拆解HDD:探究內部機電奇蹟

作者 : Brian Dipert,EDN專欄作者

我發現硬碟驅動器(HDD)的機電奇蹟才是更讓人驚艷的技術成就;而這也意味著今天的拆解對象就是HGST Ultrastar 7K3000 3TB硬碟…

對於快閃記憶體(flash)產業多年來在成本、容量、性能和可靠度等方面取得的進展,我在過去的許多文章中(可以追溯到約四分之一世紀左右…)經常表達由衷欽佩。我想自己應該存有個人偏見,因為我在大學畢業後(不包括大學期間的實習期間)的工程生涯「緣起」——八年的時間在英特爾(Intel)擔任應用工程師,而那段時間正逢該公司固態儲存裝置的萌芽期。

然而,老實說,我發現硬碟驅動器(HDD)的機電奇蹟才是更讓人驚艷的技術成就:

  • 由一個或(通常)多個磁盤(platter),以高達15,000RPM的速度旋轉。每個磁盤搭配一個或(通常)兩個讀/寫磁頭,磁頭懸停在快速旋轉的磁盤一側或兩側只幾奈米距離,並快速存取所需儲存磁軌與磁區的資料。
  • 相較於其他競爭設計,可實現更低功耗、高度堅固與穩定性。
  • 由於PRML (部份響應最大似然)感測、解碼與主流PMR (垂直磁記錄)、次代SMR (疊瓦磁記錄)與後續興起HAMR (熱輔助磁記錄)等儲存技術,所壓縮至每個磁盤上的資料越來越多。

我見過很多硬碟內部的照片,但從來沒有親手拆過。一般當硬碟壞掉時(這些年來我只遇到過幾次這種情況,但並不一定因為本身既有的問題),我就直接用強力磁鐵或大錘敲打,以避免其他人存取原本儲存於其上的資訊,之後就能放心扔掉它。但最近發生了一些事情讓我有機會進一步詳細看看硬碟內部。

如今,在配備網路儲存裝置(NAS)時,我不再以全額零售價購買全新硬碟了,而是挑選翻新的日立全球儲存技術(HGST) Ultrastar硬碟,這在亞馬遜(Amazon)、eBay、Newegg等網站均有銷售。HGST是日立在2003年收購IBM磁碟驅動器事業時所成立的子公司(因此也說明了其他老員工可能仍記得“Ultrastar”品牌),但實際上已經不存在了。 威騰電子(Western Digital;WD)在2012年收購了HGST,這一品牌到2018年就被淘汰了。這表示這些硬碟有年紀了,但截至目前為止我的運氣很好,他們通常還支援翻新商提供的多年保固。

有一天,我開始研究QNAP TS-328的軟體使用介面:

後來,我注意到在NAS bay 3的3TByte硬碟中有個「警告」標示:

進一步瀏覽使用者介面(UI),發現在硬碟上有16個磁區回報 “S.M.A.R.T. ID 197 Current Pending Sector” (目前待處理磁區) 屬性:

以下是197屬性的定義,由維基百科提供。

列入「不穩定」磁區 (等待重新對應,因為有不可恢復的讀取錯誤)。如果一個不穩定的磁區隨後被成功讀取,該磁區就會被重新對應,而其值就會減少。磁區上的讀取錯誤不會立即重新對應磁區(因為無法讀取正確的值,所以不知道要重新對應的值,而且以後也可能為可讀取);相反地,硬碟韌體會記住該磁區需要重新對應,並在下次成功讀取時重新對應。

然而,有些硬碟在成功讀取時不會立即重新對應這些磁區;相反地,硬碟會先行嘗試寫入有問題的磁區,如果寫入操作成功,該磁區會被標記為良好(在此情況下,重新分配計算」(0xC4)將不會增加)。這是一個嚴重的缺點,因為如果硬碟包含邊緣磁區,而這些磁區在成功寫入操作後過了一段時間才會持續失效,那麼硬碟則不會重新對應這些問題磁區。

