Введение
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Мой первый жёсткий диск, который использовался в клоне XT в 1988 году, позволял хранить 20 мегабайт информации, но при этом жутко трещал и шумел. Но тогда меня беспокоило хранение текстовых документов объёмом 30 кбайт. Сегодня же приходится хранить практически всё что угодно.
Я, как возможно и вы, потерял счёт терабайтам ёмкости, имеющихся в моём распоряжении, как под рукой, так и в облаке. Все мы знаем, что твёрдотельные накопители дают прекрасную скорость и позволяют сэкономить время на загрузке ОС и приложений, но именно жёсткие диски облегчают хранение информации в повседневной жизни. Ваши документы, проекты, фотографии, банковские платёжки, фильмы, музыка – все эти ценные данные – наверняка хранятся на магнитных пластинах. Где же производятся эти пластины? Как их разрабатывают и тестируют? Но, что более важно, учитывая, что персональная потребность в хранении данных у меня выросла буквально в 100 000 раз по сравнению с первым жёстким диском, купленным 23 года назад, как я могу знать, что мои всё растущие потребности по ёмкости хранящихся данных будут удовлетворены через пять или десять лет?
Когда вы покупаете машину, то наверняка заглядываете под капот. Учитывая важную роль, которую играют жёсткие диски в нашей жизни, нам тоже не мешает взглянуть “под капот” винчестера. Компания Western Digital сегодня готовится поставить ещё один рекорд ёмкости (например, последняя модель Caviar Green стала первым жёстким диском, достигшим объёма 2 Тбайт), и мы с удовольствием приняли предложение и посетили исследовательские центры WD в Калифорнии (США). В этом месте магнитная технология 1950-х годов встречается с нанотехнологиями и квантовыми технологиями нынешнего десятилетия.
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Журналистов нечасто пускают внутрь “чистых комнат”. Действительно, мы очень шумная публика, которую сложно контролировать. Которая часто не слушается и на всё имеет собственное мнение. Если производитель и устраивает экскурсию по заводу, то старается максимально устрожить режим пребывания. Если нам позволяют взять с собой фотоаппарат (что редкость), производитель обычно говорит, что можно снимать, да и водит только туда, где что-то можно показывать. И в этом отношении хотелось бы отметить открытость WD. Мы провели пару дней в Сан-Хосе и Фримонте, нам предоставили несколько гидов, а также возможность в той или иной степени свободно смотреть всё, что нам нравится, во время экскурсии по трём заводам и лабораториям, доступ в которые жёстко ограничен. Такого на моей памяти ещё не было.
На снимке выше по центру вы можете видеть Хитер Скиннер (Heather Skinner), нашего PR-менеджера в WD, который помогал готовить эту статью для Tom’s Hardware. Справа – Гари Вильсон (Gary Wilson) из , мой очень одарённый друг и художник. А кто слева? Да, это автор статьи.
Гари просто мастер фотографирования с высоким динамическим диапазоном, и его снимки как раз и приведены в нашей статье. Я же ходил с компактной “мыльницей” Canon PowerShot, снимая всё, что заслуживало моего внимания.
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Перед входом в “чистые комнаты” можно заметить множество предупредительных надписей. На фотографии показана комната переодевания. Перед этой комнатой расположена специальная машина для чистки обуви. Вы вставляете ступню с обувью внутрь машины, после чего две больших круглых щётки попытаются сорвать обувь с ноги. Забавная машина, с ней можно играть хоть весь день.
Эти “съёмщики обуви” являются первым этапом удаления пыли и грязи с человека перед входом в чистое окружение. На фотографии чуть правее можно видеть, сколько грязи всё равно попадает в комнату для переодевания даже после машин чистки обуви. Белый прямоугольник, который заметен на снимке, очень липкий. Ощущение такое, что вы прогуливаетесь по липучке для ловли мух. Перед многими дверями в “чистых комнатах” установлены подобные липкие коврики, и больше всего поражает то, что даже после снятия обуви, надевания стерилизованных ботинок и заключения себя в целлофан, на эти ковриках всё равно можно заметить грязь. Да, люди переносят больше грязи и пыли, чем нам кажется. И если вам подобная предосторожность кажется излишней, посмотрите на следующую вывеску. Сколько стоит очистка 14 ботинок из комплекта? $600.
Когда я проходил в “чистую комнату” первый раз, на одевание костюма ушло около 20 минут. Там повсюду разные ремешки и затяжки, и если вы что-то сделаете неправильно, то всё может пойти насмарку.
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Как вам мой вид в защитном костюме? Обратите внимание, что маска на защитном костюме несколько отличается по стилю. Я поначалу подумал, что это связано с функциональными отличиями, но на самом деле каждый завод или лаборатория WD имеют собственную униформу. Костюм, который надет на мне на фотографии, используется только в исследовательском центре Magnetic Media Operation (MMO) в Сан-Хосе. Стильный тёмно-синий костюм, как на Хитере, носят только в головном центре по производству жёстких дисков в Фримонте. Более того, у каждого рабочего (инженер, уборщица и т.д.) свой тип костюма. Так что с эвакуацией можно будет справиться намного быстрее. Шутка.
