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关于硬盘振动你需要知道的一切

作者:Brett Kelly, 45Drives的研发工程师

硬盘驱动器(HDD的)是有史以来最令人印象深刻和重要的机电设备之一。当我想起来的时候,这些东西真的很神奇,更别说工作得这么好了!这些圆盘必须快速而精确地将磁头定位在快速旋转的盘片上非常狭窄的轨道上方。如果磁头的角度位置有错误,它将不会被定位在正确的扇区之上,因此不能正确地读取或写入数据。

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有一件事会干扰这种惊人的精细和快速定位,那就是振动。振动会引起磁头相对于磁道位置的微小变化,因此它可能是硬盘正常运行的敌人。但HDD振动的机理是一个晦涩的课题,因此,围绕着振动有一种神秘的气氛。作为我工作的一部分,我花了很多时间和精力来理解振动,并设计我们的系统来处理它。我希望与你们分享其中的一些,以帮助你们揭开这个主题的神秘面纱。

HDD结构和规模

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下图显示了典型硬盘的结构,显示了盘片、磁道、磁头、扇区和柱面(盘片表面上对应的磁道集)。

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为了了解这一切到底有多小,让我们做一些简单的计算。
* WD紫色8TB硬盘大约有2.48亿轨道切割到150亿扇区的北部横跨所有盘片。
*我们假设有8个托盘,都是双面的。这意味着在一个盘子的每个表面上有大约1550万个轨道。
*假设外径为3.5 ",内径为1.75 ",盘的实际可用空间半径为0.875 "
*这样每英寸就有1770万首歌曲了。
*考虑到一张标准信纸的厚度是0.004英寸,这意味着你可以在一张纸的边缘上放70800个轨道。
这确实是一个很小的维度。

一旦你看到小的位置公差,它变得明显,即使是最轻微的振动可以移动手臂(关于盘)在阅读或写作,结果导致一个IO小姐。小姐,硬盘必须让磁盘旋转一个革命和再试一次。这大大增加了完成读/写的时间,在极端振动下,操作可能会延迟几个磁盘转数。

这些读/写延迟是所有振动引起的性能下降的根源。

振动源

我将忽略来自计算机外部的振动,因为它更多的是笔记本电脑和台式机的问题,我工作的服务器安装在机架上,通常不受外部振动的影响。

这就给我们留下了两个主要的内部振动的来源风扇和硬盘本身。

风机振动,风扇是振动的来源,但良好的质量平衡的风扇有更少的振动和一个大型重型坚实的服务器,如我们的45驱动器的存储器,将减少风扇振动。如果制造商注意,风扇振动可以很好地低于硬盘驱动器可以处理的阈值。

现在,让我们谈谈硬盘本身引起的振动。它有两个来源:磁碟的摆动,以及对头部寻求加速度的反应。

盘摆动,这是由于旋转盘内的轻微不平衡造成的。这是一个容易识别的正弦振动频率,准确对应的盘片的转速(90 Hz为5400 RPM, 120 Hz为7200 RPM,等等)。主要的不平衡是在平面内,所以振动是在X-Y平面(见下图)。

反应头寻求加速HDD头安装在手臂上,旋转寻求到新的轨道。这些寻找可以非常迅速地发生,超过100次/秒,所以手臂必须快速加速。根据物理定律,快速的加速度需要很大的力,每个作用力都有大小相等、方向相反的反作用力。因此,一个转动力被应用到HDD体上。虽然HDD的身体相对于头部和手臂是巨大的,但反作用力足以轻微移动HDD,导致X-Y平面的振动。

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直接看一下硬盘震动

理论上的解释很好,但实际看到更有趣。所以我们买了一个加速度计芯片,把它的3轴输出通过运算放大器连接起来。这些被输入到存储镜中,这样我们就可以记录波形。然后我把加速度附加到西部数字Ae 6TB硬盘上,这是我选择的,因为我碰巧有它在手边,碰巧有典型的振动特性。然后我记录了硬盘在两种情况下的振动:自由漂浮(实际上是悬挂在弹性材料上);并附在一块巨大的花岗岩上。这些显示了内部硬盘振动的最大和最小幅度(自由浮动显示了最坏的情况,安装在花岗岩上的硬盘显示了最好的情况,而安装在真实服务器上的硬盘是中间情况)。

