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深入内部一探究竟 硬盘技术发展路程漫谈

admin 硬盘 2022-02-08 14:41:22 发展   技术   硬盘   内部   究竟   深入   提高   盘片   容量   单碟"
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。

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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。

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盘体

  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。

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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。

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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

  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。

深入内部一探究竟硬盘技术发展路程漫谈

  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。

深入内部一探究竟硬盘技术发展路程漫谈

  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。



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”。

深入内部一探究竟硬盘技术发展路程漫谈(2)
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。

深入内部一探究竟硬盘技术发展路程漫谈(2)
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。


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