企业级缓行？高级格式化4KB扇区硬盘深度解析

硬盘行业正在经历一次变革。近年内，在存储密度大幅增长的同时，作为硬盘设计最主要因素之一的逻辑块格式化大小（也称为扇区）却仍然没有变化。

开始于 2009 年晚期，在 2010 年加速，2011 年力争成为主流，硬盘公司正在从传统的 512 字节扇区迁移到更大、更高效的 4096 字节扇区（一般称为 4K 扇区），国际硬盘设备与材料协会（International Disk Drive Equipment and Materials Association，IDEMA）将之称为高级格式化。

下面我们将分别阐述此迁移的背景，指出为客户带来的长期利益，同时提出从 512 字节迁移到 4K 扇区的过程中要避免的潜在隐患。

背景

30 多年来，硬盘上储存的数据都要格式化到小的逻辑块中，这种逻辑块称为扇区。传统的扇区大小是 512 字节。实际上，现代计算机系统很多的设计方面仍假设硬盘扇区采用此基础格式标准。

传统扇区格式中包含间隙 (Gap)、同步 (Sync) 和地址标记 (Address Mark)、数据和纠错代码 (ECC) 部分（见图 1）。

图 1.硬盘介质上的传统扇区布局

此扇区布局的结构设计如下：

间隙 (Gap) 部分：间隙，用于分隔扇区。

同步 (Sync) 部分：同步标记，用于表示扇区开始处并提供计时对齐。

地址标记 (Address Mark) 部分：地址标记，包含可识别扇区号和位置的数据。还可提供扇区本身的状态。

数据部分：数据，包含所有用户数据。

ECC 部分：ECC 部分包含用于修复或复原读写过程可能受损的数据的纠错代码。

多年来，硬盘行业一直采用这种低级别的格式。然而，随着硬盘容量的不断增长，扇区大小日渐成为提高硬盘容量和纠错效率方面的限制性设计因素。例如，将以前的扇区大小和总容量的比率与最近硬盘的扇区大小和总容量的比率相对比就可以发现，扇区分辨率已变得非常低。扇区分辨率（扇区大小和总存储大小的百分比）已经非常低，几乎可以忽略不计（见表 1）。

表 1.在一个可测量的总容量内的扇区分辨率。

管理小型离散数据时，分辨率越低越好。但是，现代计算系统中的常用应用管理的都是大型数据块，实际上远比传统 512 字节扇区大小要大得多。

另外，随着区域密度的增加，小型 512 字节扇区在硬盘表面上占用的空间也将越来越小。从纠错和介质缺陷风险方面看，更小的空间也会引发问题。如图 2 所示，硬盘扇区中的数据占据的空间越小，错误纠正就会变得越困难，因为同样大小的介质缺陷对总体数据负载损害的百分比更高，因此需要更大的纠错强度。

图 2.介质缺陷和区域密度（更高的区域密度使同样大小介质缺陷带来的危害更高）

512 字节扇区一般可纠正高达 50 字节长度的缺陷。现在，硬盘开始通过先进的区域密度来提高错误纠正的上限。因此，为了改善错误纠正和实现格式化效率，迁移到较大扇区是硬盘行业内的基本要求。