На фото справа я снял свою руку, чтобы наглядно показать, насколько жарко в этих костюмах. Ощущение такое, что ты становишься тушкой мяса, обёрнутого в целлофан для последующего запекания. Потом обливаешься очень сильно. Температура на улице в Сан-Хосе составляла около 20 градусов Цельсия. Внутри “чистой комнаты” во Фримонте было намного более комфортно – 18 градусов Цельсия. В Малайзии температура выше – 22 градуса Цельсия, что для нас, северных людей, кажется просто сауной.
Мойка дисков
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Мы хотели, чтобы наши читатели увидели всю экскурсию, от начала до конца, но проблема в том, что рабочий процесс на фабрике цикличен. Инженеры берут подложки для пластин, наносят покрытие, анализируют и тестируют их, налаживают процесс и начинают по новой. То же самое касается механизмов чтения и записи, которые находятся на самом кончике несущего рычага, и они должны справляться со всеми усовершенствованиями, сделанными на подложке. То есть нельзя выбрать какой-то механизм и сказать “здесь всё начинается”. Циклические процессы, подобные описанным, вполне типичны для исследовательских лабораторий. В отличие от линейного конвейера, который мы видим на производстве.
Впрочем, всё же давайте начнём нашу экскурсию с первой комнаты, где шаг за шагом производится мойка тонких стеклянных пластин, чтобы на их идеально гладкой поверхности не осталось никаких частиц. Роботы забирают каждую партию пластин, медленно погружают их в чан, после чего “полощут” диски в жидкости. Затем диски вынимаются из чана и переносятся в следующий. Часть процесса мойки можно посмотреть на коротком видеоклипе.
Нанесение покрытия
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Осаждение методом распыления (его ещё называют нанесением покрытия осаждением из паров) использует пар для нанесения на пластины очень тонкой плёнки из нужного материала. Конечный результат похож на гальванопокрытие, разве что нанесённый слой очень тонкий, он часто измеряется в ангстремах (одна десятая нанометра). В исследовательской лаборатории MMO настолько много машин осаждения, что мы сбились со счёта. Некоторые из них используются сразу же после мойки стеклянных пластин, чтобы нанести на подложку никелированное покрытие. По информации WD, это увеличивает себестоимость каждой пластины примерно в шесть раз.
Комната загрузки
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
После нанесения покрытия подложки нужно отполировать, после чего отослать в комнату загрузки. За окнами можно заметить “сердце” всей лаборатории: систему напыления из 16 этапов, которая управляет нанесением на диски магнитного слоя. Справа можно заметить специальную станцию для передачи подложек в систему напыления. В данной комнате на стенах присутствует особенно большое количество предупреждающих надписей: опасное напряжение, опасность механических повреждений, а также и предупреждение о том, что сильный магнит в системе может нарушить работу кардиостимулятора. Там же есть и красный фонарь с предупреждающей надписью “ALERT. FLAMMABLE GAS DETECTED WHEN LIGHT IS FLASHING” – то есть при мигании фонаря есть опасность возгорания газа. К счастью, мы прошли через испытание без повреждений.
Мы сняли фото с двух ракурсов. Мой личный снимок (по центру) позволяет лучше видеть переднюю часть системы напыления. А снимок Гари (слева) позволяет заметить разницу между любительским и профессиональным оборудованием съёмки, включая высокий динамический диапазон (HDR).
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
А вот так система напыления выглядит сзади. В ряд выстроены 16 машин, каждая из которых управляет собственным этапом процесса напыления. “Рецепт” напыления сначала прорабатывается в лабораториях MMO, затем на заводе в Азии, где имеется идентичная копия системы напыления, но уже используемая в процессе массового производства.
“Каждую ручку можно подкрутить”, сообщил наш гид-инженер. “Конфигураций здесь практически бесконечное количество, если вы подумаете о температуре, энергии, количестве камер и количестве элементов, которые вы можете собрать на целевом объекте. Борьба за выпуск продукта следующего поколения практически бесконечна и происходит во всех направлениях. У нас нет какого-либо командира, который бы говорил “сделай сначала это, потом сделай то”, чтобы внедрить технологию следующего поколения. Каждый маленький шажок вперёд достигается методом проб и ошибок.”
Вполне понятно, что WD не приходится изобретать колесо (или пластину) с каждым новым дизайном. Девяносто девять процентов базового дизайна и передовых технологий уже реализованы. Именно этот крошечный один процент и приводит к разнице между нынешним поколением и тем, что придёт ему на смену. Если бы существовал какой-то один секретный рецепт в исследованиях WD, то он как раз применялся бы в этом одном проценте. Именно здесь определяются технологии накопителей для массового рынка, которые мы будем покупать в ближайшие полгода – два года.
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Рядом с 16 машинами напыления мы обнаружили этот талисман удачи. Подобные фигурки идолов широко распространены в Юго-Восточной Азии. В Японии они обычно принимают форму Манэки-нэко, кошки с поднятой лапой, которая приносит её владельцу удачу. Причём часто, когда вы получаете фигурку, то зрачок нарисован только на одном глазу. Вы дорисовываете второй значок, когда удача придёт к вам. Никто из сопровождающих сотрудников не знал, если ли название у этого идола, но удачу он наверняка приносит.
