從硬盤單碟容量縱覽硬盤發(fā)展

在盡享高速+海量所帶來(lái)的快感之時(shí)，我們?cè)宦纷哌^(guò)的硬盤發(fā)展之路，沒(méi)有理由將之遺忘。借著硬盤單碟突破1TB之際，筆者本期和大家一起重踏硬盤發(fā)展之路。

2011年5月4日，這是一個(gè)值得我們記住的日子。在這一天，希捷公司發(fā)布了全球首款單碟1TB硬盤。單碟1TB硬盤的出現(xiàn)，意味著在不久的將來(lái)，5TB、10TB乃至更大容量的硬盤將廣泛被個(gè)人用戶使用，個(gè)人海量存儲(chǔ)已不再是遙不可及的事。

從技術(shù)來(lái)看，硬盤的技術(shù)含量絕不弱于CPU的技術(shù)含量，二者可以說(shuō)是相差無(wú)幾。在容量不斷翻倍的背后是無(wú)數(shù)科學(xué)家的心血。放眼現(xiàn)今，只有極少數(shù)國(guó)際大廠才稱得上掌握了硬盤核心技術(shù)。隨著1TB單碟硬盤面世和SSD的推出，硬盤已步入一個(gè)新階段。

硬盤開(kāi)山鼻祖，單碟100KB問(wèn)世

將時(shí)間退回到1957年，在這一年，IBM研發(fā)了世上第一臺(tái)硬盤IBM 350 RAMAC。“一臺(tái)”硬盤？沒(méi)錯(cuò)！這確實(shí)是“一臺(tái)”硬盤，而不是“一塊”。這臺(tái)硬盤的容量?jī)H為5MB，卻由50個(gè)直徑為24英寸的盤片組成，轉(zhuǎn)速為 1200r/min。在現(xiàn)在看來(lái)，這只不過(guò)是是一臺(tái)數(shù)據(jù)記錄機(jī)罷了?，F(xiàn)在來(lái)看，5MB的容量連一個(gè)《憤怒的小鳥(niǎo)》PC版也裝不下。

溫切斯特時(shí)代，單碟步入MB級(jí)

就在IBM 350 RAMAC面世后不久。IBM于1968年研制了Winchester（溫切斯特）技術(shù)，但當(dāng)時(shí)只是一個(gè)技術(shù)理論，還沒(méi)有將技術(shù)產(chǎn)品化。1973，IBM 首次將溫切斯特技術(shù)應(yīng)用在IBM 3340上，IBM 3340的出現(xiàn)再次令世界為之驚嘆。但是該硬盤的容量也僅為60MB（單碟30MB），今天看來(lái)，這樣小的容量連一個(gè)PC版《植物大戰(zhàn)僵尸》也嫌小。 IBM 3340是首款采用溫切斯特技術(shù)研發(fā)的硬盤，溫切斯特技術(shù)的精髓在于：在一個(gè)密閉盒子中安裝磁片，磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的盤片上方但不與盤片直接接觸，利用磁頭讀取數(shù)據(jù)并沿盤片徑向移動(dòng)。溫切斯特技術(shù)的出現(xiàn)一直影響著硬盤的發(fā)展，雖然現(xiàn)今硬盤已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地變化，我們使用的硬盤容量為數(shù)TB，但其本質(zhì)并無(wú)太大區(qū)別，IBM 3340也因此成為現(xiàn)今硬盤真正意義上的祖先。

IBM 350 RAMAC是硬盤的開(kāi)山鼻祖

單碟容量進(jìn)入GB級(jí)時(shí)代

由于IBM于1991年生產(chǎn)的3.5英寸的硬盤采用了MR磁阻磁頭，故使得硬盤的整體容量首次達(dá)到了1GB。1GB的容量在當(dāng)時(shí)看來(lái)已經(jīng)是非常龐大的了，當(dāng)時(shí)在業(yè)界也引起了非常大的轟動(dòng)。

首款采用溫切斯特技術(shù)的IBM 3340硬盤

MR技術(shù)的出現(xiàn)，使得硬盤擁有更高的實(shí)際記錄密度，從而擴(kuò)充了硬盤的整體容量，提高了硬盤對(duì)數(shù)據(jù)的吞吐量。

