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危难中的自救

作者:佚名 来源: JZ5U整理 日期:2006-9-17 12:00:57
——硬盘技术发展浅析

十年之前,所有的PC用户都在殷切期盼硬盘的容量达到1GB。在希捷刚刚达到这一目标并且CPU和内存性能不断提升之后,我们却又发现无论是在DOS下加载多少Smartdrv,其速度依然难以令人满意。此后长达十年的光阴中,我们一次又一次地期待容量与速度的双重突破,然而等来的多半是失望与不满。就在我们抱怨硬盘技术步履蹒跚之时,却猛然发现以FlashROM芯片为基础的闪存技术有望取代硬盘,甚至非易失性的MRAM也跃跃欲试。硬盘究竟会不会被取代?硬盘技术又有了哪些改进?未来的硬盘将会发展成什么样?这些问题都是读者十分关心的话题,也是我们今天的讨论内容。

一、 速度与容量:硬盘的“免死金牌”
  对于存储设备而言,重要的技术指标无非就是速度、容量、成本、稳定性等。在这些方面,目前已经有很多种类的产品做出了各种各样的努力,但是始终只能偏重某一方面,而不是面面俱到。随着众多闪存产品在容量上达到GB数量级并且价格大幅度下调,越来越多的用户还是惊呼这将是取代硬盘的最佳方式:没有噪音、携带方便、功耗极小,似乎这就是最完美的存储方案。然而在下定结论之前,我们不妨理性地在各种存储技术之间作做一个对比。

存储器种类
容量
速度
非易失性
功耗
成本
寿命
体积
MRAM
很小
极快
很低
很高
很长
很小
内存(DRAM)
一般
极快
较低
较高
很长
较小
闪存(FlashROM)
较大
较快
一般
一般
一般
一般
EPROM
极小
很慢
很高
较高
很长
较大
磁盘
巨大
很快
较高
很低
一般
很大

在这些存储设备中,MRAM、内存以及EPROM显然不可能取代硬盘的地位,因为它们在容量上的难题很难解决,这不符合用户的应用本源。相对而言,拥有非易失性的MRAM有着不错的潜力,但是当前的技术还不足以支撑大容量产品,因此MRAM威胁到硬盘的地位还需时日。
那么,闪存在与硬盘之间的较量结果又如何呢?可以看到,容量依旧是闪存的致命伤。如今主流硬盘容量在160GB左右,这对于闪存而言显然并不怎么现实。如今2GB的高速CF大约需要900元,这几乎是一个250GB硬盘的价格。在速度方面,闪存的优势仅仅是随机存储的寻道时间十分出色,其持续传输速度并不理想。以目前普及度较高的80X CF卡为例,实际读写速度可以稳定在6MB/s(远没有达到80×150KB/s)的水准。而当前大多数硬盘的内部传输率可以达到70MB/s,应该说速度还是存在巨大的差异。
(图01,CF的容量增长让硬盘产业感到巨大压力)
既然闪存卡的容量和速度在短时间内无法对硬盘构成威胁,那么其稳定性是不是很有优势呢?可以肯定的是,很多用户对于硬盘的寿命颇有不满,无论是物理坏道还是磁头故障都令人忐忑不安。但是舍去机械成分的闪存卡也并非是十全十美,因为FlashROM芯片也有损坏的可能,只不过其理论上的故障率将低于硬盘,而且抗震性更好一些。
不过以发展的眼光来看,随着FlashROM芯片的存储容量以及速度不断改进,未来将会对硬盘存储形成一定的冲击。然而硬盘技术本身也在不断改进,无论是容量还是速度都期待更大的突破。目前几大硬盘厂商都将技术研发作为重点,捍卫其在PC以及其它存储领域的霸主地位。

二、 高转速硬盘:万转桌面产品引领潮流
  在2006年中,希捷、迈拓、西数、日立、三星这几大主流硬盘厂商对产品线进行了全面更新,5400RPM低转速硬盘彻底宣告退出市场,而更为成熟的7200RPM高转速硬盘取而代之。客观而言,随着主流全面迈向7200RPM时代之后,硬盘在最为关键的内部传输率以及寻道时间方面确实有一定幅度的增长,特别是采用8MB缓存设计的部分产品,带给用户更佳的性能体验。

