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冬天硬盤更受傷:硬盤在低溫下的故障機制

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冬天硬盤更受傷:硬盤在低溫下的故障機制
一、硬盤的結構
1、硬盤的機械結構:主軸電機
硬盤的機械結構:磁碟
硬盤的機械結構:磁頭和音圈馬達
2、硬盤的固件結構
二、硬盤的初始化
三、硬盤的缺陷表和缺陷調整
四、低溫環境下的硬盤故障機制
五、溫度梯度的影響
結論
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許多人正在慶幸自己的硬盤安然的度過了夏日高溫的考驗,再也不用擔心散熱問題;卻沒有料到在冬季他們的硬盤仍然面臨著低溫的威脅。

在我們的實踐中發現,部分使用液態軸承電機的硬盤在相對低溫下(低于15攝氏度,符合硬盤生產商規定的0-60攝氏度的工作環境的要求),故障率大大的提高。我們認為低溫是通過影響硬盤的結構和工作過程而導致硬盤發生故障的。下面我們將簡要介紹硬盤的結構和工作過程,并給出其故障發生的機理。

硬盤在低溫下的故障機制

作者 香農(青島)數據恢復中心 【版權所有 侵權必究】
2005/11/02


一、硬盤的結構

硬盤是由硬件和軟件組成的系統。硬盤的硬件包括PCB(電路板,包括位于密封體內的轉接器/前置放大器)和HDA(磁頭-磁碟組件);硬盤的軟件包括PCB上主控芯片內掩膜ROM中的微代碼(microcode)和擴展的Flash ROM中的微代碼(microcode),及磁碟上固件區(SA)中的微代碼(microcode)與數據模塊。下面著重介紹硬盤的機械結構和固件結構。

1、硬盤的機械結構

在硬盤的密封體之內,主要是硬盤的機械部件,包括主軸電機(Spindle motor)、磁碟(Disk)、磁頭(Head)、音圈馬達(VCM)、懸臂(Actuator Arm)、臂鎖(Latch)等。

圖一:硬盤的機械結構示意圖
圖一:硬盤的機械結構示意圖


主軸電機

主軸電機按轉速分有5400RPM、7200RPM、10000RPM、15000RPM以至20000RPM等;按軸承的結構分有滾珠軸承(BB)主軸電機和液態軸承(FDB)主軸電機。

圖二是滾珠軸承主軸電機的結構示意圖,圖三是液態軸承主軸電機的結構示意圖。

圖二:滾珠軸承主軸電機結構示意圖
圖二:滾珠軸承主軸電機結構示意圖

圖三:液態軸承主軸電機結構示意圖
圖三:液態軸承主軸電機結構示意圖

液態軸承主軸電機使用粘性的酯油作為潤滑劑,與滾珠軸承主軸電機相比,增大了接觸面,增強了運轉的穩定性,減小了NRRO(周期性偏離)效應,因此可以實現更高的數據密度;同時在非工作狀態下可以抵抗更大的震動沖擊,在工作狀態下減小了諧振和噪音。但是液態軸承主軸電機中使用的酯油卻有粘度隨溫度變化的特性:在溫度較低時酯油粘度較高,而在溫度較高時酯油粘度較低;要保證主軸電機正常運轉,酯油必須具有合適的粘度。 (香農青島數據恢復中心)

圖四:酯油的粘度-溫度變化曲線示意圖
圖四:酯油的粘度-溫度變化曲線示意圖

主軸電機 是驅動磁碟運轉的馬達,采用三相供電。它有三種運轉模式:啟動模式,加速模式和穩定模式。硬盤加電后微處理器發出相位切換信號來使主軸電機啟轉;在加速模式下主軸馬達產生自感應電動勢(EMF),微處理檢測到自感應電動勢并據此信號控制主軸電機的轉速,微處理器通過加速相位切換來提高主軸電機的轉速;當達到額定轉速后主軸電機進入穩定模式,在此模式下微處理器根據相位信號來計算主軸馬達的旋轉周期并據此調整轉速。


磁碟

磁碟是一種鋁制的或陶瓷及特殊玻璃的圓盤,它擁有最高精度等級的光滑表面。磁碟上的磁性物質一般是使用真空沉積工藝生成的氧化鉻覆蓋層或鈷覆蓋層。(香農青島數據恢復中心)氧化鉻覆蓋層具有很高的硬度和抗磨損性。

