Как Seagate делает HDD | Подготовка
Предположим, вы инвестировали в свою профессиональную деятельность, не важно, что это – служба поддержки в сфере IT, производство фильмов, воспитание детей, приготовление лучшей еды в городе или паровая очистка ковров. Люди знакомы с результатами вашего труда, однако почти никто не знает, как именно устроено ваше производство.
Почему это важно? Если вы предоставляете IT-услуги, то клиенты, понимающие происходящие процессы, будут лучше представлять себе ваш потенциал и надежность вашей работы. Ведь Google добилась столь высокого доверия во многом благодаря многочисленным обзорам, посвященным “внутренней стороне” ее работы, не так ли? Каждый может утверждать, что чистит ковры лучше всех, но вряд ли вы в это поверите пока не узнаете, какие при этом используются чистящие средства и оборудование.
Этот принцип верен и для производителей жестких дисков. Компания Seagate тратит два миллиарда долларов ежегодно на исследования и разработки, но вы вряд ли обращали на это внимание, когда покупали жесткий диск на несколько терабайт. Результатом такого вложения стала высокая надежность дисков Seagate, при доле отказов всего в 1,2 процента. Это среднее значение для всех продуктов компании. Показатель AFR (annual failure rate – годовая интенсивность отказов) у HDD для бизнеса естественно ниже, чем у моделей потребительского класса. Но само выражение “два миллиарда за улучшенный показатель AFR” мало что говорит обычному покупателю. Вместо слов мы предпочитаем наглядную демонстрацию.
Для этой цели мы наняли местного фотографа Ноя Каца и собрали чемоданы для поездки в город Боулдер в американском штате Колорадо. У Seagate сложилась репутация закрытой, консервативной компании. Производственный гигант очень редко допускает представителей прессы на свои заводы, а, тем более, в один из четырех центров научных исследований и разработки (в Лонгмонте расположен самый большей центр, еще один в Минесоте и два находятся в Азии). Поэтому, когда руководитель в Лонгмонте согласился пустить нас за кулисы, мы просто запрыгали от радости.
“Sea gate” в дословном переводе “морские ворота” – это путь или канал, ведущий к океану, или, наоборот, обеспечивающий защиту от него. Компания была основана в 1978 году под названием Shugart Technology. В то время метафоричное выражение “цифровая вселенная”, характерное для нынешней эксабайтной эры, еще не получило широкого распространения, но уже тогда преобладало понятие “море информации”. Жесткие диски, естественно, должны были стать проводником к растущим объемам данных. Сама морская тема сохраняется даже в архитектуре центра исследований и разработок в Лонгмонте. Фронтальная часть здания напоминает киль или нос корабля (в зависимости от угла обзора), а изнутри стеновой каркас не закрыт панелями.
Развивая все ту же метафору, можно предположить, что центр Seagate в Лонгмонте выполняет схожую функцию с морскими первооткрывателями прошлых столетий. Чтобы покорить неведомые воды, сперва необходимо проложить курс. Вы мало что знаете о большинстве исследователей, закончивших свой жизненный путь на дне моря. Ровно столько же вам известно о технологиях и проектах в сфере жестких дисков, которые в итоге оказались в мусорной корзине. Покупая диски большей емкости за меньшие деньги, каждый считает это вполне естественным, но на самом деле ничего естественно в этом нет. Технологическим прорывам предшествуют многие годы напряженной умственной работы, не говоря уже о внушительных ежегодных денежных вливаниях в процесс исследований и разработок.
