硬盘

硬碟
Laptop-hard-drive-exposed.jpg
2.5英寸SATA硬碟驱动器的内部
研发日期 1956年9月4日[1]
研发者 IBM的Rey Johnson
连接至 主机板通过
「硬碟」的各地常用别名
中国大陆 硬盘、机械硬盘
港台 硬碟、硬式磁碟机
拆卸并贴有标签的1997年硬碟,位于镜子上方

硬碟(英语:Hard Disk Drive,缩写:HDD,有时为了与固态硬碟相区分称「机械硬碟」或「传统硬碟」)是电脑上使用坚硬的旋转碟片为基础的非挥发性记忆体,它在平整的磁性表面储存和检索数字资料,资料通过离磁性表面很近的磁头由电磁流来改变极性的方式被写入到磁碟上,资料可以通过碟片被读取,原理是磁头经过碟片的上方时碟片本身的磁场导致读取线圈中电气讯号改变。硬碟的读写是采用半随机存取的方式,可以以任意顺序读取硬碟中的资料,但读取不同位置的资料速度不相同。硬碟包括一至数片高速转动的碟片以及放在致动器悬臂上的磁头。

早期的硬碟储存媒介是可替换的,不过现在硬碟的储存媒介一般不能更换,碟片与磁头是一起被密封在硬碟机内。硬碟有一个有着过滤措施的气孔,用来平衡工作时产生的热量导致的硬碟内外的气压差

硬碟是由IBM在1956年开始使用[3],在1960年代初成为通用式电脑中主要的辅助存放装置,随着技术的进步,硬碟也成为伺服器个人电脑的主要组件。

介面

资料介面

硬碟读取状态
硬碟内部的碟片在通电后开始高速转动

硬碟按资料介面不同,大致分为ATA(又称IDE)和SATA以及SCSISAS。介面速度不是实际硬碟资料传输的速度,目前普通硬碟的实际资料传输速度一般不超过300MB/s。

ATA

全称Advanced Technology Attachment,是用传统的40-pin并列资料线连接主机板与硬碟的,介面速度最大为133MB/s,因为并列线的抗干扰性太差,且排线占用空间较大,不利电脑内部散热,已逐渐被SATA所取代。

SATA

全称Serial ATA,也就是使用序列埠的ATA介面,特点是抗干扰性强,对资料线的要求比ATA低很多,且支援热插拔等功能。SATA-II的介面速度为300MiB/s,而新的SATA-III标准可达到600MiB/s的传输速度。SATA的资料线也比ATA的细得多,有利于机箱内的空气流通,整理线材也比较方便。

SCSI

全称Small Computer System Interface(小型电脑系统介面),经历多代的发展,从早期的SCSI-II,到目前的Ultra320 SCSI以及Fiber-Channel(光纤通道),介面型式也多种多样。SCSI硬碟广为工作站级个人电脑以及伺服器所使用,因此会使用较为先进的技术,如碟片转速15000rpm的高转速,且资料传输时CPU占用率较低,但是单价也比相同容量的ATA及SATA硬碟更加昂贵。

SAS

全称Serial Attached SCSI,是新一代的SCSI技术,可相容SATA硬碟,同样支援热插拔,采用序列式技术以获得更高的传输速度,可达到12Gb/s,碟片转速也较快。而较小的连接线,可改善系统内部空间空气流通。通常应用于伺服器等企业级产品。

此外,由于SAS硬碟可以与SATA硬碟共享同样的背板,因此在同一个SAS储存系统中,可以用SATA硬碟来取代部分昂贵的SAS硬碟,节省整体的储存成本。但SATA储存系统并不能连接SAS硬碟。

FC

全称Fibre Channel(光纤通道介面),拥有此介面的硬碟在使用光纤联接时具有热插拔性、高速频宽(4Gb/s或10Gb/s)、远端连接等特点;内部传输速率也比普通硬碟更高。但其价格高昂,因此FC介面通常只用于高阶伺服器领域。

