Шпиндельный двигатель
- 01.08.2005
Шпиндельный двигатель отвечает за вращение пакета магнитных пластин, что позволяет считывать с них данные с помощью головок. Он должен предоставлять стабильное управляемое вращение в течение десятков тысяч часов.
В течение многих лет жёсткие диски имели одинаковую скорость вращения пакета магнитных пластин. Последнее десятилетие производители жёстких дисков постоянно пытаются увеличить скорость вращения шпиндельного двигателя в целях увеличения скорости доступа и чтения/записи.
Существует несколько ограничений, которым должен удовлетворять шпиндельный двигатель:
- Двигатель должен быть очень качественным, чтобы работать на протяжении многих тысяч часов и выдерживать тысячи циклов включения/выключения.
- Двигатель должен крутиться без каких-либо вибраций и с постоянной скоростью.
- Двигатель не должен быть источником чрезмерного тепла или звука.
- Двигатель не должен потреблять много энергии.
- Двигатель должен управляться извне: должна быть подстройка частоты вращения тем или иным способом.
Чтобы отвечать всем этим требованиям, все современные жёсткие диски используют сервоуправляемые шпиндельные двигатели постоянного напряжения. Сервосистема - это система с обратной связью. В ней используется точно такая же технология, которую мы обсуждали в статьях о звуковой катушке. В случае шпиндельного двигателя, эта система даёт сигнал при каждом повороте диска или даже чаще. Таким образом, электроника всегда знает точное значение частоты вращения шпиндельного двигателя и, в случае необходимости, корректирует это значение.
Все шпиндельные двигатели, используемые в жёстких дисках, разработаны для работы по принципу прямого контакта. При этом нет никаких передач, шестерёнок, ремней между самим двигателем и осью, на которой крутятся пластины. Шпиндель непосредственно состыкован с ротором двигателя. Пластины жёстких дисков изготавливаются с центральным отверстием, радиус которого равен радиусу шпинделя. На шпинделе пластины отделяются друг от друга специальным разделительным кольцом, которое обеспечивает нужное расстояние между пластинами в пакете для работы магнитных головок.
Работа, которую необходимо делать шпиндельному двигателю, зависит от ряда факторов:
- Размер и количество пластин в пакете магнитных дисков, от которого зависит то, каким мощным должен быть шпиндельный двигатель.
- Скорость вращения шпиндельного двигателя.
- Поддержка режима энергосбережения.
Очень важными факторами для современных накопителей являются количество шума, тепла и вибрации, производимые жёстким диском. Именно эти проблемы выходят на первые места в силу увеличивающихся скоростей вращения. Эти факторы были менее заметны при скоростях вращения порядка 3600 оборотов в минуту, что было стандартом де-факто в прошлом десятилетии. Нынешние накопители имеют скорости до 15000 оборотов в минуту, и могут быть довольно шумными в работе. Современные накопители в большинстве случаев требуют активного охлаждения, разогреваясь до 60-70 градусов. Это не идет на пользу ни подшипникам, ни самой магнитной поверхности.
Критическим компонентом шпиндельного двигателя в жёстком диске является подшипник. Большинство старых накопителей использовали обычные шариковые подшипники. В настоящее время в новых накопителях используются гидродинамические подшипники. В них роль шариков выполняет масло. Таким образом снижается шум и нагрев подшипника при вращении. В теории такие подшипники должны иметь больший срок службы и, тем самым, увеличивать жизнь накопителя. Однако, вероятность заклинивания таких подшипников выше, и на практике остановка жидкостных подшипников встречается значительно чаще, обычных шариковых подшипников.
Скорость шпиндельного двигателя
В процессе развития жёстких дисков, производители всё время пытаются сделать накопитель более быстрым, чем его предшественник. Повышение скорости вращения шпиндельного двигателя - это один из способов как увеличения линейной скорости чтения/записи, так и уменьшения времени среднего доступа или позиционирования. Данные быстрее пролетают над головкой, соответственно, уменьшается время простоя головки на треке в режиме ожидания нужного сектора.
Первые жёсткие диски, использовавшиеся в ПК, имели скорость вращения шпиндельного двигателя, равную 3600 оборотам в минуту. И последующие десять лет эта скорость оставалась неизменной. Одной из причин выбора именно этой скорости было использование двигателя переменного тока с частотой 60 герц (стандарт, принятый в США). Если бы умножим 60 Гц на 60 секунд, мы получим искомое число 3600. В начале девяностых годов прошлого столетия производители жестких дисков начали экспериментировать с увеличением скорости вращения шпиндельного двигателя, доведя ее до 5400 оборотов в минуту. И надолго именно эта цифра стала стандартом де-факто для скорости вращения шпиндельного двигателя. Первыми порог в 7200 оборотов в минуту взяли жесткие диски с интерфейсом SCSI. Это позволило отточить технологию, и несколькими годами позже, появились накопители с 7200 оборотов в минуту со стандартным интерфейсом IDE/ATA. В настоящее время, некоторые производители выпускают жёсткие диски со скоростью вращения шпиндельного двигателя, равной 10000 оборотов в минуту и интерфейсом IDE/ATA. Жёсткие диски с интерфейсом SCSI уже несколько лет, как преодолели рубеж в 15000 оборотов в минуту.
В таблице приведены стандартные скорости и среднее время задержки для различных скоростей вращения.
Скорость шпиндельного двигателя | Среднее время задержки, мс | Типичное применение |
3600 | 8,3 | Бывший стандарт, теперь устарел |
4200 | 7,1 | Ноутбуки и некоторые накопители для ПК |
4500 | 6,7 | IBM Microdrive, Ноутбуки |
4900 | 6,1 | Ноутбуки |
5200 | 5,8 | Устарел |
5400 | 5,6 | IDE/ATA, ноутбуки |
7200 | 4,2 | высокоуровневые IDE/ATA, ноутбуки |
10000 | 3 | высокоуровневые IDE/ATA, SCSI |
12000 | 2,5 | SCSI |
15000 | 2 | высокоуровневые SCSI |
На рисунке приведена фотография шпиндельного двигателя и различных компонентов, присутствующих и нужных для вращения пакета с магнитными дисками. Пластины и разделительные кольца имеют одинаковый диаметр, и собираются друг над другом, чередуясь, образовывая пакет с магнитными дисками. Верхняя шайба закрепляет весь пакет, чтобы он двигался синхронно с вращением шпинделя.

Статьи
-
«Жёсткий» рентген
-
Винчестер, как один из самых важных компонентов компьютера
-
Головки чтения/записи
-
Кеш жёсткого диска
-
Ключевые моменты в развитии винчестеров
-
Кодирование с ограничением длины поля записи
-
Контроль и управление работой жёсткого диска
-
Контроль над параллельным выполнением команд и перестройка очереди
-
Магнитные головки
-
Материал для изготовления пластин жёстких дисков
-
Один или несколько приводов магнитных головок?
-
Особенности хранения информации на жестких дисках
-
Парковка магнитных головок
-
Первые винчестеры
-
Пластины в жестких дисках
-
Привод головок жесткого диска и система их позиционирования
-
Разъёмы (коннекторы) и конфигурационные переключатели (джамперы)
-
Сколько прослужит лампа в проекторе
-
Термокалибровка накопителей
-
Треки и сектора, плотность записи
-
Устройство и принципы работы современного жесткого диска
-
Форматирование жесткого диска
-
Частотная модуляция в кодировании информации для магнитных носителей
-
Шпиндельный двигатель