За 35 лет Seagate запустила множество новых проектов, а также слилась и приобрела целый ряд других производителей накопителей с последующим укрупнением производства. Теперь компания строго придерживается собственного процесса разработки продукта (PDP – professional development plan). И этот подход работает. Процесс разработки дисков разбит на восемь этапов, как показано на изображении ниже:
Этапы производства: 1 – концепция, 2 – проектирование, 3 – тестирование, 4 – запуск в продажу
Больше всего на инфографике нас интересует фаза “Design” (проектирование). Именно в этой фазе заключена основная работа центра в Лонгмонте, однако начинается она чуть раньше, в фазе “Concept” (концепция). На этой стадии маркетологи Seagate работают с клиентами, определяют требования к продукту, оценивают возможность сбыта и разрабатывают черновые проекты этой концепции, используя существующий технологический портфель, наработки и ноу-хау компании. Потратив пять лет на создание дорожной карты и анализ технической осуществимости задуманного, команда технологической подготовки передают эстафету “Рабочей группе” (“Core Team”) для разработки инженерного дизайна диска. Рабочая группа, в свою очередь, разрабатывает документацию, содержащую все ключевые характеристики, которыми должно обладать устройство, включая энергопотребление и производительность, а также методику тестирования, которая подтвердит, что все цели достигнуты. Эти характеристики являются конечной целью для “Рабочей группы”.
На стадии проектирования появляется работающий образец для подтверждения возможности изготовления подобного устройства. Такой диск можно сравнить с первым летательным аппаратом братьев Райт, который никогда не летал дольше 59 секунд, но показал жизнеспособность концепта.
На стадии проектирования “Рабочая группа” создает новый инженерный дизайн (конструкцию) либо использует существующую платформу. Обратите внимание, что инженерный дизайн диска – это не конкретный диск, а базовая архитектура HDD, которая может быть использована для достижения разных требований рынка. Например, единая конструкция HDD емкостью 4 Тбайт формата 3,5 дюйма с пятью пластинами стала предшественником для корпоративного HDD на 6 Тбайт с шестью пластинами. Инженеры улучшили конструкцию самих пластин, увеличили их количество до шести на диск, изменили дизайн записывающей головки, обновили код прошивки и т.д. Все эти усовершенствования являются итеративными, но они были необходимы для развития линейки Seagate HDD со скоростью вращения 7200 об/мин. На одной конструкции часто базируется множество устройств, а иногда и целые семейства накопителей в зависимости от того, как специфическая комбинация тех или иных свойств проявила себя в процессе разработки.
Работа основной команды начинается примерно в таком кабинете. Конференции, встречи и напряженные обсуждения проекта могут продолжаться больше года. Рабочая группа становится второй семьей для ее участников и позволяет аккумулировать их идеи, достигая большей эффективности. Может показаться странным, что стадия проектирования в Лонгмонте длится так долго, но количество факторов, которые необходимо учитывать, даже при самых небольших изменениях в дизайне, может сильно колебаться. Например, переход с пяти на шесть пластин, в конечном счете, потребовал полной модернизации печатной платы диска. Изменилось количество винтов, расположение монтажных отверстий на корпусе, модификации подверглись воздушные фильтры рециркуляции, смазочные материалы и многое другое. Кропотливый анализ изменений и моделирование занимают месяцы.
Наконец, после того, как выяснено, каким образом будет создана конструкция, специалисты выполняют технико-экономические расчеты, позволяющие понять, следует ли приступать к разработке инженерного дизайна. Ведь при прочих равных никто не будет покупать более медленный диск, при условии, что у конкурента есть схожая по стоимости, но более быстрая модель. Технико-экономические расчеты должны подтвердить, что проект удовлетворяет финансовым требованиям компании, а конечный продукт имеет привлекательную цену. Если новый диск не выгоден ни компании, ни покупателям, то нет никакого смысла его создавать.
Как Seagate делает HDD | Тесты на выносливость
На стадии проектирования перед инженерами ставится задача оптимизации функциональности, производственного плана и цены, без снижения при этом уровня качества и надежности. Seagate перепроверяет расчетные показатели до тех пор, пока не появится уверенность, что надежность диска соответствует запланированному уровню. Мы не говорим об идеальном уровне надежности. Ведь никто бы не назвал первый летательный аппарат братьев Райт надежным, верно? В первый день испытаний “Флайер” разбился из-за сильного порыва ветра при приземлении. Тем не менее, последующие усовершенствования конструкции повысили надежность, и “Флайер” третьего поколения продержался в воздухе 39 минут, продемонстрировав меньшую склонность к авариям.
