OverLord

但是，這個(gè)角色的變化，也悄然讓硬盤(pán)的技術(shù)規(guī)格發(fā)生了改變。機(jī)械硬盤(pán)再也不追求速度，畢竟無(wú)論如何，機(jī)械硬盤(pán)的讀寫(xiě)方式永遠(yuǎn)也不可能趕上固態(tài)硬盤(pán)電信號(hào)擦寫(xiě)的速度;而另一方面，人們對(duì)機(jī)械硬盤(pán)的容量需求，卻前所未有的大。所以現(xiàn)在，機(jī)箱硬盤(pán)并非以速度見(jiàn)長(zhǎng)，很多硬盤(pán)的轉(zhuǎn)速不過(guò)是5900轉(zhuǎn)/分鐘，而不是以往我們認(rèn)知的7200轉(zhuǎn)“高速硬盤(pán)”了。只不過(guò)，為了擴(kuò)大容量，一些看似“先進(jìn)”、但又缺陷滿滿的技術(shù)也隨之而來(lái)，這便是SMR……（圖1）

機(jī)械硬盤(pán)如何運(yùn)行

現(xiàn)在的消費(fèi)級(jí)機(jī)械硬盤(pán)都是所謂的“溫切斯特”式架構(gòu)，主要部件是主軸、磁盤(pán)、磁頭，其他部件包括空氣過(guò)濾片、音圈馬達(dá)、永磁鐵等。其中磁盤(pán)又被稱(chēng)作盤(pán)片，多采用鋁合金材料，被固定在主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，工作的時(shí)候磁盤(pán)會(huì)隨著主軸進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，并且通常硬盤(pán)內(nèi)的盤(pán)片數(shù)量都不止一片（圖2）。

而磁頭和磁頭臂是一個(gè)整體，磁頭主要負(fù)責(zé)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，它是用線圈纏繞在磁芯上制成的，工作原理是利用特殊材料的電阻值隨著不同地點(diǎn)磁場(chǎng)的不同而變化，兩種磁極會(huì)讓磁頭表現(xiàn)為強(qiáng)弱不同的電阻，系統(tǒng)就會(huì)將不同的電阻讀取為0或1的數(shù)據(jù)。反過(guò)來(lái)，磁頭加電后還能改變盤(pán)片上各個(gè)點(diǎn)的磁極，也就是寫(xiě)入數(shù)據(jù)。為避免磁頭和盤(pán)片的磨損，在工作狀態(tài)時(shí)，磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的盤(pán)片上方，間隙只有0.1um～0.3um，而不是盤(pán)片直接接觸，在電源關(guān)閉之后，磁頭會(huì)自動(dòng)回到在盤(pán)片上著陸區(qū)，此處盤(pán)片并不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，是盤(pán)片的起始位置（圖3）。

而這一切的控制指揮權(quán)，都在硬盤(pán)的控制電路板上。電路板上的電子元器件大多采用貼片式元件焊接，這些電子元器件組成了功能不同的電路，包括主軸調(diào)速電路、磁頭驅(qū)動(dòng)與伺服定位電路、讀寫(xiě)電路、控制與接口電路等。在電路板上有幾個(gè)主要的芯片：主控芯片、BIOS芯片、緩存芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片（圖4）。

對(duì)于機(jī)械硬盤(pán)而言，容量的需求很高，所以廠商就必須想盡辦法提高硬盤(pán)容量。而方法不外乎三種，第一是增加磁盤(pán)的數(shù)量，第二是增加磁盤(pán)的面積，第三是增加每個(gè)磁盤(pán)上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的密度。不過(guò)畢竟無(wú)論是3.5英寸還是2.5英寸的規(guī)格，都已經(jīng)定型了，再要改變磁盤(pán)尺寸幾無(wú)可能（圖5）。

