硬盘的前世今生

 硬盘的前世今生

硬盘是电脑的数据存储中心，电脑没有了硬盘，也许能够开机启动，但却无法保存你*作的任何步骤。广义来说，硬盘只是存储介质的设备之一，因为目前闪盘、存储卡、记忆棒等介质也可以担当资料存储的任务，而从狭义角度来看，作为电脑整体不可缺少的硬盘有台式机和笔记本两种。我们知道，在台式机上使用的CPU可以改成移动 CPU作为笔记本之用，而台式机硬盘却无法做到这一点，主要原因是笔记本必须体现移动的特性。今天，我们来了解一下硬盘的一些技术，何种瓶径限制了硬盘的性能？新技术给予硬盘的发展新空间，厂商的新突破意味着什么？未来，狂想曲的春天什么时候会再度来临？
历史先河——谁制造了第一台电脑
　　谁制造了历史上第一台电脑，这在历史上还有不少争议，但事实上，1823年英国发明家和对破译密码十分着迷的查尔斯.巴贝奇发明了第一台计算机，但这并非是真正的电脑，计算机的真正发展是数学家阿兰.特宁1942年制作出来的特宁炸弹机（如图1），当时是在二战中为了军方需要而研究。此后，第一台电子计算机叫 ENIAC（电子数字积分计算机的简称，英文全称为 Electronic Numerical Integrator And Computer），它于1946年2月15日在美国宣告诞生。

图1，特宁炸弹机
　　而又是谁制造了历史上第一台笔记本电脑？早在1982年11月，康柏就推出了一款手提电脑，重28磅（约合14公斤），这应该算是最早的笔记本电脑雏形。但IBM却拒绝接受这个说法，坚持认为IBM在1985年开发的一台名为PC Convertible的膝上电脑才是笔记本电脑真正意义上的“开山鼻祖”。而东芝则认定自己在1985年推出的T1000才算的上世界上第一台真正意义上的笔记本电脑，其采用Intel 8086 CPU，512KB RAM，并带有9英寸的单色显示屏，没有硬盘，可以运行MS-DOS*作系统。事实上，我们很难从这些资料中得到一个很肯定的答案，因为笔记本电脑是所有技术力量的结晶，比如INTEL的第一颗移动CPU、IBM第一块大容量笔记本硬盘诞生等等，但至少我们可以肯定，任何一方都为今天笔记本电脑的辉煌作出了实际意义上的贡献，每个历史的开发商都是不朽的功臣。但，我们不得不提一下笔记本电脑领域的英雄，那就是 “PC之父”IBM。
硬盘鼻祖——IBM开创的历史足迹
　　提起硬盘，我们不得不提到硬盘领域的开山鼻祖——IBM。1956年9月，IBM的一个工程小组向世界展示了第一套磁盘系统IBM 350 RAMAC Random Access Method of Accounting and Control，这套系统的总容量只有5MB，使用了50个直径为24英寸的磁盘，磁头可以在盘片上的任何一块存储区域移（如图2）。1968年，IBM 公司又提出了“温彻斯特/Winchester” 即所谓“温盘”?技术，这也是现代绝大多数硬盘的原型。“温彻斯特”技术的精隋是：“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触”，这也是现代绝大多数硬盘的原型。在此项温氏技术提出后的5年，1973年，IBM制造出了第一台采用“温彻斯特”技术的硬盘IBM 3340（如图2）。这和我们目前所使用的硬盘已经极为相似了。到上个世纪90年代，IBM将MR磁头技术运用到硬盘中，使得个人用户的硬盘突破了 1GB，笔记本电脑的容量也随之增大。1995年，IBM ThinkPad 760笔记本电脑就配备了1.2GB的硬盘。硬盘的发展也推动了笔记本电脑的“瘦身”。从这个时候开始，硬盘开始向体积小、容量大、转速快等多元化技术趋势发展。从此硬盘技术的发展有了正确的结构基础，现在大家所用的硬盘大多是此技术的延伸。

