Технологии подавления шума HDD

Индустрия жестких дисков, в последние годы, характеризуется не только потрясающим воображение увеличением объемов накопителей и их быстродействия, но и осознанием производителями того факта, что винчестер является устройством достаточно громким. Что подвигло их на создание различных технологий уменьшения шума.

Изучая спецификации на различные накопители при выборе, вы должно быть обратили внимание, что, во-первых, нигде не описывается как именно измеряется шумность того или иного диска, и приблизительно чему соответствует уровень издаваемого шума, и нет объяснения что такое эти загадочные единицы Белл, и потому единственное, что можно было сделать руководствуясь такими данными - провести сравнительный анализ с другими дисками.

Для понимания дальнейшего материала сначала немного теории о звуке его громкости и других характеристиках. Звуковая волна - это колебание молекул воздуха, поэтому любая звуковая волна, распространяющаяся в пространстве оказывает на встречающиеся предметы давление, в том числе на барабанную перепонку, что и позволяет нам слышать. Характеризовать степень воздействия можно с помощью различных характеристик. Из данного только что определения напрашивается характеристика величиной оказываемого давления - такая характеристика называется звуковым давлением, измеряется в Паскалях (Па). На практике часто пользуются другой величиной - силой звука. Эта величина определяет поток энергии звуковой волны, который проходит каждую секунду через площадку единичной величины перпендикулярной направлению распространения волны.

Звуковое давление и сила звука связаны квадратичной зависимостью - сила звука пропорциональна квадрату звукового давления. Для того, чтобы звук был услышан, необходимо чтобы его сила была выше определенного уровня - порога слышимости. Максимальная сила слышимого звука тоже ограничена, при дальнейшем ее увеличении роста громкости не наблюдается, а лишь возникают болевые ощущения, и потому такой порог назван болевым. Разница между порогом слышимости и болевым порогом называется динамическим диапазоном уха. Кроме того, всем должно быть известно, что ухо обладает разной чувствительностью к различным частотам. Так приходим к тому, что звук можно характеризовать относительно другой величины - такой величиной является громкость, шкала для которой выбрана логарифмическая (вычисляется логарифм отношения верхней и нижней границ сил звука, причем за нижнюю выбирается граница слышимости), Это дает наиболее точное отражение особенностей восприятия звука ухом, в отличие от двух первых величин: т.е. субъективное увеличение громкости звука в два раза не соответствует двукратному увеличению по шкале звукового давления или шкале энергии, но соответствует по шкале громкости, что удобно.

Единицей измерения громкости является Белл (Б) названной в честь того самого Александра Грэхема Белла. Является достаточно крупной и потому зачастую используется ее более мелкая производная - децибел (дБ), в тоже время в документах на винчестеры можно столкнуться как с той, так и с другой, поэтому знайте что к чему и не пугайтесь. Децибел удобен тем, что приблизительно соответствует минимально различимому ухом изменению громкости. Можно привести приблизительные уровни шумов для некоторых жизненных ситуаций: 10-20 дБ - шепот; 30-40 дБ - обычный шум в жилых помещениях; 50-60 дБ - нормальный разговор; 90 дБ - шум поезда; 120 дБ - шум взлетающего самолета, выше 130 - болевой порог. Кроме скалярных характеристик для звука существует еще одна векторная - направление. Помимо очевидного неприятного и раздражающего, у шума (точнее у звука вообще) есть еще один эффект, называемый маскировкой, заключающийся в том, что в присутствии одного растет предел слышимости к другому. И на этом, пожалуй, общую теорию можно закончить.

Шумы производимые жестким диском могут быть отнесены к двум отличающимся категориям: акустический шум холостого хода и акустический шум при поиске данных. Последний определяется как уровень звука в то время, когда накопитель динамически перемещает головки от одной дорожки к другой. Во время позиционирования вклад в акустический шум наряду с вибрациями механической конструкции вносят также высокочастотные магнитоэлектрические взаимодействия, дополняя шум холостого хода.