Не нажимайте красную кнопку!
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Что-то может пойти не так? Нельзя сказать, что я такой уж специалист в исследованиях, но всё в лаборатории WD внушает, что процесс работает как часы. В любом случае, по всей лаборатории расположены клавиши EMO. Поначалу я подумал, что после нажатия помещение наполнится фанк-роком Jawbreaker или Jimmy Eat World, чтобы как-то оживить помещение от фонового шума вентиляции и работающих машин. Но нет, EMO означает “EMergency Off” – аварийное отключение. Часть меня сразу же захотела нажать эту большую красную кнопку, чтобы посмотреть, что при этом случится, но инженеры WD предположили, что остановка одной машины даже на несколько секунд может обойтись компании в тысячи долларов, так что я не стал рисковать.
Машины напыления
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
На левой фотографии можно получше разглядеть загрузочную трубу системы напыления и узкий проход между машинами и “чистой комнатой” загрузки. Справа же мы видим просто интересный ракурс на заднюю часть одной из машин напыления. Выше присутствует панель, содержащая два LED-индикатора. Мы хотели бы захватить и её, но данные этих индикаторов являются интеллектуальной собственностью компании, как и положение разных ручек. Вся информация, касающаяся настройки машин, включая даже их расположение на полу, которое определяет порядок прохождения пластин через машины напыления, является закрытой информацией. Впрочем, специалисты WD не так подозрительно отнеслись к нашим камерам, поскольку конфигурация систем меняется постоянно. И те настройки, которые мы зафиксировали, уже давно переставлены. На самом деле, настройки изменяются где-то раз в две недели.
Будет ли парить?
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Хорошо, на диски нанесено множество слоёв покрытия, так что настало время посмотреть, дал ли техпроцесс WD должные характеристики поверхности. Плотность сегодня достигает нескольких сотен гигабит на квадратный дюйм, а магнитные головки чтения/записи “парят” над поверхностью диска на высоте всего в один микродюйм (одна миллионная дюйма, равного 2,54 см) или даже меньше. Поэтому любые бугорки на поверхности диска могут привести к “краху головок”, когда головки зарываются в поверхность диска и как плуг прокладывают дорожку на нём, уничтожая все данные и, потенциально, уничтожая сам накопитель. Кроме того, любой дефект размером всего в 10 нанометров может привести к появлению битовых ошибок.
На фотографиях можно заметить шесть идентичных машин тестирования парения и одну машину оптического тестирования. Цель заключается в сертификации (или отбраковке) носителей, которые будут соответствовать всем требованиям по гладкости поверхности.
Тест высоты головки
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Конечно, мы постарались сделать нашу виртуальную экскурсию интересной и увлекательной, но мы неоднократно сталкивались с разными препятствиями. Например, возьмём эту фотографию тестирования высоты парения головки. Как мы уже указывали выше, магнитная головка парит на мизерном расстоянии от поверхности диска во время операций чтения/записи. И эта машина как раз проверяет это расстояние. Учитывая освещение и угол расположения отражающих поверхностей, эта фотография – лучшее, что мы смогли сделать. Просто включите воображение.
Другие препятствия касались технологических терминов. Диалект нашего гида явно был взят из Кремниевой долины.
“Тестер MicroPhysics Fly Height измеряет расстояние между головкой и диском, используя вращающуюся прозрачную копию магнитного диска вместе с настоящей магнитной головкой записи с намного улучшенной точностью на очень низких высотах парения по сравнению с принятыми в индустрии стандартными методиками. Этот тестер высоты не требует калибровки и не использует поляризацию света.”
Ещё теплее?
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Мы все знаем, что материалы расширяются и сжимаются при изменении температур. Так что после того, как WD завершит тестирование “полёта” головок при нормальной комнатной температуре, необходимо провести тестирование в стрессовых условиях, чтобы определить диапазон температур, при которых жёсткий диск может эксплуатироваться без сбоя. На фотографии вы видите камеру для климатических испытаний Class 100, которая позволяет провести тесты парения головок при экстремальных значениях температуры и влажности. Камеру можно запрограммировать так, чтобы работать при фиксированных условиях – скажем, при 30 градусах Цельсиях и 20% влажности – или изменять условия по определённой программе. Стрессовые условия позволяют протестировать коррозию и ускорить появление сбоев, чтобы инженеры могли найти любые слабости в дизайне пластин. В конце концов, один и тот же жёсткий диск будет эксплуатироваться в условиях Крайнего Севера или джунглей на экваторе. Конечно, ни один жёсткий диск не может выдержать всех экстремальных условий, но производители пытаются гарантировать стабильную работу в 80% или 90% условий конечных пользователей.
Избежать трения
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Когда мы достигли систем тестирования дисков, то ощущения были такие, как будто мы попали в ужасный сон, в котором нас окружают сотни работающих блендеров. Эти машины измеряют износ головок и пластин. Всё это является сферой трибологии – науки о взаимодействии движущихся поверхностей, то есть о трении. Конечно, головки и пластина никогда не должны контактировать – поскольку это приведёт к краху головок и повреждению жёсткого диска – но расстояние между ними настолько мизерное, а пластина вращается на столь высокой скорости, что молекулы воздуха между головкой и пластинами могут стать серьёзным источником трения, как будто они будут сжаты между двумя твёрдыми объектами. Тестер запрограммирован передвигать головку по всему диску, отслеживая любые взаимодействия между головкой и диском, которые могут угрожать надёжной работе.