图2，第一套磁盘系统IBM 350 RAMAC

图3，硬盘的雏形IBm 3340
内部结构——解析硬盘技术
　　1．磁头技术
　　硬盘技术的更新换代，其中一个非常重要的技术就是磁头技术，现在的硬盘单碟容量一般都在40GB以上，最高的单碟容量已经达到了80GB或更高，以后硬盘的单碟容量还将继续增大，对于单碟容量，它直接联系的技术就是磁头技术，磁头技术越先进，硬盘的单碟容量就可以做得更高。最早的磁头是采用铁磁性物质，它在不论磁头的感应敏感程度或精密度上都不理想，因此早期的硬盘单碟容量均非常低，单碟低了，硬盘的总容量就受到非常大的限制，因为在一块硬盘内封装的盘片数是非常有限的。同时早期使用的磁头在体积上也小，它使得早期的硬盘体积上相对而言比较庞大，这给用户的使用带来了非常的不便。
　　80年代末期，IBM研发了MR(Magneto－Resistive Head)磁阻磁头技术，磁阻磁头是基于磁致电阻效应工作的，核心是一片金属材料，其电阻随磁场的变化而变化。磁阻元件连着一个十分敏感的放大器，可以测出微小的电阻变化。之后IBM公司又开发了 GMR（GaintMagneto Resistive，巨磁阻）磁头技术，它是在MR技术的基础上研发成功的新一代磁头技术，现在生产的硬盘全都应用了GMR磁头技术。GMR巨磁阻磁头与 MR磁头一样，是利用特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据，但是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，实现更高的存储密度，MR磁头能够达到的盘片密度为每平方英寸3Gb－5Gb（千兆位每平方英寸），而GMR 磁头每平方英寸可以达到10Gb－40Gb以上。GMR比MR具有更高的信号变化灵敏度，从而使硬盘的单碟容量可以做得更高，最新的磁头技术为第四代 GMR磁头技术（如图4）。



图4，GMR与MR磁头对比
　　了解台机硬盘的朋友都知道，硬盘磁头里有一个Park，硬盘不工作的时候磁头就会停在Park 这里“休息”，但由于笔记本硬盘密度太小，就连转轴中心附近也写进了数据，所以它就要在盘片的附近安装一个装置，用来防置磁头。知道这些我们就可以解释为什么笔记本硬盘在读盘的时候会产生”咯嗒、咯嗒“的声音，其实是它在”靠岸“。但这种设计也带来了一些好处，在硬盘不工作的时候，由于磁头远离盘片，所以磁头就不会出现由于震动而划伤盘片的现象（如图5）。

图5，磁头复位
2．电机技术
　　在硬盘中，与磁头技术一样重要的另一项技术就是电机技术了，它直接影响着硬盘转速的大小。目前主流的IDE硬盘转速主流为7200RPM，而主流的 SCSI硬盘转速则为10,000RPM。早期的硬盘转速一般只有4000RPM甚至更低，低转速的主要原因是由于电机技术的限制，随着技术的革新，转速提高到了4400RPM及4900RPM，再后来就是5400RPM了。值得一提的电机技术是希捷公司独有的 Fluid Dynamic Bearing (FDB) 电机，它在1996年第一次推出，现在已经发展到了第三代FDB III技术（如图6），它能有效降低噪音，减少震动，延长寿命和增强对震动的抵抗能力。电机技术发展了，直接影响的就是硬盘主轴转速的提高，而转速就决定着硬盘的寻道时间。当然在提高硬盘主轴转速的同时需要考虑得是硬盘的发热量及振动问题，还有就是硬盘的工作噪声问题。所以电机技术直接决定着硬盘的快慢、工作温度及工作噪声等。

图6，FDB III技术
　　3．接口技术
　　硬盘接口一直是人们关心的技术，随着电脑其它配件（如CPU、内存、显示等子系统）性能的大步迈进，硬盘的接口传输率越来越体现出它在整个电脑系统的瓶颈效应，硬盘接口越来越受到人们的关注。最早的硬盘接口是ST-506/412接口，它是希捷开发的一种硬盘接口，其后是ESDI接口，它是迈拓公司于 1983年开发的。其特点是将编解码器放在硬盘本身之中，而不是在控制卡上，理论传输速度是前面所述的ST-506的2~4倍，一般可达到10Mbps。但其成本较高，与后来产生的IDE接口相比无优势可言，因此在九十年代后就补淘汰了。IDE接口把盘体与控制器集成在一起的做法，减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其它厂商生产的控制器兼容。
　　对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。而最新的Serial ATA（即串行ATA）以连续串行的方式传送资料（150MB/s的数据传输率），此做法能减小接口的针脚数目，用四个针就完成了所有的工作。这样能降低电力消耗，减小发热量，对于Serial ATA接口，一台电脑同时挂接两个硬盘就没有主、从盘之分了，各设备对电脑主机来说，都是Master，这样我们可省了不少跳线功夫（如图7）。

