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日志

 
 

硬盘技术现状与展望  

2008-06-17 17:19:31|  分类: 2、计算机硬件 |  标签: |举报 |字号 订阅

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      在如今市场上,几乎没有一款存储产品能在容量上和硬盘一较高下,这也是硬盘几十年来一直作为存储产品中的霸主的原因。可是,就因为没有过多的竞争,使得进步缓慢。 自从IBM于1956年9月向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM 350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。

硬盘技术现状与展望 - 1971050317 - 1971050317的博客

    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。因此硬盘受到尺寸的限制,已经不能任意的增加盘片的数量,而增长容量。

 一、Solid State Disk 固态存储

  07年在存储领域,有个词一直在受到人们的瞩目——SSD。SSD全称是Solid State Disk,译成中文是固态存储。在过去的几年间,CPU频率提高了、制程更新了;内存频率提高了;硬盘容量提高了,但随着人们对数据需求增多,存储系统的瓶颈越来越明显,尽管在接口方面PATA变成了SATA,SCSI变成了SAS,垂直记录技术在容量上的突破,但仍未能改变硬盘采用磁记录的方式。而这一切也将随着SSD的到来而改变。

  其实很早以前固态硬盘就来到了我们的身边,早期的IBM刀片产品中就采用固态硬盘,那时容量比较小,也不支持热插拔。在07年初,英特尔宣布在08年起开始制造基于固态硬盘的服务器,起始型号将采用容量32GB的固态硬盘,以后会逐步投产搭载64GB与128GB固态硬盘的产品。


任你摔 创新日IBM大会展示固态硬盘技术

早期的固态硬盘

SSD的存储介质:

  SSD的存储介质分为两种,一种是采用FLASH芯片作为存储介质,另外一种是采用DRAM作为存储介质。使用FLASH芯片作为存储介质的固态硬盘,可以被广泛应用到笔记本硬盘、存储卡、U盘等。另外一种就是采用DRAM作为存储介质的SSD,目前应用范围较窄。它仿效传统硬盘的设计、可被绝大部分操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理,并提供工业标准的PCI和FC接口用于连接主机或者服务器。采用FLASH芯片作为固态存储器最大的优点就是可以移动,而且数据保护不受电源控制,能适应于各种环境,但是使用年限不高,适合于个人用户使用。

SSD固态存储器在以下几点优点:

  首先,数据存取速度快。根据相关测试:两台电脑在同样配置的电脑下,搭载SSD固态存储器的笔记本从开机到出现桌面一共只用了18秒,而搭载传统硬盘的笔记本总共用了31秒,两者几乎有将近一半的差距。其次,防震抗摔是SSD的一个特点之一,因为全部采用了闪存芯片,所以SSD固态存储器内部不存在任何机械部件,这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响到正常使用,而且在笔记本电脑发生意外掉落或与硬物碰撞时能够将数据丢失的可能性降到最小。

任你摔 创新日IBM大会展示固态硬盘技术
新固态硬盘

  第三,固态存储器工作时静音(固态存储器因为没有机械马达和风扇,工作时噪音值为0分贝)、发热量小、散热快。第四,固态存储器在重量方面更轻,与常规1.8英寸硬盘相比,重量轻20-30克,减少的重量有利于移动设备的携带。

SSD固态存储器的不足:

  鱼和熊掌不能兼得,固态存储器不足之处在于数据的可恢复性,一旦在硬件上发生损坏,如果是传统的磁盘或者磁带存储方式,通过数据恢复也许还能挽救一部分数据。但是如果是固态存储,一但芯片发生损坏,要想在碎成几瓣或者被电流击穿的芯片中找回数据那几乎就是不可能的。当然这种不足也是可以牺牲存储空间来弥补的,主要用RAID 1来实现的备份,和传统的存储的备份原理相同。由于目前SSD的成本较高,采用这种方式备份还是价格不菲。

