机械硬盘还有什么大招能续命?HDD硬盘100TB容量还有大招

2020-02-18 10:52:59 32点赞 73收藏 18评论

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本文经超能网授权转载,原标题《超能课堂(162)SSD大敌当前,HDD硬盘100TB容量还有大招》,作者:孟宪瑞,未经允许请勿转载。

每个电脑玩家都应该知道“硬盘有价、数据无价”这句话代表的含义,整台电脑中所有配件都可以替换,一旦硬盘上保存了数据,不论是工作上的还是家庭里的,那么硬盘就是电脑中最重要的一部分了。人们对硬盘这种产品的期望就是性能强、容量大、价格便宜、使用方便,也正是因为这些要求,SSD硬盘已经成为玩家装机的首选,HDD硬盘则变成了可有可无的选择,不保存大量电影及游戏的话,HDD硬盘完全可以不用选了。

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从这个趋势来看,HDD硬盘的悲惨命运好像注定了,但是它并没有这么容易就消失在人们的视野中,SSD硬盘使用的NAND闪存在单位容量的成本上是没可能超过HDD硬盘的,而HDD硬盘的技术也在升级,尽管没有NAND进步这么快,但是新一代HDD硬盘技术也给了HDD硬盘多次续命的机会。

这期的超能课堂中,我们就来聊聊HDD硬盘这些年的发展状况,看看它们还有什么大招能续命。

HDD硬盘基本知识:高科技加持的复杂机械结构

从1956年的IBM RAMMC硬盘算起,HDD硬盘已经是60多岁的老寿星了,相比其他电脑硬件可要早得多,X86处理器目前也不过40周年而已。 在温氏硬盘定型之后,这么多年来HDD硬盘的结构并没有多大变化,主要组成跟爷爷辈的产品没什么区别。

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上图就是HDD硬盘拆开之后的组成,大家都知道HDD硬盘 是一种机械结构复杂的硬盘,所以里面可以看到磁盘、磁头、马达、磁臂等部件,绿色的那部分就是PCB,上面还有主控芯片、DRAM缓存、马达控制芯片等等。

HDD硬盘有多种分类,从磁盘大小到马达转速都可以区分出不同产品,尺寸主要有5英寸、3、5英寸、2.5英寸、1.8英寸,转速主要有5400RPM、7200RPM、10000RPM及15000RPM,但是很多规格已经被淘汰,现在主要是3.5寸、2.5寸的,5400RPM、7200RPM转速的,其他的基本被淘汰。

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关于HDD硬盘结构,网上有个比较详细的结构分析图,如上图所示,除了没有PCB介绍之外,HDD硬盘的基本结构都在这里了。

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与SSD硬盘相比,HDD硬盘的复杂性要高得多,单从生产的角度来说其实SSD硬盘更容易,因为SSD除了外壳就是PCB,上面主要是主控、DRAM缓存(还不一定有)及NAND闪存芯片,而HDD硬盘因为要密封,外壳制造都要比SSD硬盘费事得多。

机械硬盘还有什么大招能续命?HDD硬盘100TB容量还有大招HDD硬盘技术组成

人们通常认为纯电子的产品科技含量比机械产品要高,这话没错,但在HDD硬盘上科技含量一点都不低,最核心的部分就是磁头及磁盘,其中磁头也是需要先进半导体工艺生产的,当然工艺水平不能跟CPU、NAND闪存这些相比,但是HDD硬盘的技术门槛一点都不低,尽管它们现在是过气网红,但技压群雄还是小菜一碟。

当然了,HDD的命运既要靠自己的奋斗,但也要考虑到历史的进程,它们依然是个好东西,但是有更好的东西(NAND闪存)发展壮大了,而HDD在技术上处于青黄不接的阶段,近年来HDD产业显然是面临着历史考验的。

HDD硬盘产业变迁:最美不过夕阳红,下岗员工拼命自救

随着IBM、三星、HGST等品牌退出或者出售,全球HDD硬盘市场的不断整合之后主要剩下西数、希捷东芝三家,其中西数、希捷两家的份额在40-45%,西数总体上略高一些,剩下的10-15%市场就是东芝的了,不过东芝主业还是NAND闪存,HDD业务并不上心,毕竟有部分业务是西数收购HGST时被监管部门“强制”给东芝的。