图7，IDE与SATA硬盘连接对比
　　从IDE过渡到SATA，已经创造了硬盘传输接口的经典历史，所以SATA硬盘已经成为未来计算机平台的标准配置，但目前只有150MB/s传输速度的第一代SATA接口，显然不能够满足都数用户的需要。因此，SATA II以及SATA III标准将会逐渐进入市场，它们的传输速度分别扩展到300MB/s和600MB/s。因此在800MHz甚至更高的FSB下，SATA将会长足的发展，SATAII的未来，要依靠主板以及硬盘生产厂商的配合，目前来看，最新的nForce 4芯片组、Intel的E7525主板已经支持SATAII接口（如图8），而日本等硬盘厂商也有SATAII硬盘上市。

图8，主板上的SATA II接口
4、盘片技术
　　在硬盘磁头、电机及接口不断更新的过程中，存储数据的盘片也在更新中，一般而言，早期的硬盘的盘片都是使用塑料材料作为盘片基质，然后再在塑料基质上涂上磁性材料就可构成硬盘的盘片。其次于塑料基质后推出的采用铝材料作为硬盘盘片基质，现在市场上的IDE硬盘一般来说都是使用铝材料作为硬盘盘片基质。而最新的硬盘盘片则是采用玻璃材料作为盘片基质（如图9），采用玻璃材料能使硬盘具有更多的平滑性及更高的坚固性，此外玻璃材料在硬盘高转速时具有更高的稳定性。

图9，玻璃材料盘片基质
　　5、其它技术
　　硬盘的技术很多，大致来说就以上所说的那些比较关键，但除了这些外，还有一些不可忽视的技术，如硬盘数据保护技术及防震技术，它们也随着硬盘的发展而不断更新，但一般而言，不同硬盘厂商都有自己的一套硬盘保护技术，如迈拓的数据保护系统MaxSafe、震动保护系统ShockBlock；西部数据公司的数据保护系统Data SafeGuide（数据卫士）等等。这些保护技术都是在原有技术的基础上推出第二代、第三代、第四代…。此外，硬盘的数据缓存也随着硬盘的不断发展而不断增大，早期IDE硬盘的数据缓存只有128KB甚至更小，后来增加到2MB以及目前高缓存的8MB，极大提高了硬盘的性能，当然这其中发热量也提高了。硬盘缓存芯片和内存一样被集成在硬盘电路板上（如图10），。

图10，硬盘缓存芯片
　　硬盘的自我监测、分析和报告技术，也就是应许多专业用户需要提前对故障进行预测的功能。S.M.A.R.T.监测磁头、磁盘、马达、电路等部件，然后根据得到的关于各部件运行情况与历史记录的数据进行分析、比较，根据需要会自动向用户发出警告。为了提高存储技术性能，防止数据的丢失，还有RAID技术，可以分为0、1两种模式。其中RAID 1模式是把第二硬盘用来镜像第一硬盘的所有内容，它在所有时间里都能为整个磁盘提供迅捷地备份，所以可以达到保护在某个硬盘忽然崩溃时备份数据不受损坏的目的。
先天瓶颈——硬盘性能瓶颈何在？
　　1、英寸大小限制
　　由于笔记本电脑必须体现移动性的方便，所以其尺寸必须考虑轻薄，受到体积的限制，笔记本硬盘不可能做的像台式机硬盘现的3.5英寸大小，目前大多为 2.5英寸，由东芝推出最小的笔记本硬盘为1.8英寸硬盘，也正是由于这这硬盘的诞生，缔造了世界上第一个最薄的笔记本--Portégé 2000,随后的2010和r100也基本保持了这个厚度，并没有太大的突破。因此，由于温氏硬盘的特性，笔记本硬盘的盘片半径比较小，平均线速度也就比较小，读写速度自然也就比较差。
　　由于笔记本内部空间比较有限，所以笔记本硬盘和主板之间的连接就不能采用像台式机硬盘那样用长长的数据线，所以它不得不把盘体与控制器集成在一起的做法，减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得相对简单，厂商不需要再担心自己生产的硬盘控制器的兼容性，对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。我们只要拧开笔记本后面的螺丝，直接就可以把硬盘抽出来就可以完成（如图11）。