Стадия проектирования в Seagate имеет похожую схему, хотя, в отличие от братьев Райт, инженеры Seagate точно знают какой уровень качества должен быть достигнут. Например, в соответствии с проектными задачами накопители Enterprise Capacity для корпоративных сред должны достигать показателя наработки на отказ (MTBF – mean time between failures) 2 000 000. 2 миллиона часов MTBF – это распространенный и ожидаемый показатель среди корпоративных жестких дисков определенного класса, и рынок не принял бы продукт, если бы тот не соответствовал определенному уровню надежности.
Здесь необходимо отметить два момента. Во-первых, инженеры могут разработать диск с гораздо более высоким показателем надежности. Один из них сказал нам, что можно спроектировать HDD, который будет работать 100 лет, но никто никогда его не купит. Поэтому, когда вы видите в спецификации значение MTBF 800 000 часов или 2 миллионов часов, помните, что такие уровни надежности обычно требуются для определенных сегментов рынка. Домашний ПК, который работает, к примеру, по три часа в день в течение пяти лет (приблизительно 5500 часов) не нуждается в дисках с показателем MTBF 2 миллиона часов, поэтому нет смысла повышать стоимость продукта, добавляя более дорогие компоненты и проводя дополнительные исследования. Относительно низкое значение MTBF не означает, что диск плохого качества. Просто его стоимость оптимизирована для целевого сегмента рынка.
Во-вторых, стадия проектирования не подразумевает достижения конечных показателей MTBF для дисков. Опять же по аналогии с братьями Райт, которые были счастливы просто лететь на высоте трех метров над землей, инженеры Seagate могут проектировать опытную партию дисков, MTBF которых будет достигать всего 300 часов или даже меньше. Зная это, они создают относительно небольшое количество экземпляров, скажем 100 или 200 штук, и проведут их через ряд базовых тестов, чтобы изучить производительность и природу возникающих ошибок. Как только анализ завершается, дизайн дорабатывается и корректируется в соответствии с рекомендациями инженеров. В итоге создается новая опытная партия дисков, и тесты повторяются. Когда достигается первый уровень надежности и производительности, Seagate производит более крупную партию дисков и повышает планку показателей. Затем цикл повторяется заново.
По завершении проектирования накопитель пройдет более пятисот тестов, многие из которых длятся неделями.
“В конечном итоге мы пытаемся определить, сколько времени продукт проживет в реальном мире при нормальном режиме эксплуатации,” – объясняет один из инженеров, работающих в Центре – “Вторая часть этой фазы включает анализ завершенности проекта, в процессе которого мы выходим за рамки возможного. Мы проверяем как конструкция реагирует на тепло, холод, влагу, сухость, скачки напряжения и другие сценарии. Мы изучаем эти аспекты в различных комбинациях, чтобы понять пределы возможностей диска”.
Как Seagate делает HDD | Тестовые лаборатории
Давайте посмотрим на лабораторию, в которой продукты Seagate проходят различные стадии проверки, и узнаем, как на самом деле все это работает.
Сначала познакомимся с двумя камерами для атмосферных испытаний. Это многофункциональные модули, способные повышать температуру до 100 ?C и понижать ее до -50 градусов. Также они умеют регулировать относительную влажность воздуха и напряжение на шинах 5V и 12V. В ходе тестов фактическая температура, влажность и питание превышают заявленные спецификации HDD. Каждый слот для диска в испытательной камере имеет собственный одноплатный компьютер, связанный с серверной системой, запускающей различные сценарии и программы, разработанные в отделе надежности Seagate. Данные модули дают инженерам Seagate полный контроль над всеми тестовыми параметрами, предоставляют возможность дистанционного мониторинга и администрирования, а также полный доступ к журналам.