但QNAP的用戶手冊中指出,我不一定需要馬上做什麼事情。我甚至並未收到來自NAS的通知信件,這說明了應該沒什麼迫切性:

儘管如此,我身邊還有一個備用的3TB硬碟,且其替代品還不到40美元,所以我便直接動手交換。幾個小時後,在RAID重建後,一切又可以正常工作了:

因此,今天的拆解對象就是Ultrastar 7K3000 3TB了!如同往常一樣,伴隨一枚0.75吋(19.1mm)直徑的10美分硬幣作為比較。請注意,根據我先前的產品時間評論,標籤上印有2013年4月的製造日期:

除了安裝螺絲的位置,這個硬碟的上下兩面並沒有什麼需要注意的,在其兩側也沒有哪一側值得討論:

另一邊更有趣:從左到右是15針電源連接器和8針SATA連接器(右邊的另外兩個位置則無作用)。直接看一下底部(右圖):

來自PCB的四條排線大概是為旋轉磁碟的馬達提供動力(和管理)……但我們必須深入內部進行確認:

說到深入內部……如果你重新檢查頂部的照片,你會看到周邊有6個六角螺絲,另外還有三個在防破壞的透明塑膠底下。順帶一提,在我忘記之前,在同一張照片中可見的另一個孔,在三個塑膠包裝的螺絲頭右邊以及在硬碟的右下角的是「透氣孔」。它通常明確標有「請勿遮蓋」或類似的警告訊息,在此情況下,其目的有兩個:均衡硬碟內外的大氣壓力,並為可能累積在硬碟內的濕氣提供排氣。

總之,讓我們把這些螺絲擰下來。在卸下所有9顆可見的螺絲後,我還是沒能取下硬碟的上「蓋」。在標籤底下看了一下,證實了我的推測;還有一顆螺絲藏在裡面:

等到取出這顆螺絲後,總算大功告成了:

注意圖片中,上述「透氣孔」底下的白色「空氣過濾器」。其主要功能在於捕捉任何可能導致「磁頭碰撞」(記得在正常操作中,讀/寫磁頭和磁碟之間的間隙有多小)或其他的災害。在這個設計中,有兩個額外「蓬鬆的」微粒過濾器,在這些機箱的概覽照片中都可以看到。一個位於磁碟堆疊的左下方邊緣,另一個(更小,雖然都很小;即照片中的白色部份)在磁碟組的右下方邊緣。稍後你會看到這兩處的特寫。

說到特寫,這是我們第一次有機會目視檢查致動器組件和讀/寫磁頭組;並請注意分隔磁頭和磁碟的隔板。同樣地,你很快就能以獨立的視角來觀察。

這是前面所提到兩個內部空氣過濾器中的其中一個,其更詳細內容:

拆解步驟1:拆下主軸的頂部。這6顆Torx螺絲(可以理解為)鎖得很緊,每次我試著卸下一顆時,整個磁盤組件都會旋轉,也說明為什麼磁碟頂部會在出現指紋。

拆解步驟2:當手握Torx螺絲起子時,也一面處理好固定致動器的螺絲:

這塊磁鐵的吸力非常強大;要把致動器的頂部從機臂組件上撬開,需要費一些力氣與相當多的耐心。

現在已經能把最上面的磁盤從旋轉軸拆下,並自堆疊上拿下來。

接下來是在兩側頂部的獨立單元(同樣地,可以看到指紋)以及底面視圖:

在試著取出第二個磁盤時,我把組件整個倒過來。在上面兩個磁盤之間,圍繞著旋轉主軸的圓形墊片飛了出來,還有另一個功能不明的零件,就位於前面照片中致動器的旁邊。

為了取出更多的磁盤,我需要先把磁頭組弄出來。卸下兩顆Torx螺絲並沒有加速拆解過程,但卻讓我更清楚地看到致動器之間的互連以及硬碟底部的電子元件狀況:

同樣地,我又將一顆螺絲卸下,因而能輕鬆取出磁頭間的隔板組件。而其所展現的內容也出乎意料:

這是一個四磁盤的3TB硬碟;你很快就會看到其他的磁盤了。事實上,總共有8個讀/寫磁頭:每個磁盤一對,每個磁盤側各一個。計算一下,每個磁盤的儲存空間為750GB位元組。但是,致動器的末端有足夠的位置能容納10個讀/寫頭;正如你所看到的,在這個配置中最底下的兩個並未是填充。我猜測,這種同樣的致動器與機械臂組合也可以用於4TB硬碟中,其中每個盤面(共5個)可以儲存800GB的資料。讀者們應該同意吧?

