從1GB到20TB　機(jī)械硬盤還有活路嗎　OverLord

MB、GB、TB部是啥

現(xiàn)在小軟件都是動(dòng)輒幾百M(fèi)B，而固態(tài)硬盤又多以GB～TB標(biāo)識(shí)，只有機(jī)械硬盤才以TB為單位計(jì)算。每一個(gè)單位的差距“都是1024那么長(zhǎng)”。1024MB=1GB，1024GB=1TB，未來(lái)到了PB時(shí)代，那就是1024TB=1PB了?？梢哉f(shuō)，每一個(gè)單位之間容量的差距都是質(zhì)變。

機(jī)械硬盤還有什么用？

不得不說(shuō)只十余年時(shí)間，固態(tài)硬盤就已經(jīng)成功占據(jù)了屬于自己的領(lǐng)地，硬盤作為重要的數(shù)據(jù)交換“池”，長(zhǎng)久以來(lái)都是性能瓶頸，直到固態(tài)硬盤的出現(xiàn)。當(dāng)然，固態(tài)硬盤也是改善而已，并非解決這個(gè)瓶頸，類似傲騰一類的高速存儲(chǔ)設(shè)備才和內(nèi)存有了合理的性能階梯，有效解決了磁盤性能瓶頸。機(jī)械硬盤現(xiàn)在的作用和以前不太一樣了，臨時(shí)交換數(shù)據(jù)越來(lái)越少，更多是作為存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)的形式存在，內(nèi)容則主要就是游戲、電影、圖片等，畢竟其他文件小得多?，F(xiàn)在的游戲普遍在30GB到50GB之間，高質(zhì)量電影也類似（壓縮的不算）。順便一提，這種容量表現(xiàn)很可能是為了適應(yīng)藍(lán)光光盤技術(shù)，是進(jìn)一步解決數(shù)據(jù)交換問題產(chǎn)生的，不過實(shí)際上現(xiàn)在藍(lán)光光盤基本已經(jīng)被大容量閃存盤和網(wǎng)絡(luò)取代了。

似曾相識(shí)的玻璃盤片

硬盤其實(shí)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，只是在實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)的時(shí)候，需要更精密的設(shè)計(jì)。這其中盤片單位容積和數(shù)量十分重要——每平方英寸可以存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量+盤片總數(shù)將決定硬盤的存儲(chǔ)容量，這也是為什么提出用玻璃盤片取代鋁合金盤片的根本原因。玻璃盤片不僅擁有更高的耐高溫性，而且擁有更薄的盤體，目前最薄的鋁合金盤片厚度也在0.635毫米，而玻璃盤片最低已經(jīng)可以做到0.381毫米了，同樣的空間內(nèi)，明顯可以多塞進(jìn)幾張盤片，容量自然也就上去了。

十幾年前，硬盤市場(chǎng)有康諾、希捷、西數(shù)、IBM、三星、邁拓、昆騰、富士通等眾多廠商“群雄逐鹿”;后來(lái)只剩下希捷、西數(shù)、日立、三星、東芝“春秋五霸”，現(xiàn)在是希捷、西數(shù)、東芝“三國(guó)鼎立”。這其中，IBM是硬盤的發(fā)明者，也正是他們發(fā)明了第一塊玻璃盤片硬盤（技術(shù)理念十分先進(jìn)）。只不過當(dāng)時(shí)這個(gè)技術(shù)還存在缺陷，容易產(chǎn)生壞道，導(dǎo)致大量硬盤故障。10GB的IBM玻璃盤，相信老用戶都知道吧，筆者也是中招的一員，幾乎就沒有不壞的。不得已在虧損了5億美元后，IBM就把硬盤部分賣給了日立。當(dāng)然了，這已經(jīng)過去了十幾年的時(shí)間，現(xiàn)在的玻璃盤片和與之相關(guān)的技術(shù)也成熟多了，相信不會(huì)再出現(xiàn)這個(gè)問題。