Различные сегменты рынка диктуют различные требования к уровню шумов производимых аппаратурой. Большинству стандартных ПК для того, что бы вписаться по шуму в отведенные рамки необходимы жесткие диски с шумоизлучением на уровне 30 дБ при простоях и на 3-4 дБ больше при совершении операций поиска. При общем уровне шума в офисах на уровне 50 дБ (производимого большей частью другой электронной аппаратурой, такой как принтеры, ксероксы, телефоны, кондиционеры), вклад компьютеров, особенно в большом числе, будет ощутим. В обычных жилых помещениях с их уровнем шума в 30-40 дБ компьютер будет является одним из основных источников раздражающего шума. С этим нельзя не считаться, если принять во внимание повсеместное распространение компьютеров и интернета в обычных семьях. Оставленный в спальне на ночь включенным, компьютер не даст полноценно отдохнуть. Кроме того, значительно возросшая емкость и быстродействие жестких дисков позволяют применять их не только в компьютерах, но и в другой бытовой технике, например видео и аудио- воспроизводящей/записывающей аппаратуре. Такие применения требуют значительно более тихой работы, что бы не раздражать и не ухудшать восприятие основной информации: в этих случаях приемлемым считается около 25 дБ при холостом ходе и менее чем на 2 дБ больше при поиске. И если в компьютерах основным источником шума являются вентиляторы (громкость порядка 34 дБ), а звуки работы жесткого диска являются лишь дополнением, повышая уровень на несколько децибел, то практически вся бытовая аппаратура производится без вентиляторов, потому жесткий диск в них - основной источник шума, громкость которого по мнению ряда производителей не должна превышать 30 дБ (помещенный в специально и правильно выполненный корпус прибора, такой диск не будет слышан вовсе, и поэтому считается, что в дальнейшем уменьшении шумов нет необходимости.

И, наконец, заметим, что большое число современных жестких дисков создают акустический шум на уровне 30-35дБ). Теперь, выяснив допустимые рамки, самое время познакомиться с методикой его измерения применительно к винчестерам.

Мы не станем сейчас описывать различные стандарты и рекомендации по измерению в подробностях, ограничимся лишь общим представлением. На первый взгляд казалось бы чего проще - поставили рядом с жестким диском микрофон, и измерили поступающий с него уровень сигнала. Однако не все так просто. Как мы уже выше сказали, звук имеет еще и направление, а так же способен отражаться и возвращаться назад, и кроме того, излучается разными частями диска разный, как по составу, так и по уровню. Поэтому для оценки производители обычно поступают следующим образом (стандартизированным): жесткий диск помещается в специальную комнату, в которой приняты меры по предотвращению отражения звука и проникновению его извне, вокруг диска на расстоянии метра полусферически располагают большое число микрофонов - обычно 8-12. Кроме того принимают меры для того, что бы исключить возможные вибрации диска.

Каждый микрофон подключается к специальному измерительному комплексу, который записывает и анализирует уровень и спектральный состав шума излученного диском в режиме холостого хода и в режиме поиска, после чего производят суммарные вычисления по всем частотам и направлениям, получая ту акустическую характеристику, которая заявляется в паспорте на устройство. Однако не трудно сообразить, что в таких идеальных условиях, когда нет внешнего шума, нет отражения да и сам диск устанавливается практически без каких либо крепежных элементов, полученная характеристика будет далека от реальности. А нужно заметить, что пользователя не интересует, насколько шумен его диск в "чистом виде" (а в документации обычно приводится именно эта величина, и мы также сейчас говорили о ней), как правило его занимает вопрос, насколько шумно будет устройство установленное в системе и система в целом, и как правило, этот показатель оказывается намного выше чем для изолированного устройства.

Раньше в попытках устранить эту вопиющую несправедливость авторы обзоров жестких дисков пытались сами измерить шум жесткого диска в реальных условиях для объективной оценки, пока жесткие диски не стали настолько тихи, что производить анализ подручными средствами стало трудно, во-первых, а во-вторых, авторы (и я в том числе :-)) осознали тщетность таких своих попыток получения сколь либо объективной информации: факторов оказывающих влияние на излучение и распространение звуков слишком много для того, что бы быть учтенными любителями, сложный механизм используемый производителями не дураки ведь придумывали от нечего делать, и получить более объективную характеристику, как мне кажется, увы нельзя. И к превеликому сожалению, нужно отметить тот факт, что диск имеющий низкий показатель шума у производителя в лаборатории может оказаться далеко не самым тихим на практике, правда справедливости же ради нужно сказать, что обуславливается это в большинстве случаев элементами крепежной конструкции, поэтому заводская характеристика остается пригодной для сравнительной характеристики уровня шума винчестеров. Но она не несет информации о спектре шума, и потому звуки одних дисков субъективно могут восприниматься мягче и тише, других суше и громче. Но это исключительно субъективное восприятие, поэтому в такие дебри обычно не лезут, хотя особенности восприимчивости человеческого уха к конкретным частотам при расчете характеристик конечно же учитывают.