數據被轉換為磁信號后記錄在磁碟上;磁碟上有兩個特殊的區域:一個是磁頭的停泊區(Landing zone),一個是固件區(Service Area)。磁頭的停泊區一般位于磁盤的內圈(ID),有部分型號的硬盤磁頭停泊在磁盤外面的磁頭支架上);固件區可以位于磁盤的外圈(OD),也可以位于磁盤的內圈(ID)或者磁盤的中部。

磁盤上的用戶數據區(User Area),在規定的容量之外,還有一部分保留區(Reserved Area)。保留區是用來在硬盤使用過程中,如果出現了“缺陷扇區(Defects Sector)”,就可以用保留區中的完好扇區來替代缺陷扇區。注意,我們這里使用了“缺陷扇區(Defects Sextor)”而不是通常使用的“壞區(Bad sector)”,“壞區(Bad Sector)”或“壞簇(Bad Clusters)是操作系統(OS)使用的概念,而對于硬盤來說,使用“Defects”來表示由于刮擦、磁性減弱或伺服信號丟失造成的損壞的扇區、磁道。

圖五:磁盤空間的結構示意圖
圖五:磁盤空間的結構示意圖


磁頭

磁頭是讀取和寫入磁性信號的部件。磁頭與芯片一樣使用光刻技術生成,表面與磁碟一樣光滑。它通過磁臂懸浮在磁盤表面,由音圈馬達驅動。(香農青島數據恢復中心)現代硬盤所使用的巨阻磁頭(GMR)由兩部分組成:讀磁頭和寫磁頭。硬盤在非工作狀態下,磁頭停泊在磁盤表面的停泊區或磁頭支架上;在工作狀態下,磁頭以幾十納米的高度飛行在磁盤表面。

音圈馬達

音圈馬達是推動磁頭組運動的部件,其工作原理與擴音喇叭的線圈類似:當一定電壓的電流流過線圈時就會產生極性,從而以一定的加速度推動磁頭轉向一定位置;這樣磁頭就可以定位于磁碟表面的任意位置。硬盤在非工作狀態時,使用臂鎖(Latch)將磁頭固定在停泊區;當硬盤開始工作時音圈線圈會流過一個較大的電流,使磁頭脫離臂鎖。


2、硬盤的固件結構

固件(Firmware)是硬盤運轉所需的程序和數據,對用戶來說是隱藏的。固件分為微代碼模塊(microcode)、數據模塊和技術模塊。微代碼(microcode)用于控制硬盤的運轉和讀寫操作;數據模塊包括校準參數和譯碼表,是硬盤進行讀/寫操作所必須的;技術模塊是在工廠的生產過程中使用,在硬盤的一般運轉過程中不會被調用。微代碼模塊和數據模塊是硬盤正常運轉所必需的,如果它們損壞,那么硬盤就無法完成初始化(Initialize)而進入失敗狀態(Fail)。


二、硬盤的初始化

硬盤在加電之后、操作系統可以訪問之前,必須進行初始化。硬盤的初始化過程包括:

  1. 加電后向硬盤電路板上的微處理器發出Reset信號,進行必要的初始化后,從微處理內部的掩膜ROM或擴展的Flash ROM中載入微代碼,電機起轉。
  2. 微處理器通過改變相位變化速度來使主軸電機達到額定轉速,直到主軸電機進入穩定工作模式。
  3. 磁頭解鎖,移動到固件區并讀取固件數據。
  4. 從固件區載入微代碼模塊并替代步驟1中載入的微代碼模塊。
  5. 讀取校準數據和缺陷表并載入微處理器的RAM中。
  6. 硬盤準備就緒,等待主機發出的指令。

如果硬盤初始化時發生故障就會導致硬盤進入失敗狀態(Fail)。


硬盤磁碟的生產技術不能實現無缺陷的生產,由于磁盤表面的介質材料、拋光缺陷、磁層的雜質、磁頭與磁盤的碰撞以及磁性的衰退等都會導致讀/寫數據時出錯,(香農青島數據恢復中心)這被稱為“缺陷(Defects)”。“缺陷”按損傷范圍分為:缺陷扇區、缺陷磁道、缺陷柱面和缺陷磁頭。

