Scopriamo come funziona l’hard disk del nostro computer

hdd

Ad oggi l’hard disk basato su dischi magnetici è uno dei principali componenti dei computer. La sua origine risale ai primi calcolatori elettronici e la sua evoluzione è costellata di grandi idee ed innovazioni tecnologiche. Scopriamo allora come funziona questo fondamentale strumento che usiamo ogni giorno.

 

Il primo pototipo di hard disk funzionante risale al 1956, prendeva il nome di fixed disk, ed era montato sul RAMAC 305 di IBM di cui possiamo vedere una foto sotto.

Dalla foto se ne deducono le dimensioni non tanto ridotte, per una capacità di memoria per l’epoca notevole, 5MB. Pensiamo alla capità delle ultime microSD o degli HD (Hard Disk) portatili per avere una vaga idea del progresso dell’elettronica negli ultimi 50 anni…

Il primo HDD (Hard Disk Driver) era composto da 50 dischi magnetici del diametro di 60cm l’uno circa. Un motore passo passo gestiva il sistema di lettura dei dati.

Nel 1973 IBM introduce il modello 3340 Winchester, composto da due dischi da 30MB e pochi anni dopo il primo modello per personal computer vede la luce ad opera di Seagate Technology, il Seagate ST-506, ne segue un rapido processo di miniaturizzazione ed ottimizzazione delle varie parti che porta agli odierni HDD.

Vediamo allora come funziona da un punto di vista meccanico ed elettronico un HDD.

L’idea di base è quella originale del 1956: un disco magnetico per salvare e leggere i dati tramite una testina di lettura controllata meccanicamente. In questo modo si risolve il problema dei vecchi nastri magnetici in cui per leggere un dato si doveva scorrere l’intero nastro, con l’HDD la testina viene spostata direttamente sul settore di interesse riducento notevolmente il tempo di accesso ai dati. L’immagine sotto riassume l’idea base.

Vediamo nel dettaglio come funzionano le singole parti.

CONTROLLO:

Il sistema di controllo è di tipo elettromeccanico basato sulla forza di lorentz. Come descritto nella immagine sotto.

Come agisce in breve la forza di Lorentz: supponiamo di muovere una particella con carica q lungo l’asse del filo bleu posto tra due magneti (quindi in un campo magnetico B) in figura. Se la particella è carica positivamente (q positivo) sarà soggetta ad una forza F in una direzione, nella direzione opposta se la particella è carica negativamente (q negativo), in base alla formula in figura sopra. Ovviamente mancano molti dettagli ma il concetto della forza di Lorentz è questo. Sfruttando questo principio viene controllato il braccio per la lettura dei dati sul disco. Il problema vero è la precisione con cui si posiziona la testina poichè lo spostamento deve essere estremamente rapido per accedere subito ai dati ma anche altrettanto preciso e le due cose non convivono facilmente. Provate a muovere velocemente il vostro braccio e fermarlo in un punto preciso (in aria o su un suporto rigido), in ogni caso prima di essere completamente fermo il braccio avrà delle piccole oscillazioni le quali saranno maggiori in base alla velocità con cui vi muovevate. Questo problema ha una spiegazione matematica ben nota (fenomeno di Gibs) ma non entreremo in dettaglio, basta sapere che c’è e non si rimuove, si può solo gestire.

TESTINA LETTURA

Vediamo come funziona la testina per la lettura dei dati. Una piccola spira avvolta su un nucle ferromagnetico viene fatta muovere sopra il disco magnetico.

Le cariche di segno diverso inducono una corrente nella spira con picchi positivi (o negetivi) di segnale elettrico che vengono interpretati come uno, o segnale piatto interpretato come bit zero.

DISCO

Due parole sul disco magnetico. In realtà ogni disco (solitamente per aumentare la capacità si usa più di un disco nello stesso HDD) è composto da diversi strati, come illustrato nella figura sottostante.

Uno strato superiore di carbonio che riduce l’attrito nella fase di lettura da parte della testina ed evita danni al supporto magnetico sottostante, uno strato di cromo che fa da intermezzo per lo strato di alluminio usato per dare consistenza meccanica e stabilità al disco.

Fin qui tutto semplice (relativamente) ma cosa rende tanto efficienti, delicati e capienti gli HDD moderni? Molto semplice, le dimensioni estremamente ridotte. Le testine di lettura e le singole zone caricate magneticamente sul disco per i bit zero ed uno hanno una dimensione di decine di nm, per dare una idea, il diametro di un capello è di 75.000 nm! Capite bene che componenti meccaniche con un diametro 10.000 volte più piccolo di un capello sono decisamente delicate e non solo, anche il sistema di controllo, benchè non ridottissimo nelle dimensioni è molto delicato. Poi il tutto è chiuso in un contenitore pressurizzato e con un sistema di raffreddamento dedicato poichè anche solo un granello di polvere potrebbe deteriorare la lettura dei dati viste le dimensioni in gioco. Un ultimo dettaglio di grande rilievo, come tenere la testina di lettura sufficentemente vicina al disco magnetico per avere l’induzione elettromagnetica che consente la lettura dei dati? La soluzione risale al 1963, sempre ad opera di IBM. L’idea è molto ingegnosa, come si vede dalla figura sotto

la testina è mantenuta da una componente (slider) avente un angolo di inclinazione tale che il flusso d’aria prodotto dalla rotazione del disco magnetico solleva lo slider e la testina dal disco. Le forze in gioco sono minuscole ma ache il peso dei componenti. Quindi lo slider può essere visto come una mini ala che solleva la testina di lettura da terra (il disco) come un aereo, il tutto in modo automatico a seguito della rotazione del disco in fase di lettura. Una idea geniale!

 

In questo articolo è stato presentato il principio di funzionamento degli hardi disk a dischi magnetici illustrando le principali componenti ed i dettagli fisici. Non si è scesi troppo nel dettaglio per motivi di spazio e non viene presentata la parte software del sistema che riguarda la gestione dei dati e la loro organizzazione logica sul disco che porta alle tipologie di partizioni di cui almeno una volta avrete sentito il nome, tipo NTFS o FAT. L’argomento è molto vasto, complesso ed interessante, questo articolo non è una presentazione esaustiva ma giusto una prima introduzione.

4 Comments

  1. Piero Boccadoro 28 agosto 2011
  2. Emanuele 28 agosto 2011
  3. Emanuele 25 luglio 2011
  4. Emanuele 25 luglio 2011

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