电脑达人养成计划 7-5：硬盘运作原理

在简介完硬盘与磁盘接口的发展过程与特色之后，接下来站长打算把主题转向回到较具技术性的部分，谈谈现代电脑硬盘的运作原理与操作系统等软件如何利用硬盘储存空间。

现代电脑硬盘运作原理

在现代的电脑架构中，最早、最广泛且最长期使用的就是磁性储存媒介，从7-1节介绍过的磁带、软盘片到7-2节与7-3节所谈的硬盘都是基于磁性储存媒介设计出来的储存设备（一般而言会包含读写头、涂有磁性物质的碟盘与控制电路板等组件所组成），而磁性储存媒介的基本原理就是透过读写头与涂满磁性物质的碟片之间的交互作用来进行资料的读写。

采用磁性材料作为储存媒介之储存设备的基本原理为利用读写头发出的磁场改变储存媒介上涂布的磁性材料的分布情形进行资料写入、利用读写头传感各区域的磁性材料分布情形（感应各区块的磁性物质所产生的磁场方向）来读取资料，也就是我们接下来要探讨的主题——磁性纪录技术。

磁性记录技术

虽然过去几十年内推出的电脑硬盘运作的基本原理大致相同，但在实作方面其实有着多种不同做法。从最早被发展出来的水平磁性记录技术（LMR）到十几年前让电脑硬盘容量大幅提升的垂直磁性记录技术（PMR），再到近年来为追求更高储存密度推出，但因其特性而引发许多争议的叠瓦式磁性记录技术（SMR），随着时代变迁至今已有许多种类不同的记录技术被发展出来。

水平磁性记录技术（ LMR）

水平磁性记录技术（Longitudinal Magnetic Recording，LMR）为最初被发展出来的磁性记录技术，在2005年以前的硬盘都是采用此种技术，此种硬盘所使用的磁盘其上涂布的磁性物质的磁性主要分布方向是与盘面平行的。

水平磁性记录技术伴随着电脑硬盘的发展一路走过了五十多个年头，但随着储存密度的上升、用于储存数据的磁性物质体积愈缩愈小而变得益发明显的超顺磁效应问题（随着磁性物质体积缩小，使其磁场方向改变所需的能量也随之下降，最终到了在室温环境下磁场方向也会自发性发生改变的程度，无法维持稳定的磁场方向自然也就无法稳定储存资料）使得硬盘容量与可靠性的提升遭遇了严重的瓶颈，水平磁性记录技术所能允许的极限储存密度大约是每平方英寸120 Gb左右。

垂直磁性记录技术（ PMR）

为了应对水平磁性记录技术愈来愈严重的超顺磁效应问题，硬盘厂商在2005年开始推出采用垂直磁性记录技术（Perpendicular Magnetic Recording，PMR）的硬盘产品，首款上市的产品为TOSHIBA在2005年08月所推出的1.8寸微型硬盘（这种硬盘当年被大量应用在iPod上），随后Seagate等厂商也在2006 年陆续推出用于笔记本电脑与台式机的 PMR 硬盘（又称为「垂直写录硬盘」）。

PMR 技术的主要原理为通过将磁盘上涂布的磁性单元「立起来」使其磁性主要分布方向变为与盘面垂直来达到抑制超顺磁效应的效果，从而使得磁盘上的单位面积储存密度得以再次大幅提升，750 GB 以上的 2.5 寸硬盘与 1 TB 以上的 3.5 寸硬盘大多至少需要采用 PMR 技术才得以实现，随着电脑硬盘容量的持续提升，目前 PMR 也已成为最主流的硬盘技术。

此外，由于 PMR 与 LMR 技术的原理十分相似，主要差异为磁性记录单元的方向有所不同，因此 PMR 与 LMR 这两种磁性记录技术近来常被合称为「传统磁性记录技术（Conventional Magnetic Recording，CMR）」。

叠瓦式磁性记录技术（ SMR）

由于磁轨宽度持续缩减会导致超顺磁效应问题再次变得明显，因此追求提高储存密度时以磁轨为改进标的已经不太可行，因此硬盘厂商不得不寻找其他的途径。

在2013年Seagate正式发布了叠瓦式磁性记录技术（Shingled Magnetic Recording，SMR），与传统磁性记录技术相比，SMR技术最大的特性在于磁轨的排列方式由原先的互不重叠甚至为了配合读写头的宽度而保有一定间距改为层层相叠、状似屋瓦或阶梯的结构，而这也是其中文名称「叠瓦式」的由来。