图11，笔记本硬盘安装
　　2、转速的限制
　　在主轴转速上，桌面系统上是7200RPM大行其道，至少也得是5400RPM。而可怜的笔记本硬盘因为体积、能耗、散热的原因，没办法用高速电机，大部分转速还在5400RPM以下，5400RPM还一直是大多数笔记本发烧友们追求的目标。不过近来不少厂商也已经推出了7200转/秒的笔记本专用硬盘，如日本的Travelstar 7K60（如图12），容量是60GB，主轴转速是每分钟7200转，采用了ATA-6磁盘接口，它的磁盘密度达到了50Gbits/sq，而且 Travelstar 7K60把磁盘的内部数据传输率提高到了518Mbits/s，已经接近了台式机硬盘的水准，而新技术的采用使它在抗震和节能方面都表现突出。

图12，日本Travelstar 7K60
3、缓存的限制
　　性能瓶颈主要体现在内部数据传输速度和寻道时间上，如性能较好的希捷Momentus 5400转硬盘，内部传输速率48.25MB/s，外部传输速率100MB/s，平均寻道时间10ms。相对于两年以前的台式机硬盘来说，它的技术参数也毫无优势。由于靠提高转速来提升性能还有些困难，越来越多的中高端的笔记本电脑硬盘开始配备8MB缓存，东芝的MK6022GAX、MK4019GAX等甚至装备了16MB的缓存，这可是主流台式机硬盘2MB缓存的8倍，从一些实测的数据来看，即使装备了16MB缓存的5400转笔记本电脑硬盘，与我们主流台式机硬盘性能也还有不小的差距。很多用户认为转速是硬盘性能的唯一衡量标准，转速对于笔记本硬盘必然是重要的，但我们也不要忽视缓存在硬盘性能上起到的至关重要的作用。缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素。目前主流笔记本硬盘的缓存主要有512KB、2MB、8MB等几种，其类型一般是EDO DRAM或SDRAM，目前一般以SDRAM为主（如图13）。

图13，笔记本硬盘的控制电路和缓存
　　4、材料的限制
　　笔记本硬盘外壳只是一层很薄的铁片，很容易弯曲变型（如图14），而台机硬盘采用很厚的金属材质制作而成，不容易变型。之所以采用很薄的材质制作硬盘，是为了让笔记本硬盘做的更轻而做的考虑，所在硬盘使用过着中不要用力按或者在表面放重物，这样会使磁头过于接近盘片而导致盘片划伤的。一般而言，早期硬盘的盘片都是使用塑料材料作为盘片基质，然后再在塑料基质上涂上磁性材料就可构成硬盘的盘片。采用铝材料作为硬盘盘片基质随后推出，目前市场上的IDE硬盘几乎都是使用铝硬盘盘片基质。而采用玻璃材料作为盘片基质则是最新的硬盘盘片技术，玻璃材料能使硬盘具有平滑性及更高的坚固性，此外玻璃材料在硬盘高转速时具有更高的稳定性。IBM公司是采用玻璃材料作为硬盘盘片基质的先锋，富士通笔记本硬盘也有相应的玻璃材料产品。

从笔记本硬盘看未来
　　由于笔记本总是追求更小，更轻以及可移动性，所以不可避免的就会有不少跌落或磕碰的情况出现，而硬盘的结构又导致了容易受外力损坏的特点，如何保护硬盘中的重要数据就是一个老大难问题了(如图15)。IBM的ThinkPad R50和T41系列是世界上第一次装备了自动硬盘保护技术的产品。这种自动硬盘保护技术就能一定程度上解决这个问题，其具体原理是，模拟汽车中气囊系统，侦测系统当前的加速度来自动作出反映。熟悉汽车的朋友都知道，在装备了安全气囊的汽车中拥有一个检测加速度的装置，当汽车向后的加速度很大的时候（例如撞车）气囊便会自动打开，从而达到保护人员安全的目的。

