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选性能还是容量?机械硬盘到底有未来吗?(科普加干货)

2023-04-05 13:40:11 1103

摘要:随着SSD的迅猛发展,容量不断提升的SSD已经开始威胁到机械硬盘在电脑中不可动摇的必选地位,而机械硬盘在近年来少有突破性发展,只能继续向着更大容量演进。当然机械硬盘的容量提升也并非一帆风顺。早在2011年,日立就已经率先实现了单碟1TB容量...

随着SSD的迅猛发展,容量不断提升的SSD已经开始威胁到机械硬盘在电脑中不可动摇的必选地位,而机械硬盘在近年来少有突破性发展,只能继续向着更大容量演进。当然机械硬盘的容量提升也并非一帆风顺。早在2011年,日立就已经率先实现了单碟1TB容量的磁记录密度(596Gb每平方英寸),而随后的几年中各大硬盘厂商在单碟容量上的进步就开始显得步履蹒跚。

机械硬盘如何提升容量:

在盘片尺寸基本固定的前提下,要提升硬盘容量无非有两种方式:提升硬盘内的盘片数或者提升单个盘片的容量,也就是提升磁记录密度。

提升盘片数,一方面会对可靠性产生负面影响,同时还会提高制造成本。而提升磁记录密度则可以用更少的盘片带来更大的容量,同时磁头在单位时间扫过的扇区更多,还可以提升持续读写速度。

提升磁记录密度遇到了哪些困难?

磁记录密度提高对读写数据的磁头灵敏性提出了更高的要求。历史上,MR磁阻磁头、GMR巨磁阻磁头、PMR垂直磁记录技术的应用对过去磁记录密度的突破产生了重要影响。

硬盘是通过盘片上磁涂层来存储信息的,微观来看磁涂层由众多微小的磁颗粒组成。硬盘的磁头最早是读写功能一体的电磁感应式磁头,而从MR磁头开始,硬盘的磁头开始分为感应式的写入磁头与磁阻原理的读取磁头。这里简单说一下MR磁阻磁头。

磁阻效应是指在一定磁场下某些材料(不一定是磁性材料)的电阻率会发生变化的一种物理特性。最早在1857年由英国物理学家威廉·汤姆逊发现,当他把一根通电的导线在磁场中摆动时,发现导线中的电流发生了变化。对这部分感兴趣的朋友可以百度搜索学习更深层次的原理。磁阻磁头就是利用了磁阻效应,当磁头掠过盘片上方时,盘片上的小磁极产生的磁场引起磁阻变化,然后通过检测电路译码出磁盘上存储的数据。GMR巨磁阻磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构,比MR磁头更为敏感,相同的磁场变化能引起更大的电阻值变化,从而可以实现更高的存储密度。

在GMR巨磁阻磁头技术之后,机械硬盘发展史上还有一项新技术对磁记录密度的提升产生了较大的影响,那就是垂直磁记录。磁记录密度提高到一定程度后会出现“超顺磁”现象影响了硬盘的正常工作,而垂直磁记录将磁涂层中的磁性颗粒排列方式从原有“首尾相接”的水平排列变成“肩并肩”的垂直排列,提高了磁记录密度提高后的稳定性。

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道。除了用于磁性记录的磁性颗粒越来越小之外,磁道之间的间距也需要变小从而在固定面积的盘片上“挤出”更多的磁道来。这对磁头寻道准确性提出了更高的要求,目前希捷已经可以做到75nm的磁道间距,这一技术被希捷称之为AcuTrac。

当前技术下读取磁头(Reader)使用磁阻式可以做到比较小,而写入磁头(Writer)依然需要感应式,体积相对更大。如下图所示,以往磁道宽度都要以更大的写入磁头(Writer)扫过的范围来划分,而在不同磁道之间还需要留出足够的磁道间距(Guard Space)。

为了继续提升磁记录密度,各大硬盘厂商绞尽脑汁,最后想出一个“挤挤更健康”的方法:叠瓦式磁记录(SMR,Shingled Magnetic Recording)。根据希捷的研究表明,应用SMR技术可以使磁记录密度提升25%以上。SMR叠瓦式磁记录技术允许磁道之间有部分重叠,从而使盘片上磁道的划分将更加紧凑,临近磁道间会出现重叠部分,就像瓦房顶上的瓦片,互相之间有部分重叠。这样的结果就是盘片上可以划分出更多的磁道,也就是获得了更大的有效磁记录面积,最终达到了更大的磁记录密度。