  1. 硬盤在使用過程中,磁盤表面的磁性會隨著時間的流逝或者由于環境溫度過高/過低而衰減,逐漸在某些扇區出現讀/寫錯誤的現象,成為“缺陷扇區”;
  2. 硬盤在運轉時,磁頭和磁盤由于振動或不穩定的運行導致的碰撞,造成多個磁道的刮擦,產生“缺陷磁道”。
  3. 有時磁頭也會發生故障,磁頭所在的整個盤面發生讀/寫錯誤,成為“缺陷磁頭”。

另外,由于校準參數(Adaptive)丟失,磁頭在定位時發生位置誤差(PES),或者磁頭在讀/寫時的信號電平是非線性的,也會表現為大面積的“缺陷”。

早期的硬盤會將缺陷磁道標識在盤體表面的標簽上,并且每個硬盤都有一些保留空間(Reserved area),用于代替缺陷扇區。

缺陷表在工廠測試時由生產商填充。現代的硬盤采用的是“校準格式化”的方法,會自動的將發現的所有缺陷都添加到缺陷表。(香農青島數據恢復中心)大部分型號的硬盤有兩個缺陷表:P-表和G-表。

P-表在進行“校準格式化”時填充;G-表被設計用來填充用戶使用過程中出現的缺陷。P-表使用的是“跳過(Slip)算法”,缺陷扇區被跳過,它的編號被分配給其后的第一個可用扇區,而最后一個扇區被順序移位到保留區(見圖六):

圖六:P-表的算法
圖六:P-表的算法

G-表使用的是替代(Remap)算法,硬盤將保留區中的替代扇區的標記寫入缺陷扇區的ID字段,并將保留扇區的編號寫入缺陷扇區的數據字段。當使用邏輯地址對缺陷扇區進行讀/寫操作時,硬盤讀出扇區標記和替代地址,然后重定向到保留扇區,因此,缺陷扇區就不再被使用了,不過在重定向到保留扇區之前仍然要先尋址到缺陷扇區(見圖七)。

圖七:G-表的算法
圖七:G-表的算法

硬盤在使用過程中如果出現缺陷(通常是缺陷扇區),硬盤的微代碼就會使用“Remap”指令將缺陷扇區填充到G-表——即用保留扇區替代缺陷扇區——但如果是由于刮擦造成的缺陷磁道,這一機制通常會失敗,硬盤會被判定為“人為的損壞”而拒絕提供質保。在S.M.A.R.T.中也會記錄缺陷調整的次數。


硬盤對工作環境的溫度要求一般是0 °C-60 °C之間(運轉時)。但是我們發現,某些使用液態軸承的硬盤,例如Maxtor Diamond Plus 8和Maxtor Diamond Plus 9在環境溫度低于15 °C是就會發生故障。在低溫環境下,(香農青島數據恢復中心)軸承中的液體需要一段時間的預熱才能達到正常工作所需的粘度。因此,在硬盤啟動時,盤片就會發生上下振動,導致讀/寫頻繁出錯,最終導致硬盤損壞。

硬盤運轉時,磁頭與磁盤的距離只有幾十納米,哪怕是極微小的振動,也會導致磁頭與磁盤發生碰撞。

硬盤在加電后的初始化階段,首先會讀取固件區的固件數據——微代碼和數據模塊。固件區一般位于磁盤的外圈(OD),而正是在磁盤的外圈(OD),磁盤的振動幅度最大。如果此時磁頭與磁盤發生碰撞,就會直接導致固件數據的損壞和丟失。我們觀察到,無論是微代碼模塊還是數據模塊,都有因為碰撞而損壞的現象——此種情況下,主機的BIOS不能檢測到硬盤,有的甚至發出敲擊聲。

硬盤在完成初始化并報告準備就緒后,主機就會開始從硬盤上引導操作系統。我們發現在此階段,硬盤會頻繁的產生缺陷(如圖八所示)。

圖八:硬盤的起始LBA遭到了嚴重的損壞
圖八:硬盤的起始LBA遭到了嚴重的損壞

圖八為一個由于低溫導致起始LBA區域遭到的損壞硬盤。,而這一區域通常是操作系統的引導區和系統文件夾所在的區域。這會造成操作系統引導失敗,不過這并不是造成硬盤失敗的直接原因。