厂商数量减少实际上就代表着这个行业早就过了繁荣阶段,HDD硬盘产业也被人视为夕阳产业,虽然是个科技含量很高的夕阳产业。从Statistic统计的数据来看,全球HDD硬盘产业的出货量在2010年达到6.51亿部的巅峰之后就开始下滑,预计2020年出货量会下降至3亿左右,减少了一半多。

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为什么2010年是HDD产业的高峰?许多玩家可能还记得2011年发生了什么,上半年的时候有日本大地震,下半年的时候有泰国洪水,这两次自然灾害影响了全球HDD供应链,日本厂商是重要的磁头、磁盘、马达等HDD配件供应商,而泰国是全球重要的HDD制造基地(泰国之外当年还有中国苏州、马来西亚槟城等硬盘生产基地),洪水对西数的泰国工厂影响非常大,导致2012年HDD硬盘出货量锐减。

不过2011年的洪水也让HDD硬盘因此而涨价,所以之后两年HDD厂商的营收其实很快就恢复增长了,但是HDD硬盘的高价持续了好几年,也算是因祸得福,只是短期利益是赚到了,HDD市场却从2011年开始日薄西山了。

机械硬盘还有什么大招能续命?HDD硬盘100TB容量还有大招西数、希捷、东芝等公司HDD硬盘出货量变化趋势

从希捷、西数、东芝等公司的HDD季度出货量数据也可见一斑,2011年时候西数单季出货量从5000万+骤降到2800万+,希捷的出货量也下降了,不过降幅并不大,双方的出货量在2012年Q2季度就开始反弹,随后就是持续下滑了,一直到今年都是如此。

HDD现在就需要一波续命的机会,它们是不甘心退出江湖的,所以西数、希捷以及HDD供应链厂商多年来都在研发新技术,期望补齐HDD硬盘的一些短板,比如性能、容量等方面的。

HDD续命机遇之一:读写性能还要挣扎一下

相比SSD硬盘,HDD硬盘最大的缺点是什么?DIY玩家第一个想到的就是性能差距,随便一个SATA接口的SSD硬盘都能虐所有HDD硬盘,所以HDD续命的一个方向就是提高性能。从它的原理及结构上来看,提高性能可以靠提高马达转速、磁头数量等方向着手,多年来HDD厂商也确实这么做了。

但是提高转速这事已经是死路,从5400RPM转速提升到7200RPM转速,HDD硬盘的性能有过一次提升,而在企业级市场上,10K RPM、15K RPM的硬盘之前也是有的,性能比消费级HDD硬盘强很多,但是存在价格贵、容量低、噪音大等问题,西数之前尝试引入VelociRaptor硬盘到PC市场上,它就是10K RPM转速的,当年赫赫有名的万转迅猛龙硬盘。

机械硬盘还有什么大招能续命?HDD硬盘100TB容量还有大招西数曾经的迅猛龙硬盘就是高转速硬盘在消费级市场的一次尝试

不过试水之后西数也没有大规模推广,原因也不用多说了,性能虽然好一些,但是噪音、价格、容量方面都有硬伤。现在别说消费级市场了,西数、希捷在企业级市场上都在停止10K、15K RPM转速的硬盘了,相对PCIe SSD硬盘,这些HDD硬盘也没机会了。

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提高转速是不可能了,那就在驱动系统上下功夫,希捷近年来尝试过MACH.2技术,简单来说就是在现有HDD硬盘一套驱动系统上增加一路驱动系统,因为现在的HDD硬盘就已经应用多磁头技术了,相当于一只手上有多个手指,而希捷的MACH.2技术相当于再多一只手,同时干活的速度就快了。

