SSD大敵當(dāng)前，HDD硬盤靠新技術(shù)多次續(xù)命

每個(gè)電腦玩家都應(yīng)該知道“硬盤有價(jià)、數(shù)據(jù)無價(jià)”這句話代表的含義，整臺(tái)電腦中所有配件都可以替換，一旦硬盤上保存了數(shù)據(jù)，不論是工作上的還是家庭里的，那么硬盤就是電腦中最重要的一部分了。人們對(duì)硬盤這種產(chǎn)品的期望就是性能強(qiáng)、容量大、價(jià)格便宜、使用方便，也正是因?yàn)檫@些要求，SSD硬盤已經(jīng)成為玩家裝機(jī)的首選，HDD硬盤則變成了可有可無的選擇，不保存大量電影及游戲的話，HDD硬盤完全可以不用選了。

從這個(gè)趨勢(shì)來看，HDD硬盤的悲慘命運(yùn)好像注定了，但是它并沒有這么容易就消失在人們的視野中，SSD硬盤使用的NAND閃存在單位容量的成本上是沒可能超過HDD硬盤的，而HDD硬盤的技術(shù)也在升級(jí)，盡管沒有NAND進(jìn)步這么快，但是新一代HDD硬盤技術(shù)也給了HDD硬盤多次續(xù)命的機(jī)會(huì)。

這期的超能課堂中，我們就來聊聊HDD硬盤這些年的發(fā)展?fàn)顩r，看看它們還有什么大招能續(xù)命。

HDD硬盤基本知識(shí)：高科技加持的復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)

從1956年的IBM RAMMC硬盤算起，HDD硬盤已經(jīng)是60多歲的老壽星了，相比其他電腦硬件可要早得多，X86處理器目前也不過40周年而已。 在溫氏硬盤定型之后，這么多年來HDD硬盤的結(jié)構(gòu)并沒有多大變化，主要組成跟爺爺輩的產(chǎn)品沒什么區(qū)別。

上圖就是HDD硬盤拆開之后的組成，大家都知道HDD硬盤 是一種機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜的硬盤，所以里面可以看到磁盤、磁頭、馬達(dá)、磁臂等部件，綠色的那部分就是PCB，上面還有主控芯片、DRAM緩存、馬達(dá)控制芯片等等。

HDD硬盤有多種分類，從磁盤大小到馬達(dá)轉(zhuǎn)速都可以區(qū)分出不同產(chǎn)品，尺寸主要有5英寸、3、5英寸、2.5英寸、1.8英寸，轉(zhuǎn)速主要有5400RPM、7200RPM、10000RPM及15000RPM，但是很多規(guī)格已經(jīng)被淘汰，現(xiàn)在主要是3.5寸、2.5寸的，5400RPM、7200RPM轉(zhuǎn)速的，其他的基本被淘汰。

關(guān)于HDD硬盤結(jié)構(gòu)，網(wǎng)上有個(gè)比較詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析圖，如上圖所示，除了沒有PCB介紹之外，HDD硬盤的基本結(jié)構(gòu)都在這里了。

與SSD硬盤相比，HDD硬盤的復(fù)雜性要高得多，單從生產(chǎn)的角度來說其實(shí)SSD硬盤更容易，因?yàn)镾SD除了外殼就是PCB，上面主要是主控、DRAM緩存(還不一定有)及NAND閃存芯片，而HDD硬盤因?yàn)橐芊?，外殼制造都要比SSD硬盤費(fèi)事得多。

HDD硬盤技術(shù)組成

人們通常認(rèn)為純電子的產(chǎn)品科技含量比機(jī)械產(chǎn)品要高，這話沒錯(cuò)，但在HDD硬盤上科技含量一點(diǎn)都不低，最核心的部分就是磁頭及磁盤，其中磁頭也是需要先進(jìn)半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)的，當(dāng)然工藝水平不能跟CPU、NAND閃存這些相比，但是HDD硬盤的技術(shù)門檻一點(diǎn)都不低，盡管它們現(xiàn)在是過氣網(wǎng)紅，但技?jí)喝盒圻€是小菜一碟。

當(dāng)然了，HDD的命運(yùn)既要靠自己的奮斗，但也要考慮到歷史的進(jìn)程，它們依然是個(gè)好東西，但是有更好的東西(NAND閃存)發(fā)展壯大了，而HDD在技術(shù)上處于青黃不接的階段，近年來HDD產(chǎn)業(yè)顯然是面臨著歷史考驗(yàn)的。

