动力(和管理)……但我们必须深入内部进行确认:

说到深入内部……如果你重新检查顶部的照片,你会看到周边有6个六角螺丝,另外还有三个在防破坏的透明塑料底下。顺带一提,在我忘记之前,在同一张照片中可见的另一个孔,在三个塑料包装的螺丝头右边以及在硬盘的右下角的是“透气孔”。它通常明确标有“请勿遮盖”或类似的警告讯息,在此情况下,其目的有两个:均衡硬盘内外的大气压力,并为可能累积在硬盘内的湿气提供排气。

总之,让我们把这些螺丝拧下来。在卸下所有9颗可见的螺丝后,我还是没能取下硬盘的上“盖”。在标签底下看了一下,证实了我的推测;还有一颗螺丝藏在里面:

等到取出这颗螺丝后,总算大功告成了:

注意图片中,上述“透气孔”底下的白色“空气过滤器”。其主要功能在于捕捉任何可能导致“磁头碰撞”(记得在正常操作中,读/写磁头和磁盘之间的间隙有多小)或其他的灾害。在这个设计中,有两个额外“蓬松的”微粒过滤器,在这些机箱的概览照片中都可以看到。一个位于磁盘堆栈的左下方边缘,另一个(更小,虽然都很小;即照片中的白色部份)在磁盘组的右下方边缘。稍后你会看到这两处的特写。

说到特写,这是我们第一次有机会目视检查致动器组件和读/写磁头组;并请注意分隔磁头和磁盘的隔板。同样地,你很快就能以独立的视角来观察。

这是前面所提到两个内部空气过滤器中的其中一个,其更详细内容:

拆解步骤1:拆下主轴的顶部。这6颗Torx螺丝(可以理解为)锁得很紧,每次我试着卸下一颗时,整个磁盘组件都会旋转,也说明为什么磁盘顶部会在出现指纹。

拆解步骤2:当手握Torx螺丝起子时,也一面处理好固定致动器的螺丝:

这块磁铁的吸力非常强大;要把致动器的顶部从机臂组件上撬开,需要费一些力气与相当多的耐心。

现在已经能把最上面的磁盘从旋转轴拆下,并自堆栈上拿下来。

接下来是在两侧顶部的独立单元(同样地,可以看到指纹)以及底面视图:

在试着取出第二个磁盘时,我把组件整个倒过来。在上面两个磁盘之间,围绕着旋转主轴的圆形垫片飞了出来,还有另一个功能不明的零件,就位于前面照片中致动器的旁边。

为了取出更多的磁盘,我需要先把磁头组弄出来。卸下两颗Torx螺丝并没有加速拆解过程,但却让我更清楚地看到致动器之间的互连以及硬盘底部的电子组件状况:

同样地,我又将一颗螺丝卸下,因而能轻松取出磁头间的隔板组件。而其所展现的内容也出乎意料:

这是一个四磁盘的3TB硬盘;你很快就会看到其他的磁盘了。事实上,总共有8个读/写磁头:每个磁盘一对,每个磁盘侧各一个。计算一下,每个磁盘的储存空间为750GB字节。但是,致动器的末端有足够的位置能容纳10个读/写头;正如你所看到的,在这个配置中最底下的两个并未是填充。我猜测,这种同样的致动器与机械臂组合也可以用于4TB硬盘中,其中每个盘面(共5个)可以储存800GB的数据。读者们应该同意吧?

说到致动器和机械臂组件,虽然我已经拆掉了所有可见的固定螺丝,但它仍然无法动弹。因此,我怀疑可能被底部组件所固定住了,因此再将硬盘翻过来,继续拆解任务。

等到卸下六颗螺丝后,终于有了答案;接着,先把PCB放在一边,稍后我们再来讨论几个值得注意的细节:

首先,在右下角,你会看到还有几颗Torx螺丝确实还固定在另一侧致动器与臂部组件的位置。其次,还记得我之前提到从控制电子装置到致动器的扁平电缆吗?你会看到它在左下角的PCB上的连接器。最后,在中间有四个端子,与PCB连接,并透过另一条扁平电缆让这些电子组件控制磁盘主轴。

而其背面部份就不用刻意了解了,除非你对测试点和通孔感兴趣。我觉得有点奇怪的是硬盘制造商把可能发生短路(或者至少是ESD冲击)的PCB外露,而不是用不导电的胶带或其他材料覆盖后,再把硬盘成品交给终端客户。

提到不导电的材料:

不导电泡棉,加上主IC上的一点热敏胶带,一开始就把PCB顶面的大部份结构遮挡住了。

遗憾的是,热敏胶带的残留导致主IC产品标记部份无法辨认,所以你必须认真思考我(和我的发光放大镜)所透露的,印在TQFP上面的是:LSI *6045 TNNFU52220/EAQ0501315 TH字样。

遗憾的是,我在网络上找不到关于这个芯片任何有意义的信息——LSI Logic在2014年被Avago (现在是Broadcom)收购了,但我猜测它是主要的驱动控制芯片,管理SATA总线的接口、致动器电路,以及(间接地)与主轴马达连接。我看到有一篇文章中将其称为LSI MEL-B1B1 (至少在其照片中的第二个产品标记),但我也找不到与该IC名称相关的任何信息。

所幸其他IC的辨识还算易于解碼。在LSI 6045的下方和左边为产品代码OA73080的IC,其似乎是主轴马达控制器,但我找不到该芯片属于哪一家制造商。在MEL-B1B1的右边是一个512Mbit的DDR2 SDRAM;而在我硬盘中的是华邦电子(WinbondElectronics)的W9751G6JB-25组件,而在此记录中的则是三星(Samsung)。

在SDRAM的底下与右边是一个4Mb的串行闪存(标示为25FS406,由多家供货商提供),能用来储存硬盘韧体。还记得前面提到“四个末端连接到PCB,并透过另一条扁平电缆让相同的电子组件控制磁盘的主轴马达吗?其四条弹簧在PCB的底部,即LSI 6045的底部。说到压合连接,之前提到的扁平电缆由致动器对角的接头在PCB左上角。

而当把硬盘翻转过来时,我发现另一个空气过滤器掉了出来:

值得庆幸的是,现在已经能完整地将致动器和机械臂组件从其内部取出。让我们从四个不同的角度来看:

这是读/写磁头的最后一张特写,其中缺少的第五对:

它一部份是经由旋转位置,然后完全拆解之前提到磁盘间的塑料垫片后,终于能够把所有的磁盘取出:

由于我已经不记得原来在硬盘中的摆放顺序了,更不用说现在等到它们全部拆解后…

我想任何人都无法再从中获取任何数据了!

作者:Brian Dipert,来源:EDN美国版

参考原文:Peeking inside an HDD
明天上午10:00直播

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