Реальные тесты
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Внутри этой комнаты всё уже не кажется странным и чужеродным. Процесс создания магнитных дисков требует очень точных и строгих условий. Однако рано или поздно пластины попадают в корпус, где их тестируют уже в самом накопителе. Превращение в накопитель приводит к новому взаимодействию компонентов и новым проблемам. Именно в этот момент нано- и микротехнологии превращаются в макротехнологии. Мы возвращаемся в реальный мир, и здесь мы получаем следующую картину: реальная тестовая площадка, дополненная мешаниной разных комплектующих. Возможно, эту картину WD не хотела бы показывать всему миру, но она является реальностью, и тестер во мне заинтересовался стендами не меньше, чем необычным миром “чистых комнат”. В этой комнате нет двухметровых машин. Здесь инженеры работают, не покладая рук, чтобы разобраться со всеми “кликами” и неполадками. Конечно, здесь может и не использоваться передовая наука, но данный этап всё равно важен для процесса исследований и разработок, а также для того, чтобы пользователи получили достойный конечный результат.
Анализ
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Сорок процентов лаборатории San Jose 2 посвящены анализу. Несмотря на невинную простоту блестящего небольшого столика, требуется провести существенное количество проверок и тестов, чтобы подтвердить, что каждая пластина работает так, как надо. У каждого диска есть своего рода мягкая подложка, на которую нанесена пара магнитных металлических слоёв, а затем углеродное покрытие. Каждый слой может иметь толщину всего несколько ангстремов, и каждый слой необходимо проанализировать на индивидуальные характеристики.
Одна из машин, выполняющих такую работу – просвечивающий электронный микроскоп (Transmission Electron Microscope, TEM). Когда я подходил к этой комнате, то дверь была закрыта и залеплена разными предупреждениями, напоминающими звукозаписывающую студию или “тёмную комнату” фотографа. Через некоторое время инженер внутри проводил нас к небольшому пятачку, не сильно больше стола, который показан на фото. Современные микроскопы TEM могут давать увеличение больше 1 миллиона крат. В данной конфигурации WD использует TEM для изучения кристаллической структуры, размеров доменов и толщины нанесённого слоя. По информации инженера, который показал нам эту комнату, “микроскоп может даже позволить провести анализ химических элементов”.
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Электронный микроскоп TEM исследует образец диска, но каждый образец должен быть специально вырезан в виде кружка с помощью инструмента под названием сфокусированный ионный луч (FIB, Focused Ion Beam). FIB берёт диск и вырезает из него очень тонкий кусочек – настолько тонкий, что в толщине человеческого волоса уместятся 1000 кусочков. Образец помещается на специальную сетку, и уже с этой сеткой работает микроскоп TEM. Пучок электронов формируется в верхней части колонны, проходит через середину колонны TEM, а также и сквозь сам образец. Существует два способа ориентации образца по отношению к электронному пучку. Вы сможете установить образец перпендикулярно пучку, когда пучок “простреливает” образец с верхней плоскости до нижней, а также и параллельно пучку, тогда он будет “простреливать” образец с одной стороны до противоположной.
Вы наверняка помните недавний переход на перпендикулярную магнитную запись, до которой магнитные домены “лежали” на поверхности пластины, а теперь они выстроены вертикально, как зёрнышки риса. Критическое значение имеет состав, расположение, расстояния и другие параметры “зёрнышек”. Электронный микроскоп способен показать разницу в росте доменов, которая, например, появляется при разнице в температуре в один градус между двумя процессами изготовления.
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
В идеальном случае все магнитные домены (“зёрнышки”) должны расти одинаково, но такого попросту не происходит. Когда магнитный материал наносится на подложку, домены будут ориентироваться в зависимости от вещества подложки, и эта ориентация, в свою очередь, влияет на то, как домены “растут” по терминологии инженеров WD. Но домены могут расти под разными углами, подложка может смещаться, да и многие другие случайные факторы тоже могут повлиять на конечный результат. Изменение процесса напыления может акцентировать размер домена или модифицировать его кристаллографию таким образом, что увеличит магнитную эффективность диска, то есть повысит эффективную плотность хранения данных.
Если посмотреть на фотографии, то левый экран показывает участок с дефектом (тёмная область) под тонким слоем. Центральная область называется мягкой подложкой, материал выше является магнитным напылением, а самый верхний слой – защитное покрытие.
“Сильное увеличение фотографий позволяет получить информацию о химическом составе”, отметил инженер WD. “Процесс прохождения электронов через образец приводит к излучению рентгеновских лучей. Мы можем оценить энергию этих рентгеновских лучей и получить информацию о химическом составе каждого слоя. Когда мы определим состав слоя, мы можем решить, нужно ли нам увеличить содержание того или иного химического элемента. Этот процесс также полезен и для анализа сбоев”.
