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深入內部一探究竟 硬盤技術發展路程漫談

2020-07-21 19:28:13
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供稿:網友
  近期固態硬盤鬧得沸沸揚揚,傳統硬盤仿佛在一夜之間就被比了下去。不過大家也都知道到固態硬盤要成為主流要走的路還很長,傳統硬盤依然是主流,只是傳統硬盤的盡頭似乎已經可以預見了。縱觀硬盤發展歷程,溫徹斯特結構可謂是功不可沒,不過也正由于溫徹斯特結構在一定程度上限制了硬盤發展速度。
  盡管在外部結構方面,各種硬盤之間有著一定的區別,但是其內部結構還是完全相同的,畢竟硬盤的本質工作方式不會改變。雖說我們一直認為溫徹斯特結構阻礙了硬盤技術發展,但是硬盤要提高綜合表現并非徹底推翻溫徹斯特結構,而是在這一基礎上進行改進。在了解硬盤技術發展趨勢之前,我們不妨先來看看溫徹斯特結構的硬盤到底是如何的。

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經典的溫徹斯特結構硬盤
  打開硬盤外殼之后,我們也就能夠看到神秘的內部世界,其核心部分包括盤體、主軸電機、讀寫磁頭、電機馬達等主要部件。不過需要提醒大家的是,千萬不要隨意打開硬盤的外殼,這將100%地使整個硬盤報廢,因為硬盤的內部盤面不能沾染上一滴灰塵,否則立即報廢。一般硬盤內部結構維修甚至需要在要求極為嚴格的超凈間中進行。
  1.盤體
  盤體從物理的角度分為磁面(Side)、磁道(Track)、柱面(Cylinder)與扇區(Sector)等4個結構。磁面也就是組成盤體各盤片的上下兩個盤面,第一個盤片的第一面為0磁面,下一個為1磁面;第二個盤片的第一面為2磁面,以此類推……。磁道也就是在格式化磁盤時盤片上被劃分出來的許多同心圓。最外層的磁道為0道,并向著磁面中心增長。事實上,硬盤的盤體結構與大家熟悉的軟盤非常類似。只不過其盤片是由多個重疊在一起并由墊圈隔開的盤片組成,而且盤片采用金屬圓片(IBM曾經采用玻璃作為材料),表面極為平整光滑,并涂有磁性物質。

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盤體

  2.讀寫磁頭組件
  讀寫磁頭組件由讀寫磁頭、傳動手臂、傳動軸三部分組成。在具體工作時,磁頭通過傳動手臂和傳動軸以固定半徑掃描盤片,以此來讀寫數據。磁頭是集成工藝制成的多個磁頭的組合,采用非接觸式結構。硬盤加電后,讀寫磁頭在高速旋轉的磁盤表面飛行,飛高間隙只有0.1~0.3μm,可以獲得極高的數據傳輸率。新型MR(Magnetoresistive heads) 磁阻磁頭采用讀寫分離的磁頭結構,寫操作時使用傳統的磁感應磁頭,讀操作則采用MR磁頭。

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讀寫磁頭組件
  3.磁頭驅動機構
  對于硬盤而言,磁頭驅動機構就好比是一個指揮官,它控制磁頭的讀寫,直接為傳動手臂與傳動軸傳送指令。磁頭驅動機構主要由音圈電機、磁頭驅動小車和防震動機構組成。磁頭驅動機構對磁頭進行正確的驅動,在很短的時間內精確定位到系統指令指定的磁道上,保證數據讀寫的可靠性。一般而言,磁頭機構的電機有步進電機、力矩電機和音圈電機三種,現在硬盤多采用音圈電機驅動。音圈是中間插有與磁頭相連的磁棒的的線圈,當電流通過線圈時,磁棒就會發生位移,進而驅動裝載磁頭的小車,并根據控制器在盤面上磁頭位置的信息編碼來得到磁頭移動的距離,達到準確定位的目的。

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磁頭驅動機構
  4.主軸組件
  硬盤的主軸組件主要是軸承和馬達,我們可以籠統地認為軸承決定一款硬盤的噪音表現,而馬達決定性能。當然,這樣說并不完全,但是基本上表達了這兩項內容在硬盤中的重要地位。從滾珠軸承到油浸軸承再到液態軸承,硬盤軸承處于不斷的改良當中,目前液態軸承已經成為絕對的主流市場。由于采用液體作為軸承,所以金屬之間不直接摩擦,這樣一來除了延長了主軸點解的壽命、減少發熱之外,最重要一點是實現了硬盤噪聲控制的突破。不過需要指出的是,采用液態軸承對于性能并沒有任何好處,甚至反而會延長尋道時間。對于PC設備而言,似乎噪音與性能是一對永遠難以平衡的矛盾

  硬盤市場在最近幾年的發展速度非常迅速,短短的幾年時間內已經從單碟160G容量提升至單碟320G。從單碟容量上來看,足足提升了100%。更重要的是,隨著單碟容量的不斷提高,硬盤的成本和性能也有著非常大的改進。雖然在目前的市場上來看,單碟160G的產品已經被淘汰,而單碟250G也正逐漸被單碟320G產品所取代。由此可見,硬盤的單碟容量提升對硬盤的發展起到一定推波助瀾的作用。

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  采用了更高的單碟容量,僅僅一張盤片就可以容納320G空間。單碟容量的提高,意味著生產廠商研發技術的提高,這所帶來的好處不僅是硬盤容量得以增加,而且還會帶來硬盤性能的相應提升。因為單碟容量的提高,就是盤片磁道密度(每英寸的磁道數)的提高。

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  磁道密度的提高,不但意味著提高了盤片的磁道數量,而且在磁道上的扇區數量也得到了提高,所以盤片轉動一周,就會有更多的扇區經過磁頭而被讀出來,這也是相同轉速的硬盤,單碟容量越大,內部數據傳輸率就越快的一個重要原因。此外單碟容量的提高,使線性密度(每英寸磁道上的位數)也得以提高,有利于硬盤尋道時間的縮短。

  讓我們大概了解一下影響硬盤性能的幾個主要因素:

  1.其中首當其沖的就是硬盤的轉速,即是我們平時所說的7200轉。理論上講是轉速越快,數據的讀寫速度就越高。

  2.主板芯片組的磁盤控制器性能。

  3.此外還有磁盤密度與磁盤緩存的大小,同樣理論上是磁盤密度越大和緩存越大磁盤性能也越好的。


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