浅析桌面硬盘发展
硬件周刊
主流转速，何时再次提升
桌面市场的主流硬盘产品，转速从5400rpm提升到7200rpm已经有一段日子了，何时从7200rpm进一步提升到10000rpm，成为了大众下一个期待的目标。从今年2月WD(Western Digital，西部数据)发布Raptor(猛禽)系列万转SATA硬盘开始(图1)，万转硬盘进入主流桌面市场似乎也离我们越来越近了。
我们先来看看转速提升对硬盘性能所带来的影响。单从字面来看，从5400rpm提升到7200rpm足有33%的提高，而从7200rpm提升到10000rpm更是有差不多39%的增幅。但这个硬盘主轴电机的转速提升，并不能等比地转化到硬盘性能提升上面去。
一般来说，硬盘读取数据的过程是这样的，首先是将磁头移动到磁盘上数据所在的区域，然后才能进行读取工作。磁头移动的过程又可以分解为两个步骤，其一是移动磁头到指定的磁道，也就是寻道，这是一个在磁盘盘片径向上移动的步骤，花费的时间被称为“寻道时间”；其二就是旋转盘片到相应扇区，花费的时间被称为“潜伏时间”(也被称为延迟)。那么也就是说在硬盘上读取数据之前，做准备工作上需要花的时间主要就是“寻道时间”和“潜伏时间”的总和。
提高硬盘的转速，根据上面的介绍我们就可以很清楚地知道，用处就是可以缩短“潜伏时间”。如果7200rpm的硬盘转速提升到10000rpm，那么平均潜伏时间就会从4.16ms缩短到3ms。这是不是WD的猛禽系列硬盘取得优异性能的原因呢？我们先来看图2，这是从WD官方网站上截取的WD 2500JD的资料，这是目前WD公司桌面硬盘中顶级的产品，与之相对比的图三也是在WD官方网站上截取的对于WD Raptor 740GD的资料。
对比这两份资料，结果自然就是一目了然了。平均读取搜寻时间，2500JD与740GD是8.9ms与4.5ms的对比；平均写入搜寻时间，2500JD与740GD是10.9ms与5.9ms的对比。也就是说不论读、写，差距几乎都达到100%，这里我们暂时不去管磁道间搜寻时间的差异，用“平均访问时间=平均寻道时间+平均潜伏时间”的近似公式来简单计算一下读取花费的访问时间。2500JD是13.06ms，而740GD是7.5ms，两者之间差距是5.56ms也就是有接近75%的差距，而这5.56ms的差距中转速的提升只贡献了1.16ms，也就是平均访问时间的降低受益于转速提升的部分只占22%。
换言之，从7200rpm提升到10000rpm的确为硬盘性能提升带来了贡献，但更主要的性能提升贡献却是来自于平均寻道时间的提升，而平均寻道时间的提升和硬盘的转速是没有什么直接关系的，只是和硬盘径向寻道的电机等部分有关。那么也就是说，我们在7200rpm的硬盘上其实也可以拥有4.5ms平均寻道时间的硬盘，至于为什么这种产品在市场上看不到，那应该是和制造成本以及商家的市场策略有关系了。能达到更短寻道时间的“装备”，因为成本的缘故，我们通常只能在10000rpm和15000rpm的SAS、FATA等接口的高端产品中看到。
提高转速并不是只会带来好处，成本问题首先是一个阻碍，然后提高转速还会在功耗等方面造成相当多的麻烦。所以笔者大胆地预测，虽然业界早已具备了将主流转速推进到万转的实力，但在未来两年内万转硬盘还没有成为主流的可能，只能是缓慢地在高端桌面市场占有小部分份额。
WD的猛禽系列硬盘，打着万转的旗号吸引用户，其实真正提升性能的关键并不在于转速增加上。业界其它硬盘制造商，并未把猛禽系列硬盘当作有威胁的对手，也未积极推出规格相当的产品。业界的这种态度，也可以算是对笔者预测的一种印证吧。
提升容量，有多少方法
在桌面硬盘市场上，如果只选择一个技术参数来描述硬盘的话，那么“容量”就是这个唯一的答案。从图4的硬盘内部结构图我们就可以看到，硬盘内部是由几张像光盘一样的盘片作为存储介质的，这种盘片两面都能存储数据，一张盘片习惯性的就被称为一张碟。
显然最容易想到的办法就是增加硬盘内盘片数目，但每块硬盘里面可以放置的盘片数目是有限制的。在近几年桌面市场上硬盘受厚度的限制，盘片数一般都不超过5张，比如希捷公司的Barracuda 7200.7系列硬盘就一律只有两张盘片。硬盘的容量等于单碟容量与盘片数量的乘积，盘片数量的限制就迫使硬盘制造商尽力增大硬盘的单碟容量。
在笔者写作本文的时候，国内市场上能买到单碟容量最高的产品是希捷公司Barracuda 7200.7Plus的200GB这个型号。这是一个由两张碟(100GB单碟容量)组成的产品，市场上其它大多数产品还是保持着80GB单碟容量的水平。在年底我们可望在市场上看到希捷公司更新的Barracuda 7200.8系列产品，这是单碟容量突飞猛进到133GB的系列产品，而Maxtor稍后一些的Maxtor DiamondMax Plus10产品据传也会有不俗的规格。
提高单碟容量从大的方面来看有两个途径，一个是提高磁盘的面积，一个是提高存储的密度。现在7200rpm及以下转速的硬盘盘片直径在93mm～96mm之间，这个数据比标称的3.5英寸(89mm)还略大一些。很容易会顺理成章地想到扩大盘片直径就可以提升单碟容量，但是只要回顾硬盘发展史就会知道这是不可能的，现在主流的3.5英寸硬盘正是淘汰了更大的5.25英寸产品成为了市场的主流。