任你摔 创新日IBM大会展示固态硬盘技术
固态硬盘拆解

  上图是在IBM的大会上我们拍摄到的产品实物图片,工作人员现场演示了将固态硬盘从空中抛起,衰落到地面(地毯)上的过程。当然我们在实际使用过程中也不会这样去做的,这样演示的目的只有一个,就是告诉用户在不小心衰落到地上的那一时刻传统硬盘很有可能就会坏掉,而固体硬盘则可以安然无恙。

任你摔 创新日IBM大会展示固态硬盘技术
新旧两款产品对比

  看到在PCB板上已经焊接上了16GB模组,单颗容量4GB,另外我们还看到PCB板上预留4颗空焊位,这表明今后这款固态硬盘将升级更高的容量。与普通硬盘驱动器相比,SSD可省电87%,由于没有移动组件的运行,那种普通硬盘的常见故障明显减少了,系统储存因而更加可靠。采用闪存固态驱动器后,刀片服务器的每一插架可省电18瓦,等于一个基座省电252瓦,整个服务器网架将节电1512瓦。

展望:

  08年3月4日消息,据国外媒体报道,联想将在新出品的高端笔记本电脑上统一使用固态硬盘(SSDs)。 该公司目前推出了有史以来最薄的笔记本-X300,它将只能使用固态硬盘,目前配置的是64GB型号。

08年5月27日三星宣布今年年内将推出首款256GB高速固态硬盘(SSD,solid-state drive),在存储容量和读取速度上256GB都是三星此前推出的128GB固态硬盘的两倍。 据国外媒体报道,三星计划年内推出的这款高速固态硬盘的连续读取速度可达每秒200MB,写入速度为每秒160MB,此前推出的128GB固态硬盘写入速度为每秒70MB。此外,这款硬盘的厚度只有9.5毫米,为三星推出的最薄硬盘之一,可以用于超轻薄笔记本电脑。三星电子表示,08年内将开始生产NAND快闪记忆体为基础的磁盘,这种所谓固态硬盘的速度是传统硬盘的2.4倍。 三星预计9月份给电脑制造商提供新款硬盘样品,并计划于年底出货,推出的产品包括用于普通笔记本的2.5英寸硬盘及为超便携笔记本或更轻便设备生产的1.8英寸硬盘。

 2011年市面上几乎所有的固态硬盘都采用了SandForce二代主控或者Marvell主控,而且SATA3接口、顺序读取500MB/s成了这一年上市的固态硬盘标配。我们发现在2011年随着新工艺制程的步进、固件算法的优化,SSD的寿命和性能都达到了比较成熟的水平,但阻碍其普及的,除了价格还是价格。2012年硬盘新品正如之前市场展望中提到的一样,将是单碟1TB机械硬盘、3.5英寸混合硬盘和20nm制程固态硬盘为主。

 二、采用ReadyBoost技术的混合式硬盘

  06年11月微软开发已久的Vista系统终于上市,它带给我们全新的电脑界面与方便快捷的使用方式,同时也带来的一些新技术。在硬盘性能提升的路越走越窄的时候,闪存在近年来的的异军突起,引起了硬件厂商的广泛关注。闪存采用半导体作为存储方式,全无机械架构。最初的闪存数据传输较慢,但随着技术的发展,闪存的读写速度大大提高,并具备更低的耗电和更小的体积。目前,高性能的闪存价格仍然非常高,完全将硬盘存储转换为闪存存储并不现实。而在固态硬盘暂时还难以取代传统硬盘的时候,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。

  微软发布的Windows Vista中,拥有一项ReadyBoost技术,该功能包含在即将它利用闪存随机读写及零碎文件读写上的优势来充当硬盘读写的缓存,借此来大幅提升硬盘的随机读取性能。基于ReadyBoost技术原理,硬件厂商提出了混合硬盘技术。它在硬盘外层集成了大容量的闪存,充当的重要的缓存作用,而最终的存储还是得依靠硬盘来完成。这样,就取得了较低价格下,性能与容量的折衷。

