深入硬盘内部 浅谈硬盘技术发展历程

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    近期固态硬盘闹得沸沸扬扬，传统硬盘仿佛在一夜之间就被比了下去。不过大家也都知道到固态硬盘要成为主流要走的路还很长，传统硬盘依然是主流，只是传统硬盘的尽头似乎已经可以预见了。纵观硬盘发展历程，温彻斯特结构可谓是功不可没，不过也正由于温彻斯特结构在一定程度上限制了硬盘发展速度。

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。

 
经典的温彻斯特结构硬盘

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。

 
盘体

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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。

 
读写磁头组件

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。

 
磁头驱动机构

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

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    硬盘市场在最近几年的发展速度非常迅速，短短的几年时间内已经从单碟160G容量提升至单碟320G。从单碟容量上来看，足足提升了100%。更重要的是，随着单碟容量的不断提高，硬盘的成本和性能也有着非常大的改进。虽然在目前的市场上来看，单碟160G的产品已经被淘汰，而单碟250G也正逐渐被单碟320G产品所取代。由此可见，硬盘的单碟容量提升对硬盘的发展起到一定推波助澜的作用。

采用了更高的单碟容量，仅仅一张盘片就可以容纳320G空间。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硬盘容量得以增加，而且还会带来硬盘性能的相应提升。因为单碟容量的提高，就是盘片磁道密度（每英寸的磁道数）的提高。

磁道密度的提高，不但意味着提高了盘片的磁道数量，而且在磁道上的扇区数量也得到了提高，所以盘片转动一周，就会有更多的扇区经过磁头而被读出来，这也是相同转速的硬盘，单碟容量越大，内部数据传输率就越快的一个重要原因。此外单碟容量的提高，使线性密度(每英寸磁道上的位数)也得以提高，有利于硬盘寻道时间的缩短。

让我们大概了解一下影响硬盘性能的几个主要因素：

1.其中首当其冲的就是硬盘的转速，即是我们平时所说的7200转。理论上讲是转速越快，数据的读写速度就越高。

2.主板芯片组的磁盘控制器性能。

3.此外还有磁盘密度与磁盘缓存的大小，同样理论上是磁盘密度越大和缓存越大磁盘性能也越好的。

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主流硬盘技术解析

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”。

 
超顺磁效应图解

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。

 
垂直磁化存储技术的图解

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。