Atuador de Três Estágios: Inovações Mecânicas em Discos Rígidos
Uma unidade de disco rígido (HDD) é um dispositivo extremamente complexo, envolvendo tanto componentes de hardware quanto de software. Composto por cerca de 300 peças provenientes de diversos fornecedores ao redor do planeta, sua fabricação exige uma precisão altíssima, com muitos dos critérios de design apresentando tolerâncias inferiores a 1 nm. Além disso, conta com mais de um milhão de linhas de código de software para gerenciar a comunicação com o host, as operações mecânicas e a gravação e leitura de dados.
O aumento do número de trilhas por polegada (TPI) e o crescimento da densidade de área, que indica a quantidade de dados que pode ser armazenada em um disco rígido, promovem maiores capacidades e são fruto da inovação constante na tecnologia de HDD.
Inovações mecânicas para aumentar o TPI e a densidade de área incluem o Atuador de Estágio Triplo (TSA), presentes nos Discos Rígidos DC HC550 18TB CMR e Ultrastar DC HC650 20TB SMR da Western Digital.
O braço atuador e sua evolução
A imagem abaixo apresenta o esquema de um braço atuador de um disco rígido, mostrando o movimento em arco que o braço faz para posicionar a cabeça de leitura/gravação sobre os discos.
Braço atuador de um disco rígido. Crédito imagem: Divulgação
É um braço atuador de estágio único – o voice coil motor (VCM) cuida de toda a movimentação através de uma corrente elétrica aplicada na bobina (número 30 na figura), fazendo-o se movimentar em um eixo (32 na figura).
Movimento em arco
O braço atuador se move em um arco sobre os pratos do HD para acessar diferentes trilhas de dados. Isso é necessário para posicionar a cabeça de leitura/gravação no ponto exato onde os dados estão localizados.
Posicionamento 34, 35 e 36, na imagem
34: Mostra uma posição mais externa no arco de movimento, onde o braço acessa trilhas na parte mais externa dos pratos, o que geralmente oferece taxas de transferência mais rápidas devido à maior densidade de dados nas bordas do disco, o que permite que mais informações sejam lidas ou escritas por revolução do disco.
35: Indica uma posição intermediária no arco de movimento, onde o braço estaria acessando trilhas localizadas em uma região mais mediana do disco.
36: Mostra uma posição do braço atuador sobre a borda interna dos pratos do HD, representando uma trilha mais próxima ao centro.
O movimento descrito nos números 34, 35 e 36 representa a variação da posição do atuador enquanto ele percorre as trilhas de dados, ajustando-se conforme necessário para leitura e gravação. O deslocamento do braço é guiado por comandos precisos, possibilitando o acesso a diferentes áreas de armazenamento no HD.
Mas há um problema de desalinhamento da cabeça de leitura/gravação (em verde e vermelho) em relação à trilha de dados (em laranja), devido ao movimento em arco do braço atuador. Esse desalinhamento ocorre porque o braço segue um arco fixo, enquanto as trilhas são dispostas em círculos concêntricos nos pratos do HD.
Este efeito é conhecido como erro de deslocamento radial ou off-track error, e ele surge porque o movimento da cabeça não é linear, mas sim curvado. Esse problema se acentua nas trilhas mais internas e externas (como as posições indicadas pelos números 34 e 36 na imagem), onde o ângulo de inclinação entre a posição da cabeça de leitura e a trilha fica mais evidente. A cabeça de leitura não se posiciona corretamente sobre a trilha do disco.
A precisão do posicionamento é fundamental para as unidades de disco rígido modernas, que são cada vez mais rápidas, de alta capacidade, com alta densidade de dados e miniaturizadas. A necessidade de sistemas servo com maior largura de banda, capazes de posicionar rapidamente e com precisão o cabeçote de leitura/gravação em uma alta densidade de trilhas, torna-se cada vez mais urgente.
A tecnologia de atuadores evoluiu de estágio único para estágio duplo e para estágio triplo.
Atuador de estágio duplo e atuador de três estágios. Crédito imagem: Divulgação
Cada evolução aumenta a precisão do posicionamento do cabeçote de leitura e gravação, ao mesmo tempo em que diminui o tempo necessário para acessar e gravar dados na mídia, além de reduzir a vibração.
Os atuadores de estágio duplo utilizam o miliatuador para deslocar a loadbeam, que é a suspensão metálica na extremidade do braço atuador. É nesse local que se encontra o head gimbal assembly (HGA), onde está instalado o SLIDER que “voa” a cerca de 3nm da superfície do disco e é responsável pela leitura e gravação magnética.
Mili e micro atuadores piezoelétricos. Crédito imagem: Divulgação
O miliatuador e o microatuador possuem, cada um, um par de elementos piezoelétricos (ou “elementos piezo”) conectados aos diferentes componentes da suspensão. O atuador realiza uma pequena rotação quando uma tensão é aplicada, fazendo com que um elemento piezoelétrico se expanda enquanto o elemento piezo oposto se contrai.
O miliatuador pode girar até 200 nm, enquanto o microatuador pode girar até 100 nm, esse último atuando sobre o HGA.
Os três pontos dos atuadores. Crédito imagem: Divulgação
O TSA com três pontos de pivô pode aumentar a granularidade durante o acompanhamento e a busca de trilhas.
Isso permite um posicionamento mais preciso da cabeça na trilha.
Durante a busca, o braço do atuador está se movendo de uma trilha para outra. Conforme o braço se aproxima da trilha alvo, o miliatuador e o microatuador são ligados para se alinhar à trilha alvo mais rapidamente. O controle de posicionamento mais fino permite a capacidade de chegar na trilha mais rapidamente, ao mesmo tempo em que reduz o ruído e a vibração.
E aqui está o atuador piezoelétrico que a NGK produz em massa para unidades de discos rígidos.
Atuador piezoelétrico fabricado pela NGK Insulators. Crédito imagem: Divulgação
Fantástico, não?