如果說(shuō)溫切斯特技術(shù)和MR技術(shù)將硬盤引入一個(gè)新紀(jì)元，那GMR巨磁阻則令硬盤迎來(lái)一次質(zhì)的飛躍。1994年，IBM公司利用巨磁阻效應(yīng)研發(fā)出新型的硬盤磁頭，即巨磁阻磁頭。巨磁阻磁頭的出現(xiàn)，令磁盤密度在原來(lái)的基礎(chǔ)上提高了17倍，單個(gè)硬盤體積大大減小，硬盤容量進(jìn)一步擴(kuò)大。GMR與MR都是利用特殊材料的電阻值隨磁場(chǎng)變化的原理來(lái)讀取盤片上的數(shù)據(jù)，但是GMR磁頭使用了磁阻效應(yīng)更好的材料和多層薄膜結(jié)構(gòu)，比MR磁頭更為敏感，相同的磁場(chǎng)變化能引起更大的電阻值變化。而最為激動(dòng)人心的是，巨磁阻的出現(xiàn)令單碟容量突破10GB！

單碟容量成功破10GB

在20世紀(jì)接近尾聲的時(shí)候，硬盤技術(shù)有了革命性的突破。1999年9月，邁拓宣布了首塊單碟容量高達(dá)10.2GB的ATA硬盤，從而把硬盤的容量引入了一個(gè)新里程碑。在這之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，總體容量飆升至40.9GB的硬盤逐漸走進(jìn)了千家萬(wàn)戶，滿足了用戶對(duì)于存儲(chǔ)密集型應(yīng)用的要求。從1999年開(kāi)始，主流硬盤的傳輸模式也由Ultra DMA/33（數(shù)據(jù)傳輸率為33MB/s）逐步朝著Ultra DMA/66（數(shù)據(jù)傳輸率為66MB/s）過(guò)渡。經(jīng)過(guò)一年多的發(fā)展之后，Ultra DMA/66傳輸模式已經(jīng)日漸成熟。2000年以后，支持ATA/100的硬盤逐漸成為市場(chǎng)的主流。

IBM Deskstar 16GP

然而就在新世紀(jì)元年里，希捷發(fā)布了轉(zhuǎn)速高達(dá)15000r/min的Cheetah X15系列硬盤，其平均尋道時(shí)間只有3.9ms，這是當(dāng)時(shí)全球傳輸速率最快的硬盤，同時(shí)也是當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)速最高的硬盤。此系列產(chǎn)品的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá) 48MB/s，數(shù)據(jù)緩存為4MB～16MB，支持Ultra160/m SCSI及Fibre Channel?？傊＝莸?/font>Cheetah X15系列將硬盤的性能提高到了一個(gè)新高度。同樣是在這一年，硬盤業(yè)界還出現(xiàn)了一件振奮人心的消息，即昆騰與邁拓合并案。如果說(shuō)希捷在產(chǎn)品容量和速度方面是業(yè)界的最大貢獻(xiàn)者，那么昆騰和邁拓在產(chǎn)品噪音的優(yōu)化改善方面，也同樣在業(yè)界扮演著舉足輕重的角色。昆騰的“Quiet Drive Technology”安靜驅(qū)動(dòng)器技術(shù)曾在7200r/min Atlas V和Atlas 10000r/min系列硬盤上應(yīng)用，使得昆騰硬盤發(fā)出的噪聲比其他品牌的同類產(chǎn)品要低得多。

單碟突破百GB，SATA引領(lǐng)風(fēng)潮

2003年9月，希捷發(fā)布了酷魚(yú)7200.7 PLus 200GB，其單碟容量達(dá)到了100GB，標(biāo)志著硬盤迎來(lái)新的海量時(shí)代。隨著單碟容量突破100GB，希捷順勢(shì)推出基于SATA架構(gòu)研發(fā)的新一代硬盤。 SATA技術(shù)亮點(diǎn)除了更快的傳輸速度，NCQ也是亮點(diǎn)之一。NCQ稱為“全速命令隊(duì)列(Native Command Queuing，NCQ)”，如圖所示，NCQ硬盤采用類似亂序的方式讀取，而非是順序讀取，這樣的好處能大大地提高整個(gè)工作流程的效率，極大提高了讀寫(xiě)效率。

未采用NCQ的硬盤（左）與采用NCQ的硬盤（右）

NCQ的引入雖未能提高硬盤單碟容量，但一定程度上提升了硬盤讀寫(xiě)速率，用戶等待程序裝載的時(shí)間得以縮減。雖然NCQ理念前衛(wèi)，但真正得到普及卻是兩年后的事情。目前的硬盤基本上都支持NCQ，要開(kāi)啟NCQ，需在主板中進(jìn)行設(shè)置。