图15，硬盘外壳
　　笔记本电脑硬盘现在也采用很多新技术，象日本最新的7200转硬盘，便采用了Femto Slider Head (毫微微米级滑行读写头)技术，使读写头与盘面之间的距离缩短了40%，增加了大约10%的纪录区域，实现了高密度化（如图16）。而希捷刚刚推出的 Momentus更应用了不少桌面硬盘的优秀技术。如采用液压轴承的SoftSonic马达、QuietStep载入技术等等。特别是QuietStep 技术，除了可以有效的降低硬盘的噪音，另外它还通过高效的磁头挂起方式提高了硬盘的可靠性。另外Momentus的静止抗震能力达到业界领先的225G，硬盘的数据安全更有保障。

图16
　　此外还采用了IBM开发的一项所谓“仙尘技术”（Pixie Dust），使硬盘的可靠性和存储密度大幅增加。仙尘技术实际上是IBM发明的一种稀有金属涂层，它能够克服当磁存储设备的存储密度到达一定限度的时候所出现的超磁效应。这样磁盘的存储密度就能进一步上升。此外，仙尘技术将盘片的存储密度提高到每平方英寸100Gbit（相当于通常所说的9GB数据）。通过在两个磁盘表层之间加入一层约3个原子厚的钌（类似于铂金的稀有金属）涂层，在确保数据的完整性和大幅提升存储密度的同时，该技术还提供了更高的信噪比。富士通高端笔记本硬盘MHT20xxAH系列，通过类似的GDT技术也将数据密度提高到69Gbit（如图17）。

图17，GDT技术图解
硬盘未来的狂想曲
　　厂商们的种种办法都存在各种各样的缺陷。这些证明了一个问题，如果继续只是在原有的基础上做改动，要想把笔记本做得更加轻薄是很困难的事情了。最近，市面上有一种容量达到3G的CF卡出现，若能把这样的东西做成硬盘，无疑是笔记本技术的一个革命性的突破，而且现在笔记本电脑存在的很多问题都迎刃而解！正是如此，目前以快闪存储器(FlashMemory)为代表的固态磁盘(Solid－StateDisk)也在得到飞速发展，固态磁盘具有很强的耐冲击性能，非常省电，广泛应用于便携终端、数码相机和便携音响设备。但目前容量、速度都还无法符合主流存储设备的要求，而且大容量的产品价格十分昂贵。前不久 IBM又创新的提出了，“MRAM内存”技术，最有希望成为未来硬盘的替代者（如图18）。

图18，IBM的MicroDrive
　　使用了FlashMemory技术能够带来很多的好处，首先体积可以减少，因为FLASHROM可以做得非小，即使是做到30G，这个卡的大小也不会大很多，而且应该不会超过一个笔记本的硬盘的大小。而且由于使用了FLASHROM，笔记本的重量也会有所下降，因为FLASHOROM的重量应该是会比硬盘轻的。也许将来，我们可以有1KG以下，厚度10MM，而且是大屏幕的笔记本了。此外防震可以做的更完美，对于完全没有机械读写过程，不存在摩擦，只是通过电擦写来读写数据的FLASHROM，到时候即使是在颠簸的旅途中也一样可以轻松地工作了。
　　FLASHROM在不带电的状态下也可以保存数据，不用担心数据丢失的问题。如果这个电能节约下来，估计能够延长笔记本电池的续航时间高达50%，这个还是保守的估计。这样的话，笔记本在没有电源的地方的工作时间将大幅度延长。同样，由于没有了磁头的运转，自然也就不存在由于运动而产生的高热了，所以， 如果使用了FLASHROM做存储介质来取代硬盘，将可以带来笔记本一次全新的技术革命.

呵呵，历史。

社会是发展的，科学是进步的！

学习了下硬盘的历史和今朝