▲作者：傅家歡

近年來隨著網際網路技術的發展，尤其是移動網際網路的發展，短影片時代的來臨，每個人都是資訊的產生者和傳播者，資料量爆發式的增長，這就對資料儲存提出了更高的要求，本小節，我們就來了解一下企業中的儲存資料的最主要的儲存介質——硬碟。

硬碟型別大致分為兩大類，一類是機械硬碟，一類是固態硬碟，而在瞭解這兩者之前，我們不得不提到硬碟的發展史，而這個歷史開篇當然是機械硬碟。

一、機械硬碟

時間回到60多年前，在1956年世界上第一塊可以被稱為硬碟的裝置誕生了，這就是IBM 350 RAMAC——-今後機械硬碟（HDD）的鼻祖，與現在的硬碟相比，這個硬碟可真的是個大傢伙，它的體積與兩臺冰箱差不多，內部有50個直徑為24英寸的碟片，重量超過一噸而容量只有可憐的5MB。

但是其出現代表著儲存介質拋棄了原始的穿孔紙和磁帶，進入了硬碟的時代。

IBM 350 RAMAC

IBM 3340

有了第一塊硬碟的基礎，之後的硬碟在體積上變得越來越小巧，1973年 IBM公司推出了首款溫徹斯特（Winchester）硬碟IBM 3340，簡稱溫盤。這種硬碟已經不再像RAMAC硬碟體積龐大，效能低效，具備了和現代的機械硬碟相同的工作原理和物理結構，都是磁頭從旋轉的碟片上讀取磁訊號來獲取資料，並且磁頭和碟片驅動裝置等都是被密封在盒子裡。

隨後的幾年裡，硬碟的體積不斷重新整理記錄，70年代還都是些14英寸、8英寸的大塊頭，到了80年代很快啊一下子就湧現了5。25英寸、3。5英寸、2。5英寸的硬碟。與體積一起變化的還有不斷引入的新技術，使得機械硬碟開始成為主流的裝置。1997年IBM的GMR（Giant Magneto Resistive，巨磁阻）技術，它使磁頭靈敏度進一步提升，大幅度提高了硬碟的工作效率和儲存密度，機械硬碟快速發展，率先普及。

GMR巨磁阻效應磁頭

2007年，硬碟已經進入了以TB為單位的容量時代。垂直技術的出現，再一次提高了硬碟的儲存密度。在2007年，日立推出了第一款TB級別容量的硬碟，相比於世界上第一塊硬碟IBM RAMAC，容量足足翻了好幾十萬倍，可惜的是這確實成了機械硬碟最後的輝煌。之後機械硬碟的發展就陷入了瓶頸，從2007年至今機械硬碟除了在容量上有變化外，幾乎再也沒有什麼技術上的飛躍了。

在2011年這個時間點，作為全球最大機械硬碟配件生產地的泰國，爆發了洪水，讓各個機械硬碟的廠商都開始嚴重缺貨，硬碟的價格大幅度上漲，更多的消費者開始傾向於購買固態硬碟（SSD）來使用，整個固態硬碟的發展進入起飛階段。

工作原理

機械硬碟的結構大致包括：碟片、磁頭臂、讀/寫磁頭、主軸、硬碟介面和控制電路等。

硬碟的儲存原理是簡單來說就是透過控制電路來控制讀寫頭去改變碟片表面上極細微的磁性粒子簇的N、S極性來加以儲存。

硬碟的資料是儲存在碟片上的，碟片劃分有很多的扇區做為最小的儲存單元，在碟片上漂浮著讀寫磁頭，透過碟片的高速旋轉和讀寫磁頭在碟片上移動來讀取碟片上指定位置的資料，大家都知道黑膠唱片機，機械硬碟的工作原理就和它非常相似。

開始，讀寫磁頭停靠在主軸附近的位置——-啟停區，主軸上連線多塊碟片，並連線在一個馬達上，馬達轉動帶動主軸和碟片高速的旋轉產生氣流，使得磁頭漂浮碟片的上空，磁頭在磁頭臂上，磁頭臂帶動磁頭移動到指定位置透過讀取磁性顆粒的極性N，S來讀取儲存的資料。

硬碟上的資料組織

硬碟上的資料是如何來進行組織存放的呢？其架構關係如圖所示，在這有必要了解一下一些基本的概念。

1、盤面

首先硬碟的每個碟片都有兩個盤面，上下盤面，一般來說每個盤面都是可以存放資料的。每一個盤面都對應一個盤面號，根據順序從上往下從0開始編號。盤面號又被稱為磁頭號，因為每個盤面都需要一個磁頭來進行資料的讀取和寫入。

2、磁軌（Track）

磁碟在格式化時被劃分成許多同心圓，這些同心圓叫做磁軌（Track）。磁軌從外到內從0開始順序編號。這些同心圓磁軌不是連續記錄資料，而是被劃分成一段段的圓弧，圓弧的角速度一樣，但是由於距離圓心的長度（徑長）不一樣，線速度不一樣，外圈的線速度比內圈的線速度大，因此在相同的轉速下，外圈的讀寫速度比內圈的快。每段圓弧就是一個扇區，扇區是從1開啟編號，是讀寫的最小單元。

3、柱面（Cylinder）

所有盤面上同一磁軌構成一個圓柱，稱為柱面（Cylinder），資料的讀寫是按照柱面來進行的，資料在存放的時候從上往下，依次在同一柱面的不同盤面上寫入資料，在同一柱面的所有盤面都寫入資料後，磁頭才會移動到一個柱面進行資料的寫入。