PMR技術(shù)是什么

數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的需求一直持續(xù)增加，不管是直接、間接的儲(chǔ)存行為都是造就海量數(shù)據(jù)的主要原因，早期硬盤(pán)發(fā)展由諾大體積縮小到5.25英寸、3.5英寸，之后逐步發(fā)展成以3.5英寸、2.5英寸為主流硬盤(pán)規(guī)格（僅限機(jī)械硬盤(pán)）。之后硬盤(pán)容量提升方式就是在有限空間中提高數(shù)據(jù)密度、增加可用面積，所以增加盤(pán)片數(shù)曾經(jīng)是其中很重要的方式，但這一方式隨著硬盤(pán)高度、重量、發(fā)熱量等問(wèn)題逐漸被放棄，最后剩下的就只有提升數(shù)據(jù)密度了。改變磁記錄方式是提升存儲(chǔ)密度最有效的方式，由LMR（縱向磁記錄）轉(zhuǎn)為PMR（垂直磁記錄）曾讓硬盤(pán)容量大幅提升，而PMR自2007年之后就成了硬盤(pán)很重要的基礎(chǔ)技術(shù)。

LMR（Longitudinalmagneticrecording）也就是水平磁性記錄，在早期磁盤(pán)中，每個(gè)存儲(chǔ)位的磁性粒子是平鋪在盤(pán)面上的，磁感應(yīng)的方向也是水平的。這種方式最大的缺點(diǎn)，就是比較占面積，另外當(dāng)磁粒過(guò)小，相互靠得太近，磁性就很容易受到熱能的干擾，令方向發(fā)生混亂。所以，LMR的時(shí)代，單個(gè)磁盤(pán)能夠存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)有限，整個(gè)硬盤(pán)的容量也就存在瓶頸。

PMR通過(guò)將代表數(shù)據(jù)位的磁性元素的磁極與磁盤(pán)表面垂直對(duì)齊來(lái)工作。磁道并排寫(xiě)入，不重疊。由于寫(xiě)入磁頭通常大于讀取磁頭，因此HDD制造商會(huì)盡量縮小寫(xiě)入磁頭的大小。由于PMR垂直式記錄磁盤(pán)內(nèi)，擺放磁粒的小格豎起來(lái)了，占用的空間變小了，所以相同的面積，單盤(pán)容量有了巨大的提升，LMR水平式記錄磁盤(pán)，存儲(chǔ)密度僅為每平方英寸133GB，而現(xiàn)在我們使用的PMR垂直式記錄磁盤(pán)是可以做到每平方英寸1108GB，翻了將近9倍（圖6）。

由LMR轉(zhuǎn)為PMR使得單盤(pán)片磁記錄密大大幅提升，但隨著海量數(shù)據(jù)的爆炸性增長(zhǎng)，比如高清格式的電影、超大容量的游戲等等，很快的這所謂的大容量硬盤(pán)又面臨考驗(yàn)。于是如何在硬盤(pán)那有限的空間里“塞入”更多的碟片，就成了各家硬盤(pán)廠商的終極追求——例如導(dǎo)入氦氣讓每張盤(pán)片的間隙盡量縮小，可以在同等體積下塞進(jìn)更多數(shù)據(jù)，很自然地就成為解決方案之一（圖7）。

做到PMR這一步，嚴(yán)格意義上說(shuō)已經(jīng)非常困難了。但是，面對(duì)這數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求的巨大鴻溝，僅僅是PMR依舊不夠，所以在PMR基礎(chǔ)上，SMR便誕生了。

SMR技術(shù)的由來(lái)

SMR是PMR的延伸，可提供更高的面密度。 SMR不會(huì)將每個(gè)磁道分開(kāi)寫(xiě)入，而是將每個(gè)新磁道與之前寫(xiě)入磁道的一部分重疊，非常像屋頂?shù)耐咂Ｍㄟ^(guò)重疊磁道，磁道會(huì)變得更窄，從而增加磁道數(shù)量，提升數(shù)據(jù)密度。這樣一來(lái)，采用SMR技術(shù)的硬盤(pán)容量非常容易做得更大，畢竟在同等單位面積下“擠”出了新的存儲(chǔ)空間（圖8）。