Не только микроскопы
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Анализ не всегда начинается или заканчивается на электронном микроскопе TEM. Мне показали две дополнительные машины, не менее функциональные, но выполняющие совершенно иной анализ материалов. Обе машины располагались в комнате, напомнившей мне научную лабораторию в средней школе. Возможно, всему виной периодическая таблица Менделеева на стене, пёстрое покрытие из линолеума и обилие серых и бежевых оттенков. В любом случае, две машины были не похожи на другие инструменты, которые мы видели до этого: перед нами возникла дикая и, вероятно, опасная смесь из блестящих колонн, заклёпок и трубок.
Первая машина является инструментом для химического анализа методом электронной спектроскопии (ESCA, Electron Spectroscopy for Chemical Analysis; также известный как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия – X-ray Photoelectron Spectroscopy или XPS). Машина ESCA используется для определения атомарного состава поверхности и химических связей. Когда образец подвергается действию рентгеновских лучей определённой длины волны (алюминий K-альфа), то он излучает электроны с характеристиками химических элементов, присутствующих в нескольких нанометрах толщины поверхности.
“Электроны разделяются по энергии с помощью полусферического анализатора”, объяснил инженер в лаборатории. “Анализируя энергию этих электронов, мы можем идентифицировать химический элемент, который испустил электрон. Внимательно рассмотрев энергию электрона, мы также можем рассчитать состояние химических связей атома, испустившего электрон, в элементе”.
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Машина ESCA анализирует верхний слой поверхности в несколько сотен ангстремов, поэтому Western Digital использует её для определения различных слоёв, нанесённых на пластину. Если быть более конкретным, то WD использует ESCA для подсчёта количества смазки поверхности и защитного углеродного слоя толщиной меньше 2 нм на поверхности материала диска. Это критически важно для понимания свойств трения системы головка/пластина внутри накопителя.
Инженеры также вырезают кусочки из пластины и загружают их в машину ESCA для проведения анализа. На двух фотографиях выше можно заметить пластину, на которую кладутся кусочки, один ракурс был взят сверху, а другой – через небольшое отверстие сбоку.
“Мы измеряем толщину углеродного слоя, причём для каждого продукта толщина будет своя”, сообщил наш гид. “Для каждого продукта у нас есть допустимый диапазон толщины во многие ангстремы. Но если толщина выходит на несколько ангстремов за допустимые пределы, то процесс изготовления нужно повторить. Точное значение толщины держится в секрете.”
“Нанобур” ToF-SIMS
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Последний раз я работал со сверлом, когда использовал бур для подготовки ямок для столбов в земле. Перед нами же своего рода “нанобур”. Он ещё больше чувствителен к поверхности, чем машина ESCA, но на самом деле он не может сверлить отверстия, даже крошечные. Устройство выполняет впремяпролётную масс-спектрометрию вторичных ионов (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry, ToF-SIMS), предоставляя возможность WD определять даже единичные молекулярные слои на поверхности. В машине ToF-SIMS “луч из первичных ионизированных ионов бомбардирует поверхность, что приводит к появлению вторичных ионов, характеризующих состав поверхности.” В частности, это позволяет на молекулярном уровне идентифицировать загрязняющие вещества на поверхности диска, особенно в чувствительном взаимодействии головка/пластина. Как и в случае ESCA и TEM, идентифицируемые материалы должны находиться в условиях сверхвысокого вакуума.
“Бур” получает луч из первичных ионизированных ионов с золотой пушки, стреляет им в образец, после чего изучает вторичные ионы, образующиеся в образце”, объяснил инженер WD. “С подобным инструментом вы можете быстро получить большое количество данных. У всех аналитических инструментов есть преимущества и недостатки, поэтому для полноценного ответа нужно использовать каждый из них. Хорошо то, что вы получаете масс-спектральный анализ ваших образцов, и это очень точный способ определения загрязнителей, даже в очень небольших количествах, а также и источника загрязнителей. Но поскольку инструмент очень чувствительный, он может реагировать на присутствие некоторых элементов в количестве одной частицы по отношению к миллиарду других. Кроме того, здесь анализируется крайне небольшой вырез поверхности, поэтому интерпретировать его бывает нелегко. Вам нужно точно понять, что вас интересует, а что просто является мусором. Интерпретация для нас обычно наиболее сложная часть работы”.
“Даже если вы просто дыхнёте на образец”, сказал инженер “наносверла”, “я смогу это узнать”. Что ж, это была самая близкая к шутке фраза, которую я услышал от инженеров за весь день.