应用SMR之后,较小的读取磁头(Reader)依然可以正确独处每个新磁道的信息,而写入磁头(Writer)的体积超过了每个新磁道的宽度,会同时覆盖到临近磁道的上方。

应用SMR之后,较小的读取磁头(Reader)依然可以正确独处每个新磁道的信息,而写入磁头(Writer)的体积超过了每个新磁道的宽度,会同时覆盖到临近磁道的上方。

为了解决这个问题,希捷的做法是将磁道编组,每组磁道的最后一个磁道是完整的、不与后续磁道重叠的。这样在需要改写数据时,应用了SMR技术的硬盘需要将从改写位置直至当前磁道编组末端的数据先读取到硬盘缓存内,然后在缓存内修改,最后将数据连续一口气写入到原位置覆盖,也就是说,应用SMR技术之后,机械硬盘也开始有“写入放大”了。磁道编组就像是闪存中的Block,成为最小擦除单位。

机械硬盘的磁记录方式原本可以直接写入,不像闪存那样需要先擦除后写入,但应用了SMR叠瓦式记录之后,机械硬盘也将在写入数据时需要经历先读取-再修改-最后才能写入的流程。显然SMR技术从工作原理上来说是对写入性能不利的,尤其是在随机写入的时候会触发更多“读取-修改-写入”操作,造成更大的写入延迟。

机械硬盘的磁记录方式原本可以直接写入,不像闪存那样需要先擦除后写入,但应用了SMR叠瓦式记录之后,机械硬盘也将在写入数据时需要经历先读取-再修改-最后才能写入的流程。显然SMR技术从工作原理上来说是对写入性能不利的,尤其是在随机写入的时候会触发更多“读取-修改-写入”操作,造成更大的写入延迟。

在此之前的4K高级格式化技术其实也是减少硬盘上用于非用户数据存储的空间(间隙、同步和地址标记等)占比来提升磁记录密度,简单的来说就是他们都是为了节省制造成本而生,并且都是以牺牲性能为代价。这次SMR技术对于性能的影响暂时还没有4K对齐那样简单易行的解决方案。硬盘制造厂商可以权衡成本与性能来调整磁道编组的大小,需要更高性能则使用尽可能小的编组以降低对性能的影响,需要更低成本则使用更大的编组即可实现更高的磁记录密度与相对更低的单位容量成本。

总结:

硬盘走到SMR叠瓦式磁记录这一步,机械硬盘终于也开始遇到与SSD类似的写入限制问题。在SSD上,由于闪存特性的原因,闪存写入之前必须先擦除,而擦除的最小单位Block要比写入的最小单位Page大很多,在需要改写Block中某个Page的信息时,就需要先读取整个Block的内容,然后修改其中对应Page的内容,最后将整个块擦除再重新写入(实际上现在的SSD已经不会这样做,部分数据的改写将通过修改FTL映射表的方式使原数据无效化并将更新后的数据直接写入到另外的新位置。)在应用SMR之前,机械硬盘的最小读写单位是扇区,而在应用SMR之后,机械硬盘要改写其中一个扇区的数据,就面临写入操作会影响临近磁道信息的问题,需要将临近几个磁道的信息全部读取到缓存中,整理改写部分内容后再重新写入整个磁道编组。

SSD存在写入寿命限制已为众人所知,而事实上机械硬盘同样存在写入限制,如希捷就在各个级别的机械硬盘产品资料文件中标出了年写入量限制,超出该限制后虽然并不意味着硬盘将立刻损坏,但将会影响硬盘工作的稳定性。在SSD凭借高性能开始侵蚀低容量硬盘市场的情况下,机械硬盘向着低速大容量的经济方向发展似乎也是一个不错的选择。目前SMR叠瓦技术一般被应用在归档硬盘、视频监控硬盘及近线存储硬盘类别当中,比如应用SMR技术的ST5000AS0011(磁记录密度826Gb/in2)就是一款定位归档硬盘的产品,用于冷数据存储。

文./Essence(PCEVA)

编辑:Tom

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