Аппаратная архитектура Seagate гарантирует, что отказ диска в одном слоте не прервет тестирование в других слотах. Получаемые данные с тестируемых систем помогают оценить состояние дисков и параметры скорости передачи данных, а также анализировать отказы. Каждая ошибка тщательно исследуется. При необходимости диск будет снят с тестирования и отослан в лабораторию по анализу ошибок, которая выяснит первопричину одного или нескольких отказов. В случае проблемы с прошивкой диск отправляется к разработчикам ПО для изучения и доработки. Механические или системные ошибки подробно разбираются и исследуются, пока не будет выявлена причина.
Когда количество тестируемых образцов увеличивается, инженеры переходят к более крупным испытательным камерам, способным вместить более 100 дисков. Эти модули выполняют тестовые сценарии в условиях повышенной температуры.
Второй тип тестирования выполняется в камерах температурных испытаний большого объема. Эти камеры управляют характеристиками воздушного потока для поддержания стабильной рабочей температуры самих дисков. Как видно на фотографиях, у Seagate много таких систем, и диски тестируются круглосуточно.
Третий тип тестов проходит в горячих комнатах, в которых регулируется температура помещения, а не диска. Такой подход моделирует работу дисков при плотном размещении, а также в среде, близкой к условиям работы в крупном дата-центре.
С такого ракурса основное помещения для тестирования надежности дисков выглядит впечатляюще. К сожалению, фотография не может передать те ощущения, которые испытываешь, находясь среди десятков гудящих машин, неустанно тестирующих диски на отказ.
В лаборатории диски тестируются при различных температурах, часто за пределами возможностей, указанных в спецификации. Таким образом, преследуются две цели. Во-первых, инженеры должны удостовериться, что в данных температурных режимах диски работают надежно, поскольку они могут с ними столкнуться, например, в дата-центрах или при использовании в сложных климатических условиях. Во-вторых, повышенная температура добавляет нагрузку на устройство и, таким образом, сокращает ожидаемое время наработки на отказ. У инженеров нет пяти лет, чтобы наблюдать работу диска при комнатной температуре, но они могут сделать эмпирическую оценку на основании данных, полученных за годы тестирования при повышенных температурах и их последующем анализе.
Конечно, иногда жесткие диски должны проходить тестирование в нормальных условиях. Стойки на фото выше, прежде всего, выполняют сценарии на дисках SAS и SATA, а также выполняют тесты перемещения головок. Так они выглядят вблизи:
Кроме того диски тестируются в барокамере. На фотографиях ниже представлены несколько барокамер Seagate. Эти машины могут создавать давление воздуха, соответствующее высоте от 60 метров ниже до 12 километров выше уровня моря (только для тестов в режиме хранения). Эти тесты имеют критическое значение, поскольку считывающие головки передвигаются настолько близко к магнитным пластинам, что даже крошечное изменение давления внутри диска влияет на “воздушную подушку” между головками и дисками. Это изменение может привести либо к неспособности считывать/записывать данные, либо, что еще хуже, к полной потере данных. Эти камеры также умеют регулировать температуру в соответствии с давлением воздуха.
Продолжая экскурсию по тестовой лаборатории, мы посетили отдел, выполняющий моделирование внешних воздействий на диски. Такие тесты не менее важны, чем эксплуатационные испытания. Представим ситуацию, что поддон с дисками может простоять на взлетной полосе в аэропорту Китая или Эквадора несколько часов подряд, подвергаясь влиянию экстремальных температур и влажности. Вот поэтому Seagate тестирует диски в вышеупомянутых камерах, подвергая их воздействию высокой влажности и невыносимых для человека температур в течение длительного времени. Некоторые образцы в процессе тестирования могут извлекаться, но основная масса проходит испытания весь положенный период. Затем диски перевозят в химическую лабораторию для разборки и подробного изучения результатов, что мы и увидели.