Пластины в мусорном ведре
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Когда мы вышли из отдела анализа и продолжили нашу экскурсию по лабораторному комплексу San Jose 2, я ненароком заглянул в белое ведро в коридоре. Вы видите содержимое на фотографии: десятки отбракованных пластин. Надо было взять парочку на память в качестве сувенира. Ведро говорило само за себя: нужно разбить не одну сотню тысяч яиц, чтобы сделать “омлет” для хранения данных. Или что-то подобное. В любом случае, ведро наглядно доказывало, что многое в лаборатории выполняется методом проб и ошибок, анализом и повторным анализом, производством и совершенствованием, и всё это приводит к новым и новым шажкам вперёд при разработке дизайна дисков. До этого дня я даже не представлял себе весь процесс. Возможно, чтобы ввернуть одну лампочку, потребуется один инженер, но нужны сотни инженеров, разбросанных по лаборатории с ультра-современными машинами, чтобы выпускать лампочки всё лучше и лучше. Когда мы покупаем ещё один терабайт за $100 или $200 для хранения данных, мы вряд ли представляем себе все усилия и затраты, которые ушли на то, чтобы сделать подобную ёмкость столь доступной.
Но больше всего напугало меня то, что экскурсия была не завершена даже наполовину.
Головки чтения/записи
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Если вы знакомы с проигрывателями виниловых пластинок, то наверняка найдёте, что головка чтения/записи жёсткого диска похожа на звукоснимающую иглу. Честно говоря, заходя в лабораторию WD Magnetic Head Facility в Фримонте, я ожидал встретить что-то очень простое, подобное звукоснимающей игле, которая считывает или записывает магнитную информацию на поверхность диска. Я даже не представлял себе, что магнитная головка чтения/записи не менее сложная и важная деталь, чем сама пластина. Опять же, я очень сильно недооценивал ресурсы и процессы, которые требовались для изготовления этого крошечного и простого по своей идее объекта.
Жёлтый мир
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
На следующих фотографиях вы сразу же заметите жёлтое освещение. Конечно, мы могли бы выполнить цветовую коррекцию, но именно так выглядит производство полупроводниковых подложек. Часть процесса производства требует использования фотолитографии, при которой фоторезистивный материал подвергается воздействию света определённой длиной волны. Всё очень похоже на фотографию: когда вы подвергаете непроявленную плёнку воздействию обычного белого света, то плёнка засвечивается. Фоторезистивный материал подложки не реагирует на жёлтый свет, поэтому многие коридоры лаборатории освещены этим сюрреалистичным светом. Если быть более конкретным, то свет флуоресцентных ламп фильтруется для устранения синего цвета и ультрафиолета, что даёт свет с длиной волны 550-650 нм.
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
На фотографии мы видим машину нанесения покрытия методом осаждения паров (Physical Vapor Deposition, PVD), которая используется для нанесения туннельного магниторезистивного стека (Tunneling Magneto-Resistive, TMR). Стек TMR состоит из нескольких слоёв сложных материалов, толщина каждого из которых измеряется в ангстремах. Самый тонкий из слоёв насчитывает толщину меньше 10 ангстремов, поэтому очень важно сохранять невероятную точность и контроль над всем процессом. По информации WD, стек TMR является наиболее критичным компонентом считывателя на головке чтения/записи.
Сложно передать, насколько впечатляющими кажутся эти машины. Размеры машины PVD таковы, чтобы полностью заполнить гостиную комнату. Но операции загрузки и выгрузки в машину выполняются из соседней комнаты, так что перед нами своего рода верхушка айсберга. Многие машины в здании имеют такие же системы загрузки, которые призваны минимизировать человеческое воздействие и автоматизировать процесс. Это снижает риск влияния человеческого фактора. Вдоль системы загрузки располагаются терминалы для мониторинга и контроля. Справа Хитер использует один из этих терминалов для проверки почты (шутка).
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Данная машина PVD используется для нанесения очень тонких слоёв под названием “посевные слои” (seedlayers). Посевные слои представляют собой металлические и магнитные “начальные” слои, которые наносятся на поверхность непроводящей подложки. Посевной слой обеспечивает электрическую проводимость для последующего процесса гальванопокрытия.
Наш гид проинформировал меня, что “по мере прохождения основного процесса требуется метрология, она широко используется”. То есть “инженеры измеряют всё, чтобы убедиться, что процесс идёт должным образом”. После комнаты с PVD мы обратили внимание на прибор, очень похожий на микроскоп. Выглядит знакомо, но перед нами, конечно, не микроскоп. Это инструмент для измерения толщины подложек, что немаловажно при напылении одного слоя за другим.
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Кроме процесса напыления PVD, Western Digital также использует гальванопокрытие для нанесения более толстых металлических слоёв на блоки считывания и записи головок. На фотографии показаны передняя и задняя части обычной станции гальванопокрытия. После того, как инженер установит подложку, за работу примется автоматика – чтобы, опять же, максимально исключить влияние человеческого фактора.
С фотографиями связана небольшая история. Специалист, которого вы видите на фотографии, старался сделать работу максимально качественно, у него просто не было времени на позирование для фото. Вероятно, существует двухсекундное ограничение для загрузки подложки в станцию гальванопокрытия после открытия лотка. Двухсекундная задержка приведёт к звуковой тревоге. К сожалению, из-за приглушённого освещения и трёх экспозиций, которые необходимы для съёмки с высоким динамическим диапазоном, у нас не было другого выбора, кроме как задержать работника больше, чем на две секунды. И хотя мы так и не услышали тревоги, у нас создалось чувство, что мы нарушили процесс загрузки. Так что если эта подложка использовалась для производства головок чтения/записи вашего жёсткого диска, то приносим свои извинения.