在OCP 2018大会上,希捷展示了应用该技术的Exos 14TB硬盘,速度可达480MB/s,是单HDD硬盘中速度最快的,比常规的15000RPM转速硬盘还高60%,而且可靠性也达标了,现在的MACH.2硬盘总计有18个磁头,按照现在的要求,HDD硬盘每年要能传输550TB数据,或者5年传输2750TB数据,这样一来每个磁头在5年内要可靠地传输152TB数据。

480MB/s的速度相比普通HDD硬盘速度翻倍了,跟SATA接口的SSD硬盘有了竞争的资本了,不过希捷的这个技术路线依然是适用于特定领域,只能说是HDD硬盘在速度上的一次挣扎,因为驱动系统再多也解决不了HDD硬盘的随机性能,这方面是死穴,这方面SSD硬盘依然有成千上万倍的优势,这是基因注定的。

HDD续命机遇之二:PMR磁盘遇到SMR技术,密度提升25%

对HDD硬盘来说,折腾转速、驱动系统乃是舍本逐末,这些是它的天生缺点,提升空间有限,而HDD现在的核心优势、同时也是多年停滞不前的地方是磁盘,确切说是磁记录技术,我们现在使用的HDD硬盘主要是PMR垂直磁记录技术,最早的探索可以追溯到二十世纪末,1975年日本东北大学教授岩崎峻一提出PMR技术,不过用于计算机中还是1987年东芝的2.88MB ED软盘,2004年东芝才正式将PMR技术用于HDD硬盘,容量80GB,双盘结构,直径1.8英寸,存储密度达到了133Gb/in2(每平方英寸Gb)。

机械硬盘还有什么大招能续命?HDD硬盘100TB容量还有大招SDK第九代PMR磁盘已经实现单碟1.8TB容量

PMR技术商业化之后就成为HDD硬盘的主流选择了,由于该技术最早是日本厂商开发的,所以迄今为止日本厂商都是最重要的PMR磁盘供应商,包括TDK、SDK昭和电工,其中SDK的PMR磁盘已经发展到了第九代,3.5寸规格的磁盘单碟容量已经提升到了最高1.8TB,2.5寸版也有单碟1TB了,目前12TB、14TB的HDD硬盘基本上都是这个磁盘的功劳。

在这背后,是PMR磁盘存储密度的不断提升,前面说到东芝首发的PMR硬盘存储密度才133Gbit/in2,而九代PMR磁盘的密度提升到了1Tbit/in2,但也接近了PMR技术的极限了,再往下PMR磁盘已经没多少潜力可挖了。

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存储密度突破1Tbit/in2之后,业内厂商又推出了SMR(Shingled Magnetic Recording)叠瓦式磁记录技术,它本质上也是PMR技术,但是通过提高磁轨的空间效率实现了更高的存储密度,简单来说就是上图所示的那样堆叠方式,将瓦片的间隔减少,所以同样的场地下可以堆叠更多的瓦片,而SMR因此可以把存储密度提升最多25%,所以14TB(9碟1.5TB组成)之后的硬盘普遍要用SMR技术,西数前不久发布的UltraStar DC HC620硬盘容量就是15TB,靠的就是SMR技术,存储密度从1034Gbits/sq.in(每平方英寸Gbit)提升到了1108Gbits/sq.in,所以9碟封装下实现了15TB容量。

不过SMR技术有优点也有缺点,最大的问题就是写入数据时临近磁轨也要受到影响,要写就得一块写,所以性能会降低,而且有可能影响数据可靠性,为此西数、希捷也开发了各自的解决方案降低SMR负面影响。

总之,SMR通过提高空间效率提升了存储密度,但是它带来的改变并不大,25%的提升是理论上的,实际提升不会有这么高,再加上一些负面影响,SMR技术只是过渡用的,真正革命性的磁记录技术还在路上。

HDD续命机遇之三:新一代磁记录技术混战,HAMR跑的最快

上面说了SMR技术只是给PMR技术添砖加瓦式,再怎么折腾也无法大幅提高PMR技术的存储密度了,想改就要换技术标准,所以很早就在研发取代PMR磁记录的技术,候选人有TDMR(Two Dimensional Magnetic Recording,2D磁记录)、HAMR(Heat Assisted Magnetic Recording,热磁辅助记录)、HDMR(Heated Dot Magnetic Recording,热点磁记录)等,其中HAMR是研究的比较成熟的,也是新一代标准最强力的候选人,HDMR技术也是基于HAMR技术的。