Попробуем выяснить основные источники шумов в жестких дисках для того, что бы в дальнейшем понять суть внедряемых технологий по уменьшению шумов.

В режиме холостого хода наверное единственным источником шума является мотор, вращающий пакет дисков. При позиционировании причин возникновения шума больше.

Итак, мотор. Вообще приведение во вращение является само по себе бесшумным. Но какой мотор может обойтись без подшипников? Никакой. В современных винчестерах скорость вращения пакета дисков составляет от 5 400, 7 200, 10 000 (!) или даже 15 000 (!) оборотов в минуту. Ежу понятно, что не шуметь подшипники на таких скоростях просто не могут. Ранее при производстве использовались шариковые подшипники (каждому знакомая конструкция), шарики которых изготавливались в первую очередь из металлических сплавов, потом керамики, и других материалов и совсем уж в последнюю очередь применялись жидкостные (или иначе гидродинамические, суть таже) подшипники. Это было обусловлено тем, что изготовление жидкостных подшипников требует сложных разработок, точных технологий и гораздо больших экономических затрат, чем отлаженное, хочется сказать веками, производство шариков. Конечно меньший уровень шума - не единственное преимущество жидкостных подшипников, но в контексте данной статьи представляет интерес только оно. Уменьшение шума может быть достигнуто и снижением скорости вращения шпинделя, и некоторые производители так и поступали, но существенные результаты таким образом не были достигнуты (кроме падения производительности), и вообще надо сказать, что сейчас пришли к тому уровню, когда диски с 5400 об/мин и 7 200 об/мин при простоях звучат практически одинаково. Влияет и число дисков в пакете: чем их меньше - тем тише работает диск. Поэтому даже для дисков из одной серии но разной емкости уровень шума может отличаться: более емкий диск может больше шуметь. Некоторые производители приводят показатели для каждой модели серии. Надо сказать, что сейчас наиболее массовые модели обычно имеют 1 или 2 пластины, в отличие от дисков выпускавшихся ранее, которые могли иметь до 5-10 пластин.

Другими факторами оказывающими влияние на акустические характеристики при простое (и не только) является механические параметры диска - от формы до применяемых материалов и их толщины, демпфирующих прокладок внутри и снаружи и т.п. И одним из самых важных параметров является шасси, на которое производится установка жесткого диска. В слышимом шуме можно выделить две составляющих: акустический шум излучаемый собственно накопителем и по воздуху доходящий до пользователя - т.е. то, что уже было измерено и заявлено производителем и шум, излучаемый шасси, на котором установлен винчестер - на него передаются и усиливаются (ну или значительно реже поглощаются) вибрации от диска. Для уменьшения шума необходимо пытаться смягчить контакт накопителя и шасси, различные производители разрабатывают различные механизмы изоляции (конкретнее позже). Увы, далеко не каждый корпус может похвастаться достаточной жесткостью и качеством исполнения, особенно дешевые, изготовленные из тонкой стали, и склепанные кое-как на скорую руку: в таких корпусах даже работа сверхтихой баракуды будет заставлять вздрагивать при обращениях к диску, и в тоже время в качественных корпусах не блещущие акустическими характеристиками диски могут быть не слышны. И важно отсутствие резонанса: ведь каждая деталь в жестком диске имеет свою резонансную частоту.

