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日志

 
 

〖硬盘的构造〗  

2008-01-30 10:48:48|  分类: IT资料收藏 |  标签: |举报 |字号 订阅

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2007年12月04日 星期二 10:52

谈起参观WD泰国硬盘工厂,我们必须要明确的一点是,如果不加特别解释的话,我们通常所说的“硬盘工厂”,指的都是硬盘整机(即“硬盘驱动器”)组装厂。CPU的制造过程中也有封装的步骤,可以把这一步拿出来单独成立封装测试厂,但我们很难把CPU明确地再分解成若干部件,每种部件都有特定的供应商——要真这样的话Intel的CPU工厂只靠做些组装的活儿就能获取高额利润,那钱赚得岂不是太容易?

如果要类比的话,硬盘工厂(即整机组装厂,下同)应该与光驱生产厂更为接近,前者要用到的磁头、盘片及马达与后者要用到的光头、马达等往往都来自于供应商,大家做的都是一个组装的工作。更通俗一些的话,还可以想想PC的生产:CPU来自于Intel或AMD,主板来自于华硕、微星等有名或无名的大厂小厂,内存(条)来自于三星、英飞凌……这是大家最熟悉的组装过程了。当然,这些比喻那些硬盘供应商们听了会生气的,别的不说,就凭现代硬盘的(温彻斯特)工作原理要求内外部空气要相对隔绝这一点,就需要硬盘工厂斥巨资建立并维护Class 100(100级)甚至Class 10(10级)的净室,关键的生产步骤都在里面进行,技术要求和难度都远非PC和光驱的生产所能相比——不然,硬盘厂商也不至于像现在这样“屈指可数”啊。

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在净室中操作的工人们。环境要求:温度20℃±3℃,相对湿度40%~65%,直径大于0.5微米的微粒不超过100个,大于0.3微米的不超过300个。不同的工厂上述条件会有出入,但都是很严格的。

当然,硬盘整机的制造是“来料加工”的组装过程,并不意味着硬盘厂商不具备部件的研发和生产能力。日立(Hitachi GST,以前的IBM硬盘部门)和希捷(Seagate)都采用所谓的垂直整合模式,即能够包办从磁头、盘片的研发生产直至硬盘整机制造的全过程。就像希捷公司台湾技术行销经理朱秋男先生所说,希捷拥有从部件到硬盘驱动器的全线技术,生产硬盘所用到的主要零部件中只有马达来自于日本厂家(在中国和泰国生产)。当然,这样做的代价也是巨大的,譬如希捷公司从2003年7月至2004年6月的硬盘技术研发投入达到了6.66亿美元,而在此期间其总收入为62.3亿美元,净收入5.29亿美元(若排除2004年4~6月的重组费用,为5.66亿美元)。

相比之下,WD(西部数据)公司采用的(在部件技术上的)跟随策略成本就要低很多,所冒的风险也小。同期WD的总收入为30.47亿美元,净收入1.513亿美元(若排除2003年第三季度收购Read-Rite的费用,为1.993亿美元),而在此期间的研发投入为1.84亿美元。即使考虑到不同的公司在不同时期经营业绩和研发投入会有一定的波动,这种对比也是颇具参考价值的。

站在不同的角度去解读上述数据会得出不同的结论。笔者认同高投入才能有高产出的观点,希捷公司较高水平的利润率就与其高研发投入有很大的关系。不过,这样无疑会抬高硬盘行业的门槛,特别是对WD、三星等以生产较低利润的台式机硬盘为主的厂商更是如此——如果所有的硬盘厂商都必须采用垂直整合的业务模式,那么硬盘行业的格局就不会是今天这个样子。在这方面我们可以想想PC行业,虽然更有技术含量的IBM最终退出了这个自己一手开创的市场,但如果没有高度的分工合作带来的市场繁荣,今天用得起计算机的人能有这么多吗?