与PMR技术的1Tbit/in2存储密度相比,这些新技术的存储密度可以提升到5Tbit/in2,甚至10Tbit/in2,也就是说单碟容量有5-10倍的变化,现有技术已经可以做到14TB了,所以未来100TB容量不是问题了。

机械硬盘还有什么大招能续命?HDD硬盘100TB容量还有大招PMR技术之后的各种候选人

HAMR技术也不算新鲜了,其原理实际上早在1954年就提出了,甚至比IBM推出首款商业硬盘的时间还要早。它的原理很简单——根据西数的材料,HAMR技术的基础是将激光二极管直接放在写入磁头组件的前
面,然后非常快速地加热无法写入(除非在写入过程中加热才能写入)的高矫顽力的介质。随着介质从激光强热中冷却下来,介质的矫顽力增加,确保数据位的正常状态,使得磁化不会意外发生变化。

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HAMR技术的原理就是上图所示,就是用激光加热到400到700°C让材料磁性发生变化,虽然原理说起来容易,但实现起来就没这么简单了,HAMR需要全新的存储介质、重新设计的激光读写磁头、特殊的NFT近场光学传感器以及其他大量没用过或者大量生产的元件。

但是在每个硬盘磁头组件中应用激光成本高昂,增加物料的成本不说,还有一个问题让人担心,那就是小而窄的区域中引入高热量会造成严重的可靠性问题。对于这个问题,西数开发了MAMR(微波辅助磁记录技术),据官方介绍,其原理是利用自旋转矩振荡器 (STO)产生微波场。在这种方法中,STO位于磁头写入极附近,产生允许在较低磁场下将数据写入垂直磁记录介质的电磁场。磁盘上的磁性晶粒与转子式陀螺类似,在没有外磁场作用的情况下,在上下方向上保持稳定。当在磁体当前状态的反方向上施加一个足够强的磁场时,极性会沿着所施加磁场的方向翻转。通过STO施加的额外磁场可以更低的磁场更快翻转磁体。

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西数表示MAMR技术具备更高的可靠性,内部测试显示MAMR 磁头的中断故障时间是HAMR磁头的百分之一。此外,对一种磁头的可靠性测试表明,99.99%的MAMR 磁头的写入使用寿命比 99.99% 的 HAMR 磁头的写入使用寿命高出好几个级别。

在存储密度上,MAMR磁记录技术的存储密度可达4Tbit/in2,远高于目前的SMR磁盘的1.3Tbit/in2及PMR磁盘的1.1Tbit/in2密度。

与西数不同,希捷那边公布的技术路线还是HAMR,不过在解决HAMR技术温度及可靠性等问题上,希捷也会有自己的解决方案。

不论是HAMR还是MAMR技术,西数、希捷给出的路线图时间都差不多,今年内可能会出样给客户,但是2019年才会有HAMR或者MAMR硬盘上市,容量会进一步提升到16TB,2020年的目标是20TB。

总结:HDD硬盘不会退出舞台,单位价格容量依然有优势

HDD硬盘问世这么多年,大风大浪见多了,但是NAND闪存带给HDD硬盘的挑战是前所未有的,随着大容量NAND闪存技术的不断出现,HDD硬盘的命运已经注定了,一旦QLC闪存大规模量产上市,TB级SSD硬盘普及就不是问题了,消费级市场上HDD硬盘只会越来越少。

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HD硬盘不会退出历史舞台,不过HDD硬盘日后发挥作用的场合主要就是数据中心、企业级市场了,西数之前表示哪怕到了2020年,数据中心90%的数据容量都是存储在HDD硬盘上的。

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在技术上,HDD硬盘现在用的PMR技术已经进入尾声,2019年将开启HAMR、MAMR等新技术的大门,存储密度未来会提升5-10倍,不过这个过程也是慢慢提升的,现在的目标是2025年差不多能见到100TB级别的HDD硬盘。

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