硬盘技术发展及前景分析

计算机的发展之——硬盘技术发展前景分析PAGE12-硬盘技术发展前景分析作为存储设备中的重要一员，硬盘起着极其重要的作用。我们大多数的数据都是通过硬盘来存储，这种大规模采用硬盘来记录数据的现象甚至被人们戏称为“基于磁介质的文明”。但是，自从IBM于1956年9月向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM350之后，整整半个世纪以来，硬盘的温彻斯特（Winchester）结构一直没有改变。现在，当我们对容量、速度以及稳定性提出更高要求之时，硬盘技术终于迎来千载难逢的发展良机。了解温彻斯特硬盘：经典结构依然延续尽管在外部结构方面，各种硬盘之间有着一定的区别，但是其内部结构还是完全相同的，毕竟硬盘的本质工作方式不会改变。虽说我们一直认为温彻斯特结构阻碍了硬盘技术发展，但是硬盘要提高综合表现并非彻底推翻温彻斯特结构，而是在这一基础上进行改进。在了解硬盘技术发展趋势之前，我们不妨先来看看温彻斯特结构的硬盘到底是如何的。经典的温彻斯特结构硬盘打开硬盘外壳之后，我们也就能够看到神秘的内部世界，其核心部分包括盘体、主轴电机、读写磁头、电机马达等主要部件。不过需要提醒大家的是，千万不要随意打开硬盘的外壳，这将100％地使整个硬盘报废，因为硬盘的内部盘面不能沾染上一滴汇成，否则立即报废。一般硬盘内部结构维修甚至需要在要求极为严格的超净间中进行。1．盘体盘体从物理的角度分为磁面（Side）、磁道（Track）、柱面（Cylinder）与扇区（Sector）等4个结构。磁面也就是组成盘体各盘片的上下两个盘面，第一个盘片的第一面为0磁面，下一个为1磁面；第二个盘片的第一面为2磁面，以此类推……。磁道也就是在格式化磁盘时盘片上被划分出来的许多同心圆。最外层的磁道为0道，并向着磁面中心增长。事实上，硬盘的盘体结构与大家熟悉的软盘非常类似。只不过其盘片是由多个重叠在一起并由垫圈隔开的盘片组成，而且盘片采用金属圆片（IBM曾经采用玻璃作为材料），表面极为平整光滑，并涂有磁性物质。盘体2．读写磁头组件读写磁头组件由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。在具体工作时，磁头通过传动手臂和传动轴以固定半径扫描盘片，以此来读写数据。磁头是集成工艺制成的多个磁头的组合，采用非接触式结构。硬盘加电后，读写磁头在高速旋转的磁盘表面飞行，飞高间隙只有0.1～0.3μm，可以获得极高的数据传输率。新型MR（Magnetoresistiveheads）磁阻磁头采用读写分离的磁头结构，写操作时使用传统的磁感应磁头，读操作则采用MR磁头。读写磁头组件3．磁头驱动机构对于硬盘而言，磁头驱动机构就好比是一个指挥官，它控制磁头的读写，直接为传动手臂与传动轴传送指令。磁头驱动机构主要由音圈电机、磁头驱动小车和防震动机构组成。磁头驱动机构对磁头进行正确的驱动，在很短的时间内精确定位到系统指令指定的磁道上，保证数据读写的可靠性。一般而言，磁头机构的电机有步进电机、力矩电机和音圈电机三种，现在硬盘多采用音圈电机驱动。音圈是中间插有与磁头相连的磁棒的的线圈，当电流通过线圈时，磁棒就会发生位移，进而驱动装载磁头的小车，并根据控制器在盘面上磁头位置的信息编码来得到磁头移动的距离，达到准确定位的目的。磁头驱动机构4．主轴组件硬盘的主轴组件主要是轴承和马达，我们可以笼统地认为轴承决定一款硬盘的噪音表现，而马达决定性能。当然，这样说并不完全，但是基本上表达了这两项内容在硬盘中的重要地位。从滚珠轴承到油浸轴承再到液态轴承，硬盘轴承处于不断的改良当中，目前液态轴承已经成为绝对的主流市场。由于采用液体作为轴承，所以金属之间不直接摩擦，这样一来除了延长了主轴点解的寿命、减少发热之外，最重要一点是实现了硬盘噪声控制的突破。不过需要指出的是，采用液态轴承对于性能并没有任何好处，甚至反而会延长寻道时间。对于PC设备而言，似乎噪音与性能是一对永远难以平衡的矛盾。