矛盾引发变革:硬盘技术发展前景分析

一、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。

　　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灰尘，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。

　　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（Magnetoresistive heads） 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。

　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。

　　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-state disk，SSD），该产品锁定小型笔记本电脑（UMPC）、平板电脑（Tablet PC）等市场。通过运用8GB NAND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。

　　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32GB SSD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。

　　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。

    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。

　　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Windows Vista。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，Permanent defect list）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，Grown defects list) 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。

　　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 7200.9 500G容量硬盘（参数 图库 报价）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”。

　　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。