說到致動器和機械臂組件,雖然我已經拆掉了所有可見的固定螺絲,但它仍然無法動彈。因此,我懷疑可能被底部組件所固定住了,因此再將硬碟翻過來,繼續拆解任務。

等到卸下六顆螺絲後,終於有了答案;接著,先把PCB放在一邊,稍後我們再來討論幾個值得注意的細節:

首先,在右下角,你會看到還有幾顆Torx螺絲確實還固定在另一側致動器與臂部組件的位置。其次,還記得我之前提到從控制電子裝置到致動器的排線嗎?你會看到它在左下角的PCB上的連接器。最後,在中間有四個端子,與PCB連接,並透過另一條排線讓這些電子元件控制磁盤主軸。

而其背面部份就不用刻意瞭解了,除非你對測試點和通孔感興趣。我覺得有點奇怪的是硬碟製造商把可能發生短路(或者至少是ESD衝擊)的PCB外露,而不是用不導電的膠帶或其他材料覆蓋後,再把硬碟成品交給終端客戶。

提到不導電的材料:

不導電泡棉,加上主IC上的一點熱敏膠帶,一開始就把PCB頂面的大部份結構遮擋住了。

遺憾的是,熱敏膠帶的殘留導致主IC產品標記部份無法辨認,所以你必須認真思考我(和我的發光放大鏡)所透露的,印在TQFP上面的是:LSI *6045 TNNFU52220/EAQ0501315 TH字樣。

遺憾的是,我在網路上找不到關於這個晶片任何有意義的資訊——LSI Logic在2014年被Avago (現在是Broadcom)收購了,但我猜測它是主要的驅動控制晶片,管理SATA匯流排的介面、致動器電路,以及(間接地)與主軸馬達連接。我看到有一篇文章中將其稱為LSI MEL-B1B1 (至少在其照片中的第二個產品標記),但我也找不到與該IC名稱相關的任何資訊。

所幸其他IC的辨識還算易於解碼。在LSI 6045的下方和左邊為產品代碼OA73080的IC,其似乎是主軸馬達控制器,但我找不到該晶片屬於哪一家製造商。在MEL-B1B1的右邊是一個512Mbit的DDR2 SDRAM;而在我硬碟中的是華邦電子(WinbondElectronics)的W9751G6JB-25元件,而在此記錄中的則是三星(Samsung)。

在SDRAM的底下與右邊是一個4Mb的串列快閃記憶體(標示為25FS406,由多家供應商提供),能用來儲存硬碟韌體。還記得前面提到「四個末端連接到PCB,並透過另一條排線讓相同的電子元件控制磁盤的主軸馬達嗎?其四條彈簧在PCB的底部,即LSI 6045的底部。說到壓合連接,之前提到的排線由致動器對角的接頭在PCB左上角。

而當把硬碟翻轉過來時,我發現另一個空氣過濾器掉了出來:

值得慶幸的是,現在已經能完整地將致動器和機械臂組件從其內部取出。讓我們從四個不同的角度來看:

這是讀/寫磁頭的最後一張特寫,其中缺少的第五對:

它一部份是經由旋轉位置,然後完全拆解之前提到磁盤間的塑膠墊片後,終於能夠把所有的磁盤取出:

由於我已經不記得原來在硬碟中的擺放順序了,更不用說現在等到它們全部拆解後…

我想任何人都無法再從中獲取任何資料了!

(參考原文:Peeking inside an HDD,by Brian Dipert)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年10月號雜誌

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