Естественно, кто-то должен контролировать оборудование для тестов. Дисплей на стене показывает состояние всех испытательных камер в тестовой лаборатории Центра в Лонгмонте. В случае возникновения проблем на экран выводятся различные коды и цветовые предупреждения. Также монитор уведомляет технический персонал о необходимости запланированного техобслуживания и калибровки. Мы наблюдали, как один работник переключал “картинку” на экране, чтобы показать аналогичную панель состояния для всех тестовых камер, установленных в тестовой лаборатории Seagate в Таиланде.
“Если возникает проблема с компрессором, и он передает вибрации на тестовую камеру, активируется триггер”, – объясняет один из инженеров. “Диски передают на контрольную панель сигнал о непостоянном износе. При высокой вибрации система проводит анализ работоспособности компрессора и вентиляторов, а затем передает данные нам. Если камера установлена на определенную температуру, но она не может ее поддерживать, она тоже сообщит об этом, а также скажет, в чем заключается. Все эти данные подаются отдельно от данных дисков. В общем, мы можем отслеживать множество параметров”.
Как Seagate делает HDD | Тесты на вибрацию
Конечно, процесс тестирования подразумевает не только мониторинг и управление испытательными камерами. В следующем отделе мы увидели две машины, предназначенные для создания вибронагрузок. Первая машина представлена на снимке ниже. Жесткая, похожая на бочку конструкция смонтирована на сверхпрочных роликах и соединена с удивительно большой, по сравнению с оборудованием, теплоотводящей трубой. Но после запуска оборудования становится ясна необходимость столь большого теплоотвода. Звук работающей машины можно сравнить с шумом реактивного двигателя при взлете (вы можете удостовериться в этом, посмотрев видео ниже) Вибрационный стол передает колебания на тестируемый диск в трех измерениях. Процесс испытания контролируется стоящей рядом рабочей станцией, она же считывает показатели производительности диска во время тестирования. Учитывая отсутствие подключенных к диску проводов, можно догадаться, что тестирование дисков во включенном состоянии при нас не проводилось.
График на снимке экрана ниже демонстрирует шаблон работы для вибрационного станка. Тестирование может выполняться либо при указанной для диска частоте вибрации и продолжительности импульсов, либо при более высоких значениях. На видео тест выглядит не столь внушительно, на самом деле он очень “разрушителен”, особенно в сценарии произвольных вибраций. Проходные и не проходные критерии определяются возможностью диска считывать и записывать данные во время тестирования (при тестировании диска в активном состоянии) или после тестирования (тесты выключенного диска). Диски разных классов должны сохранять определенный уровень производительности в условиях вибрации.
Иногда инженеры хотят проверить влияние вибраций на работу накопителей при специфических углах. Для этого диски помещаются на стол скольжения, который двигается лишь в одной плоскости.
Компания Seagate использует несколько столов, создающих вибрацию с вращающим моментом. Они, естественно, меньше других машин, но им и не нужно быть большими, чтобы трясти один диск по оси Z, т.е. перпендикулярно поверхности стола. Энергия вращения оказывает особенно сильное воздействие на HDD, поскольку в них установлены вращающиеся диски, и считывающие головки пытаются с максимальной точностью перемещаться по их поверхности. Возникающий вращательный момент пытается сбросить головки с дорожки, в итоге данные не записываются, либо, что еще хуже, записываются в смежную дорожку. По словам инженеров, эти тестовые стенды даже важнее, чем более крупные вибростолы.
Если вы думаете, что диск, смонтированный в стойке или в корпусе ПК, не испытывает паразитных вращающих нагрузок, то вы ошибаетесь.
Один из техников пояснил: “Основная часть энергии преобразуется во вращательную из-за механики корпуса и всех соединенных частей. Другим источником вибрации от вращения может быть сам жесткий диск. Он ведь выполняет произвольные операции поиска, не так ли? Так вот, эта энергия переносится на опорную пластину диска, а затем на корпус. Корпус, неважно, с жестким монтажом или на изоляторах, отдает эту энергию обратно на опорную пластину диска, что может сказаться на скорости передачи данных”.