HDD硬盤產(chǎn)業(yè)變遷：最美不過夕陽紅，下崗員工拼命自救

隨著IBM、三星、HGST等品牌退出或者出售，全球HDD硬盤市場(chǎng)的不斷整合之后主要剩下西數(shù)、希捷及東芝三家，其中西數(shù)、希捷兩家的份額在40-45%，西數(shù)總體上略高一些，剩下的10-15%市場(chǎng)就是東芝的了，不過東芝主業(yè)還是NAND閃存，HDD業(yè)務(wù)并不上心，畢竟有部分業(yè)務(wù)是西數(shù)收購(gòu)HGST時(shí)被監(jiān)管部門“強(qiáng)制”給東芝的。

廠商數(shù)量減少實(shí)際上就代表著這個(gè)行業(yè)早就過了繁榮階段，HDD硬盤產(chǎn)業(yè)也被人視為夕陽產(chǎn)業(yè)，雖然是個(gè)科技含量很高的夕陽產(chǎn)業(yè)。從Statistic統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來看，全球HDD硬盤產(chǎn)業(yè)的出貨量在2010年達(dá)到6.51億部的巔峰之后就開始下滑，預(yù)計(jì)2020年出貨量會(huì)下降至3億左右，減少了一半多。

為什么2010年是HDD產(chǎn)業(yè)的高峰?許多玩家可能還記得2011年發(fā)生了什么，上半年的時(shí)候有日本大地震，下半年的時(shí)候有泰國(guó)洪水，這兩次自然災(zāi)害影響了全球HDD供應(yīng)鏈，日本廠商是重要的磁頭、磁盤、馬達(dá)等HDD配件供應(yīng)商，而泰國(guó)是全球重要的HDD制造基地(泰國(guó)之外當(dāng)年還有中國(guó)蘇州、馬來西亞吉隆坡等硬盤生產(chǎn)基地)，洪水對(duì)西數(shù)的泰國(guó)工廠影響非常大，導(dǎo)致2012年HDD硬盤出貨量銳減。

不過2011年的洪水也讓HDD硬盤因此而漲價(jià)，所以之后兩年HDD廠商的營(yíng)收其實(shí)很快就恢復(fù)增長(zhǎng)了，但是HDD硬盤的高價(jià)持續(xù)了好幾年，也算是因禍得福，只是短期利益是賺到了，HDD市場(chǎng)卻從2011年開始日薄西山了。

西數(shù)、希捷、東芝等公司HDD硬盤出貨量變化趨勢(shì)

從希捷、西數(shù)、東芝等公司的HDD季度出貨量數(shù)據(jù)也可見一斑，2011年時(shí)候西數(shù)單季出貨量從5000萬+驟降到2800萬+，希捷的出貨量也下降了，不過降幅并不大，雙方的出貨量在2012年Q2季度就開始反彈，隨后就是持續(xù)下滑了，一直到今年都是如此。

HDD現(xiàn)在就需要一波續(xù)命的機(jī)會(huì)，它們是不甘心退出江湖的，所以西數(shù)、希捷以及HDD供應(yīng)鏈廠商多年來都在研發(fā)新技術(shù)，期望補(bǔ)齊HDD硬盤的一些短板，比如性能、容量等方面的。

HDD續(xù)命機(jī)遇之一：讀寫性能還要掙扎一下

相比SSD硬盤，HDD硬盤最大的缺點(diǎn)是什么?DIY玩家第一個(gè)想到的就是性能差距，隨便一個(gè)SATA接口的SSD硬盤都能虐所有HDD硬盤，所以HDD續(xù)命的一個(gè)方向就是提高性能。從它的原理及結(jié)構(gòu)上來看，提高性能可以靠提高馬達(dá)轉(zhuǎn)速、磁頭數(shù)量等方向著手，多年來HDD廠商也確實(shí)這么做了。