實際上當硬盤在低溫環境下啟動,由于液態軸承中的酯油未達到工作所需的粘度,造成盤片微小的振動、磁頭在進行讀/寫操作時出錯并產生缺陷,硬盤的微代碼(microcode)就會啟動“缺陷調整”機制,將缺陷扇區寫入到G-List中。但是此時硬盤仍然處于不穩定的工作狀態,從而在執行寫入G-表的操作過程中進一步導致G- 表損壞。我們發現無論是G-表的表頭還是內容都會出現因此而損壞的情況。

圖九:G-表的數據結構示意圖
圖九:G-表的數據結構示意圖

如果G-表損壞,硬盤在重新初始化時,就會停止將其載入從而進入失敗狀態。此時只有微代碼啟動,在計算機的BIOS中會將硬盤識別為錯誤的標識。

上述兩種故障機制發生的概率是不相等的。首先,固件區的數據密度(每磁道只有不到300個扇區)只有用戶區數據密度(每磁道有500到600個扇區)的一半。(香農青島數據恢復中心)其次,固件區通常只包含不到10M字節的數據,從硬盤加電到初始化完成所用時間不超過10秒;另外,磁頭進行讀操作時發生故障的概率也小于寫操作發生故障的概率。因此實踐中,低溫環境下硬盤表面產生缺陷和由于缺陷調整導致發生故障的概率遠遠高于硬盤初始化階段由于磁頭讀取固件數據而造成固件區損壞的概率。


溫度梯度——溫度變化速度過大也會造成硬盤發生相似的故障。硬盤運轉時對溫度梯度的要求一般不應大于20 °C/小時。如果在(香農青島數據恢復中心)冬季你使用硬盤從朋友處或工作單位拷貝了一些數據,然后回到家接上硬盤并開始工作,那么硬盤就會發生故障了——這被稱為熱沖擊。可以設想一下,冬季室外的溫度一般在零度以下,而硬盤工作時溫度會迅速上升到40 °C——60 °C(這還是在散熱良好的條件之下),如此劇烈的溫度變化就會導致硬盤的機械部分發生移位或碰撞,從而導致硬盤的損壞。

熱沖擊導致硬盤發生故障的機制與低溫導致硬盤發生故障的機制稍有不同。在熱沖擊的作用下,硬盤各機械部件會由于受熱不均勻而產生變形或移位,例如,磁頭在尋址定位時就會產生位置誤差(PES)或周期性的偏離(RRO)。硬盤運轉時固有的位置誤差(PES)或周期性偏離是通過使用校準參數進行補償的,但是熱沖擊造成的機械移位使校準參數與實際不符,從而使硬盤無法進行正確的讀寫操作。熱沖擊對硬盤造成的損壞可以是暫時的,也可以是永久的。

圖十:由于熱沖擊導致的周期性偏離(RRO)示意圖
圖十:由于熱沖擊導致的周期性偏離(RRO)示意圖


結論

大多數用戶都了解高溫環境對于硬盤產生的損害,而忽視了低溫環境對于硬盤產生的損害。無論是高溫還是低溫,都是通過影響硬盤的結構和工作過程而導致其發生故障并最終損壞的。對于環境溫度過高的問題,我們可以通過改善散熱來解決;而對于環境溫度過低的情況,除了提高環境溫度之外,可以使用一些小的技巧來充當臨時的解決方案。

正如前面分析的,硬盤在引導系統時發生故障的概率要遠遠高于硬盤在初始化階段發生故障的概率,因此我們可以通過等待硬盤上升到一定溫度(香農青島數據恢復中心)之后再開始引導系統或讀取數據。例如,在PC的CMOS中設置開機密碼,在PC開始引導系統之前等待幾分鐘的時間以使硬盤達到正常運轉所需的溫度。實踐證明,這種方法可以大大降低硬盤發生故障的概率。

另外使用移動硬盤的用戶要特別注意熱沖擊對硬盤造成的損壞。硬盤從低溫環境下突然移動到高溫環境下時,往往還會產生“結露”,不過由于盤體內部有專門的防潮裝置,這種現象很少會發生。

當然,現在許多用戶使用計算機已不僅僅是作為娛樂的工具或工作的工具,更重要的是作為數據存儲的設備。我們需要了解任何一種設備必須工作于穩定的合適的環境之下。因此,也必須為計算機配備穩定的合適的工作環境,這是保證用戶數據安全的根本條件。

參考資料

Vadim Morozov,Sergey Yatsenko(俄),Modern Hard disk drive
Hitachi,Fluid Dynamic Bearing Spindle Motors

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