【八讲历史】从希捷Mach.2出发：我们来谈谈双磁臂技术的历史与意义

    磁性存储装置，是人类史上及其重要的发明之一。从过去古埃及使用雕刻记录文明，到中国发明纸张传颂历史，磁性存储技术是人类自进入现代文明时代以来最主要的数据承载体。

    1956年，IBM发布第一台具备文件系统的计算机IBM 305 RAMAC。其中配备了人类史上第一块机械硬盘：IBM350

（来源：https://www.ibm.com/ibm/history/exhibits/storage/storage_350.html）

    这台象征着人类历史上第一块机械硬盘的家伙，长达1.5米，宽达0.7米，高达1.7米。在硬盘的内部包含50张直径达0.6米的磁盘片，磁盘片的转速仅1200RPM，总共能够存储3.75M容量的数据，硬盘仅通过一个磁头完成读写，但是却能在不到1秒钟内完成定位。

    作为人类史上第一块机械硬盘，他正如计算机诞生时的样子一样，体积庞大，却不及今天一张SD卡的容量与性能。但是这块庞然大物，却是我们今天所有机械硬盘的原型。

    自此，机械硬盘从此写入了人类的历史中。随着半导体事业的发展，计算机的体积越来越小，而随之带来的，则是让计算机逐渐走入家家户户。1973年，IBM正式推出了“温彻斯特（Winchester）”硬盘，也就是我们今天所有机械硬盘的鼻祖。至此，“温彻斯特”机械硬盘已经走过了46个年头。

    机械硬盘的核心部件无非是几个部分：盘片（Platter/Disk），磁头（Head），磁臂（Actuator）。这三块部件是这几年来一直随着时代不断发生变化的三大件。一块磁盘的性能与容量，大部分情况下都由以下三大件来决定。

（来源：http://c.biancheng.net/view/879.html）

    而就在最近，希捷了发布首款双磁臂EXOS 2X14系列企业级硬盘，通过采用两倍磁臂数量的设计，实现机械硬盘IO双倍提升。传统的机械硬盘采用单一磁臂、多磁头、多盘片的方式驱动硬盘，随着机械硬盘的容量需求的增加，单一增长单盘容量的技术难度越来越高，所以驱使厂商在单一磁盘内塞入更多的盘片，盘片数量的增加虽然一定程度上解决了容量的问题，但是在性能上的提升却远远落后于容量。

    因此，希捷推出了双磁臂技术，可谓是对希捷硬盘技术的一次大挑战。不过在此之前，我们不妨先了解一下双磁臂技术的历史。

    ST506/ST412：第一台双磁头机械硬盘

    1980年，希捷发布了世界上第一个5.25寸机械硬盘ST506，ST506是一块仅有5M容量的机械硬盘，配备两个盘片，四个磁头。这是有史以来第一个单磁臂配备双磁头的机械硬盘。

（来源：https://www.computerhistory.org/storageengine/seagate-5-25-inch-hdd-becomes-pc-standard/）

    1981年，希捷发布ST412，也就是目前业界公认的首个双磁头机械硬盘。随后希捷公布了第一个容量为2G的双磁臂机械硬盘。但可惜的是，这块双磁臂机械硬盘并没有真正的代号，而其原型也只是希捷收购某公司后的样品。

（来源：https://www.tomshardware.com/news/seagate-hdd-harddrive,8279.html）

    事实上，自双磁头/磁臂技术诞生以来，其目的就是为了解决磁盘IO性能不足的问题。在过去磁盘转速不高，盘片密度不高的大环境下，提高磁盘性能最好的方法只能从改变磁盘结构的方法下手，但是一旦使用了超过一个磁臂，便会有严重的同步问题。而磁臂数量的增加也带来了极大的不确定性。

    可惜的是，在当年边缘IO设备发展需求低于核心IO设备发展需求的驱使下，双磁臂技术并没有得到应有的发展。机械硬盘的发展，便因此走在了提升盘密度与盘片数量的道路上。

    并行处理——计算发展史上最困难的问题之一

    如果你是一位正在攻读计算机体系结构的研究生，那么一定熟悉并行计算（Parallel computing）的概念。并行计算可以说是计算机发展史上有一项重要进步。多核计算，多线程处理，多路并行，一切的一切都围绕着并行计算延伸开来。简单的来说，就是合作。

    对于人类的合作而言，其实非常简单的，人类有共通的语言，能够互相沟通，互相了解双方的工作与进度。但是对于计算机而言，了解对方，又或者是共享互相的工作，却是一道非常难的问题。举个例子：

    初始条件：a=1,b=2,c=3,d=4,e=5;

    进行如下计算：

    a=b+c

    c=d+e

    b=2+b

    d=b+e

    e=a+d

    各位相信具备简单的小学数学能力的朋友，都能算出结果为：

    a=5

    b=4

    c=9

    d=9

    e=14

    对于这五个计算步骤，如果此时把他们分配给两个计算的人员（比如叫做计算人员也白和计算人员长（zhang）白）会发生什么呢？假设也白计算步骤1,3,5，长（zhang）白计算2,4。