即使在市场渴求高容量硬盘的情况下，主流硬盘尺寸却不会再复古式地增大，其中原因有很多，笔者认为主要的有两个。磁盘盘片增大带来的功耗提升和主轴转速提高带来的功耗提升相比，前者远大于后者。其二就是会带来平均寻道时间的提高，前面分析了，寻道动作是沿着磁盘盘片直径方向的运动，磁盘盘片尺寸的增加势必会导致平均寻道时间的增加，这对硬盘性能有着不小的负面影响。
唯一的道路——提升存储密度
由此看来，增大碟片面积都不是提高单碟容量所应该采用的主要手段，剩下的手段就只有提高存储的密度了。单一盘片能够记录信息的数量，取决于盘片中记录单位信息的区域大小。信息在盘片中以同心圆形状排列成磁道，盘片能够容纳多少磁道，以及磁道在等长区间里能存储多少信息(这也通常被称为“线密度”)，这两者合起来就是容量的决定因素。要提高存储密度，也就是缩小记录单位信息区域的大小，一般需要从这两个方面来着手：提升磁头灵敏度、改变磁介质的排列方式。
从图5和图6的示意图中我们就可以很清楚地了解到，如果记录单位信息的区域缩小了，那么磁头的灵敏度必须相应地提高，不然将无法正确地读取信息。其中原因也很简单，因为更短的记录距离，相应地磁力就会减少，而且也更容易被干扰。
前几年普遍采用的是MR(MagnetoResistive，磁性电阻)磁头，而现在主流硬盘都采用的是GMR(Giant MagnetoResistive，超级磁性电阻)磁头。MR磁头是基于磁阻效应来工作的，它使用一小片金属材料，该金属电阻随磁场变化而变化。磁阻元件连着一个非常灵敏的放大器，所以可测出该微小的电阻变化，通过系列处理，转化为数据信号。而GMR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。
MR磁头发展了几代产品然后被GMR磁头取代了，GMR磁头也发展到了一个相对的极限。为了突破这个极限，TMR(隧道磁阻)磁头基本上已经被确定为下一代的接班人。TMR磁头的工作原理是，电流贯通构成磁头的多个层进行传导，同样使用反铁磁体和两个磁体，但中间夹的是绝缘体。通过减小绝缘膜的厚度，使电流贯通这些绝缘膜进行传导，产生隧道效应。采用这种结构，就能够得到比GMR磁头更高的性能。
我们可以把GMR磁头看作MR磁头的升级版，而GMR磁头本身也是在不断的升级换代之中。比如富士通曾发表过CPP(Current perpendicular to plane)型的GMR磁头，CPP型GMR磁头与现行的GMR磁头采用相同的旋阀(Spin Valve)膜，但通过改变旋阀膜中的电流方向，可以实现比现有的磁头更高的灵敏度。从这个角度来看，通过工艺和局部技术的不断更新，GMR磁头也是可以大有作为的。时下TMR磁头也存在着电阻过大、噪音偏大等一些缺陷，不断改良的GMR磁头生命周期说不定会较长，虽然有2004年下半年TMR磁头全面接班一说，但笔者相信这些改良过的GMR磁头在2006年的产品中仍然能够看到。
在今年年中希捷公司推出Barracuda 7200.8系列产品时，笔者就觉得它在单碟容量突飞猛进的背后可能有TMR磁头的功劳。当然这里面也可能是使用了类似CPP型GMR磁头的产品，但不管是GMR还是TMR，目前磁头的发展方向还是在提高磁阻性能以提高存储密度的路子上进行。
在提高存储密度的同时，还有一个不可避免的问题，那就是前面提到过的磁信号干扰的问题。反向磁场和磁转变(Magnetic Transition)噪音在存储密度较低时影响并不大，但在密度较高时就会出现很大的影响，这会大大影响读写，提高磁头对数据的读写难度。更为可怕的是磁颗粒变小后的热扰动(Thermal Fluctuation)也开始明显起来，这会直接导致数据的丢失。IBM公司提出的“仙尘”技术等就是针对这些问题提出的解决方案，我们应该这样来看待这一类技术，一些本来微不足道的问题因为存储密度的增加开始变得举足轻重了，需要专门推出相关技术来解决这些问题，这一类的技术是属于辅助性的技术，它们的发展我们这里就不多做介绍了。
提高存储密度，除了磁头技术的进展还有不少值得关注的东西。这里再介绍一个很重要的概念——垂直存储介质(Perpendicular Recording Media ，PMR)技术。现在主流的水平存储方式具有平行于盘面的磁场，而垂直磁记录方式则把磁场方向改变了90度，使其具有垂直于盘面的磁场。这不仅能够进一步缩小磁体粒径(超过25%的缩小)，同时还能利用相邻记录位的磁场使记录位磁场保持稳定。对于高密度磁盘来说，PMR技术应该是必然的方向，各大厂家都在暗地里努力研发，前景一片光明。
在这里小结一下，在未来的一两年内，磁盘单碟容量还会不断地增加(现在最高纪录是希捷公司NL35硬盘所保持的167GB)，在2005年底应该有突破200GB的产品出现。单碟容量增加的主要技术动痢该来自于磁头技术的发展，也就是诸如CPP型的GMR磁头的推出等，而诸如“仙尘”一类的辅助性技术也会有一定的更新换代，但不会出现大的突破。
应该说从硬盘内部而言，现在已经快到一个改朝换代的时候了，但因为磁存储行业缓慢的运作周期，这个改朝换代还需要一定的时间才能完成。在更远一点的将来，PMR技术成为主流技术是无可置疑的，此时TMR这一类新磁头技术也会走向成熟。那将是一个新的硬盘时代的到来。