叠瓦式磁记录技术,提升HDD存储密度的良方

在数据爆炸的年代,任何一个人每天都会生产大量的新的数据,比如照片、视频、文档、邮件等,人们对存储的需求越来越大。HDD(Hard Disk Drive, 机械硬盘)因为具有大容量的特性,成为了人们大量存储数据的首选项。

HDD的存储技术持续发展,它经历了从LMR(Longitudinal magnetic recording, 水平磁性记录)、PMR(Perpendicular Magnetic Recording, 垂直磁性记录)到最新的SMR(Shingled Magneting Recording, 叠瓦式磁性记录)技术的发展。今天,就跟着科普小贴士了解一下提升机械硬盘存储密度的良方——SMR(叠瓦式磁性记录)技术

大部分非专业人士对于LMR、PMR和SMR等存储技术都比较陌生,为了更好地理解SMR技术,我们先简单讲解一下HDD的工作原理,以及LMR、PMR技术的大致原理。

机械硬盘内部结构

机械硬盘顾名思义,其工作是依靠一系列机械结构完成的。这些机械结构最关键的部分包括存储数据的磁盘和读取、写入数据的磁头。

磁道示意图

一个磁盘上有上千个磁道,以同心圆的形式排列。磁道中排列着磁性颗粒,每个磁性颗粒通过不同的磁场方向,记录着二进制的0和1。磁盘运行时,磁盘被电机驱动旋转,磁头以纳米级的距离在磁盘上悬浮,通过检测或改变磁道上磁性颗粒的磁场方向而读取或写入数据。

机械硬盘数据读写

所谓LMR、PMR、SMR技术,实质上是磁盘上磁道和磁性颗粒排布方式,以及在这种排布方式下读取、写入数据的技术。

最初,硬盘中的磁性颗粒横向被放置在磁道中,磁感应方向也是水平的,这就是LMR(水平磁记录)技术。这种技术有一个缺点——比较浪费磁盘面积。因为如果磁性颗粒太小,相互靠得太近,就很容易相互间干扰。

LMR原理示意

为了解决这个问题,工程师想到了将原来水平放置的磁性颗粒垂直放置,此时磁头的磁感应方向也相应变为竖直方向,这就是PMR(垂直磁记录)技术。这种技术可以非常有效地增加单位面积磁盘信息储量,3.5英寸单碟容量可达1TB。至今大部分HDD都运用了PMR技术。

PMR原理示意

随着时代的进步,信息的产生量持续增多,硬盘制造商依然不停地想方设法提高硬盘的存储效率,于是新的技术——SMR(叠瓦式磁性记录)技术应运而生。

SMR可以在PMR的基础上进一步大幅提升磁盘的容量,这是怎么做到的呢?难道说还有比竖直排布磁性颗粒更节约空间的方式吗?

实际上,在磁盘进行读写操作的时候,是通过读磁头和写磁头分别进行操作的。读写磁头的宽度不一样,写磁头的宽度比读磁头更宽,但二者要在同样的磁道内进行操作,这就导致磁道的宽度必须以较宽的写磁头的宽度为准。然而,实际上存储颗粒所需要占用的宽度很小,因此磁道的一部分宽度其实是被浪费的。此外,为了防止干扰,在磁道和磁道之间还保留有保护空间,这就导致,磁盘上可以用于存储信息的空间占比其实很小。

传统HDD磁道布置

为了进一步增加信息存储密度,工程师开发了这样一种磁道排布方式——让磁道和磁道之间被浪费的空间重叠起来,就像瓦片相互叠落一样,这也是SMR的中文名称——叠瓦式技术的来源,非常形象。

采用SMR技术的HDD磁道布置

通过这种叠层的操作,磁盘上磁道的密度大幅提升,因而信息存储密度得到了大幅提升。然而,这种磁道加密的方法是有代价的——由于磁道的间距过于狭窄,当一个区域已经存有信息,写磁头想要对某一条磁道的信息进行修改,那么势必要影响到相邻磁道的数据。解决这个问题相对比较复杂,除了在每组堆叠的磁道之间预留保护间隔,还需要在修改数据时,先将相邻磁道的数据备份出来,等本磁道数据修改完毕,再把相邻磁道的信息放回去。因此,SMR硬盘通常具有高达256MB的大缓存,用于在修改数据的时候存储相邻磁道的数据,相比之下一般磁盘的缓存只有64MB。

SMR技术让HDD的容量再上一个台阶,这种技术适合大容量仓储式存储需求,例如数据备份、RAID阵列和NAS网络存储等应用,备受企业级用户喜爱。对于个人用户而言,SMR硬盘搭配SSD系统盘,让两块硬盘各司其职——一个提供高速运行的性能,一个提供超大容量的存储,是最好的组合。

今天的内容是我们科普小贴士系列的第一期,以后我们会持续以深入浅出的解读,为广大希捷粉丝和硬盘使用者带来更多有关存储技术的知识。

各位发烧友在文章后留言讨论,相互学习交流的同时,也欢迎大家告诉我们你最期待什么内容,小编会不定期翻牌,也许下一期的科普小贴士就是你提到的话题哦!

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