自由浮动HDD -最大振动

接下来的两个图是在硬盘自由浮动时捕获的。这代表了驱动器安装的最坏情况。Y轴是加速度(1G =9.8m/s^2), x轴是时间。

第一张图是沿x轴测量的振动。蓝色跟踪是指磁盘上电但处于空闲状态。你可以看到有一个一致的正弦波频率是90Hz,这是磁碟抖动。转换成RPM,你得到5400 RPM,这正是磁盘的额定转速。绿色跟踪是在磁盘进行随机写测试时采集的。你可以清楚地看到,寻找下一个行业的头带来的加速峰值。

软限制,黄线是大约0.22 Grms的软限制,性能下降将开始变得令人讨厌(超过%10)。振动水平引起的位置误差大到足以导致IO丢失,但又不足以造成磁盘和磁盘控制器之间的完全超时。

硬限制。红线是一个硬限制在~0.67Grms,在那里硬盘将经历不可恢复的错误,硬盘将不会以有用的方式运行。

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下一个图是相同的设置,但显示y轴数据(在单独的时间记录)。蓝色跟踪处于空闲状态,绿色跟踪是在随机写入期间。同样,黄色是软限制,红色是硬限制。

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我没有展示z轴,因为振动很小。

硬盘被固定在花岗岩上

下一个图表是当硬盘安装到一个大的花岗岩板上时拍摄的,这代表了最好的情况下的驱动器安装场景。蓝色的轨迹是x轴的振动绿色的是y轴的振动。黄色是软限制。(我没有费心在搜索过程中包含跟踪,因为模式与自由浮动场景中完全相同。)注意,规模是不同的。振动的急剧减小是明显的。16 ndd263_th2
观察和结论

需要注意的是,在自由浮动情况下,振动大多在软极限下,但在头部搜索时,y轴振动峰值恰好在软极限处。这个极限是一个均方根数,因此我们可以得出结论,如果所有的硬盘驱动器必须担心的是它们自己的激励,振动引起的退化不是问题。

如果我们将硬盘与任何大物体严格耦合,振动就会显著降低。因此,一个单一的硬盘安装在没有其他振动源的底盘上将表现良好,没有任何振动问题。

不幸的是,在现实世界中,服务器通常有多个磁盘、带有风扇的大型电源模块、多个案例和CPU风扇。这些都创造了叠加的振动。因此,必须仔细设计底盘,使硬盘驱动器与它有足够的刚性;底盘本身有足够的质量和刚度来抑制振动。所有这些都必须仔细衡量。我将写另一篇博文,展示这一切是什么样子的。


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关于硬盘振动你需要知道的一切
  1. 安德利 说:

    优秀的文章!我想做同样的事情但我想知道你用什么传感器来测量振动。我正在寻找一个传感器,但还没有得到我想要的结果。

  2. 约瑟夫 说:

    弹性悬挂方法会影响硬盘的使用寿命吗?

    我一直在找这样一篇文章很长时间了,非常感谢你花时间!

  3. 理查德。 说:

    似乎你没有包含花岗岩板的图形,而是两次错误地包含了自由浮动的Y轴。

  4. 约翰内斯 说:

    非常有趣的文章,谢谢分享!我正在构建一个DIY NAS解决方案,遇到了几十个关于硬盘驱动器的硬安装和软安装的讨论。如果PC机箱中有第二个硬盘(对第一个硬盘施加压力),我一直想知道硬盘的硬安装还是软安装是首选的解决方案?

  5. 丹尼尔 说:

    可能的振动甚至可能导致硬盘重启:在Windows会话期间,磁盘发出噪音、断开连接、重新初始化和重新连接。

    至少在这里是这样的。8tb驱动器没有问题的情况。但是WD (HGST Ultrastar Data Center Hard Drive) DC HC520更经常重启,一旦有三个或更多的磁盘安装。如果磁盘躺在旁边的pc与内部电缆连接,它似乎是ok没有重启。如果我把pc塔放在软材料上,它似乎更糟糕,就像塔直接站在桌子/地板上。

    我交换了电缆和sata端口。在我的设置中应该没有硬件问题。

    与您使用4到6个磁盘所做的类似的测试设置可能非常有趣!I recommend the mix 2x 8 TB WD Red and 2x DC HC520. I can hardly believe that simple vibration leads to disk restarts.

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