Это одна из многих причин, почему диски для высокопроизводительных систем имеют встроенные акселерометры на печатной плате. Они измеряют вращательный момент и передают результаты в сервоконтуры, которые могут компенсировать его и предотвратить уход с дорожки. Жесткие диски потребительского класса не имеют таких компенсирующих систем, поэтому при возникновении вибрации страдает производительность.
Как Seagate делает HDD | Тесты на падение
Если проводятся тесты на вибрацию, значит должны быть и испытания на ударную нагрузку. Концепция ударного теста проста: поднимаете диск, бросаете вниз и изучаете повреждения. Конечно, для точных результатов требуются точные механизмы, и в лаборатории Seagate с этим проблем нет.
Мы стали свидетелями теста на падение с пиковой нагрузкой в 600 G длительностью в одну миллисекунду. Из курса физики старшей школы можно вспомнить, что если длительность импульса становится меньше, например, до половины или даже четверти миллисекунды, то увеличивается сила удара диска. Говоря проще, можно провести аналогию с боксом: если правый хук в челюсть передает свою энергию в течение двух секунд, то с вами все будет в порядке, но если эту силу передать за одну десятую секунды, то вы, скорее всего, упадете на пол. Также и компоненты жесткого диска по-разному реагируют на ударные импульсы разной длительности.
“Мы должны протестировать диски при различной длительности и силе импульса, чтобы удостовериться, что каждый тестируемый диск выдерживает разные ударные нагрузки”, – объясняет один из специалистов. “Входной ударный импульс зависит от того, на что падает диск. Если удару подвергается вся система, реакция тоже будет другая. Мы анализируем устойчивость продукта управляемым способом при различных силе и длительности импульса, чтобы получить представление о поведении диска в разных ситуациях”.
Любопытно, но чтобы управлять длительностью импульса инженеры регулируют некоторые параметры падения с помощью поролоновых подкладок-дисков. Становится даже смешно, что ключевым компонентом дорогостоящего высокоточного оборудования являются подкладки, похожие на подставки для стаканов.
Как Seagate делает HDD | Другие тесты
Добро пожаловать в лабораторию электромагнитных помех (EMI) в Лонгмонте. Она необходима для того, чтобы продукты отвечали нормам Федеральной комиссии по связи (FCC) и другим экологическим стандартам электронной продукции. Здесь специалисты Seagate изучают три параметра: 1) электромагнитную энергию, выпускаемую диском во время работы; 2) чувствительность диска к электромагнитным помехам; 3) противостояние диска электростатическому разряду.
С помощью EMI-детектора (красный, на фотографии ниже) Seagate измеряет излучение, в данном случае через корпус сервера. Антенна приемника легко вращается для более точного обнаружения электромагнитного излучения при различных полярностях. Обратите внимание, что стол, на котором стоит сервер, смонтирован на круговой платформе. Она позволяет инженерам легко поворачивать сервер в различных направлениях, чтобы измерять излучения под разными углами.
На фотографии ниже видно как проводятся тесты EMI на чувствительность к электромагнитным помехам. В таких заглушенных камерах мебель и аксессуары обычно сделаны из древесины или пеноматериалов, снижающих риск отражения электромагнитной энергии от поверхности металлических компонентов, которая может повлиять на точность измерений. Именно по этой причине вы видите на стенах пирамидальный пеноматериал. Как и в звукоизолированных помещениях эти специализированные блоки пены поглощают электромагнитное излучение и минимизируют отражение сигнала.
Устройство на фотографии ниже – это электрошокер. Естественно, инженеры могут настраивать параметры его работы, при этом тщательно исследуется влияние этих воздействий на механику диска и его производительность. На фотографии показано, как техник подвергает электростатическому удару корпус ПК. Такой разряд может произойти в сухом помещении после того, как вы прошлись по шерстяному ковру. Системы должны быть заземлены соответствующим образом, но в плане надежности дисков Seagate хочет учесть все возможные варианты развития событий.
