科技简章029-机械硬盘

上一章在讲存储器概览时我们提到过，到目前为止机械硬盘仍然是人类存储数据量最大的设备，占了总数据量的65.5%，对应的市场规模为585亿美元，占32.25%的市场份额。

这一章我们就来聊一下这个机械硬盘。

上一章已经提到过，硬盘和软盘、磁带一样，其存储介质是“磁”。那么机械硬盘是个什么工作原理呢？

硬盘主要由控制电路、接口部件和盘体构成。

控制电路，包含硬盘BIOS、主控芯片和硬盘缓存等。

接口部件，包括电源接口、数据接口等。

盘体，它是封闭起来的。这里面包含了盘片、电机转轴、控制电机、永磁铁等。

有的硬盘只有一张盘片，有的会有多张，不过受限于硬盘的体积和成本，盘片数量一般在五片以内。每张盘片都有两面，每一面都有一个对应的读写磁头。盘片的编号从0开始，由下至上。

机械硬盘的盘片多数采用铝合金制成，盘面上会涂一层厚度约0.5mm左右的磁性材料，这层磁性材料其实就是极微小的磁化金属粒。

记录数据的时候，磁头将代表信息的“0”和“1”的电信号转化为磁信号，也就是转化为磁记录介质上方向相反的剩磁位。这样，数据信息就通过磁介质表面不同极性方向的磁性颗粒的有序排列存储了下来。换句话说，电信号的0和1转化成了极性不同的两种磁排列来表示。

读取数据的时候，磁头在磁化位上感应出不同的电脉冲，读出0和1，这里就相当于磁信号又转化成电信号了。

这种电磁转化原理，其实我们小时候用的那种录影带也是类似的，录影带上用磁粉来记录信息，录音机上的磁头来读数据。

我不知道你们小时候有没有手欠，干过用磁铁划拉录音带最后导致消磁的事儿，我干过。这个原理就是利用磁铁的磁场作用，将磁记录介质上代表数据的剩磁位的极性变成了无序排列。所以，既然是同样的存储原理，硬盘也是可以被消磁的哈。

不过，若是用较弱的磁场对盘片进行消磁，原始数据一般不会被彻底抹除，是可以通过一定办法复原的。要彻底消除，需要专门的设备对磁介质进行处理。

硬盘的盘片上有一圈圈极窄的同心圆，这称为磁道，数据就是存储在这些磁道上的。不过这些磁道是咱们用肉眼看不见的，它们是以特殊磁化方式做出来的磁化区，相邻的磁道之间也并不是紧挨着，因为磁化单元太近磁性会互相影响。一面盘片上一般有几千甚至上万个磁道。

磁道又被划分为若干弧段，每一条磁道上的一个弧段称为扇区。扇区是磁盘最小的组成单元，通常是512字节。不过由于硬盘容量的不断提高，有些厂商的扇区大小设定为4096字节。

但由于扇区实在是太小了，磁头从数量庞大的扇区中找出来目标扇区实在很麻烦，所以操作系统又将相邻的扇区定义为一个“块”（在Linux系统中称为块，Windows系统中称为簇）。

注意啊，扇区是磁盘最小的物理存储单元，也就是磁头每次读取数据的最小单位，磁头读数据都是一扇一扇来的；块/簇是操作系统对硬盘管理所使用的逻辑概念，块可以包括多个扇区，比如2、4、8、16、32或者64个扇区，块的大小是在硬盘被格式化的时候指定的，一般有1K、2K、4K，其中4K比较常用。

此外，操作系统规定，一个块只能放一个文件内容。所以，文件占用的空间只会是块的整数倍，即便是文件的实际大小小于一块那也得占一块的空间。

比如你有一个文件，其大小是33K，你的块大小是4K，那么这个文件就要占9个块。掐指一算就是占了36K的磁盘空间，而浪费掉的那3K还不能放其他的文件哦，只能空着。

因此，我们查看电脑看文件占用空间的时候，会发现文件的实际大小和占用空间大小并不相同。

反应快的读者看到这里就会发现，块并不是越大越好，也不是越小越好。

块太大，存储小文件的时候会有浪费空间的问题；块太小，虽然能提高磁盘利用率但是会产生大量碎片，而且读取大文件的时候效率也会低，因为对于大文件来说采用较大的块才可以一次连续读取尽量多的数据。