二、温彻斯特遭受最大冲击：SSD固态硬盘三星电子日前宣布，该公司以NAND型闪存架构发展出最新储存装置，即固态硬盘（solid-statedisk，SSD），该产品锁定小型笔记本电脑（UMPC）、平板电脑（TabletPC）等市场。通过运用8GBNAND型Flash芯片，三星已经可打造容量高达32GB的SSD固态硬盘，适合应用在笔记本电脑等便携型装置上。1．固态硬盘层出不穷与现行硬盘相比，三星的SSD产品功耗速率减少5％，且支持新一代笔记本电脑，延长电池寿命逾10％。此外，在重量方面，SSD固态硬盘仅有目前硬盘产品的一半。三星表示，SSD固态硬盘是相当可靠性的储存装置，可以适应极端温度或湿度下，适合工业用或军事用途。三星SSD固态硬盘固态硬盘有许多优势，但价格是它在市场普遍被采用的的最大障碍，需求储存容量为32GB固态硬盘的成本大约为960美元，这一吓人的价格高于其他任何储存设备。但一些军事和工业客户在专门的应用中将从固态硬盘的优势中受益，因为只要他们乐意支付这一高昂费用。不过，预期闪存芯片的价格将逐步下降，这对固态硬盘是一个利好消息。去年五月份，当三星电子公司首次发布固态硬盘原型时，每GB闪存芯片的成本为55美元。目前每GB闪存芯片的成本大约为25美元，随着时间的推移，固态硬盘的价格将被大众市场所接受，该产品大规模投放市场只是时间问题。现阶段在SSD技术上一直是三星科技独领风骚，前不久三星曾发布了采用60nm技术制作出最高速及最高容量的“OneNAND”记忆体晶片，让SSD在存储速度上又有了新的突破。不过对于这个行业而言，如果只有一家公司独享尖端技术，那么势必会造成技术上的垄断，对新技术的普及造成不利的影响。其实在存储领域不单单只有三星对这种新型的存储技术感兴趣，最近TDK也推出了旗下的SSD硬盘，正式与三星展开了技术上、价格上的战争。TDK推出了容量为32GBSSD硬盘的工程样本，采用了标准的IDE传输端口，体积为普通2.5英寸笔记本硬盘的80%。与三星的同类产品一样，这款SSD也拥有高速读写、防震、加速开机、延长电池使用时间以及更轻薄的优点。Sandisk发布的1.8英寸固态硬盘进入2007年以后，笔记本SSD固态硬盘的发展突然加速起来。续Sandisk宣布加入SSD大家庭以及铼德发布低价格的笔记本固态硬盘之后，固态硬盘又迎来了一个首次：世界首款笔记本用SATA接口的SSD硬盘新品发布。来自PQI的这款2.5英寸64GB固态硬盘采用了SATA接口，SATA接口的好处能让硬盘保持更低功耗的同时，还能使笔记本系统获得更快的数据传输速度。PQI刚刚推出64GB容量固态磁不到一星期，同样来自台湾的A-Data就将这一数字再次翻番，达到了128GB，不过还只是处于原型阶段，尚未正式发布。A-Data推出的固态硬盘2．SSD固态硬盘一统天下？由于固态硬盘不存在一般硬盘上的活动部件，因此，使用时不必担心冲击或震动这些对于普通硬盘来说常见的危险。随着时间的推移，这款固态硬盘的成本最终会接近于目前我们所使用的硬盘成本。当然，固态硬盘目前还不是十分成熟，最大的问题在于这款基于NAND闪存技术的产品目前的最大容量还比较有限。但是就像IT产业所有新生事物一样，它的发展和进步只是一个时间的问题。可是，现在就断言固态硬盘会取代传统硬盘还为时过早，因为闪存技术在可擦写寿命以及保存时间方面有着先天性的缺陷，而且其写入速度展示也难以令人满意。NAND型闪存的单晶体管与普通晶体管非常类似，但是它加入了浮栅和控制栅。浮栅的主要作用是存储电子，位于晶体管导电沟道的上方，而且还包裹着一层硅氧化膜绝缘体。然而，也正是因为这样的工作原理，NAND会随着使用次数的增加而产生坏块，而且数据可以保存在的时间在10年以内，甚至可擦写次数也仅仅是十万次左右。NAND型闪存尽管硬盘的实际工作寿命一般只有5～8年，但是只要不去破坏它，数据保存100年都不成问题。而在可擦写次数上，硬盘几乎是无限的。仅仅凭借这两项优势，SDD固态硬盘就难以撼动硬盘的霸主地位。现在，SDD固态硬盘之所以没有大规模应用到PC，除了成本因素以外，稳定性也是不可忽视的原因。