Также важным параметром для многих систем хранения является акустика. Например, для устройств цифровой видеозаписи и встраиваемых решений уровень акустического шума является критически важным. Многие пользователи настольных ПК хорошо знакомы с раздражающим треском жестких дисков, когда они ищут данные. В камере на фотографии ниже образцы дисков проверяются на соответствие различным акустическим требованиям.
Множество микрофонов расположено определенным образом. Каждый микрофон стоит несколько тысяч долларов и имеет предусилитель, ориентированный на низкий электрический шум. Туловище или голова манекена целенаправленно измеряет качество звука (в противоположность показателю мощности звука). Сама камера построена на независимой бетонной плите, изолирующей ее от окружающей вибрации. В создание этой камеры и наполнение ее содержимым вложены сотни тысяч долларов. Мы рассказываем об этом, чтобы вы представляли себе, какие силы и средства необходимы для того, чтобы создать жесткий диск, отвечающий одному маленькому требованию в списке спецификаций продукта, которое может быть критически важным для некоторых клиентов.
Как Seagate делает HDD | Анализ
В техническом центре в городе Лонгмонт имеется полноценная производственная лаборатория, способная создавать прототипы любых дисков Seagate полностью автоматизированным способом. Описание лаборатории заслуживает отдельной статьи, поскольку она использует роботизированные системы, визуальные контуры обратной связи для калибровки и систему отслеживания, которая может идентифицировать не только партию, в которой был изготовлен диск, но даже расположение слота в коробке. Поразительно!
Однако эта лаборатория является лишь миниатюрой огромных заводов, расположенных в других странах. Важным элементом в процессе производства действительно надежных дисков является чистота. Несмотря на то, что сборка происходит в условиях строжайшей чистоты, такого понятия как идеальная чистота не существует. Загрязнение может быть вызвано как внешними, так и внутренними факторами: типом смазки, химическими выделениями нового компонента печатной платы и так далее. Некоторые источники загрязнения находится на фабриках Seagate, другие могут оказаться у поставщиков. Загрязнение может возникать из-за влияния атмосферы. Если грязь доберется до магнитных пластин или головок, это может очень негативно сказаться на надежности диска.
Поиск загрязнителей начинается в масс-спектрометре на вторичных ионах стоимостью 1,6 миллиона долларов США. Простым языком, этот аппарат позволяет ученым анализировать материалы самых верхних уровней головок или пластин, иногда в масштабе всего нескольких молекул.
Когда мы попали в лабораторию со спектрометром, сотрудники были заняты исследованием химических загрязнений, которые, скорее всего, появились из-за одного из видов смазки, используемых в дисках. Интересно, что различные компоненты внутри диска могут использовать различные виды смазки, и каждый оставляет уникальный спектральный след при анализе. Таким образом, ученые могут более точно определить первопричину потенциальных проблем с загрязнением.
Комната с масс-спектрометром на вторичных ионах наохотится рядом с лабораторией метрологии частиц. В ней из компонента можно извлечь любую макрочастицу и проанализировать ее. Сотрудники измеряют их количество, а также характеризуют типы макрочастиц, которые либо принадлежат к внутренним материалам, либо присутствуют, как загрязнитель.
Конечно, аналитическая лаборатория не была бы полной без одного или двух сканирующих электронных микроскопов (SEM). Во время нашего посещения мы наблюдали, как одна из машин анализировала образцы, отфильтрованные в лаборатории метрологии частиц и затем прошедшие процедуру обезвоживания. SEM исследовал их с целью идентификации. На другом SEM, показанном ниже, белые точки были изучены и идентифицированы, как вкрапления коррозии размером всего несколько десятков молекул. Они были найдены на головках диска и появились в результате трехнедельной эксплуатации при высокой температуре и влажности.
Последней в испытательном корпусе мы посетили лабораторию металлографии, в которой, по сути, безостановочно ведется работа по поперечному распилу разных образцов.