  除了ReadyBoost技术外,英特尔公司也提出了Robson缓存,它采用了不同的方案,把非易失性缓存直接放在主板上。因整个操作系统加载到了闪存上,这样就可以直接从缓存启动。同样,厂商建议缓存容量至少为128MB,但2GB到4GB的容量有望提供更强大的灵活性。

◎ 混合硬盘技术:提升系统启动时间、耗能低、噪音小

  这些混合集成方案能够为我们带来什么呢?首先,它降低了功耗。由于停止了转动,通过闪存的磁盘读写操作让硬盘可以保持在节电状态下。三星公司的Dan Barnetson估计,可以从整体上把功耗降低9%。在便携式电脑上,这省下来的电相当于最多可让电池寿命延长一个小时。

  启动和恢复速度加快是另一个优势。 首次给PC加电后的头3至5秒用来转动硬盘盘片、实现磁头同步,然后才开始启动过程。直接从闪存缓存启动就消除了这种延迟现象,又不会牺牲磁盘性能加快启动时间。最后,混合存储解决方案更可靠。移动应用需要可靠性,而作为固态介质,闪存具有出众的抗震性。另外,硬盘较低的工作占空比(operating duty cycle)意味着转动较少、散热较低、硬驱寿命。

  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、采用垂直记录技术的TB级硬盘出现

  一直以来,硬盘记录技术都是纵向或称水平磁记录(LMR,Longitudinal Magnetic Recording),每个存储位的磁极粒子平辅在一个平面上。虽然磁记录材料的不断进步,但极限已到,在相同的面积上加入更多的磁极粒子虽然有助于提高存储密度,但也加大了平面排列的磁粒子之间的互斥干扰,即使容量可以进一步提高,但记录的质量则不能得到有效的保证。

  研究人员发现,纵向记录技术在存储密度高于120Gb/in2时,已无法保存完整的数据。正是纵向记录技术的饱和而催生了另一种技术的诞生和发展,这就是垂直记录技术(Perpendicular Magnetic Recording)。如果把一个磁单元比作一个小小的骨牌,那么,纵向记录就是将骨牌(即磁单元)以水平模式存放,因此占用了较多的空间。而垂直记录技术则是将骨牌直立起来,从而有效地提升了磁盘表面每平方英寸的磁单元数量,增加了整体的存储容量。无论是垂直记录技术还是纵向记录技术,硬盘的基本原理和结构都没有发生改变,垂直记录技术所带来的重要的技术变革在于介质、磁头和读写电子器件上,与纵向技术最大的不同在于,垂直技术的磁路垂直于磁盘表面,而不是位于磁盘表面。 采用垂直记录技术可以大幅提升存储密度,从而提升硬盘的存储容量。

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● 垂直记录详解

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  这是垂直记录磁头上半部分在高导磁率SUL中存在磁场是的图像,SUL的垂直磁头将磁场传递给介质,介质包含部分以SUL形式存在的部分“磁头”,我们可以看到这是效率极高的读写过程。

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  这是垂直记录磁头上半部分在高导磁率SUL中存在磁场是的图像,SUL的垂直磁头将磁场传递给介质,介质包含部分以SUL形式存在的部分“磁头”,我们可以看到这是效率极高的读写过程。

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  返回极的面积将增加,所以磁场强度就得以降低,避免将数据擦除,不过也可以将数据记录到没有SUL的垂直介质,但是这会损失垂直记录那出色的可写性。

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  与纵向记录不同,垂直介质中的退磁磁场方向与磁化磁场方向相反,在高密度情况下更是如此。而且垂直介质还有点不同,就是退磁磁场支持邻位磁化,使的高密度存储更可靠。