Уровень производимый при операциях поиска по природе гораздо более сложен. Обязан он рассекающим воздух головкам и механизму их перемещения, и дополняется высокочастотными магнитоэлектрическими взаимодействиями. В стремлении создать максимально быстродействующий накопитель, производители обычно использовали двухпозиционный механизм перемещения, при котором движение головки можно разделить на два этапа - разгон до максимальной скорости к средине зоны выполняющегося перемещения и торможение на второй части пути. Форма электрического тока, подающегося на механизм позиционирования при двухпозиционном поиске очень похожа на меандр, который содержит компоненты высокочастотных гармоник, способствуя тем самым механическому резонансу. Скорость перемещения играет также не последнюю роль. Здесь можно либо уменьшить скорость перемещения головок (проиграв тем самым в производительности, и оставив выбор нужного варианта на усмотрение пользователя) либо… А вот что либо узнаем позже.

Т.е. как видим в таком, казалось бы, на первый взгляд, незамысловатом устройстве как жесткий диск источников шума и факторов оказывающих влияние на его уровень и распространение больше чем отбавляй, и проблема шумоподавления далеко не проста и требует от производителей проведения серьезных исследований и сложных разработок. Чем они собственно и занимаются, и сейчас пришла пора познакомиться с технологиями применяемыми в современных дисках (понятно что знакомиться будем на основании опубликованных описаний технологий на сайтах производителей).

Компания Samsung для этих целей разработала не одну технологию. Имя им: Noise-Guard и SilentSeek. NoiseGuard ориентирована на подавление шумов, производимых диском при работе. Мы уже сказали что восприимчивость человеческого уха в слышимом диапазоне (20 Гц и 20 кГц) не одинаковая. Наибольшей восприимчивостью характеризуются звуки с частотой от 1 до 3 кГц. Качество восприятия может быть различным в зависимости от доминирующей интенсивности частот. Частоты в диапазоне 1-3 KГц имеют наивысшие показатели интенсивности и являются наиболее неприятными для человека. Уменьшением шумов на этих частотах, можно добиться значительного повышения качества звука, даже если его интенсивность на высоких частотах в полном спектре такая же или выше. Выяснив этот факт, инженеры Samsung произвели переработку конструкции жесткого диска, с целью подавить звуки относящиеся к этому диапазону. Результат внедрения нового корпуса и механики диска можно оценить по графику, на котором отражено звуковое давление для различных частот, распространяемом Samsung. Привожу его (сам я не измерял… Так что извините :-))

(Заметим, что здесь в децибелах приводится не уровень громкости, а звуковое давление. Также как и громкость в данном случае это относительная величина и вычисляется тем же самым образом по логарифмической шкале с введением дополнительного коэффициента. Обычно во избежание путаницы громкость стараются приводить в Беллах, а звуковое давление в децибелах. Мы в этой статье этому правилу не последовали, и ошибки собственно не сделали)

SilentSeek в отличие от NoiseGuard не подавляет возникающие шумы, а пытается свести их к минимуму. Как уже было сказано ранее - наиболее производительным является двухпозиционный поиск, но в то же время наиболее шумным. В SilentSeek предлагается использовать оптимизированную по эффективности синусоидальную траекторию поиска данных в отличие от традиционноой. Такое решение предотвращает возбуждение высокочастотными гармониками, сохраняя при этом минимальные длительности позиционирования и успокоения головки. Траекторию положения и траекторию скорости, требующиеся для достижения синусоидального ускорения, рассчитывает цифровой процессор сигналов (DSP) с использованием рекурсивного алгоритма генерирования синусоидального сигнала.

Как уверяет Samsung измерения продемонстрировали, что благодаря использованию технологии SilentSeek достигается снижение акустического шума при поиске данных (уровня звукового давления) приблизительно на 4 дБА, и предлагают взглянуть на график, показывающий уровни шума до и после реализации технологии SilentSeek.

Кроме того, в дисках Samsung реализована функция Автоматического акустического управления или AAM. Обычно реализация функции AAM снижает шум жесткого диска при поиске данных посредством замедления скорости поиска, уменьшая этим возбуждение, возникающее при двухпозиционном поиске. Функцию AAM можно легко включать и выключать, для чего Samsung (как и другие производители) предлагает воспользоваться специальной утилитой с их сайта (поддерживающей зачастую только свои, родные диски). Но мы уже упоминали о программе MHHD, которая оставляет узкозаточенные утили производителей далеко в стороне, работая со всеми дисками, и позволяет оценить результат переключения сразу же. Поэтому выбор за вами. Во всех не так давно представленных моделях VL40, PL40,V80 и P80 Samsung таки начала применять жидкостные подшипники.