电源介面

一颗希捷硬碟电源介面处的Molex徽标
电脑内部硬碟电源线,白色的是D形4针电源介面,黑色的是SATA电源线

3.5寸桌上型电脑硬碟:ATA介面的硬碟一般使用D形4针电源介面(俗称「大4pin」),由Molex公司设计并持有专利;SATA硬碟则使用SATA电源线。

2.5寸的笔记型电脑硬碟,可直接由资料介面供电,不需要额外的电源介面。在插上外接的可携式硬碟盒之后,由电脑外部的USB介面提供电力来源,而单个USB介面供电约为4~5V 500mA,若行动硬碟盒用电需求较高,有时需要接上两个USB介面才能使用,否则,需要外接电源供电。但如今多数新型硬碟盒(使用2.5寸或以下硬碟)已可方便地使用单个USB口供电。

结构

磁轨(Track)
柱面(Cylinder)
磁区(Sector)
磁头(Heads)
碟片(Platters)
每个碟片都有两面,因此也会相对应每碟片有2个磁头。
A:磁轨
B:扇面
C:磁区
D:丛集(磁区组)
在硬碟上定位某一资料记录位置—C磁区,使用三维定位。

物理结构

硬碟的物理结构一般由磁头与碟片、马达、主控晶片与排线等零件组成;当主马达带动碟片旋转时,副马达带动一组(磁头)到相对应的碟片上并确定读取正面还是反面的碟面,磁头悬浮在碟面上画出一个与碟片同心的圆形轨道(磁轨或称柱面),这时由磁头的磁感线圈感应碟面上的磁性与使用硬碟厂商指定的读取时间或资料间隔定位磁区,从而得到该磁区的资料内容;

  • 磁轨

当磁盘旋转时,磁头若保持在一个位置上,则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹,这些圆形轨迹就叫做磁轨(Track)。资料储存手段从LMR进展到PMR这中又有CMR、SMR等技术。

  • 柱面

在有多个碟片构成的盘组中,由不同碟片的面,但处于同一半径圆的多个磁轨组成的一个圆柱面(Cylinder)。

  • 磁区

磁盘上的每个磁轨被等分为若干个弧段,这些弧段便是硬碟的磁区(Sector)。硬碟的第一个磁区,叫做开机磁区

避免故障

硬碟碟片转速极快,与碟片的距离极小;因此硬碟内部是无尘状态,硬碟有过滤器过滤进入硬碟的空气。为了避免磁头碰撞碟片,厂商设计出各种保护方法;目前硬碟对于地震有很好的防护力(1990年代的一些硬碟,若在使用中碰到略大的地震,就很可能损坏),防摔能力也大幅进步,电源关闭及遇到较大震动时磁头会立刻移到安全区(近期的硬碟也开始防范突然断电的情况);而许多笔记型电脑厂商也开发出各种笔记型电脑结构来加强硬碟的防摔性。但硬碟在通电时耐摔度会降低(旋转逆动性)、也只能温和的移动,许多人也已经养成在关闭硬碟后30秒至一分钟内、不会移动硬碟(及笔记型电脑)的习惯。

2010年后氦气封装技术量产,以往的硬碟填充介质为空气,不过容易受到空气影响,因此碟片之间距离不能进一步缩小,而氦气的密度比起空气小上许多,而且性质稳定,使用它来当介质,使盘体和磁头的阻力和震动相对变小,因此碟片之间的距离能进一步缩小,所以同样的空间下能够装下更多的碟片,采用氦气封装的好处除了容量变大外[4],温度和耗电能够再降低,因此耐用度和稳定效能够再提升。但如果内部气体发生泄漏,会导致磁碟更容易地损坏和难以常规性的修复(非原厂的资料恢复无法提供氦气的重新封装及组件修复)。

逻辑结构

作业系统对硬碟进行读写时需要用到档案系统把硬碟的磁区组合成丛集,并建立档案和树状目录制度,使作业系统对其存取和寻找变得容易,这是因为作业系统直接对数目众多的磁区进行定址会十分麻烦。

MBR和GPT

主开机纪录(Master Boot Record,缩写:MBR),又叫做主引导磁区,是电脑启动后存取硬碟时所必须要读取的首个磁区,主引导磁区记录着硬碟本身的相关讯息以及硬碟各个分割的大小及位置讯息,是资料讯息的重要入口。如果它受到破坏,硬碟上的基本资料结构讯息将会遗失,需要用繁琐的方式试探性的重建资料结构讯息后才可能重新存取原先的资料,对于那些磁区为512位元组的磁碟,MBR分割表不支援容量大于2.2TB(2.2×1012位元组)的磁区[5]