但是提高轉(zhuǎn)速這事已經(jīng)是死路，從5400RPM轉(zhuǎn)速提升到7200RPM轉(zhuǎn)速，HDD硬盤的性能有過一次提升，而在企業(yè)級(jí)市場(chǎng)上，10K RPM、15K RPM的硬盤之前也是有的，性能比消費(fèi)級(jí)HDD硬盤強(qiáng)很多，但是存在價(jià)格貴、容量低、噪音大等問題，西數(shù)之前嘗試引入VelociRaptor硬盤到PC市場(chǎng)上，它就是10K RPM轉(zhuǎn)速的，當(dāng)年赫赫有名的萬轉(zhuǎn)迅猛龍硬盤。

西數(shù)曾經(jīng)的迅猛龍硬盤就是高轉(zhuǎn)速硬盤在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)的一次嘗試

不過試水之后西數(shù)也沒有大規(guī)模推廣，原因也不用多說了，性能雖然好一些，但是噪音、價(jià)格、容量方面都有硬傷?，F(xiàn)在別說消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)了，西數(shù)、希捷在企業(yè)級(jí)市場(chǎng)上都在停止10K、15K RPM轉(zhuǎn)速的硬盤了，相對(duì)PCIe SSD硬盤，這些HDD硬盤也沒機(jī)會(huì)了。

提高轉(zhuǎn)速是不可能了，那就在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上下功夫，希捷近年來嘗試過MACH.2技術(shù)，簡(jiǎn)單來說就是在現(xiàn)有HDD硬盤一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上增加一路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因?yàn)楝F(xiàn)在的HDD硬盤就已經(jīng)應(yīng)用多磁頭技術(shù)了，相當(dāng)于一只手上有多個(gè)手指，而希捷的MACH.2技術(shù)相當(dāng)于再多一只手，同時(shí)干活的速度就快了。

在OCP 2018大會(huì)上，希捷展示了應(yīng)用該技術(shù)的Exos 14TB硬盤，速度可達(dá)480MB/s，是單HDD硬盤中速度最快的，比常規(guī)的15000RPM轉(zhuǎn)速硬盤還高60%，而且可靠性也達(dá)標(biāo)了，現(xiàn)在的MACH.2硬盤總計(jì)有18個(gè)磁頭，按照現(xiàn)在的要求，HDD硬盤每年要能傳輸550TB數(shù)據(jù)，或者5年傳輸2750TB數(shù)據(jù)，這樣一來每個(gè)磁頭在5年內(nèi)要可靠地傳輸152TB數(shù)據(jù)。

480MB/s的速度相比普通HDD硬盤速度翻倍了，跟SATA接口的SSD硬盤有了競(jìng)爭(zhēng)的資本了，不過希捷的這個(gè)技術(shù)路線依然是適用于特定領(lǐng)域，只能說是HDD硬盤在速度上的一次掙扎，因?yàn)轵?qū)動(dòng)系統(tǒng)再多也解決不了HDD硬盤的隨機(jī)性能，這方面是死穴，這方面SSD硬盤依然有成千上萬倍的優(yōu)勢(shì)，這是基因注定的。

HDD續(xù)命機(jī)遇之二：PMR磁盤遇到SMR技術(shù)，密度提升25%

對(duì)HDD硬盤來說，折騰轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)乃是舍本逐末，這些是它的天生缺點(diǎn)，提升空間有限，而HDD現(xiàn)在的核心優(yōu)勢(shì)、同時(shí)也是多年停滯不前的地方是磁盤，確切說是磁記錄技術(shù)，我們現(xiàn)在使用的HDD硬盤主要是PMR垂直磁記錄技術(shù)，最早的探索可以追溯到十九世紀(jì)末，1975年日本東北大學(xué)教授巖崎峻一提出PMR技術(shù)，不過用于計(jì)算機(jī)中還是1987年東芝的2.88MB ED軟盤，2004年東芝才正式將PMR技術(shù)用于HDD硬盤，容量80GB，雙盤結(jié)構(gòu)，直徑1.8英寸，存儲(chǔ)密度達(dá)到了133Gb/in2(每平方英寸Gb)。

SDK第九代PMR磁盤已經(jīng)實(shí)現(xiàn)單碟1.8TB容量

PMR技術(shù)商業(yè)化之后就成為HDD硬盤的主流選擇了，由于該技術(shù)最早是日本廠商開發(fā)的，所以迄今為止日本廠商都是最重要的PMR磁盤供應(yīng)商，包括TDK、SDK昭和電工，其中SDK的PMR磁盤已經(jīng)發(fā)展到了第九代，3.5寸規(guī)格的磁盤單碟容量已經(jīng)提升到了最高1.8TB，2.5寸版也有單碟1TB了，目前12TB、14TB的HDD硬盤基本上都是這個(gè)磁盤的功勞。