Seagate, как один из лидеров рынка, начал применять жидкостные подшипники в незапамятные времена в серии Medalist Pro, и до сих пор продолжает эту славную традицию во всех своих последних моделях дисков (Barracuda, U series X, Momentus): ее двигатель с жидкостными подшипниками называется SoftSonic, так что если в документации вам встретилось это слово - знайте, они (подшипники) здесь… Кроме того, знакомым с баракудами должна быть знакома под металлической пластиной SeaShield прокладка из мягкого пористого материала: она призвана помимо предотвращения контакта пластины с электронной платой еще и поглощать шумы. И резиновая обтяжка SeaShield на дешевых сериях должна частично улучшать звуковые характеристики тоже. Проработаны механизм и алгоритмы позиционирования. Все вместе (плюс некоторые еще не упомянутые технологии) получило название Sound Barrier Technology: результат от внедрения потрясающ - вряд ли что-то может быть тише, чем последние Seagate Barracuda. В эту же копилку можно отнести и технологию QuietStep, реализованную в новых винчестерах серии Momentus - она призвана снижать шум, правда не во время работы, а при парковке головок, что в принципе частая операция в ноутбучных дисках, к которым и относиться Momentus. Конечно же, AAM тоже реализован. Кроме всего прочего Seagate уделяет серьезное внимание разработкам виброизоляторов для монтажа дисков. И сотрудничает в этом направлении с крупными сборщиками.

Технология используемая компанией Maxtor как и большинство других технологий досталась ей по наследству от Quantum. Большого числа технических подробностей у меня нет, известно, что снова же, был проанализирован производимый шум, и соответственно проведена переработка корпуса, механизма позиционирования, и, похоже, алгоритмов поиска. Называется Quiet Drive Technology. Современный этап представлен Quiet Drive Technology Plus. Думаю, приставка Plus обязана применению жидкостных подшипников. Вторая технология - Maxtor Silent Store. Не знаю как оно устроено внутри, но снаружи это выглядит как AAM в собственной разработке (или наоборот): есть несколько возможных вариантов (быстрый и громкий, тихий но медленный и промежуточные), переключение между которыми производится с помощью специальной утилиты. Ну чем не AAM?

IBM, винчестерное подразделение которой теперь уже принадлежит Hitachi, похоже, никаких сверх технологий не разрабатывала (впрочем сама Hitachi кажется тоже, судя по заявленным акустическим характеристикам актуальных моделей). Единственная технология связанная с шумоподавлением, описание которой присутствует на сайте Hitachi - применение демпфирующих прокладок над механизмом позиционера, вышедшая из под руки IBM. Ничего сверхъестественного - сморите фото.

Конечно же, ААМ в дисках IBM реализован. Причем, как справедливо уточнил меня Юрий Александров из PalickSoft Team, IBM была одной из первых, кто внедрил ее в своих дисках. Конечно же, тихость достигается в ущерб производительности (вообще падение про-изводительности при включенном ААМ – не специфическая особенность реализации техно-логии конкретным производителем, а общее для всех реализаций свойство, проистекающее из определения технологии, и это нужно подразумевать и там, где явно это отрицательное воздействие упомянуто не было).

Актуальные модели жестких Western Digital по сравнению с конкурентами отнюдь не тихи. Очевидно, никаких разработок в области улучшения акустики не велось. Тоже самое можно сказать и о дисках производства Fujitsu (в первую очередь говорим о дисках для мобильных компьютеров, ибо с рынка винчестеров для настольных ПК Fujitsu ушла, а для дисков применяющихся в высокопроизводительных серверах и рабочих станциях тишина не на первом месте). И Western Digital, и Fujitsu поддержку AAM в своих дисках сделали.

Кто-то делает упор на производительности, кто-то на тишине, кто-то на емкости. А у нас зато есть богатый выбор по различным критериям. Жаль только, что не бывает всего в одном…

Дополнительные материалы:

Титул