    我们可以看到，在步骤1与2是两个不相关的计算，因为他们的计算没有用到新的值，也就是我们可以同时计算，而不影响结果。但是如果步骤3与4就不同了，由于d的计算需要用到b的值，也就是说步骤3必须在步骤4之前完成，否则就会出现错误。假设计算人员也白很蠢，没能在长（zhang）白完成步骤4之前，更新b的值，那么长（zhang）白计算出来的d的值会是7，很明显这是错误的。而也白也会由于长（zhang）白的错误计算，算出错误的e值，最终他们计算出来的结果会是：

    a=5

    b=4

    c=9

    d=7

    e=12

    很明显，这样的结果是要那他们两个去祭天的。

    那双磁臂技术的困难点在哪？

    我们不妨先抛开本身的技术稳定性问题，单纯在数据安全性与性能而言，无论是两套驱动系统+共享使用空间的两套磁臂（也就是希捷双磁臂原型），还是一套驱动系统+分离使用空间的两套磁臂（也就是希捷现今发布的双磁臂硬盘），他们都要面临数据的同步问题与分配问题。如何将数据均匀的分配在各个磁臂控制区域的空间里，又或者是如何安全的把数据分配在整个数据空间里，是希捷目前抛开硬件本身稳定性以外要考虑的最大问题。不均匀的数据分配，将导致磁盘的性能打折，而忽略安全性的数据分配，将会导致硬盘失去本身的意义。

    其实对于这套技术而言，很多人使用了一个通俗易懂的说法来描述它：RAID（Redundant Array of Independent Disks，独立冗余磁盘阵列）。在硬盘内搭建一套RAID0，实现硬盘IO的双倍读取。但事实上目前大部分的RAID控制器并不能实现双倍的密集低队列IO性能提升。所以这看似RAID，实际上却不同于RAID，如何让双磁臂技术超越“RAID”，就要看希捷的表现了。

    现在，我们把抛开的东西再捡回来。希捷的双磁臂技术是一套驱动系统+分离使用空间的两套磁臂的设计，如果其中一个磁臂发生硬件错误，那么这块机械硬盘很有可能就报废了。虽然双磁臂技术在性能而言一块顶两块，但是如果可靠性等于甚至高于单块机械硬盘报废率的两倍，那么双磁臂技术的可靠性就显得毫无意义。

    双磁臂技术——性能与需求的挑战

    2018年，IDC统计全球共计产生了18ZB的数据（如果全部使用14T的硬盘去存储这些数据，那么将需要1285714286个硬盘），而2025年，全球预计将产出175ZB的数据。

（来源：https://www.forbes.com/sites/tomcoughlin/2018/11/27/175-zettabytes-by-2025/#4f2ee3aa5459）

   随着未来对于数据需求量的增加，单盘容量比的需求会越来越高。目前采用PMR技术的机械硬盘容量已经达到了16TB，而采用SMR技术的机械硬盘预计将达到20TB。

    但是，更高的容量，却没有换来更高的读写性能。

（来源：https://glasssailer.jp/1074）

（来源：https://www.techbang.com/posts/71653-seagate-ironwolf-16tb-ironwolf-pro-16tb-nas-hard-drive-review）

    上图是EXOS X10与IW PRO 16T的CrystalDiskMark性能测试。10T硬盘与16T硬盘在容量上提升60%，但是在顺序读写性能上只提升了20%。这便会带来一个严重的问题——全盘读写时间需求越来越高。

    除此之外，机械硬盘的薄弱点——4K读写一直只有固态硬盘的零头，即使是万转级别的机械硬盘提升了一部分4K读写能力，但是由于物理介质的受限，万转磁盘无法做到更大的容量。

    也因此，双磁臂技术，将会是对当前性能与需求的一次重要尝试。假若这项技术获得了成熟与发展，数据中心领域将获得前所未有的性能推进，而存储界也将走向全新的容量时代。

(来源：https://blog.seagate.com/enterprises/microsoft-nearly-doubles-iops-seagate-exos-mach2-dual-actuator/)

    双磁臂技术的意义

    对普通消费者而言，双磁臂技术的意义在于——没有意义。其实假设双磁臂技术平行替换了我们目前常见的单磁臂机械硬盘，消费者也并不会从中受益。目前大部分消费者的存储设备已经被固态硬盘所代替，机械硬盘已经沦为了彻底的边缘设备。在机械硬盘提升性能仍旧不能满足使用需求的前提下，双磁臂机械硬盘依旧不会成为任何普通消费者的关注点。

    但是，对于存储爱好者而言，双磁臂技术，将会是打通目前高低速存储区域的重要战略。我相信很多存储爱好者已经无法忍受机械硬盘的速度，所以我们使用了混合存储的方式，既热数据存储在SSD上，冷数据存储在HDD上的方式提高我们对存储设备的使用体验。但是受限于SSD的容量上限，我们甚至难以买到一块16T的SSD ，但是16T的HDD是随手可触的。HDD与SSD的性能，虽然能够通过RAID方式减小差距，但是SSD也在不断进步，在PCIE4.0与更高宽带性能的趋势下，HDD依旧无法突破SATA3。所以作为一名仅代表我自己的存储爱好者，我对双磁臂技术充满了期待。我也希望这项技术会是在HAMR/MAMR之前最伟大的机械硬盘进步。

    当然，我只不过是一个使用者，我不是工程师，也不是话事人。在技术与时代一步一步迭代发展中，总会有陨落，也总会有再起。但无论如何，人类科技的进步都是前人在不断尝试跌倒再爬起的结晶石。Mach.2成功与否，我都希望各位尊重科技，没有他们，你还会在对着你老爸的“龙虎豹”XX。