注 易拓科技曾經(jīng)是中國(guó)唯二的國(guó)產(chǎn)硬盤生產(chǎn)廠商，技術(shù)授權(quán)來(lái)自IBM，為長(zhǎng)城控股公司;另外長(zhǎng)城本身也在1999年生產(chǎn)過機(jī)械硬盤，雖然二者聽起來(lái)都和“長(zhǎng)城”沾邊，但是從技術(shù)到生產(chǎn)，二者沒有必然聯(lián)系。

容量和性能，機(jī)械硬盤還有未來(lái)嗎？

答案是有，至少在5年之內(nèi)，機(jī)械硬盤還會(huì)發(fā)展下去，閃存顆粒即便是3D堆疊的NANDFLASH，容量幾何倍數(shù)成長(zhǎng)，容量也難以媲美機(jī)械硬盤，畢竟基數(shù)低——固態(tài)硬盤的普遍計(jì)算單位還是GB，而機(jī)械硬盤幾乎都是TB級(jí)別的。當(dāng)然了，這中間的差距會(huì)逐漸縮小，但是無(wú)法取代。原因就在于成本，10年后也許硬盤這個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)都會(huì)不存在，比如可能轉(zhuǎn)而使用高速網(wǎng)絡(luò)云內(nèi)容+本地超高速內(nèi)存硬盤混合體，電腦沒有性能瓶頸，存儲(chǔ)也不依賴于本地。至于現(xiàn)在嗎，還是踏踏實(shí)實(shí)買個(gè)存儲(chǔ)盤做倉(cāng)庫(kù)為上上之選。

機(jī)械硬盤的選擇

硬盤除了容量和大小，在其他地方可做的文章非常多，總結(jié)一下主要分成這么幾個(gè)部分需要大家留意：

1.緩存大小

目前機(jī)械硬盤的緩存大小依次為256MB、128MB、64MB、32MB、16MB、8MB。其中，3.5英寸的機(jī)械硬盤，也就是臺(tái)式機(jī)用的硬盤，緩存起跳規(guī)格為64MB，最高256MB，其中4TB以上規(guī)格多采用128MB、256MB的緩存，3TB以下多為64MB、128MB規(guī)格;2.5英寸機(jī)械硬盤，也就是筆記本硬盤，緩存最低的是8MB，最高為128MB。

可別小看硬盤的這點(diǎn)緩存，由于硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度和外界介面?zhèn)鬏斔俣炔煌彺嬖谄渲衅鸬揭粋€(gè)緩沖的作用。緩存的大小與速度是直接關(guān)系到硬盤的傳輸速度的重要因素，能夠大幅度地提高硬盤整體性能。當(dāng)硬盤存取零碎數(shù)據(jù)時(shí)需要不斷地在硬盤與內(nèi)存之間交換數(shù)據(jù)，如果有大緩存，則可以將那些零碎數(shù)據(jù)暫存在緩存中，減小外系統(tǒng)的負(fù)荷，也提高了數(shù)據(jù)的傳輸速度。

2.轉(zhuǎn)速高低差異

目前主流的機(jī)械硬盤轉(zhuǎn)速，主要分成5400轉(zhuǎn)/分、5900轉(zhuǎn)/分和7200轉(zhuǎn)/分，其中無(wú)論2.5英寸還是3.5英寸硬盤都有5400轉(zhuǎn)/分和7200轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速產(chǎn)品，5900轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速產(chǎn)品只在3.5英寸的機(jī)械硬盤上出現(xiàn)，主要是NAS硬盤等存儲(chǔ)類硬盤使用。

硬盤轉(zhuǎn)速的高低很大程度上決定著硬盤的讀寫性能和發(fā)熱程度。值得注意的是，7200轉(zhuǎn)/分的高速硬盤不代表硬盤的絕對(duì)性能全面秒殺5400轉(zhuǎn)/分的硬盤，高轉(zhuǎn)速主要的性能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在隨機(jī)讀寫能力上，連續(xù)讀寫能力差距很?。ㄍ?guī)格不同轉(zhuǎn)速）