在這背后，是PMR磁盤存儲(chǔ)密度的不斷提升，前面說到東芝首發(fā)的PMR硬盤存儲(chǔ)密度才133Gbit/in2，而九代PMR磁盤的密度提升到了1Tbit/in2，但也接近了PMR技術(shù)的極限了，再往下PMR磁盤已經(jīng)沒多少潛力可挖了。

存儲(chǔ)密度突破1Tbit/in2之后，業(yè)內(nèi)廠商又推出了SMR(Shingled Magnetic Recording)疊瓦式磁記錄技術(shù)，它本質(zhì)上也是PMR技術(shù)，但是通過提高磁軌的空間效率實(shí)現(xiàn)了更高的存儲(chǔ)密度，簡(jiǎn)單來說就是上圖所示的那樣堆疊方式，將瓦片的間隔減少，所以同樣的場(chǎng)地下可以堆疊更多的瓦片，而SMR因此可以把存儲(chǔ)密度提升最多25%，所以14TB(9碟1.5TB組成)之后的硬盤普遍要用SMR技術(shù)，西數(shù)前不久發(fā)布的UltraStar DC HC620硬盤容量就是15TB，靠的就是SMR技術(shù)，存儲(chǔ)密度從1034Gbits/sq.in(每平方英寸Gbit)提升到了1108Gbits/sq.in，所以9碟封裝下實(shí)現(xiàn)了15TB容量。

不過SMR技術(shù)有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，最大的問題就是寫入數(shù)據(jù)時(shí)臨近磁軌也要受到影響，要寫就得一塊寫，所以性能會(huì)降低，而且有可能影響數(shù)據(jù)可靠性，為此西數(shù)、希捷也開發(fā)了各自的解決方案降低SMR負(fù)面影響。

總之，SMR通過提高空間效率提升了存儲(chǔ)密度，但是它帶來的改變并不大，25%的提升是理論上的，實(shí)際提升不會(huì)有這么高，再加上一些負(fù)面影響，SMR技術(shù)只是過渡用的，真正革命性的磁記錄技術(shù)還在路上。

HDD續(xù)命機(jī)遇之三：新一代磁記錄技術(shù)混戰(zhàn)，HAMR跑的最快

上面說了SMR技術(shù)只是給PMR技術(shù)添磚加瓦式，再怎么折騰也無法大幅提高PMR技術(shù)的存儲(chǔ)密度了，想改就要換技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，所以很早就在研發(fā)取代PMR磁記錄的技術(shù)，候選人有TDMR(Two Dimensional Magnetic Recording，2D磁記錄)、HAMR(Heat Assisted Magnetic Recording，熱磁輔助記錄)、HDMR(Heated Dot Magnetic Recording，熱點(diǎn)磁記錄)等，其中HAMR是研究的比較成熟的，也是新一代標(biāo)準(zhǔn)最強(qiáng)力的候選人，HDMR技術(shù)也是基于HAMR技術(shù)的。

與PMR技術(shù)的1Tbit/in2存儲(chǔ)密度相比，這些新技術(shù)的存儲(chǔ)密度可以提升到5Tbit/in2，甚至10Tbit/in2，也就是說單碟容量有5-10倍的變化，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)可以做到14TB了，所以未來100TB容量不是問題了。

PMR技術(shù)之后的各種候選人

HAMR技術(shù)也不算新鮮了，其原理實(shí)際上早在1954年就提出了，甚至比IBM推出首款商業(yè)硬盤的時(shí)間還要早。它的原理很簡(jiǎn)單——根據(jù)西數(shù)的材料，HAMR技術(shù)的基礎(chǔ)是將激光二極管直接放在寫入磁頭組件的前

面，然后非?？焖俚丶訜釤o法寫入(除非在寫入過程中加熱才能寫入)的高矯頑力的介質(zhì)。隨著介質(zhì)從激光強(qiáng)熱中冷卻下來，介質(zhì)的矯頑力增加，確保數(shù)據(jù)位的正常狀態(tài)，使得磁化不會(huì)意外發(fā)生變化。