此外，尽管基于NAND的SDD固态硬盘有着不错的读取速度，可是其写入速度以及随机读取速度还很不理想，这些都是困扰SDD固态硬盘普及的绊脚石。保守估计，至少在5年以内，传统硬盘还是PC用户首选的存储设备，SDD固态硬盘的发展道路还非常漫长。3．Vista带来新希望：混合式硬盘既然固态硬盘暂时还难以取代传统硬盘，那么有没有比较折中的方案呢？其实，微软在推广Vista操作系统之时已经给了我们明确的答案，那就是混合式硬盘。早期的混合式硬盘原型配备了128M闪存，微软建议缓存的容量“越大越好”，因此现在混合式硬盘都至少配备了1G闪存。三星半导体闪存部门的人解释说，闪存所构成的这块存储空间被映射成硬盘日常使用最频繁的扇区；而且，这个映射关系可根据实际情况作实时调整。如果这块空间足够大，关机前的内存映像可被写进缓存区里，到时候直接休眠关机即可，无须花时间将数据写进硬盘。而在系统上电时，由于上次的休眠数据被保存在缓存区，系统自检无误后即可将缓存区的数据读进内存，操作系统便可在1秒钟内启动完毕。根据微软的估计，使用混合式硬盘最高可节省80%的耗电。原因在于混合式硬盘能让传统机械式硬盘在使用时进入睡眠状态，数据的读写和存取则在非易失性的闪存中进行。混合式硬盘可特别发挥的一个地方是微软的新一代操作系统WindowsVista。Vista“ReadyDrive”功能即是针对混合式硬盘技术所设计，而且这并不会让硬盘的成本提高太多，是在短期内很有望普及的技术。但是混合式硬盘技术也并非是十全十美。和SSD固态硬盘一样，混合式硬盘也使用NAND型闪存，一旦固定的区域被反复读写，那么寿命也是一个令人担心的问题。因此，已经有厂商准备在混合式硬盘中内置更大容量的闪存，并且内建一种检测机制，以便及时齐用存在隐患的闪存区块。但是归根到底，混合式硬盘的稳定性还是高于SSD固态硬盘，而且成本也要平易近人得多，并且依然可以实现大容量存储。三、固件存储转移：矛盾引发变革现在的硬盘密度越来越高，所以很难做到100%的完美，硬盘盘面上或多或少存在一些缺陷。厂商在硬盘出厂前把所有的硬盘都进行低级格式化，在低级格式化过程中将自动找出所有坏道和坏扇区，记录在永久缺陷列表（P-list，Permanentdefectlist）中。并且在对所有磁道和扇区的编号过程中，将跳过这些缺陷部分，让用户永远不能用到它们。而为了减少硬盘返修的概率，硬盘厂商又在硬盘内部设计了一种自动修复机制。现在生产的硬盘都有这样的功能：在对硬盘的读写过程中，如果发现一个坏扇区，则由内部管理程序自动分配一个备用扇区来替换该扇区，并将该扇区物理位置及其替换情况记录在G-list（增长缺陷表，Growndefectslist)中。这样一来，少量的坏扇区有可能在使用过程中被自动替换掉了，对用户的使用没有太大的影响。可以读写负磁道固件的PC3000专业工具以往，P-list和G-list被保存在硬盘固件中，这是这一固件并非类似主板上那种单一的FlashROM芯片，而是硬盘的负磁道，即磁头在普通情况下无法定位到的零磁道零扇区之前。可是，这种设计看似避免了FlashROM芯片反复擦写而导致的损坏问题，但是硬盘磁盘本身的稳定性也非常有限。据统计，大约有30％以上的硬件故障为固件问题，譬如G-list溢出、固件区坏道等。因此，改变固件的存储方式已经成为当务之急。现在，整个业界都在谈论混合式硬盘，甚至固态硬盘。让我们感到兴奋的是，无论是混合式硬盘还是固态硬盘，其存储部分都加入了闪存结构，并且基本解决了可擦写寿命的限制。在这一大前提下，硬盘厂商可以将固件信息从负磁道挪到闪存部分。得益于闪存的稳定性以及无需控制磁头的便利，硬盘厂商可以轻轻松松地开辟更大容量的固件，并且基本杜绝固件损坏的现象。此外，当引入闪存结构之后，硬盘的G-list和P-list管理机制也会发生一些改变，因为固件区的稳定性和容量都更大了，而硬盘的存储密度也大幅度提高，此时完全可以更加严格地控制那些存在缺陷的扇区。尽管这种处理方法很可能让硬盘容量越用越小，但是相比于整盘的稳定性以及寿命而言，这点牺牲实在是微不足道。四、解决容量危机：垂直磁化技术剖析平心而论，近几年硬盘技术的发展相当缓慢。