注意這裡的資料的寫入是按照柱面來的，不是按照盤面進行的，因為在選取不同的磁頭的時候進行的是電子切換，而選取柱面必須透過移動磁頭進行機械切換。如果是按照盤面來進行資料儲存的話，會頻繁的切換柱面（機械切換），耗時久讀寫效能差。

4、扇區（Sector）

磁軌上劃分為一段一段圓弧，稱為扇區，劃分扇區的目的就是為了使資料儲存更加條理化，就像一個大的倉庫要劃分為不同的房間一樣。一般扇區可以儲存512位元組的使用者資料。

當需要讀取某個資料時，系統會將資料的邏輯地址傳送給磁碟，磁碟的控制電路把邏輯地址翻譯成物理地址，確定要讀的資料在哪個磁軌，哪個扇區——實際上就是透過磁頭找到扇區的過程。

確定柱面

，磁頭需要移動到相應的磁軌上，這個過程叫做尋道，耗費的時間是尋道時間。

確定扇區

，找到了磁軌，接下來就是確定磁軌上哪個扇區，也就是需要等待碟片旋轉，將目標扇區旋轉到磁頭下，消耗的時間是旋轉時間。

傳輸資料

，確定了扇區就可以透過改變讀寫磁頭的極性寫入資料。

總結

：一次訪問的請求大概需要由三個動作完成

尋道：磁頭旋轉到指定的磁軌

旋轉延遲：等待指定扇區旋轉到磁頭下

資料傳輸，資料在磁碟和記憶體之間傳輸。

二、固態硬碟

固態硬碟出現也很早，但是因為20世紀末機械硬碟快速發展而被遺忘。早期的固態硬碟是拿RAM記憶體作為儲存介質，RAM的優點是讀寫速度快，但是缺點也非常的明顯，RAM是易失性儲存介質，電一斷資料就沒了，而且價格也非常的昂貴。隨著技術的發展之後的固態盤開始使用快閃記憶體（Flash）作為儲存單元。Flash是一種非易失性儲存介質，在斷電的情況下，也可以儲存資料。

工作原理

固態盤簡單來說就是一塊電路板，構成固態硬碟的儲存單元快閃記憶體Flash其實是由一個個浮柵電晶體構成的，每一個電晶體對應儲存空間裡的一個儲存單元（Cell），常見的Cell有4種類型分別是

SLC、MLC、TLC、QLC

。

SLC （Single Level Cell），單層式儲存單元，在SLC中，1個Cell能夠儲存1位資料。

MLC （Multi Level Cell），多層式儲存單元，在MLC中，1個Cell能夠儲存2位資料。

TLC （Triple Level Cell），三層式儲存單元，在TLC中，1個Cell可以儲存3位資料。

QLC（Quad Level Cell），四層式儲存單元，在QLC中，1個Cell可以儲存4位資料。因此同等容量下SLC需要的Cell數量最多成本最昂貴。我們可以簡單來理解一下這三者的區別，固態硬碟就是一個超大的倉庫，倉庫中有很多的儲存單元，一個儲存單元就是一個貨架，SLC型別的貨架上只擺放一個貨物，MLC型別的貨架上可以擺放兩種貨物，TLC型別的貨架上可以擺放三種貨物，QLC型別的貨架上可以擺放四種類型的貨物。

SLC型別的貨架上只擺放了一種貨物，找到貨物的時間最快，QLC型別的貨架上擺放了四種貨物，找貨物還需要挨個檢索一遍耗費時間長，並且QLC型別的貨架使用儲存的貨物多，使用的頻率高容易出錯，也更容易損壞。所以使用的壽命QLC最短，SLC最長，效能SLC最好，QLC最差。

接下來我們來看一下浮柵電晶體是如何儲存資料的，計算機的資料最終都是二進位制0和1的兩種形式，磁碟是使用磁性顆粒的極性來儲存1或0，在固態盤中就採用電荷來儲存1和0兩種狀態。比如電荷充滿電錶示0，放電後表示1。

固態盤在儲存單元中透過輸入不同的電子的數量改變和讀取每一個單元的導電效能，來實現對資料的讀和寫，簡單的說固態硬碟的寫入就是改變浮柵電晶體中電子數量的過程，讀取就是向電晶體施加電壓獲取不同導電狀態識別資料的過程。

固態硬碟在寫入資料的時候不是直接覆蓋原有的資料，而是要先擦除然後寫入，每個儲存單元中進行擦除寫入後會殘留的電荷，改變其電阻。比如拿鉛筆在白紙上寫字之後拿橡皮擦除，對紙擦寫的次數多了，最終紙會被擦破，浮柵電晶體也是一樣的，擦寫到達一定次數後也就不能使用了。

三、兩者對比

最後我們來看一下兩種硬碟的對比：

對比發現SDD，效能、體積、噪音、震動等方面都優於HDD。雖然在容量、價格和資料安全性等方面比機械硬碟差了那麼點，但SSD取代HDD，將是不可阻擋。

如今，機械硬碟碟片技術和磁頭技術方面都沒有突破性的發展，更多的只是在靠堆疊碟片獲得容量上的增長。想要突破創新，難。

反之SSD在體積上，效能上容量上各方面都在不斷的突破，相信在不遠的未來，SSD會全面取代HDD。HDD會像磁帶，軟盤一樣逐漸的消失在人們的視線中。

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