越扯越远了,就此打住,言归正传。

部件举例之磁头上岗记(上)

强求每家硬盘厂商都走垂直整合之路不现实,但尽可能地掌握一些关键部件的技术却很有必要。特别是在盘片存储密度越来越高、磁头尺寸越来越小,以至一度因遭遇技术瓶颈而被迫放缓单碟容量提升速度的今天,缺乏盘片和磁头技术储备的硬盘厂商将会在新产品的推出上处于不利地位。迈拓(Maxtor)在2001年9月将MMC Technology变成了自己的全资子公司,现在后者已经是它最大的盘片提供者;WD则在2003年7月收购了磁头供应商Read-Rite,现在其位于加州Fremont的晶圆制造厂即得自该交易。垂直整合不是万能的,但离核心技术太远是很容易无能的。

笔者没有去过Fremont,但有幸参观过日立GST设在深圳的磁头生产工厂。与硬盘工厂一样,磁头厂也不允许随便拍照,好在WD在其为此次访问专门准备的会议室里摆放了磁头生产过程中各个阶段的产品,我们可以一一展示给大家。

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从6英寸晶圆到最终成为硬盘驱动器的一分子——仅仅磁头一个部件的“芯路历程”就如此的复杂。从中我们也可以对Slider、HGA和HSA有个比较直观的认识

包含读写电路在内的磁头位于一个叫做Slider(滑橇)的小滑块上,后者具备空气动力学特性,能够在盘片转动带来的空气垫上滑行并稳定在一个高度范围内,保证数据读写的准确。有时人们会将Slider等同于磁头来表述,随着存储密度的不断提高,磁头的飞高越来越低,Slider的体积也越来越小,像什么皮米滑橇(pico slider)、飞米滑橇(femto slider)相信大家都有所了解。

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晶圆和切割成的Slider Bar

Slider在晶圆上蚀刻出来,晶圆直径越大,Slider尺寸越小,单个晶圆上的Slider产量也就越高(当然良率要有保证)。目前WD采用的是6英寸晶圆,不过Slider好像还没到femto的级别。晶圆被切割加工成长条(Slider Bar),进而是单个的Slider。

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单个的Slider

部件举例之磁头上岗记(下)

然后Slider便被固定在磁头臂前端的悬架上,后面引出相应的电路,即所谓的HGA(Head Gimbal Assembly,磁头悬架组件)。由于同一张盘片两面的HGA方向相对,所以便有A、B两种类型的HGA。

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两种类型的HGA,可以看出它们是反向的

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B型HGA的特写

接着,几个HGA(一张盘片需要1或2个)堆叠在一起,再加上前置放大器(preamplifier),就形成HSA(Head Stack Assembly,磁头臂组件)。

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这就是HSA

最后,承载着一个或多个磁头的HSA作为一个部件加入到硬盘驱动器组装的工序中。

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单个HSA的特写

3.5英寸硬盘:“坦诚相见”(上)

3.5英寸硬盘是WD产品线中的绝对主力,除了采用3.3英寸盘片的Raptor(猛禽)以外,都是采用3.74英寸(合95mm)盘片的所谓桌面型硬盘。当然,“桌面型”并不代表着其服务对象一定是台式机,机顶盒、游戏机什么的就无需笔者多说了。大家都很熟悉像Caviar(鱼子酱)、Caviar SE(特别版)等商业化的名称,而在WD公司内部,通常以各种代号来称呼,譬如Eagle指的就是Caviar。

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左侧的XBOX专用硬盘为单碟单面设计,只有一个磁头,被盘片所遮挡

看过了“坦诚相见”的硬盘驱动器,对于其各组成部件一定很有兴趣吧?现在的WD宣传上的确很动心思,布置了专用的展板,供我们观赏组成硬盘(驱动器)的各个部件。WD的这款3.5英寸硬盘共有18种部件,其他的3.5英寸硬盘可能在部件的种类上有所区别,但显然是大同小异。至于部件的数量,底托、顶盖、主轴马达、HSA、PCBA等一部硬盘驱动器只有1个,盘片会有一个或多个,而螺钉肯定就要上两位数了。

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3.5英寸硬盘部件全景图:每种部件下面的标签都注明了其名称、数量和产地,不同的产地还加以颜色区分

接下来我们近距离地观察一下各部件吧。先看全景图中左上角区域的6种部件。最上面的两个分别是条码标签和盘体侧面Clock窗口的封口纸(HDA组装完毕后,需要通过一个外部磁头读盘片外面的一个记号,这个记号的信号称clock);中间的两个分别是关机状态下锁住HSA的Latch(直译为“门闩”或“弹簧锁”,在盘片加电起转时产生气流的带动下解锁)和内部空气过滤器;最下面的两个则分别是主轴马达和构成VCM(Voice Coil Motor,音圈马达)的两块磁铁中位于上面的那块(不过图中是倒过来放的)。很凑巧,这几种部件均只用1个。