(图02,8MB缓存的IDE硬盘)
  然而不可否认的是,这种增长幅度依旧无法满足大多数用户的需求,在很多应用环境下,硬盘速度仍然是整体系统中最为明显的性能瓶颈。到目前为止,硬盘的实际内部传输率还是无法突破80MB/s大关,这就意味着ATA133接口以及SerialATA接口将无用武之地。从硬盘的工作原理来看,想要大幅度提高性能的话,加快转速几乎是唯一的出路。
  出于SCSI硬盘在高端用户心目中独一无二的地位,IDE硬盘向工作站和服务器领域的进军可谓历经艰辛。一般普遍的观点认为,与SCSI硬盘相比,IDE硬盘稳定性相对较差,转速低,同时对CPU依赖大。虽然大多数情况下,这的确是IDE硬盘的不足之处,但IDE硬盘制造商确力图打破这一宿命。西数的Raptor硬盘已经达到10000RPM,此时寻道时间已有惊人的5.2ms,而大部分IDE硬盘则要8-10ms。在持续传输率方面,转速提高的Raptor也明显优于任何7200RPM的IDE硬盘。

(图03,10000RPM的西数WD740GD硬盘)
尽管SCSI硬盘已经让15000RPM成为主流,但是桌面硬盘发展到10000RPM却历经艰辛。拥有比IDE接口更为出色的Serial-ATA将会把万转桌面硬盘发扬光大。或许明年这个时候,我们应该称7200RPM硬盘为低端产品,真正的高端硬盘应当是10000RPM的SATA2产品。

 三、解决容量危机:垂直磁化技术剖析

平心而论,近几年硬盘技术的发展相当缓慢。相对于CPU、显卡等呈几何倍数的增长趋势,硬盘似乎有些郁郁寡欢。在容量方面,80GB在2001年年底就已经是主流了,而时至今日80GB仍然作为主流硬盘容量活跃在市场上。不过随着垂直磁化技术浮出水面,硬盘容量将会有巨大的突破,真正解决这场迫在眉睫的容量危机。

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。
  
  小知识:单碟容量对于提高速度的帮助
  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。
  
  
  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”。

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。
四、面面俱到:硬盘进入多元化发展轨道
转速的提高与单碟容量的提升固然重要,但是硬盘技术的发展需要从多个角度齐头并进。为此,我们已经看到外部接口、缓存技术以及软件优化技术等多方面的新技术频频出现。可以预见,来年的硬盘市场将真正以技术竞争为主导,各种新型产品将不断涌现市场,而目前的新兴技术也将普及化应用。
  外部接口技术一直领先于硬盘内部传输率,因此我们一直难以察觉到这项技术的重要性。随着未来硬盘的转速全面提升到10000RPM,并行ATA133以及SATA肯定力不从心,此时SATA2将迎来真正的春天。已经正式出台SATA2标准将接口带宽提高到3Gbs,而且NCQ功能可以有效改善硬盘的随机存储速度。
  如果说外部接口技术没有太多的实用价值,那么缓存技术的改进则令人不容忽视。迈拓MaxLine III已经内置16MB SDRAM缓存,而测试结果也证明这对于随即读取片段式数据大有裨益。不要简单地以为增大缓存容量仅仅是多加一款SDRAM芯片,这其中还牵涉到缓冲器的命中率与分配问题。既然迈拓已经能够令16MB缓存发挥性能优势,那么表明未来硬盘肯定将会向着更大缓存容量的方向发展。

(图04,16MB缓存的迈拓MaxLine III硬盘)

  小知识:NCQ技术如何提高性能
  NCQ的全称为Native Command Queuing,是2.0版本SATA规范支持的一种新功能。NCQ技术并没有提高硬盘的转速也没有加大缓存容量,更不是提高接口带宽,而是从数据存储方式着手改进。下面的两个图分别表示了没有采用NCQ技术和采用了NCQ技术的两种不同的情况(图05,NCQ技术原理)。支持NCQ技术的硬盘对接收到的指令按照访问地址的距离进行了重排列,这样对硬盘机械动作的执行过程实施智能化的内部管理,大大地提高整个工作流程的效率:即取出队列中的命令,然后重新排序,以便有效地获取和发送主机请求的数据。在硬盘执行某一命令的同时,队列中可以加入新的命令并排在等待执行的作业中。显然,指令排列后减少了磁头臂来回移动的时间,使数据读取更有效。

写在最后:
凭借容量和速度上的巨大优势,硬盘依然是外存储器的首选。尽管诸如闪存以及MRAM等存储技术已经威胁着硬盘的霸主地位,但是硬盘本身的技术也在不断进步中。在很长一段时间内,硬盘的容量增长趋势将会保持乐观,我们也有望使用廉价的海量硬盘。但是限于硬盘的结构,其速度发展潜力非常有限,甚至寻道速度是不可能改变的弱项,因此新型存储技术依然有着赶超硬盘的机会,只是我们还需要耐心等待……

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