3.盤片/磁頭數(shù)量

硬盤主要是伺服電路、控制芯片、馬達(dá)+磁頭臂和磁盤盤片組成，其中盤片和磁頭臂數(shù)量的多少是決定硬盤容量的根本。盤片越多，所需要的磁頭也就越多（一般一盤片對(duì)應(yīng)兩個(gè)磁頭，正反面讀寫），容量也越大。同時(shí)，更多的機(jī)械結(jié)構(gòu)意味著潛在故障幾率上升。

怎么樣在恒定的空間內(nèi)放置更多的磁盤盤片+磁頭臂，還有如何增加磁盤盤片密度，一直以來(lái)都是硬盤廠商最關(guān)注的事情。當(dāng)然也有一些例外，比如有些移動(dòng)硬盤，2.5英寸規(guī)格的筆記本硬盤最高可以做到15mm，就是為了能夠容納更多的磁盤盤片，只是這種產(chǎn)品就不具備通用性了（筆記本硬盤通常為7mm、9.5mm）。

4.工作時(shí)間

筆者要說(shuō)的工作時(shí)間可不是平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF），而是硬盤的工作機(jī)制。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，傳統(tǒng)家用硬盤，無(wú)論臺(tái)式機(jī)硬盤還是筆記本硬盤，都是依照5（天）×8（小時(shí)）的工作能力設(shè)計(jì)的，誠(chéng)然不少人喜歡掛機(jī)，硬盤也不見得有什么問題，但這可不是這些普通硬盤的設(shè)計(jì)初衷。

隨著使用需求的不斷變化，現(xiàn)在除了常見的硬盤種類外，市場(chǎng)還多了兩類硬盤，一類是NAS用網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)硬盤，一類是監(jiān)控級(jí)硬盤。共同點(diǎn)是它們都需要支持7（天）×24（小時(shí)）的工作模式，這在設(shè)計(jì)中就有考慮，包括應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間高溫的工作環(huán)境，不潔的工作場(chǎng)合。不同的地方則是二者在性能、數(shù)據(jù)處理上有所差別。

小知識(shí)

什么是MTBF？

MTBFIN平均無(wú)故障工作時(shí)間，英文全稱是“Mean Time Between Failure”。是衡量一個(gè)產(chǎn)品（尤其是電器產(chǎn)品）的可靠性指標(biāo)。單位為“小時(shí)”。它反映了產(chǎn)品的時(shí)間質(zhì)量，是體現(xiàn)產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持功能的一種能力。需要注意的是，這里探討的MTBF并非一個(gè)實(shí)測(cè)值，而是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段工程師依據(jù)理論所估算出的參考值。使用平均故障間隔時(shí)，一般假設(shè)故障的系統(tǒng)可以立刻修復(fù)。倘若故障的系統(tǒng)無(wú)法修復(fù)，一般改用MTTF（故障前平均時(shí)間）來(lái)說(shuō)明。

5.疊瓦還是垂直？

這是近幾年出現(xiàn)的重要技術(shù)差異。簡(jiǎn)單說(shuō)，疊瓦盤實(shí)際是SMR，即為疊瓦式磁記錄方式硬盤中的磁道像瓦片一樣重疊堆放在一起，它的優(yōu)點(diǎn)是提升硬盤的存儲(chǔ)密度，從而增加約25%的容量。但是SMR也有缺點(diǎn)，就是它不適合頻繁改寫（數(shù)據(jù)），由于其磁頭讀頭小、寫頭大，疊瓦磁道密度高的原因，會(huì)影響磁盤的寫頭工作，在隨機(jī)寫入或改寫內(nèi)容時(shí)，會(huì)把相鄰磁道也一起改掉，因此疊瓦通常疊幾圈以后會(huì)有一行正常寬度的磁道，把磁盤分成一個(gè)個(gè)區(qū)域。要改寫內(nèi)容，需要把這個(gè)數(shù)據(jù)所在的整個(gè)區(qū)域的內(nèi)容先轉(zhuǎn)存到緩存里，在緩存里改好，再一起寫回去。