相对于CPU、显卡等呈几何倍数的增长趋势，硬盘似乎有些郁郁寡欢。在容量方面，80GB在2001年年底就已经是主流了，而时至今日80GB仍然作为主流硬盘容量活跃在市场上。不过随着垂直磁化技术浮出水面，硬盘容量将会有巨大的突破，真正解决这场迫在眉睫的容量危机。例如希捷的酷鱼7200.9500G容量硬盘就是基于这种技术。1．为何存储密度无法提高由于硬盘内集成的盘片数不可能很多，因此单碟容量上的突破就显得很有必要。单碟容量的提高意味着生产厂商研发技术的提高，这所带来的好处不仅是使硬盘容量得以增加，而且还会带来硬盘性能的相应提升。在硬盘技术发展初期，提升磁盘的存储密度十分容易，此时也就是更大的单碟容量。然而，目前硬盘厂商却碰到了难题。盘片是在铝制合金或者玻璃基层的超平滑表面上依次涂敷薄磁涂层、保护涂层和表面润滑剂等形成的。盘片以4200RPM～15000RPM的转速转动，磁头则做往复的直线运动，而可以在盘片上的任何位置读取或者写入信息。微观的来看，盘片上的薄磁涂层是由数量众多的、体积极为细小的磁颗粒组成。多个磁颗粒（约100个左右）组成一个记录单元来记录1bit的信息——0或者1。这些微小的磁颗粒极性可以被磁头快速的改变，而且一旦改变之后可以较为稳定的保持，磁记录单元间的磁通量或者磁阻的变化来分别代表二进制中的0或者1。磁颗粒的单轴异向性和体积会明显的磁颗粒的热稳定性，而热稳定性的高低则决定了磁颗粒状态的稳定性，也就是决定了所储存数据的正确性和稳定性。但是，磁颗粒的单轴异向性和体积也不能一味地提高，它们受限于磁头能提供的写入场以及介质信噪比的限制。当磁颗粒的体积太小的时候，能影响其磁滞的因素就不仅仅是外部磁场了，些许的热量就会影响磁颗粒的磁滞（譬如室温下的热能），从而导致磁记录设备上的数据丢失，这种现象就是“超顺磁效应”。超顺磁效应图解2．垂直磁化存储技术的奥秘为了尽可能的降低“超顺磁效应”，业界通过提高磁颗粒异向性、增加热稳定性来解决。磁颗粒异向性的提高固然使得磁记录介质更加稳定，但是必需同时提高写入磁头的写入能力。另外，磁颗粒体积的缩小，也需要进一步提高读取磁头的灵敏度，于是MR磁阻磁头和GMR巨磁阻磁头相继应运而生。GMR磁头技术的水平记录区域密度已经达到了133Gbit以上，然而133Gbit还远远不够，为了实现更大的存储密度，必须再缩小磁颗粒，此时“超顺磁效应”就成为最头疼的问题。垂直磁化记录从微观上看，磁记录单元的排列方式有了变化，从原来的“首尾相接”的水平排列，变为了“肩并肩”的垂直排列。磁头的构造也有了改进，并且增加了软磁底层。这一改变直接解决了“超顺磁效应”，并且可以将硬盘的单碟容量提高到400GB左右，这为今后的容量突破提供了充足的空间。垂直磁化存储技术的图解垂直记录的另一个好处是相邻的磁单元磁路方向平行，磁极的两端都挨在一起，而纵向记录相邻的磁单元只在磁极一端相接，因此这项技术对于稳定性的改进也是颇有成效的。另外值得我们高兴的是，垂直磁化技术的出现对于硬盘速度是有巨大贡献的。仅仅是单碟容量的提升就足以我们欢欣鼓舞，我们可以因此而期待更高的内部传输率。此外，垂直磁化技术要求磁头在技术上有所改进，此时也能加强寻道能力。不过更为重要的还是垂直磁化与高转速技术相结合。据悉，在磁盘存储密度大幅度提高之后，高转速变得更有实际意义。此前SCSI硬盘尽管实现了15000RPM，但是实际持续内部传输率却并不高。而当垂直磁化技术普及应用之后，我们有望看到桌面硬盘顺利迈向10000RPM级别，并且展现出更加完美的性能。附：硬盘接口发展史回顾不久前，英特尔公司刚刚举行了2001年秋季的开发者论坛（IDF2001），在此次大会上正式确立了硬盘接口新标准--SerialATA1.0，相信大家对其或多或少也有所听说。在本届IDF上确定的最初版本串行ATA支持最高传输率为150MB/s，这比迈拓公司制定的ATA/133标准还高了一些，而它的最终目标将是实现600MB/s的外部数据传输率，我们每个人肯定都非常期盼将来能有这么快的硬盘数据传输率，但硬盘能达到那样的速度，也是经过了一个曲折的接口发展才能实现。