實(shí)際上SMR的磁場(chǎng)擺放方式仍是采用PM R（垂直磁記錄）將磁場(chǎng)垂直擺放，只是通過(guò)磁道重迭增加容量。因此為了避免與SMR混淆，業(yè)界于是將原先傳統(tǒng)磁道不會(huì)重迭的PMR改稱(chēng)為CMR（Conventional MagneticRecording / 傳統(tǒng)式磁記錄）技術(shù)。所以本質(zhì)上，PM R就是CMR，只不過(guò)名稱(chēng)換了而已（圖9）。

當(dāng)采用SMR技術(shù)的硬盤(pán)上循序?qū)懭胄聰?shù)據(jù)時(shí)，這些如瓦片般堆棧的磁道仍可正常讀取，并不影響讀取性能。但是，一旦已寫(xiě)入的數(shù)據(jù)要修改或覆寫(xiě)時(shí)，寫(xiě)入磁頭并不會(huì)直接在既有的磁道上進(jìn)行磁錄，以避免毀損相鄰磁道的數(shù)據(jù)，編輯后的數(shù)據(jù)會(huì)先在磁盤(pán)上的空白處寫(xiě)入，原先舊數(shù)據(jù)的磁道會(huì)暫時(shí)維持不動(dòng)，等到硬盤(pán)閑置時(shí)才會(huì)與相鄰磁道一起重新整理，將原先磁道上的舊數(shù)據(jù)自動(dòng)清除，并重新成為可用空間以供新數(shù)據(jù)寫(xiě)入（圖10）。

因此，SMR硬盤(pán)的空閑時(shí)間就顯得相當(dāng)重要。如果SMR硬盤(pán)長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行密集的寫(xiě)任務(wù)，則會(huì)沒(méi)有足夠的空閑時(shí)間來(lái)重新整理磁道，暫時(shí)不動(dòng)的已有數(shù)據(jù)磁道數(shù)量會(huì)越來(lái)越多。這就導(dǎo)致SMR硬盤(pán)必須一邊寫(xiě)入新數(shù)據(jù)，一邊重新整理舊磁道，進(jìn)而對(duì)讀寫(xiě)效能造成某種程度的影響。為了增加讀寫(xiě)性能，往往配備相當(dāng)大的緩存——因此當(dāng)你看到很多硬盤(pán)都是128MB、256MB的緩存，就明白它是什么了（圖11）。

顯然，在頻繁讀寫(xiě)的使用需求下，SMR硬盤(pán)絕對(duì)不是一個(gè)好的選擇。但是，在需要讀遠(yuǎn)大于寫(xiě)的使用環(huán)境下，SMR硬盤(pán)“便宜又大碗”的特性倒是十分適宜。所以，我們必須要以自身使用需求出發(fā)，這才是最重要的。筆者也整理了當(dāng)前主流硬盤(pán)廠商的PMR/CMR及SMR技術(shù)硬盤(pán)，如果你有需求，可以根據(jù)這部分內(nèi)容來(lái)區(qū)分硬盤(pán)的屬性，方便自己采購(gòu)時(shí)做出正確選擇。此外，如果未來(lái)遇到一些尚未涉列的硬盤(pán)，筆者也提供基本的判斷方法幫助讀者快速判斷硬盤(pán)的技術(shù)規(guī)格。

首先，目前的2.5英寸筆記本硬盤(pán)，也就是7mm厚規(guī)格的，如果容量是1TB或者2TB，那么幾乎可以肯定用的就是SMR技術(shù)，因?yàn)檫@意味著使用了單碟容量為1TB的盤(pán)片，而目前2.5寸的盤(pán)片要做到單碟容量1TB，幾乎只能靠SMR技術(shù)來(lái)提升密度。這種情況在希捷的2.5寸硬盤(pán)上最為常見(jiàn)，甚至出現(xiàn)了容量為500GB也要用SMR技術(shù)的2.5英寸單碟硬盤(pán)。其次，前文已經(jīng)講過(guò)了SMR式HDD具有跟CMR式HDD不同的寫(xiě)入方式，因?yàn)樯婕暗綌?shù)據(jù)的來(lái)回遷移，所以一般SMR的硬盤(pán)會(huì)使用大容量的緩存來(lái)幫助提升使用體驗(yàn)，例如硬盤(pán)多采用128MB以上的緩存，那么極大概率也是SMR技術(shù)產(chǎn)品（圖12）。