而垂直磁道記錄技術(shù)又稱作PMR（或稱之為CMR），它的方式就是不堆疊，該記錄的地方記錄，不該記錄的地方不保存信息，這樣它的讀寫效率會(huì)提高很多，但是缺點(diǎn)就在于容量提升有限。

比較麻煩的地方在于，各硬盤廠商對(duì)自家硬盤究竟使用的PMR（CMR）還是SMR諱莫如深，后來(lái)事件發(fā)酵，廠商才不得已發(fā)布了具體各型號(hào)硬盤采用何種技術(shù)，不過依舊需要用戶自行查閱、判別了。

希捷PMR（CMR）、SMR硬盤的各型號(hào)列表：

https：∥www.seagate.com/Internal-hard-drives/cmr-smr-list/西部數(shù)據(jù)PMR（CMR）、SMR硬盤的各型號(hào)列表：

https：∥bIOg westemdigital.com/wd-red-nas-drives/東芝PMR（CMR）、SMR硬盤的各型號(hào)列表：

https：∥toshiba-semicon-storage.com/cn/canvio/news/internal-20200428.html

6.普通硬盤

高轉(zhuǎn)速+高緩存+高容量，三高是組成普通家用硬盤的基本特點(diǎn)。它們的設(shè)計(jì)初衷是5（天）×8（小時(shí)）模式下工作，突出讀寫能力，盡可能提高機(jī)械硬盤性能，但是不支持長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用。尤其是高規(guī)格的筆記本硬盤，超長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)讀寫會(huì)極大耗損機(jī)械硬盤壽命，這一點(diǎn)務(wù)必了解清楚，經(jīng)常用來(lái)當(dāng)下載機(jī)的小伙伴們，掛機(jī)一段時(shí)間最好讓硬盤“休息休息”。另外，即便是同容量的普通硬盤，也會(huì)因?yàn)榫彺娌顒e、轉(zhuǎn)速差別等等價(jià)格分成三六九等。

7.NAS硬盤

剛剛提到NAS網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)用的硬盤針對(duì)7（天）×24（小時(shí)）應(yīng)用設(shè)計(jì)，耐用性無(wú)故障時(shí)間都有良好表現(xiàn)，為了控制溫度，轉(zhuǎn)速不高，有趣的是為了平衡性能和功耗（發(fā)熱），NAS類的硬盤多采用5900轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，屬于異類了。另外一點(diǎn)就是它特別優(yōu)化了讀寫的校驗(yàn)?zāi)芰?，充分保證數(shù)據(jù)的正確性。

8.監(jiān)控硬盤

相比NAS網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)硬盤，監(jiān)控硬盤有一個(gè)特性和它正好相反——降低糾錯(cuò)能力，也就是有較高的容錯(cuò)能力，即便數(shù)據(jù)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，也不影響存儲(chǔ)，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性是關(guān)鍵。這和它的工作要求有關(guān)：記錄視頻。錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)最多損壞一小段視頻，但是可以最大限度保證視頻的持續(xù)性，做到時(shí)長(zhǎng)全覆蓋。另外就是監(jiān)控硬盤支持惡劣工況使用，轉(zhuǎn)速也不高，屬于“吃苦耐勞”型產(chǎn)品。

無(wú)論2.5英寸還是3.5英寸，目前都是通過轉(zhuǎn)速、緩存大小、容量來(lái)做基本的規(guī)格區(qū)分，再附以使用方向的不同，進(jìn)一步細(xì)化功能，只單純討論容量、價(jià)格去購(gòu)買硬盤，是十分不明智的。綜上所述，一定要了解清楚自己的需求再?zèng)Q定入手，畢竟硬盤之間的區(qū)別可不是以前那么簡(jiǎn)單粗暴了。