既然 SMR 的磁轨层层相叠，其单位面积所能容纳的磁区数量显然会因此而显著成长，硬盘厂商认为这可以做为随储存密度持续上升而让 PMR 技术再次遇上超顺磁性效应问题时的解决方案，但 SMR 技术并非没有缺点，而那些缺点也使得厂商在推动 SMR 技术时产生了不少争议。

SMR 技术得以实现且有其意义的关键在于就目前技术而言读写头当中负责「读」的部分可以做得比负责「写」的部分来得小，因此将磁轨层层相叠而每层仅露出与读写头负责「读」的部分等宽的部分就可以达到提高储存密度同时又不影响读取的目的，但对于 SMR 技术来说真正的挑战是在写入的部分。

由于读写头当中负责「写」的部分宽度比重叠之后露出的磁轨还要来得宽，因此无可避免的读写头在进行写入时势必会同时影响到相邻的磁轨，因此在写入数据之前得把邻近磁轨的数据先暂存到其他位置，等到写入操作完成之后再把周围所有磁轨重新写入一次。

这样的做法会导致几个问题：

随机写入时需要大量进行邻近磁轨重新写入，导致性能的减退、寿命的缩短与可靠性的下降，在快取空间被用光之后写入性能会出现非常剧烈的下跌。
为了确保相邻磁轨的数据不在写入时发生遗失，需要频繁将数据搬入暂存区再回写，导致延迟与发生断电时资料遗失的风险提高。
在软件、固件支持不佳的情况下频繁的数据移动可能导致发生错误进而引发档案毁损的机率提高。
每多一次写入便多一次出错的可能，整体而言可能造成可靠性的下降。

为了应对这些缺点，硬盘厂商针对SMR技术的硬盘大多会采行加大快取、将磁轨分群应用、在磁盘上增加采用PMR技术的特殊区域同时应用这两种技术等作法来缓解这些问题所带来的影响。

由于采用SMR技术的硬盘在处理大量随机写入时的劣势，目前而言一般不建议将采用SMR技术的硬盘用于安装操作系统与日常操作用途，SMR技术硬盘较适合用于大型数据备份与冷储存等用途，根据WD在2019年所发布的预测，在2023年数据中心硬盘总出货量当中将有近半是采用SMR技术的硬盘。

能量辅助磁性记录技术（EAMR）

除了SMR之外，目前磁性记录仍有许多技术持续在发展中，目前看起来较有潜力的发展方向是以寻求透过外加能量辅助写入来克服超顺磁效应的能量辅助磁性记录技术（Energy Assisted Magnetic Recording，EAMR）。

各家硬盘厂商目前已经提出了多种不同的EAMR技术方案，例如2006年富士通发表了热辅助磁性记录技术（Heat Assisted Magnetic Recording，HAMR）与2017年由WD所发表的微波辅助磁性记录技术（Microwave Assisted Magentic Recording，MAMR）等都属于此类技术，前者使用激光快速加热磁性储存单元，后者则使用发射微波的方式达成抑制超顺磁性效应的目的。

至于首款进入量产阶段的EAMR类技术硬盘则是WD在2020年所推出的Ultrastar HC550，使用的不是HAMR也非MAMR，而是相对而言较为简单的「能量辅助式垂直磁性记录技术（Energy-Assisted PMR，ePMR）」，是基于现有垂直磁性记录技术（PMR）的改进产物。

ePMR 技术通过在现有 PMR 的基础上于读写头主要结构通入电流产生额外磁场以进一步稳定读写头对微小磁性单元进行写入的能力，使磁轨密度得以再次在不使用目前消费者仍有许多疑虑的 SMR 技术的状况下再次小幅提升，使单一硬盘机可提供多达 18 TB 的储存空间。

至于HAMR与MAMR的部分，目前所知的是Seagate较倾向于发展HAMR技术，而WD则倾向于押宝MAMR技术并认为HAMR使用热能作为写入时的重要条件很可能有不易控制、可靠性低的问题，不过截至目前为止二者都还在研发阶段中，仅有少量样品被产出。