全域唯一标识分割区表GUID Partition Table,缩写:GPT)是一个实体硬碟的分割区表的结构布局的标准。它是可延伸韧体介面EFI)标准(被Intel用于替代个人电脑的BIOS)的一部分。GPT分配64bits给逻辑块位址,因而使得最大分割区大小为264-1个磁区。对于每个磁区大小为512位元组的磁碟,相当于9.4ZB(9.4 x 1021位元组)[5][6]或8 ZiB-512位元组(9,444,732,965,739,290,426,880位元组或 18,446,744,073,709,551,615(264-1)个磁区x 512(29)位元组每磁区)。

尺寸

带一个小提手的笔记型电脑用SATA介面2.5英寸东芝硬碟

硬碟机的尺寸和用途可分为:

  • 0.85英寸,多用于手机等可携式装置中,目前已停产。
  • 1英寸(微型硬碟,MicroDrive),多用于数位相机CF type II介面),目前已停产。
  • 1.8英寸,多用于笔记型电脑外置硬碟盒中,目前已停产。
  • 2.5英寸,多用于笔记型电脑外置硬碟盒中。采用2.5寸硬碟的外置硬碟盒一般不需外接电源。
  • 3.5英寸,多用于桌上型电脑中。但采用3.5"硬碟的外置硬碟盒一般都需外接电源,因为耗电量超过USB的供电上限,且3.5寸硬碟需要12v电压。
  • 5.25英寸,多为早期桌上型电脑使用,已停产。
  • 10.5英寸。
  • 14英寸,如NEC DKU800。
5.25英寸硬碟与3.5英寸硬碟的尺寸比较

主要规格

除了介面和尺寸以外,硬碟还有以下规格:

容量 硬碟最主要的规格,目前硬碟的容量有36GB、40GB、45GB、60GB、75GB、80GB、120GB、150GB、160GB、200GB、250GB、300GB、320GB、400GB、500GB、640GB、750GB、1TB、1.5TB、2TB、2.5TB、3TB、4TB、5TB、6TB、8TB、10TB、12TB、14TB、16TB、18TB等多种规格,但计算误差,详见档案大小转换
转速 硬碟每分钟旋转的圈数,单位是rpm(Revolutions Per Minute,每分钟的转动数),有4200rpm、5400rpm、5900rpm、7200rpm、10000rpm、15000rpm、18000rpm等规格。一般来讲转速愈高通常资料传输速率愈好,但同时噪音、耗电量和发热量也越高。
快取 主要有2MB、8MB、16MB、32MB、64MB、128MB、256MB等规格。
平均搜寻时间 单位是ms(毫秒),有5.2ms、8.5ms、8.9ms、12ms等。
内部传输速度 包括磁头把资料从碟片读入快取的速度,以及磁头把资料从快取写入碟片的速度。可用来评价硬碟的读写速度和整体效能[7]

除此之外还有电压、电流等规格。固态硬碟还有主控、颗粒类型(SLC、MLC、TLC、QLC)等规格。

机械硬碟里一般3.5寸硬碟需要5V和12V电压,2.5寸硬碟只需5V电压,但因为有机械结构,因此功耗通常比固态硬碟要高;固态硬碟的电压一般则为5V或3.3V,同时固态硬碟功耗通常较低(功耗2.5W左右,电流500mA左右),相比机械硬碟更节能。