固態(tài)容量和壽命你更在意哪個(gè)？

同機(jī)械硬盤原理區(qū)別很大，固態(tài)硬盤是用NAND Flash來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。NAND Flash在物理結(jié)構(gòu)上是由一個(gè)一個(gè)的“塊”組成。每個(gè)塊都有一定的擦除壽命（P/E），當(dāng)擦除壽命達(dá)到時(shí)，這個(gè)塊就會(huì)損壞了。不知道大家注意沒有，現(xiàn)在的固態(tài)硬盤和機(jī)械硬盤不同，容量常常是120GB、240GB、480GB、960GB，而不是我們通常理解的128GB、256GB、512GB、960GB。近似規(guī)格的少掉的容量，其實(shí)都是用來(lái)校驗(yàn)數(shù)據(jù)和備份冗余這些“塊”的。而且，固態(tài)硬盤就是電子芯片依靠電信號(hào)擦寫記錄存儲(chǔ)內(nèi)容的，所以還存在升級(jí)問題。從SLC一路走來(lái)，經(jīng)歷了MLC到如今的TLC主打，未來(lái)OLC也將取代TLC，成為最普及的閃存顆粒技術(shù)。

提升容量靠堆疊

QLC之所以會(huì)取代TLC，無(wú)非是增加了“存儲(chǔ)密度”。SLC每個(gè)存儲(chǔ)單元只儲(chǔ)存1bit數(shù)據(jù)，它的性能最好，壽命也最長(zhǎng)。缺點(diǎn)就是成本最高，容量偏低。作為接替者，MLC每個(gè)存儲(chǔ)單元可以儲(chǔ)存2bit數(shù)據(jù)，所以容量一下就翻倍了（單位內(nèi)），性能和壽命比SLC要低，但是成本也便宜不少。

可是MLC也是有容量極限的，因此又誕生了TLC顆粒，TLC的1個(gè)存儲(chǔ)器儲(chǔ)存單元可存放3 bit的數(shù)據(jù)，容量再次提升，同時(shí)成本也下降更多。不過代價(jià)就是讀寫次數(shù)下降了，當(dāng)然通過技術(shù)改良，現(xiàn)在TLC已經(jīng)完全沒有了最初“不禁用”的概念，最初TLC顆粒則僅有500次～1000次的擦寫壽命，到今天已經(jīng)有廠商達(dá)到了3000次的擦寫能力，和MLC別無(wú)二致。

現(xiàn)在，QLC顆粒又以TLC的替代者身份登場(chǎng)了，截止目前，QLC顆粒已經(jīng)從設(shè)計(jì)之初的100次～150次躍升到了1000次左右的P/E擦寫循環(huán)，已經(jīng)接近了TLC的正常擦寫壽命。

應(yīng)該了解的是，單位空間存儲(chǔ)的越多，意味著我們能夠買到的固態(tài)硬盤容量更大，加上一貫擔(dān)心的讀寫次數(shù)問題已被解決，現(xiàn)在就是擔(dān)心的就是價(jià)格問題了。一般來(lái)說(shuō)，TLC顆粒成本相比MLC約低30%～50%，而QLC的成本則相對(duì)于TLC還要再低25%甚至更多。所以，固態(tài)硬盤的容量/價(jià)格比長(zhǎng)期看只能是越來(lái)越劃算。

其實(shí)，如果你還在擔(dān)心固態(tài)硬盤的壽命問題，不妨使用如下公式自行計(jì)算一番，很快你就能知道自己要購(gòu)買的固態(tài)硬盤預(yù)期壽命是多少了。需要注意，這個(gè)公式中的“P/E次數(shù)”指的是全盤全部容量完整寫入一次的數(shù)量。舉例來(lái)說(shuō)，一塊入門級(jí)的120GB固態(tài)硬盤，按照1000次的P/E寫入次數(shù)計(jì)算，這塊硬盤的寫入總量應(yīng)該是120×1000=120000GB，如果是每天寫滿120GB，那么它的壽命理論是2.7年。當(dāng)然，能每天堅(jiān)持寫滿120GB的用戶少之又少。