Не хотите принять душ?
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Эти душевые установки могут показаться забавными, но ничего смешного в них нет. Аварийные души расположены на всей площади “чистой комнаты” по производству головок. Поскольку во время производства используются жидкие химикалии – например, во время гальванопокрытия, влажного травления, химико-механического сглаживания и так далее – то аварийные души всегда должны находиться в близкой досягаемости. И хотя защитные костюмы предотвращают распространение загрязнителей, они не герметичные. Брызги едкого аммиака (или другого опасного вещества) могут вызвать серьёзные повреждения при попадании в глаза. Машины гальванопокрытия, например, используют большое количество кислоты. Если работнику придётся воспользоваться душем, то коллеги сразу же вызовут аварийную бригаду. Хотя мы обнаружили сток для раковины промывки глаз, а также занавески вокруг душа, мы не нашли стока на полу. Будем надеяться, что компьютерные провода на полу рядом защищены от влаги.
Обработка пучком ионов
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Пучки ионов можно использовать как ещё один способ нанесения очень тонкого слоя материала на поверхность. Газ подвергается воздействию очень мощных электрических полей, что приводит к ионизации. Машина IBD использует очень высокое напряжение для фокусировки и ускорения пучка ионов для бомбардировки подложки, а также и для замедления при необходимости, чтобы лучше контролировать процесс нанесения. В случае WD машина IBD используется для объединения частей блока считывания. Это довольно важный этап, когда электрические и магнитные компоненты считывателя соединяются со стеком TMR. Толщина, угол соединения и точный состав материалов – всё это тщательно контролируется.
Количество
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Невероятно, но из одной шестидюймовой (15 см) положки можно получить около 50 000 слайдеров. При этом уникальный номер ID выдаётся не только каждой подложке, но и каждому слайдеру. Причём ID слайдера содержит не только ID подложки, но и вертикальные и горизонтальные координаты расположения слайдера на подложке. В целях контроля качества каждый слайдер должен отслеживаться на 100%. Здесь вы можете видеть, как оператор проверяет идентификационный номер подложки. Поскольку мы провели долгое время при жёлтом освещении, то зелёный свет, который использовал оператор для считывания ID, оказался сюрпризом. Я даже побродил некоторое время вокруг, наслаждаясь тем, что свет не жёлтый. Кстати, вы можете посмотреть и видеоролик оператора за работой.
Мелочи жизни
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Мы увидели немало интересного в лабораториях и на заводах, но смогли описать только часть того, что мы увидели. Мы постарались рассмотреть наиболее передовые и интересные машины, которые наглядно демонстрируют, что компаниям, подобным Western Digital, приходится прибегать к помощи нанотехнологий в своих исследованиях и разработках, чтобы и дальше совершенствовать свою продукцию. Конечно, далеко не всё на заводе впечатляет так же сильно, например, на фотографии слева оператор находится рядом с сушильной камерой для закрепления фоторезистивного (светочувствительного) вещества. Мне показалось, что агрегаты, похожие на турбины, смотрятся любопытно.
На фотографии справа оператор загружает подложку в машину напыления PVD. В данном случае на подложки наносится слой окиси алюминия. Это последний (верхний) слой, покрывающий всю головку, и он служит для защиты головки от воздействий внешней среды. Наш же удивило то, как оператор надел свои очки, без костюма так не получилось бы. Забавно видеть, как работники адаптируются к условиям этого чудного места.
Если наши фотографии не очень помогли представить масштаб лаборатории, мы предлагаем взглянуть на небольшой видеоролик. Он наглядно позволит оценить масштаб “чистых комнат” WD.
Western Digital Charitable Foundation.
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Приятно, когда компания понимает и ценит благотворительность. WD давно работает с близко расположенными социальными объектами через фонд Western Digital Charitable Foundation. Бюджет фонда расходуется на образование (40%), на медицину (40%), на общественные нужды (20%). Большая часть бюджета фонда формируется по итогам годовой выручки компании, но работники тоже часто жертвуют средства, а также и своё время для участия в разных проектах в качестве волонтёров.
Одна из популярных акций по сбору денег заключается в ежегодной плате за место для парковки, которая уходит на содержание столовой для бедных. Похоже, что парковаться рядом с заводом Magnetic Head Facility не так легко. WD получила специальное разрешение на уличную парковку у мэрии Фримонта, да и арендовала часть пространства у ближайшей заправки. Так что выделенное место для парковки – бонус неслабый.
Сборка винчестеров
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Мы побывали в исследовательских центрах WD по производству пластин и головок чтения/записи. Да, в конечном итоге всё это будет работать в нашем макромире. И здесь начинает играть свою роль третий исследовательский центр. Ещё в одной “чистой комнате” производится сборка жёстких дисков, после чего они тестируются. Если всё пройдёт так, как надо, и никаких недостатков выявлено не будет, то жёсткие диски и их компоненты будут одобрены для массового производства в Азии.
Конвейер сборки
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Как и можно было ожидать, данный конвейер кажется миниатюрой по сравнению с армией работников WD в Малайзии и Таиланде. Цель всей этой команды заключается в производстве достаточного количества жёстких дисков, чтобы они были статистически существенны для каждого нового дизайна винчестеров. Вдоль конвейера расположено девять станций сборки. Остальная часть комнаты заполнена рабочими столами с разным тестовым оборудованием.