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  由于退磁磁场行为存在上述差异,所以垂直记录和水平记录的热衰减线性密度趋势彼此相反。低密度垂直模式更容易出现热衰减和外漏磁场擦除现象,因此垂直记录技术真是天性适合应用的高密度的存储领域。

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  跃迁是水平介质外部磁场的来源,而对于垂直介质来说,除跃迁以外的所有地方都有磁通量,垂直波形看起来更像磁化模式,而不是磁化发生的变化,这直接可以放映在读写的质量上。 千万不要小看这样的转变,它已经将硬盘存储密度提升至每平方英寸1TB,甚至会达到更高的水平。

● 07年年初硬盘进入TB时代

  垂直记录技术的应用使得硬盘打破了有史以来多项规格,单碟容量的提升让性能更加优越,容量更大。目前除了三星外,各大硬盘厂家都推出了1TB硬盘产品。其中上市最早的是来自2007年元月日立的HDS721010KLA330,随后希捷和西数向后发布了各自1TB产品。 HGST的首席市场官Shinjiro Iwata表示: “这个全球第一个1TB硬盘可以说是硬盘诞生50年来的一个重要里程碑,并且再次证明了硬盘在最大容量、更低成本的存储技术领域中的领导地位,”

  按照一般典型大小,1TB硬盘可以存储25万首MP3歌曲、358部电影、1000小时视频、333.3万张照片或者500多个游戏。而现在普通的视频播放已经满足不了人们对视频的享受,HDTV高清晰度电视应运而生,主流家用显示器已经能够完美的播放。不仅如此,随着计算机技术的不断升级,性能越来越强大,在电脑上也能轻松播放HDTV。但是HDTV影片是非常占硬盘容量的,基本一部影片要二三十GB大小,对于硬盘容量太小的用户经常为了新出的电影,把自己想要收藏的电影删掉,因为没有容量了。并且现在1080P大型电影准备不断上市,大容量硬盘是必不可少的。

希捷7200.11推出采用了第二代垂直记录技术的应用

   曾经有谣言说希捷是因为技术不成熟而没有首先推出TB级硬盘。2007年11月发布的Barracuda 7200.11不仅容量达到了1TB,并且还是首款采用

第二代垂直记录技术PMR,也是目前业界唯一一款采用此技术的硬盘,容量达到1TB。同时从这一代产品开始希捷所有硬盘都将采用SATA接口,不仅如此,7200.11最低从500GB起跳,也就预示着硬盘大容量时代已经到来! 希捷北亚区技术行销经理朱秋男先生告诉我们其实早在1890年垂直记录技术就已经出现,当时用于记录声音。

500GB起 垂直2代希捷7200.11权威评测
芯片元件都涉及在背板里面

  Barracuda 7200.11的待机功耗仅为8W,不仅节能,而且运转时温度更低,稳定性更强。Barracuda 7200.11还具备行业领先的低噪音功能,仅有2.7 分贝,人耳几乎难以察觉。Barracuda 7200.11 1TB硬盘将在07年第三季度开始批量生产,官方建议零售价格为399.99美元。

● 一、二代垂直记录技术规格对比   

Seagate

7200.10

Seagate

7200.11

最大容量

750GB

1TB

单碟容量

188GB

250GB

最大磁片数

4

4

寻道功耗

12.6W

11.6W

持续数据传输速率

78MB/S

105MB/S

转速(RMP

7200

7200

寻道静音效果

3.7Bels

2.9Bels

接口

SATA 3.0Gb/s

SATA 3.0Gb/s

缓存大小

16MB

16MB/32MB

垂直记录技术

一代

二代

  从上表可以看到,采用第二代垂直记录技术的7200.11在单碟容量上得到很大的突破,从188GB变为250GB,并且在功耗上比7200.10低了1W,同时静音效果更好,缓存也变为最大32MB,最重要的数据传输速率提升到105MB/S。可以毫不犹豫的说采用第二代垂直记录技术的硬盘,性能将会更强、更静音、更省电。

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