知道了硬盘的存取原理我们来看一下它具体是怎么工作的。

要读取数据的时候，磁头首先是要找到数据所在的“磁道”。找磁道，磁头就沿着磁盘做径向运动，这个时候磁盘是高速旋转的，现在一般是7200转/分钟，这会引起空气动力效应，让磁头能够悬浮在磁盘表面，与磁盘之间的距离在1微米以内，就是不到头发丝直径百分之一的距离。

这个磁头找到目标磁道位置的时间称为“寻道时间”，由于磁头起始位置与目标磁道之间的距离不同，寻道时间自然也是不同的，一般为2到30毫秒。

磁头找到目标磁道后，就该找目标文件在磁道上所在的“扇区”了，这个时候磁盘上的目标扇区会转到磁头下方，让它自己读。目标扇区转到磁头下方的时间称为旋转延迟时间，平均旋转延迟时间约4.17毫秒。

这里就有一个知识点了，扇区也是有编号的，从1开始。但是，扇区号并不是挨着排列的，而是跳着排的。比如2号扇区并不是紧跟着1号扇区，而是在第八个扇区位。

之所以这么排是因为相邻扇区之间的物理距离极小，而磁盘又是一直不停在飞转，磁头读完一个扇区可能还来不及读相邻的那个扇区，磁盘就已经转飞跑了。如果扇号挨着排，那磁头就只能傻在那里等磁盘转一圈，这样效率就会很低，所以跳着排可以给磁盘足够的读数据时间，同时满足高效。

世界上的第一个硬盘驱动器诞生于1956年，被使用在了IBM的RAMAC305计算机中，它的诞生标志着磁盘存储时代的开启。这个硬盘有两个冰箱那么大，里面有50个直径为24英寸的盘片，但存储容量只有5MB。

1973年，IBM推出了采用“温氏架构”的硬盘3340，这个硬盘有两个30MB的存储单元，与能够移动的磁头共同密封在一个盒子里，磁头从旋转的盘片上读取磁信号。这是不是与咱们现在的硬盘样子很相似的了？

对！咱们现在的机械硬盘就是来自于这种“温氏架构”。之所以叫温氏架构，是因为美国历史上第一种小口径无烟火药步枪弹叫30-30温彻斯特步枪弹，这枪弹名气很大、广泛流行，“吃鸡”里面的Win94就是用的这个（不过因为枪弹来自竞争对手所以换了个名字），而IBM的这种硬盘又刚好是双30MB存储单元。

1970-1979 年，IBM 先后发明了 Merlin 技术、Thin Film 磁头，让驱动硬盘数据定位的准确性和硬盘密度都大幅提升。

1979年，IBM的两个前员工创立了希捷公司并于1980年推出第一款5.25英寸规格的5MB硬盘，这是首款面向个人电脑的硬盘产品。1981年，希捷公司又推出10MB的硬盘，获得市场好评。同年，IBM发布了个人计算机，随着个人计算机的普及家用PC硬盘进入快速增长通道。

80年代末，IBM推出MR（磁阻）技术，大幅度提高了磁头的灵敏度，盘片的存储密度较之前的20Mbpsi提高了数十倍。1991年，IBM推出了首款采用这种技术的硬盘0663-E12，3.5英寸，容量达到了1GB。而1982年日立推出的全球首款1.2GB容量硬盘，需要10片14英寸的盘片。可以说，IBM的MR技术奠定了大容量硬盘的基础，从此民用硬盘开始进入GB级，3.5英寸也成为计算机的标准规格。

1995年，为了配合英特尔的LX芯片组，昆腾与英特尔联手发布UDMA33接口，EIDE标准将原来的接口数据传输率从16.6MB每秒提升到了33MB每秒。同年，希捷将陀螺仪上的技术引入到硬盘生产中，用厚度相当于头发丝直径十分之一的油膜取代金属轴承，开发出液态轴承马达，减轻了硬盘噪声和发热量。