“Мы разрезаем любые детали, любую подсистему”, – объясняет старший техник. “И даже целые диски. Для этого есть множество причин. Часто мы это делаем по запросу отдела, работающего над механической конструкцией. Его сотрудники хотят посмотреть на состояние производственных образцов. Интереснее всего работать над элементами, подверженными воздействию агрессивной среды, чтобы выяснить устойчивость компонента или подсистемы к этому воздействию. Все чаще дискам приходится работать в экстремальных условиях. Мы подвергаем их коррозии, загрязнению и высокой температуре, затем оцениваем последствия, особенно для печатной платы. Отчасти наша цель – увеличение гарантии на диски корпоративного класса, но мы уделяем внимание и продуктам для рынка устройств, работающих в агрессивных средах”.
Поражает разнообразие информации, которую можно получить с помощью подобных экспериментов. Чаще всего разборка дисков происходит для выяснения что происходит с материалами, прежде всего на поверхностях. Много внимания уделяется печатной плате, особенно под микросхемами, а также в местах пайки. Неудивительно, что это вызывает особый интерес при разработке и усовершенствовании новых технологий.
На фотографиях ниже можно увидеть опорную пластину нового типа в поперечном сечении. При взгляде через микроскоп видна тонкая трещина в углу. Именно такие вещи инженеры должны исправить до завершения стадии проектирования.
Как Seagate делает HDD | Сделать лучше
Повторим, что тесты и исследования, которые вы видели в этой статье и многих других, проводятся многократно. Измененный компонент в обновленной конструкции может хорошо работать при комнатной температуре, но не выдержит длительной эксплуатации при высоких температурах. Исправление этого недостатка может повлиять на поведение диска во время RV-тестирования или привести к появлению слабого места в структуре, которое также придется устранять. Часто все сводится к оценке количества дефектных частей на миллион (DPPM – defective parts per million) – это один из ключевых показателей, используемых в PDP. Когда показатели DPPM достаточно низкие, и все другие параметры производительности и надежности для данного этапа интеграции в норме, конструкцию диска совершенствуют до следующей стадии тестирования с более высокими производственными объемами и более жесткими метриками. С этого момента тестирование и анализ начинаются снова. Конструкция может увеличить свой показатель наработки на отказ (MTBF) с нескольких сотен часов до двух миллионов всего за шесть месяцев модернизации. Удивительно!
Несмотря на огромное количество задач с HDD, находящимися в стадии разработки, фабрики Seagate регулярно присылают в Лонгмонт производственные образцы дисков на тестирование и анализ, чтобы удостовериться, что различия в производственном процессе на заводах разных стран не нарушают установленные проектные нормы.
Больше всего в исследовательском центре нам понравилась последняя лаборатория. На двух нижних фотографиях вы видите один из пяти тестовых систем Gemini. Это настоящий роботизированный монстр на 6288 слотов, предназначенный для калибровки, установки, загрузки и тестирования прошивок. С начала процесса PDP (проектирования) и до самого конца Gemini выполняют поразительное количество различных сценариев на всех разрабатываемых дисках, включая те, что предназначены для “облачных” приложений. После месяцев напряженной модернизации конструкции дискам еще предстоит пройти настоящее испытание. Gemini облегчают изучение работы различных версий прошивок для различных сценариев и проведения большого количества тестов. К тому же, в сравнении с предшествующими системами тестирования, новые занимают на 60% меньше места и потребляют на 28% меньшего энергии, и в итоге обходятся Seagate на 40% дешевле.
В конечном итоге исследовательский центр Seagate в Лонгмонте позволяет создавать доступные и надежные жесткие диски, которые вполне могут оказаться в гигантских серверных стойках, как показано на фотографии ниже. Возможно, теперь вы понимаете, почему Seagate ежегодно тратит на исследования и разработки 2 миллиарда долларов и с успехом доводит показатель AFR до 1,2%. Одно дело смотреть на цифры, и совсем другое – увидеть своими глазами как проходит тестирование, занимающее тысячи часов и, как результат, помогающее повысить надежность изделий. Мы получили весьма впечатляющий опыт, и больше мы уже никогда не сможем смотреть на жесткие диски как раньше, особенно на модели корпоративного класса.