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留神观察主轴马达

往下是硬盘(驱动器)的外壳,分为底托和顶盖两部分。底托的英文原意“disk drive base”反映了整个硬盘驱动器的其他组件都要直接(如主轴马达、VCM、顶盖和PCBA)或间接(如HSA)地安装在其上的基本事实,于是窟窿和螺孔随处可见;顶盖最终要和底托结合在一起,所以它也有不少供螺钉穿过的洞。

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外壳两大件——底托和顶盖

3.5英寸硬盘:“坦诚相见”(下)

右面就是PCBA(Printed Circuit Board Assembly,印刷电路板组件)和盘片了。PCBA有时会被简略地称为硬盘的“电路板”,它与HDA(Head-Disk Assembly,磁头磁盘总成——此处之所以没有用“组件”,主要是考虑到还包括有主轴马达、VCM和外壳,换个表达方式或许更为确切)共同构成一台完整的硬盘驱动器。盘片这里只摆出了一张,大家知道可以有更多就是了。

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PCBA和盘片

再转向上,是构成VCM的两块磁铁中位于下面的一块和HSA,可以看到,HSA的磁头所在区域受到了很好的保护。

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HSA的尾部是VCM的线圈

最后的6种并非核心部件,但大多都不可或缺。首先是盘体底部(激光辅助磁头)定位窗口的封口纸,没有它硬盘就会漏气;3个螺钉的封口纸用来遮挡外露的螺帽,主要是出于美观的考虑;右上角的Disk Clamp拧上螺钉后起到夹紧盘片的作用,相当于主轴马达的轴毂;第二排那个标签被闪光灯打亮的部件是呼吸孔(空气)过滤器,作用是保证进入硬盘驱动器内部的空气的纯净度和相对湿度;6颗T7螺钉用于固定轴毂,而16颗T8螺钉的用途就无需细述了。

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没什么特别值得说的东西

上述所有部件中,产自新加坡的种类最多,但多为封口纸、螺钉等非核心元件;外壳和VCM的磁铁等相对较大的金属元件主要来自马拉西亚;WD在泰国的两个工厂都生产HSA,日本马达提供商在泰国也有工厂,所以HSA和主轴马达都来自泰国并不出人意料。盘片的来源最多,马来西亚、中国(台湾)、新加坡、日本都有,PCBA则略逊一筹——硬盘组装厂通常也具备PCBA的生产能力,因此泰国和马来西亚都赫然在列,另一个产地则是中国(内地)。

2.5英寸硬盘:何止“五脏俱全”?

俗话说得好:麻雀虽小,五脏俱全。2.5英寸硬盘虽然个头比3.5英寸硬盘小了一大圈,但毕竟还没有小到微硬

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2.5英寸硬盘部件全家福

安置两种硬盘部件的展板相邻摆放且面积相同,虽然2.5英寸硬盘的部件普遍尺寸较小,但其展板一点儿也不显得空旷,因为WD Scorpio(天蝎)具有20种部件,比前面所介绍的3.5英寸硬盘还多2种。之所以会出现这种情况,是因为2.5英寸(移动型)硬盘对抗冲击能力有着更高的要求,需要为此增加相应的部件。

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这样看不出比谁小一号来

我们先把3.5英寸硬盘就有的部件过一遍吧。盘片除了小(直径65mm)之外没什么可说的,外壳却因为变小而带来一些不同。主轴马达没有那么大了,和底托连在一起显然比到硬盘(组装)厂再用3颗螺钉固定要好,Clock窗口和定位(Positional)窗口也全都挪到了顶盖上。

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PCBA和HSA

上面的条码标签和Clock窗口的封口纸不用再讲了,中间靠左的是垫圈,对3.5英寸硬盘来说,如果只有一张盘片就不需要(前面的情况就是如此),盘片与盘片之间才会用到;这款2.5英寸硬盘则不然,主轴马达上没有高出来的“台阶”,必须加一个垫圈才能放盘片。不管怎样,垫圈都不是2.5英寸硬盘有而3.5英寸硬盘没有的部件——右面被称为Interposer的东西才是,我们后面将会介绍。下面靠左的是VCM的磁铁,由于2.5英寸硬盘高度有限(移动型仅9.5mm,刨去顶盖和底托就更紧张了),所以磁铁只有一块(又少了一种部件),右面的是夹紧盘片用的轴毂。