垂直記錄讓單碟突破160GB

雖然巨磁阻能夠有效提升硬盤容量，但硬盤記錄數(shù)據(jù)方式沿用了水平記錄方式。2004年之后的數(shù)年內(nèi)，硬盤容量只能“龜速”提升，單碟容量始終未能突破160GB，究其原因是傳統(tǒng)的水平記錄已不能適應(yīng)硬盤容量增長(zhǎng)。垂直記錄技術(shù)的出現(xiàn)使得面臨容量極限的硬盤看到了新的曙光。首款采用垂直記錄技術(shù)的硬盤是希捷Momentus 5400.3系列（2.5英寸）。然而，真正引起大眾關(guān)注的卻是希捷3.5英寸的Barracuda 7200.10系列產(chǎn)品。它得益于垂直記錄引入，硬盤發(fā)展迎來(lái)新的黃金時(shí)代，容量得以不斷翻倍。

希捷Momentus 5400.3

從水平記錄技術(shù)與垂直記錄技術(shù)的基本原理圖不難看出，垂直記錄與水平記錄最根本區(qū)別便是將原本水平放置的磁性物質(zhì)改成垂直放置。這樣一來(lái)，原本“首尾相接”的磁性物質(zhì)變成“肩并肩”排列，硬盤容量一下子提升了不少。雖然垂直記錄的思路不錯(cuò)，但原本水平寫(xiě)入數(shù)據(jù)的模式豈不是要改變？沒(méi)錯(cuò)，由于寫(xiě)入模式改變，原來(lái)在水平面上產(chǎn)出磁場(chǎng)寫(xiě)入數(shù)據(jù)的模式必須改成垂直，以產(chǎn)生磁化方向垂直于盤片表面的磁場(chǎng)。

水平記錄技術(shù)與垂直記錄技術(shù)的原理

細(xì)心的讀者也許發(fā)現(xiàn)，在示意圖中，采用垂直記錄的盤面比水平記錄盤面要厚一些，實(shí)際上也是這樣嗎？確實(shí)如此！由于垂直記錄的盤面加入軟襯層，厚度提升為69mil（約1.75mm，1mil為千分之一英寸），比水平記錄盤面厚19mil。厚度增加，會(huì)影響性能嗎？按目前情況而言，厚度增加并不會(huì)影響性能。目前業(yè)界已經(jīng)不斷努力，在保證性能不受影響前提下降低盤面厚度。

值得一提的是，垂直記錄技術(shù)的出現(xiàn)，令原本用于水平記錄讀取的巨磁阻磁頭不再適應(yīng)（因?yàn)榫薮抛璐蓬^讀取的靈敏度不太高）。好在各大廠商“不忍心”其從此消失，不斷致力改造，時(shí)至今日，各大硬盤仍有巨磁阻磁頭的身影。但隨著新型的隧道磁阻磁頭大量引入，巨磁阻磁頭也將會(huì)退出歷史舞臺(tái)。

單碟250GB硬盤初嘗甜頭

2008年對(duì)于普通用戶來(lái)講，或許是平凡不過(guò)的一年。然后，這一年里，硬盤技術(shù)有了飛躍式的突破，僅一年的時(shí)間，主流硬盤的容量就在原來(lái)的基礎(chǔ)上翻了兩倍。雖然希捷Momentus 5400.3系列（2.5英寸）是應(yīng)用垂直記錄技術(shù)的代表作品，然而，真正引起大眾關(guān)注的卻是希捷3.5英寸的Barracuda 7200.10系列產(chǎn)品。

在2008年，希捷首推了單碟250GB的硬盤（ST3250410AS 7200.10 250GB），延續(xù)SATA 3Gb/s接口。作為希捷的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，西部數(shù)據(jù)也不甘示弱，于同年推出單碟334GB的產(chǎn)品。

自2008年接下來(lái)的幾年時(shí)間里，幾乎所有的硬盤品牌都推出了自己麾下的垂直系列產(chǎn)品，垂直記錄已經(jīng)成為了硬盤產(chǎn)品一個(gè)約定俗成的“技術(shù)標(biāo)配”。事實(shí)證明，垂直記錄技術(shù)的推出不僅從技術(shù)上徹底改變了硬盤產(chǎn)品的面貌，也在業(yè)界和市場(chǎng)方面對(duì)硬盤產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