Если вы никогда не видели, как собирается жёсткий диск, то вас наверняка заинтересуют следующие фотографии.
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Фотографии говорят сами за себя. Если вы знаете строение жёсткого диска, то наверняка знакомы с тем, что к корпусу крепится шпиндель, который удерживает вращающиеся пластины и так далее. На втором кадре можно видеть монтаж актуатора катушки, то есть мотора, который приводит к перемещению головок вдоль поверхности пластин. В этой небольшой дуге содержится магнит, который взаимодействует с катушкой для управления движениями рычага с головками.
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Поскольку установку головок чтения/записи и рычага требуется выполнять очень точно и аккуратно, это делает робот (фотография слева). Справа можно видеть специальную отвёртку в руках оператора для сборки винчестера. Отвёртка прилагает определённый вращающий момент, и с её наконечника не могут оторваться и упасть винты. Неплохо было бы обзавестись такой в гараже.
Примечание: если честно, мы фотографировали процесс сборки “задом наперёд”, начиная с финального этапа. Если вы хотите посмотреть на части сборки в действии, то рекомендуем следующий видеоролик.
Excalibur
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Жёсткие диски покидают конвейер сборки в небольших ящичках, проходя по ленте. Здесь винчестеры распределяют в разные участки на разные машины для длительного тестирования. Одна из таких машин называется Excalibur. На фотографии справа можно видеть, как оператор загружает жёсткий диск на конвейер Excalibur. Объект за стеклом чуть выше уровня головы – это манипулятор робота Excalibur. Робот забирает жёсткий диск и устанавливает его в ячейку сзади. В ячейке на жёсткий диск будет записана служебная информация и разметка. После этого шага жёсткий диск будет способен сохранять информацию.
Машина Excalibur вмещает около 5000 жёстких дисков. Мы видели и другие тестовые машины поменьше, но Excalibur должен справляться с выпускаемым WD потоком жёстких дисков. В любой момент в машине Excalibur присутствует несколько экспериментальных винчестеров, как 2,5″, так и 3,5″. Всего же ежегодно через машину проходит несколько десятков тысяч жёстких дисков.
Однако хотя здесь мы видим процедуры тестирования WD на пилотных образцах жёстких дисков, следует знать, что те же самые тесты выполняются на производственных линиях в Азии. Хотя WD производит более полумиллиона жёстких дисков ежедневно (компания сообщила о почти 50 миллионов образов, выпущенных в четвёртом квартале 2009 года), каждый из них проходит через систему Excalibur и процесс тестирования, как и относительно немногие образцы в данном исследовательском центре.
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Перед тем, как мы покинули пилотный конвейер, мы решили зайти в небольшую комнату, где обнаружили инженера тестирования с памятью NAND, исследовавшего производительность и надёжность отдельных чипов. Компания сегодня вступает в область твёрдотельных накопителей SSD, и можно видеть, что она не собирается просто лепить свои этикетки на накопитель какого-либо другого производителя. Инженеры на данной тестовой станции берут разные блоки памяти NAND, проводят разные тесты нагрузки и износа, после чего определяют пределы дизайнов на памяти SLC и MLC. Исследуется количество сбоев на сектор. Видите красную точку на зелёной “шахматной доске”? Это сбойная ячейка. После определения вышедшей из строя ячейки, проводятся дальнейшие тесты для определения причины сбоя, чтобы подобные неприятности не повторялись вновь.
Колонна слева от тестовой платформы – это камера для климатических испытаний, куда можно установить тестируемый образец. Камера позволяет инженерам проводить тесты разных характеристик производительности в разных условиях. Логический анализатор позволяет специалистам WD исследовать разные профили тока и энергопотребления в зависимости от операций, таких как чтение или запись.
“Переход на SSD не решит все проблемы в сфере накопителей”, сказал инженер WD. “Просто старые проблемы уступят своё место новым”.
Но что уж мы точно можем сказать по итогам нашей экскурсии, так это то, что компания привыкла решать проблемы.
Заключение
 |
Нажмите на картинку для увеличения.
Последние моменты за пределами “чистой комнаты” пилотного конвейера сборки. Настало время прощания. Видите пластиковую бутылку? В ней находится чистящая жидкость, которая, вместе с салфетками рядом, используется для протирания оборудования перед каждым входом в “чистую комнату”. Мы ещё раз хотели бы поблагодарить представителей Western Digital за столь редкую возможность посетить исследовательские подразделения компании. Надеемся, что наша виртуальная экскурсия позволит по-новому взглянуть на индустрию и на те шаги, которые требуются для внедрения новых улучшений. Когда мы будем переходить с 2-Тбайт на 4-Тбайт винчестеры в ближайшем будущем, а также начнём ожидать 10-Тбайт моделей, чтобы доверить им свои данные, мы будем вспоминать два дня, проведённых в исследовательских подразделениях WD, когда нам представилась редкая возможность взглянуть на людей, машины и невероятные технологические достижения, которые сделали всё это возможным.