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VCM磁铁一块就够了

左上角的两个圆形封口纸用来遮盖充当HSA转轴的螺钉,右边依次是定位窗口的封口纸和两片用于内部空气流通的过滤器(产地的拼写搞错了);中间一排是呼吸孔(空气)过滤器、13个M2螺钉和2个同名但形状并不一样的螺钉(可能是标注错误);最下面3个部件分别是停靠磁头的坡道(ramp)、外圈急停(Outer-Diameter Crash Stop)装置和惯性臂(Inertial Arm),我们接下来就会介绍它们的作用。

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下面一排值得介绍

2.5英寸硬盘:坡道与抗冲击

大家知道,2.5英寸(移动型)硬盘与3.5英寸硬盘在结构上最大的不同就是磁头停泊的位置由盘片最内圈的启停区改到了位于盘片外面的坡道上(后者目前只有Hitachi GST这么做,而且必要性并不大),这种技术被称作磁头坡道加载/卸载(Ramp Load/unload,简称L/UL)或有着其他商业化的名字,主要作用即当硬盘关机或处于空闲状态时将磁头移出盘片上方,在坡道上停靠(图中①所指区域),由于磁头和盘片不会发生接触,抗外部冲击的能力大为增强。

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①停靠磁头的坡道(Ramp);②HSA,一端是磁头,一端是VCM的线圈;③内圈急停(ID Crash Stop)装置;④外圈急停(OD Crash Stop)装置;⑤惯性臂(Inertial Arm);⑥Interposer。

不管磁头停靠在盘片内圈还是外面,都必须有限制HSA(图中②所指部件)活动范围的机构,以免磁头的行程越界而造成意外损坏。图中③所指为内圈急停(Inner-Diameter Crash Stop)装置,故名思义,防止磁头向主轴方向运动时超过盘片最内圈(发生碰撞的事故);④所指为外圈急停(Outer-Diameter Crash Stop)装置,防止磁头在坡道上停靠时继续向外运动。就我们看到的这款Scorpio来说,其内外圈的急停装置都是半透明的塑料/橡胶类材质,其中内圈急停装置固定在VCM的磁铁上,而外圈急停装置作为一个独立的部件后安装上去,但无论哪种做法,效果都是一样的。

显然,只有当磁头停靠在坡道上的时候,后者才能够体现出对抗冲击能力的贡献。虽然已经有了外圈急停装置,使我们无需担心在硬盘受到跌落、震动等冲击时磁头会进一步向外侧运动,可怎样才能防止磁头(向内运动)脱离坡道、返回盘片上方呢?这就需要惯性臂(图中⑤)和Interposer(图中⑥)协同作战,一显身手了。

惯性臂是个加速度感应/传动装置,其上有一大一小两个孔,较大的孔在箭头所指位置,底托上的一根针状物穿过它作为轴,较小的孔与下方的Interposer连接。张衡地动仪的原理或许有助于我们理解惯性臂的作用:当硬盘受到外力作用(如撞击或跌落)产生加速度时,惯性臂受加速度作用,与Inerposer连接的一端围绕自身的轴摆动,而无论这个摆动的方向是顺时针还是逆时针,独特的设计都保证Interposer只向一个方向动作,与HSA尾部(VCM线圈所在位置)的凸起相咬合,使其动弹不得,磁头便不能脱离坡道,从而能够很好地抵御外来冲击。一旦外力消失,惯性臂不再向Interposer施加影响,后者恢复原位,对HSA的锁定也就消失,磁头可以返回盘片上方继续工作了。

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日立最新发布的Travelstar 7K100的VCM细部图。可以看到,无论惯性臂顺时针(红色箭头方向)还是逆时针(蓝色箭头方向)摆动,其下的白色部件(WD所称的Interposer)都只会逆时针转动,锁住HSA的尾部(红色箭头出发点附近位置)

WD Scorpio虽然是2004年才推出的“小字辈”,但上述技术实现的专利早在2001年2月6日就得到了批准,与日立(Hitachi GST)等2.5英寸硬盘市场上的“老前辈”所采用的方法在原理上是一样的。

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