奏響海量存儲(chǔ)號(hào)角——單碟突破500GB

希捷新一代硬盤7200.12系列最大的特點(diǎn)是帶來(lái)了單碟500GB的容量，這一產(chǎn)品的出現(xiàn)，代表著用戶能以更少盤片構(gòu)建更大的容量，而發(fā)熱量和故障幾率卻大大降低。從當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)來(lái)看，希捷7200.12系列作為首先上市的500GB硬盤，其價(jià)格竟與原來(lái)的7200.11 500GB保持一致，這也觸發(fā)了很多玩家有了掏包嘗試的欲望。

希捷 Barracuda 7200.12是希捷的第12代產(chǎn)品，在經(jīng)歷了前11代產(chǎn)品的技術(shù)更新與變革之后，第12代產(chǎn)品除了在容量上有突破，在可靠性、傳輸性能方面也都有明顯改善。根據(jù)希捷官方資料來(lái)看，此代硬盤與前代（即7200.11）相比，前者的技術(shù)基于改進(jìn)的垂直記錄（PWR），最大持續(xù)傳輸率從115MB/s提升到了 160MB/s。

不僅如此，它在綠色環(huán)保方面也做了改進(jìn)，噪音和功耗控制得更為出色。這一點(diǎn)也是希捷非常重視的。第12代產(chǎn)品除了完全符合ROHS規(guī)范外，其中70%的制造材料是可回收的，這一點(diǎn)也是希捷非常重視的。

融聚時(shí)代——固態(tài)混合硬盤獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷

雖然巨磁阻與垂直記錄引入，硬盤迎來(lái)新的黃金時(shí)代。單碟容量在2010年已高達(dá)750GB，但受制于傳統(tǒng)機(jī)械硬盤的結(jié)構(gòu)，讀寫(xiě)速度與傳輸速度始終無(wú)法與SSD相媲美。為突破傳統(tǒng)硬盤速率限制，希捷發(fā)布首款融合SSD的硬盤，即Momentus XT 固態(tài)混合硬盤，機(jī)械硬盤性能得以大幅提升。固態(tài)混合硬盤集成4GB的SLC NAND閃存，通過(guò)Adaptive Memory自適應(yīng)存儲(chǔ)技術(shù)，能自動(dòng)判斷哪些數(shù)據(jù)讀寫(xiě)頻率最高，隨之將其從HDD硬盤移至閃存，加快讀寫(xiě)速度。我們有理由相信，固態(tài)混合硬盤的到來(lái)，傳統(tǒng)硬盤必將再“進(jìn)化”，新形態(tài)將統(tǒng)治傳統(tǒng)硬盤的未來(lái)。

希捷Momentus XT是固態(tài)混合硬盤里頗具代表性的產(chǎn)品

展望未來(lái)

水平記錄模式統(tǒng)治硬盤將近半個(gè)世紀(jì)，垂直記錄技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得水平記錄終歸退出了歷史舞臺(tái)。當(dāng)然，光靠一個(gè)技術(shù)是無(wú)法徹底將水平記錄趕走。如果說(shuō)垂直記錄技術(shù)是三叉戟中最長(zhǎng)的那一個(gè)矛頭，那么新型磁頭和磁盤介質(zhì)則是另外的兩個(gè)矛頭。三管齊下，硬盤發(fā)展迎來(lái)新的黃金時(shí)代。

在不少人看來(lái)，傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤終歸會(huì)被固態(tài)硬盤替代?？晒P者并不這樣認(rèn)為，因?yàn)?/font>SSD會(huì)獲得了追求性能、追求輕便的用戶熱捧，占據(jù)中高端市場(chǎng)。而機(jī)械硬盤則憑借較好的性價(jià)比和容量，統(tǒng)治中低端市場(chǎng)。當(dāng)垂直記錄技術(shù)面臨極限，圖案化介質(zhì)技術(shù)就很有可能成為硬盤記錄的替代者。運(yùn)用圖案化介質(zhì)技術(shù)，硬盤容量將有望突破10TB！可能對(duì)于普通用戶來(lái)講，技術(shù)都封裝起的神秘匣子，越來(lái)越便宜的硬盤價(jià)格則是技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)帶給用戶最直接的利益。