接口速度不可忽略

SATA 3.0

SATA 6Gbps（SATA3.0）最大優(yōu)勢(shì)就是非常成熟，適合老電腦升級(jí)安裝使用，不過速度上它不像機(jī)械硬盤那樣還有冗余——固態(tài)硬盤的讀寫速度已經(jīng)大大超過了SATA接口（AHCI協(xié)議）的傳輸極限。因此，筆者只建議沒有M.2接口的老主板酌情使用SATA接口的固態(tài)硬盤。在SATA接口之上，還衍生了一個(gè)mSATA接口，簡(jiǎn)單說(shuō)它就是一個(gè)縮小版的SATA接口，它擁有SATA接口的一切技術(shù)規(guī)格，適合小尺寸設(shè)備使用。目前mSATA接口的固態(tài)硬盤主要是使用在英特爾100系列芯片組主板及之前的產(chǎn)品上，而且是以筆記本、工控類設(shè)備為主，并非市場(chǎng)主流了。

M.2

M.2原名是NGFF接口，最初是為超極本（Ultrabook）量身定做的新一代接口標(biāo)準(zhǔn)，主要用來(lái)取代mSATA接口。不管是從規(guī)格尺寸上還是說(shuō)從傳輸性能上講，這種接口要比mSATA接口好很多。正是因?yàn)镾ATA的接口瓶頸越來(lái)越突出，現(xiàn)在很多主板廠商都開始在產(chǎn)品線上預(yù)留出M.2接口。M.2接口能夠同時(shí)支持PCIe通道（即NVMe協(xié)議）以及SATA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。最開始該接口所采用的是PCIe 2.0×2通道，理論帶寬10Gbps（雙向），可以說(shuō)它也突破了SATA接口理論傳輸瓶頸。如今的M_2接口全面轉(zhuǎn)向PCIe 4.0×4通道，讀寫速度達(dá)到了前所未有的高度，這也讓固態(tài)性能潛力大幅提升。

PCIe

在SATA接口的固態(tài)硬盤發(fā)展開始時(shí)，就已經(jīng)出現(xiàn)了PCIe接口的產(chǎn)品，后者優(yōu)勢(shì)可以說(shuō)非常明顯。這是因?yàn)闊o(wú)論使用的是伺種接口都是最終通過PCIe通道連接、傳輸，而PCIe接口的固態(tài)硬盤可以說(shuō)是一步到位，沒有了中間過程。不過，PCIe硬盤最開始主要是在企業(yè)級(jí)市場(chǎng)使用，因?yàn)樗枰煌骺?，所以在性能提升的基礎(chǔ)上，成本也高出許多。至于消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，對(duì)該產(chǎn)品并沒有太大需求，PCIe硬盤在高端消費(fèi)市場(chǎng)上出現(xiàn)不久就遇到了兼容性更好的M.2 NVMe接口，因此沒有流行起來(lái)。

固態(tài) 硬盤壽命殺手究竟是誰(shuí)？

與其擔(dān)心寫入量的問題會(huì)影響固態(tài)硬盤壽命，不如擔(dān)心一下固態(tài)硬盤壽命的真正殺手——過熱和突然斷電。因?yàn)楣虘B(tài)硬盤是用電信號(hào)擦除寫入數(shù)據(jù)，所以突然斷電對(duì)固態(tài)硬盤來(lái)說(shuō)非常嚴(yán)重的事情，頻繁的突然斷電可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，包括已寫入保存的數(shù)據(jù)！這和機(jī)械硬盤是有本質(zhì)區(qū)別的。所謂突然斷電，比如說(shuō)停電、硬關(guān)機(jī)這類都屬于斷電范疇。

另一個(gè)壽命殺手就是過熱了，固態(tài)硬盤的耐熱能力其實(shí)不如機(jī)械硬盤，過熱會(huì)極大縮短固態(tài)硬盤中閃存顆粒的壽命，這是因?yàn)殡娮有酒瑫?huì)因?yàn)檫^熱產(chǎn)生一種叫做電子遷移的現(xiàn)象，說(shuō)白了就是加速金屬線路的老化，從物理結(jié)構(gòu)上造成不可逆的壽命損傷，如果長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度使用固態(tài)硬盤，再加上散熱工作不到位，就很容易造成固態(tài)硬盤過熱，就筆者的看法，這遠(yuǎn)比閃存顆粒的擦寫次數(shù)更值得關(guān)注。