如何评价机械硬盘,机械硬盘的未来会怎么样？

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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。

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。

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。

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。

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。

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、希捷及东芝三家。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。

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、马来西亚吉隆坡等硬盘生产基地）。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。

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。

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。

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十九世纪末。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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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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其他观点：

机械硬盘是储存界重要的组成部分。承担着数据备份的重任。现在大型存储领域。仍然使用机械硬盘作为主体。自从固态普及以来。不少人说机械已死。其实不然。只是这部分人没有数据备份的需求而已。我下边就来说说机械硬盘的优点。

大容量

虽说固态的QLC上来之后。容量可达2T起。但比起机械硬盘来说。4T早已经普及两年了。去年超过4T的更大硬盘。如6T、8T刚开始步入消费级市场。过了一年这两款已经被更多的关注到。未来普及也是时间问题。

安全性

机械硬盘对比固态硬盘在安全性上占据绝对的优势。固态的优点是速度快。但数据放在固态里一直令人担惊受怕。因固态硬盘的寿命取决于使用量。机械硬盘取决于运行时间。所以机械硬盘作为数据备份盘。在平时不怎么运行的情况下。安全性极高。即使做最坏打算出了故障。也有专业机构开盘可以找回部分数据。固态一旦损坏无法恢复。

性价比

机械硬盘最大的优势就是价格便宜。且不会像内存那样受颗粒产能影响。经常大起大落。产能非常稳定。排除洪水计策那几年。机械硬盘的价格一直稳定的降低。以至我们可以随时购买。来满足不断膨胀的数据。不必为价格高低犯难。目前4T机械硬盘DM004。就是600出头的价格。大概每G合0.15元。

综上三点。机械硬盘的未来还是光明的。是用户保存重要数据的最理想介质。所以未来固态和机械各有各的分工。固态用来是平常使用。机械保存数据。二者还将并行下去。

其他观点：

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