Последние 10 лет многие производители заполняют корпуса дисков гелием вместо обычного воздуха. Эта, казалось бы, простая идея позволила радикально увеличить емкость накопителей и улучшить их эффективность. Разберемся, как это работает и почему это важно.
Почему именно гелий?
Гелий — второй после водорода самый легкий элемент во Вселенной. В семь раз легче воздуха, он создает гораздо меньше сопротивления при движении предметов. Именно эти физические свойства делают его идеальным для использования в хранилищах данных.
На атомарном уровне гелий уникален: на его внешней электронной оболочке находится всего два электрона, и она уже заполнена. Это делает элемент химически инертным и наделяет особыми физическими свойствами. Частицы этого газа практически не взаимодействуют друг с другом, что приводит к крайне низкой вязкости вещества. При комнатной температуре молекулы движутся со средней скоростью около 1300 метров в секунду — в 4 раза быстрее, чем составляющие воздуха, но из-за малой массы они создают гораздо меньше турбулентности.
А чтобы понять преимущества гелия, нужно разобраться, как устроен современный жесткий диск. Внутри герметичного корпуса находятся магнитные пластины (платтеры), которые вращаются со скоростью 5400 или 7200 оборотов в минуту. При вращении в воздушной среде возникают сложные аэродинамические эффекты - своебразная турбулентность. Слои воздуха между пластинами образуют вихри и завихрения, которые, в свою очередь, не только создают сопротивление вращению, но и вызывают микровибрации. Возникающие вибрации создают серьезную проблему для позиционирования головок чтения-записи: они должны двигаться над поверхностью диска с зазором всего в несколько нанометров. Чтобы справиться с нагрузкой, производители вынуждены делать пластины достаточно толстыми и жесткими.
Как гелий меняет правила игры
Когда вместо воздуха используется гелий, физическая картина радикально меняется. Из-за низкой плотности вещества турбулентность снижается в несколько раз, а сопротивление движению пластин становится минимальным. Это дает сразу несколько важных преимуществ:
- Больше пластин в том же объеме: пластины можно делать тоньше, так как им не нужно противостоять сильной турбулентности. В тот же корпус помещается больше элементов, а значит, растет общая емкость диска
- Меньше энергопотребление: мотору не приходится преодолевать сильное сопротивление воздуха, поэтому он потребляет меньше энергии
- Лучшее охлаждение: гелий эффективнее отводит тепло от движущихся частей
- Тише работа: меньше турбулентности означает меньше шума при работе диска
Технические сложности и их решение
Идея использовать гелий в жестких дисках появилась давно, но реализовать её оказалось непросто. Главная проблема — атомы гелия настолько малы, что они могут проникать даже через микроскопические щели в корпусе. Производителям потребовались десятилетия исследований и разработок, чтобы создать действительно герметичный корпус.
Размер атома гелия составляет всего около 0,31 ангстрема (0,031 нанометра), что делает его одним из самых маленьких атомов. При этом он может проникать даже через кристаллическую решетку некоторых металлов. В обычных металлических структурах расстояние между элементами решетки составляет около 3-4 ангстрем, образуя достаточно большие "окна" для проникновения. Этот процесс, известный как диффузия, усиливается при повышении температуры: вещество в решетке начинает колебаться сильнее, еще больше облегчая проникновение газа.
Современные гелиевые диски используют специальные технологии герметизации, которые включают:
- Особые сплавы для корпуса, устойчивые к проникновению гелия
- Сложную систему уплотнений в местах соединения частей корпуса
- Специальные технологии лазерной сварки для создания герметичных швов
Плюсы и недостатки
Исследования показывают интересные результаты. По данным компании Backblaze, которая использует сотни тысяч жестких дисков в своих дата-центрах, гелиевые диски оказались даже надежнее обычных. У них ниже показатель ежегодных отказов (Annualized Failure Rate). Это может быть связано с меньшими механическими нагрузками и лучшим температурным режимом работы.
Но есть и недостатки. Главный из них — сложность восстановления данных в случае поломки. Если обычный HDD еще можно аккуратно вскрыть для ремонта, то с гелиевым все гораздо сложнее. Как только герметичность корпуса нарушается, вещество мгновенно улетучивается, и хранилище становится неработоспособным. Восстановление данных требует специального оборудования и стоит очень дорого.
Взгляд в будущее
Конечно же, гелиевые диски — важный шаг в эволюции накопителей. Они отлично сочетаются с новейшими методами записи данных, например EAMR (Energy-Assisted Magnetic Recording). В этой системе для записи используется дополнительная энергия — тепло, микроволны или электрический ток. Это позволяет уменьшить размер магнитных доменов на пластине и увеличить плотность записи.
В основе EAMR лежит ключевое свойство магнитных материалов — коэрцитивность, определяющая их способность сохранять намагниченность. Чем она выше, тем надежнее хранятся данные, но тем труднее их изменить. В современных жестких дисках применяются материалы с очень высокой коэрцитивностью — это необходимо для длительного хранения информации. Однако такой подход создает сложности при записи: стандартной мощности магнитной головки может не хватить для изменения намагниченности поверхности.
Чтобы решить эту задачу, EAMR локально нагревает нужный участок диска до 450°C непосредственно перед записью. При такой температуре материал становится более восприимчивым к воздействию магнитного поля, что позволяет уменьшить размер области для хранения данных. После остывания магнитные характеристики участка полностью восстанавливаются, обеспечивая надежное сохранение информации. Гелиевая среда заметно повышает эффективность этого процесса за счет лучшего отвода тепла и более точного позиционирования головки.
EAMR работает эффективнее именно в гелиевой среде, так как:
- Лучше отводится тепло от записывающих головок
- Меньше турбулентность позволяет точнее позиционировать головки
- Снижается энергопотребление всей системы
Стоит ли покупать гелиевый диск?
Всё зависит от ваших потребностей. Если вам нужен накопитель емкостью более 10-12 ТБ, то выбора особо нет — практически все современные диски такого объема используют гелий. Для домашнего компьютера гелиевый диск может быть избыточным решением — обычно выгоднее использовать несколько дисков меньшей емкости, если нет ограничений по месту в корпусе.
Однако для серверов и NAS-систем гелиевые диски подходят отлично благодаря их энергоэффективности и надежности. Все крупные производители, включая WD, Seagate и Toshiba, предлагают гелиевые модели с такой же гарантией, как и на обычные.