HAMR技術(shù)的原理就是上圖所示，就是用激光加熱到400到700°C讓材料磁性發(fā)生變化，雖然原理說起來容易，但實(shí)現(xiàn)起來就沒這么簡(jiǎn)單了，HAMR需要全新的存儲(chǔ)介質(zhì)、重新設(shè)計(jì)的激光讀寫磁頭、特殊的NFT近場(chǎng)光學(xué)傳感器以及其他大量沒用過或者大量生產(chǎn)的元件。

但是在每個(gè)硬盤磁頭組件中應(yīng)用激光成本高昂，增加物料的成本不說，還有一個(gè)問題讓人擔(dān)心，那就是小而窄的區(qū)域中引入高熱量會(huì)造成嚴(yán)重的可靠性問題。對(duì)于這個(gè)問題，西數(shù)開發(fā)了MAMR(微波輔助磁記錄技術(shù))，據(jù)官方介紹，其原理是利用自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器 (STO)產(chǎn)生微波場(chǎng)。在這種方法中，STO位于磁頭寫入極附近，產(chǎn)生允許在較低磁場(chǎng)下將數(shù)據(jù)寫入垂直磁記錄介質(zhì)的電磁場(chǎng)。磁盤上的磁性晶粒與轉(zhuǎn)子式陀螺類似，在沒有外磁場(chǎng)作用的情況下，在上下方向上保持穩(wěn)定。當(dāng)在磁體當(dāng)前狀態(tài)的反方向上施加一個(gè)足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)時(shí)，極性會(huì)沿著所施加磁場(chǎng)的方向翻轉(zhuǎn)。通過STO施加的額外磁場(chǎng)可以更低的磁場(chǎng)更快翻轉(zhuǎn)磁體。

西數(shù)表示MAMR技術(shù)具備更高的可靠性，內(nèi)部測(cè)試顯示MAMR 磁頭的中斷故障時(shí)間是HAMR磁頭的百分之一。此外，對(duì)一種磁頭的可靠性測(cè)試表明，99.99%的MAMR 磁頭的寫入使用壽命比 99.99% 的 HAMR 磁頭的寫入使用壽命高出好幾個(gè)級(jí)別。

在存儲(chǔ)密度上，MAMR磁記錄技術(shù)的存儲(chǔ)密度可達(dá)4Tbit/in2，遠(yuǎn)高于目前的SMR磁盤的1.3Tbit/in2及PMR磁盤的1.1Tbit/in2密度。

與西數(shù)不同，希捷那邊公布的技術(shù)路線還是HAMR，不過在解決HAMR技術(shù)溫度及可靠性等問題上，希捷也會(huì)有自己的解決方案。

不論是HAMR還是MAMR技術(shù)，西數(shù)、希捷給出的路線圖時(shí)間都差不多，今年內(nèi)可能會(huì)出樣給客戶，但是2019年才會(huì)有HAMR或者M(jìn)AMR硬盤上市，容量會(huì)進(jìn)一步提升到16TB，2020年的目標(biāo)是20TB。

總結(jié)：HDD硬盤不會(huì)退出舞臺(tái)，單位價(jià)格容量依然有優(yōu)勢(shì)

HDD硬盤問世這么多年，大風(fēng)大浪見多了，但是NAND閃存帶給HDD硬盤的挑戰(zhàn)是前所未有的，隨著大容量NAND閃存技術(shù)的不斷出現(xiàn)，HDD硬盤的命運(yùn)已經(jīng)注定了，一旦QLC閃存大規(guī)模量產(chǎn)上市，TB級(jí)SSD硬盤普及就不是問題了，消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)上HDD硬盤只會(huì)越來越少。

HD硬盤不會(huì)退出歷史舞臺(tái)，不過HDD硬盤日后發(fā)揮作用的場(chǎng)合主要就是數(shù)據(jù)中心、企業(yè)級(jí)市場(chǎng)了，西數(shù)之前表示哪怕到了2020年，數(shù)據(jù)中心90%的數(shù)據(jù)容量都是存儲(chǔ)在HDD硬盤上的。

在技術(shù)上，HDD硬盤現(xiàn)在用的PMR技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入尾聲，2019年將開啟HAMR、MAMR等新技術(shù)的大門，存儲(chǔ)密度未來會(huì)提升5-10倍，不過這個(gè)過程也是慢慢提升的，現(xiàn)在的目標(biāo)是2025年差不多能見到100TB級(jí)別的HDD硬盤。