回顾历史，我们可以看出硬盘接口发展所带来的系统效能增强非常显著，从最早的ST-506/412到现在最新的SerialATA1.0，硬盘不仅在速度上有了'飞一般'的提高，而且在数据传输的完整性与稳定性方面也有了质的提高。

最早的ST-506/412是希捷公司开发的一种硬盘接口，首先使用这种接口的硬盘为希捷的ST－506及ST－412。ST－506接口使用起来相当简便，它不需要任何特殊的电缆及接头，但是它支持的传输速度很低，因此到了1987年左右这种接口就基本上被淘汰了，采用该接口的老硬盘容量多数都低于200MB，早期IBMPC/XT和PC/AT机器使用的硬盘就是ST－506/412硬盘或称MFM硬盘。

在ST之后，硬盘出现了ESDI（EnhancedSmallDriveInterface）接口，它是迈拓公司于1983年开发完成。它的特点是将编解码器放在硬盘本身之中，而不是在控制卡上，理论传输速度是前面所述的ST-506的2-4倍，一般可达到10Mbps，但其成本较高，与后来产生的IDE/EIDE接口相比无优势可言，因此在九十年代后就补淘汰了。

上面介绍的两种接口在早期对奠定硬盘接口标准起到了非常重要的作用，但对于ATA硬盘接口来说有实质意义上的飞跃还是IDE接口推出，因为从IDE开始，硬盘接口开始走向了规范化的道路，我们现在经常称呼的IDE硬盘也有些在延续那时IDE接口的意思，由此不难想像IDE接口推出的意义。在这个硬盘接口规范化道路的建设过程中，许多公司为之付出了许多努力，例如英特尔公司、希捷公司、迈拓公司、IBM公司，但有一家公司我们不能不提，那就是美国的'西部数据（WesternDigital）'公司，因为是WD制定了EIDE的接口标准，而在那之后制定的所有IDE接口（并行ATA）差不多都是在IDE/EIDE的基础上不断创新产生得。

追溯历史，最早IDE（IntegratedDriveElectronics）的本意实际上是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，这样的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其它厂商生产的控制器兼容，对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。正是基于它所具有这么多优点与好处，因此至今个人电脑上使用的硬盘大多数都是IDE兼容的，它只需用一根电缆将它们与主板或接口卡连起来就可以了。

在IDE之后，西部数据公司在原有基础上制定了增强版IDE（EIDE，EnhancedIDE），它增加了2种PIO和2种DMA模式，把最高传输率提高到了16.7MB/s，同时引进了LBA地址转换方式，突破了老BIOS固有504MB的限制，支持最高可达8.1GB的硬盘。如你的电脑支持EIDE，则可以在CMOS设置中找到（LBA，LogicalBlockAddress）或（CHS，Cylinder,Head,Sector）的设置。其两个插口分别可以连接一个主设备和一个从设备，从而可以支持四个设备，两个接口也分为主接口和从接口。通常可将最快的硬盘和CD-ROM放置在主接口上，而将次要一些的设备放在从插口上，这种放置方式对于486及早期的Pentium电脑是必要的。

随着IDE/EIDE得到了越来越广泛的应用，全球标准化协议将该接口制定成了全球硬盘标准，这样就产生ATA（AdvancedTechnologyAttachment），此后的硬盘接口发展则一直在延续着并行ATA的发展脚步，从ATA-1一直发展到了ATA-6标准，它所包含的接口类型也越来越先进。在最早的ATA-1中一共规定了3种PIO模式和4种DMA模式（没有得到实际应用），速度最高不超过8.3MByte/s；之后的ATA-2是对ATA-1的扩展，它增加了2种PIO和2种DMA模式，把最高传输率提高到了16.7MB/s，从根本上讲它就是对西部数据公司制定的EIDE接口规范化。

而后的ATA标准不断升级，推出了广为人知并且应用广泛的UltraATA/33(DMA33)、UltraATA/66(DMA66)，这两种接口分别被划为ATA-3、A