发展史

时间 发展内容
1956年 IBMIBM 305 RAMAC是现代硬碟的雏形,它相当于两个冰箱的体积,不过其储存容量只有5MB。
1973年 这一年IBM 3340问世,它拥有「温彻斯特」这个绰号,来源于它的两个30MB储存单元,恰好是当时出名的「温彻斯特来福枪」的口径和填弹量。至此,硬碟的基本架构被确立。
1980年 两位前IBM员工创立的公司开发出5.25英寸规格的5MB硬碟ST506,这是首款面向桌上型电脑的产品,而该公司正是希捷科技公司(Seagate)。
1980年代末 IBM推出MR(Magneto Resistive磁阻)技术令磁头灵敏度大大提升,使盘片的储存密度较之前的20Mbpsi(bit/每平方英寸)提高数十倍,该技术为硬碟容量的巨大提升奠定基础。1991年,IBM应用该技术推出首款3.5英寸的1GB硬碟。
1970年到1991年 硬碟碟片的储存密度以每年25%~30%的速度增长;从1991年开始增长到60%~80%;至今,速度提升到100%甚至是200%。从1997年开始的惊人速度提升得益于IBM的GMR(Giant Magneto Resistive,巨磁阻)技术,它使磁头灵敏度进一步提升,进而提高储存密度。
1993年 康诺(Conner Peripherals)推出CP30344硬碟容量是340MB。
1995年 为了配合Intel的LX晶片组,昆腾Intel携手发布UDMA 33介面——EIDE标准将原来介面数据传输率从16.6MB/s提升到33MB/s同年,希捷开发出液态轴承(FDB,Fluid Dynamic Bearing)马达。所谓的FDB就是指将陀螺仪上的技术引进到硬碟生产中,用厚度相当于头发直径十分之一的油膜取代金属轴承,减轻硬碟噪音与发热量。
1996年 希捷收购康诺(Conner Peripherals)。
1998年2月 UDMA 66规格面世。
2000年10月 迈拓(Maxtor)收购昆腾
2003年1月 日立宣布完成20.5亿美元的收购IBM硬碟事业部计划,并成立日立环球储存科技公司(Hitachi Global Storage Technologies, Hitachi GST)。
2005年 日立环储和希捷都宣布将开始大量采用磁盘垂直写入技术(perpendicular recording),该原理是将平行于盘片的磁场方向改变为垂直(90度),更充分地利用储存空间。
2005年12月21日 希捷宣布收购迈拓(Maxtor)。
2007年1月 日立环球储存科技宣布将会发售全球首只1Terabyte的硬碟,比原先的预定时间迟了一年多。硬碟的售价为399美元,平均每美分可以购得27.5MB硬碟空间。
2011年3月 威腾电子以43亿美元的价格,收购日立环球储存科技[8]
2011年4月 希捷宣布与三星强化策略伙伴关系,传统的硬碟逐渐地被固态硬碟所取代。[9]
2011年12月 希捷宣布收购三星旗下的硬碟业务[10]

现存主要硬碟制造商

电脑配件图中7是硬碟安装位置

参考文献

  1. ^ IBM 350 disk storage unit. [2013-10-04]. (原始内容存档于2008-05-31). 
  2. ^ 硬碟单位成本不断降低,磁带系统还有未来吗?. [2013-10-04]. (原始内容存档于2013-10-04). 
  3. ^ IBM Archives: IBM 350 disk storage unit. [2012-10-19]. (原始内容存档于2008-05-31). 
  4. ^ ithome-氦气封装结合成熟磁录技术. [2017-11-09]. (原始内容存档于2017-11-10). 
  5. ^ 5.0 5.1 FAQ: Drive Partition Limits (pdf). UEFI Forum. [2010-06-09]. (原始内容存档 (PDF)于2013-03-22). 
  6. ^ Bill Boswell. FAQ: Drive Partition Limits. Redmondmag.com. 2002-07-01 [2010-06-09]. (原始内容存档于2010-10-01). GPT disks also support very large partitions thanks to a 64-bit Logical Block Address scheme. A logical block corresponds to one sector, or 512 bytes, yielding a maximum theoretical capacity of eight zettabytes, 
  7. ^ 硬盘:内部数据传输率. 中关村线上. [2013-06-13]. (原始内容存档于2013-01-03). 
  8. ^ Western Digital砸43亿美元收购Hitachi GST. [2011-03-08]. (原始内容存档于2011-03-10). 
  9. ^ 希捷宣布与三星强化策略伙伴关系[永久失效连结]
  10. ^ 希捷宣布完成收购三星硬盘业务. 新浪科技. [2013-02-14]. (原始内容存档于2014-03-14). 

外部连结

硬碟制造商

参见

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