1997 年，IBM又搞出来 GMR（巨磁阻）技术，如果用 MR 磁头能够达到 3-5Gb/平方英寸的存储密度，使用 GMR 以后存储密度可达到 10-40Gb/平方英寸，进一步提升了存储密度。

2005年，日立环球存储和希捷开始大规模采用磁盘垂直写入技术，将原本平行于盘片的磁场方向改为垂直，这能更加充分的利用存储空间，再一次提高了硬盘的存储密度。并且，垂直技术耗能小、发热量减小，这能提高了数据抵抗热退减的能力，提高了硬盘的可靠性。

2007年，日立环球存储发布了全球首款1TB硬盘，售价399美元。

从1996年开始，以希捷收购康诺为标志，硬盘厂商进入整合期。希捷、西部数据、IBM、三 星、迈拓、昆腾、东芝、富士通等各大硬盘厂商竞争激烈。

2000年，迈拓收购昆腾。

2003年，日立以20.5亿美金收购IBM硬盘事业部，成立日立环球存储。

2005年，希捷收购迈拓。

2009 年， 东芝收购富士通硬盘事业部。

至此，硬盘主流玩家只剩下希捷占31.4%的市场份额、西部数据占29.6%、日立环球存储16.4%、东芝12.6%和三星10.0%。

但厮杀却并没有终止。2011年，西部数据以43亿美金收购日立环球存储，希捷收购三星机械硬盘。最终，市场上只剩下希捷、西部数据和东芝“三足鼎立”。2020年，三者在机械硬盘的市场份额大致是希捷42.7%左右、西部数据37%左右、东芝20.3%左右。

1996年至2010年是机械硬盘的甜蜜时期，出货量稳步增长，从1996年的1.05亿个增长到2010年的6.51亿个，达到历史顶峰。

2011年开始，随着SSD（固态硬盘）技术的成熟，机械硬盘的地位受到来自SSD的挑战。固态硬盘由多个闪存颗粒和主控芯片组成，没有运动结构设计，不仅拥有更快的读写速度，而且具有低功耗、防震抗摔性好、发热低等优势，很快在个人消费市场获得青睐。

2011年机械硬盘出货量开始下跌，截至2020年，出货量已经从2010年高峰期的6.51亿个跌落至2.5981亿个。

2015年SSD的出货量只有7993万个，到了2018年就已经增加到1.619亿个，而且在2019年增长了38%，出货量达到2.396亿个。

不过，从出货总容量方面，机械硬盘还是具备压倒性的优势，2019年机械硬盘的出货容量约897.82EB，SSD的出货容量为125.96EB，只有机械硬盘的七分之一。

单个设备平均容量机械硬盘是2834.6GB，而SSD只有538.4GB。价格上机械硬盘每GB售价是0.024美元，SSD则是0.163美元，是机械硬盘的约6.8倍。

在1980年时，机械硬盘每GB的价格是357.24美元，39年间跌了将近1.489万倍，这就是科技的力量吧……

不过，虽然从数据来看，机械硬盘的出货量在连年下跌，造成这种拉垮的主要来自于消费市场。比如2020年个人桌面机械硬盘采购量下降17%，其他电子设备下降20%。但在如数据中心这样的企业市场，机械硬盘的采购量有11%的增长。而企业采购机械硬盘的占比约为64%，是比个人市场要大的。

主要还是因为对于数据中心来说，机械硬盘寿命长、成熟稳定、容量大、便宜，是数据中心的首选。未来随着云计算、互联 、物联 的发展，需要存储的数据量自然是越来越大，机械硬盘还是会有用武之地的，而不是像很多媒体所说的会很快消失。

2019 年全球 IDC（互联 数据中心）的市场规模增长至 793.1 亿美元，而从2012年到2019年，数据中心保持了年17.6%的增长率，这也将拉动机械硬盘的市场需求。