超能課堂(162):SSD大敵當前,HDD硬盤100TB容量還有大招

每個電腦玩家都應該知道“硬盤有價、數據無價”這句話代表的含義,整臺電腦中所有配件都可以替換,一旦硬盤上保存了數據,不論是工作上的還是家庭裡的,那麼硬盤就是電腦中最重要的一部分了。人們對硬盤這種產品的期望就是性能強、容量大、價格便宜、使用方便,也正是因為這些要求,SSD硬盤已經成為玩家裝機的首選,HDD硬盤則變成了可有可無的選擇,不保存大量電影及遊戲的話,HDD硬盤完全可以不用選了。

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從這個趨勢來看,HDD硬盤的悲慘命運好像註定了,但是它並沒有這麼容易就消失在人們的視野中,SSD硬盤使用的NAND閃存在單位容量的成本上是沒可能超過HDD硬盤的,而HDD硬盤的技術也在升級,儘管沒有NAND進步這麼快,但是新一代HDD硬盤技術也給了HDD硬盤多次續命的機會。

這期的超能課堂中,我們就來聊聊HDD硬盤這些年的發展狀況,看看它們還有什麼大招能續命。

HDD硬盤基本知識:高科技加持的複雜機械結構

從1956年的IBM RAMMC硬盤算起,HDD硬盤已經是60多歲的老壽星了,相比其他電腦硬件可要早得多,X86處理器目前也不過40週年而已。 在溫氏硬盤定型之後,這麼多年來HDD硬盤的結構並沒有多大變化,主要組成跟爺爺輩的產品沒什麼區別。

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上圖就是HDD硬盤拆開之後的組成,大家都知道HDD硬盤 是一種機械結構複雜的硬盤,所以裡面可以看到磁盤、磁頭、馬達、磁臂等部件,綠色的那部分就是PCB,上面還有主控芯片、DRAM緩存、馬達控制芯片等等。

HDD硬盤有多種分類,從磁盤大小到馬達轉速都可以區分出不同產品,尺寸主要有5英寸、3、5英寸、2.5英寸、1.8英寸,轉速主要有5400RPM、7200RPM、10000RPM及15000RPM,但是很多規格已經被淘汰,現在主要是3.5寸、2.5寸的,5400RPM、7200RPM轉速的,其他的基本被淘汰。

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關於HDD硬盤結構,網上有個比較詳細的結構分析圖,如上圖所示,除了沒有PCB介紹之外,HDD硬盤的基本結構都在這裡了。

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與SSD硬盤相比,HDD硬盤的複雜性要高得多,單從生產的角度來說其實SSD硬盤更容易,因為SSD除了外殼就是PCB,上面主要是主控、DRAM緩存(還不一定有)及NAND閃存芯片,而HDD硬盤因為要密封,外殼製造都要比SSD硬盤費事得多。

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HDD硬盤技術組成

人們通常認為純電子的產品科技含量比機械產品要高,這話沒錯,但在HDD硬盤上科技含量一點都不低,最核心的部分就是磁頭及磁盤,其中磁頭也是需要先進半導體工藝生產的,當然工藝水平不能跟CPU、NAND閃存這些相比,但是HDD硬盤的技術門檻一點都不低,儘管它們現在是過氣網紅,但技壓群雄還是小菜一碟。

當然了,HDD的命運既要靠自己的奮鬥,但也要考慮到歷史的進程,它們依然是個好東西,但是有更好的東西(NAND閃存)發展壯大了,而HDD在技術上處於青黃不接的階段,近年來HDD產業顯然是面臨著歷史考驗的。

HDD硬盤產業變遷:最美不過夕陽紅,下崗員工拼命自救

隨著IBM、三星、HGST等品牌退出或者出售,全球HDD硬盤市場的不斷整合之後主要剩下西數、希捷及東芝三家,其中西數、希捷兩家的份額在40-45%,西數總體上略高一些,剩下的10-15%市場就是東芝的了,不過東芝主業還是NAND閃存,HDD業務並不上心,畢竟有部分業務是西數收購HGST時被監管部門“強制”給東芝的。

廠商數量減少實際上就代表著這個行業早就過了繁榮階段,HDD硬盤產業也被人視為夕陽產業,雖然是個科技含量很高的夕陽產業。從Statistic統計的數據來看,全球HDD硬盤產業的出貨量在2010年達到6.51億部的巔峰之後就開始下滑,預計2020年出貨量會下降至3億左右,減少了一半多。

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為什麼2010年是HDD產業的高峰?許多玩家可能還記得2011年發生了什麼,上半年的時候有日本大地震,下半年的時候有泰國洪水,這兩次自然災害影響了全球HDD供應鏈,日本廠商是重要的磁頭、磁盤、馬達等HDD配件供應商,而泰國是全球重要的HDD製造基地(泰國之外當年還有中國蘇州、馬來西亞檳城等硬盤生產基地),洪水對西數的泰國工廠影響非常大,導致2012年HDD硬盤出貨量銳減。

不過2011年的洪水也讓HDD硬盤因此而漲價,所以之後兩年HDD廠商的營收其實很快就恢復增長了,但是HDD硬盤的高價持續了好幾年,也算是因禍得福,只是短期利益是賺到了,HDD市場卻從2011年開始日薄西山了。

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西數、希捷、東芝等公司HDD硬盤出貨量變化趨勢

從希捷、西數、東芝等公司的HDD季度出貨量數據也可見一斑,2011年時候西數單季出貨量從5000萬+驟降到2800萬+,希捷的出貨量也下降了,不過降幅並不大,雙方的出貨量在2012年Q2季度就開始反彈,隨後就是持續下滑了,一直到今年都是如此。

HDD現在就需要一波續命的機會,它們是不甘心退出江湖的,所以西數、希捷以及HDD供應鏈廠商多年來都在研發新技術,期望補齊HDD硬盤的一些短板,比如性能、容量等方面的。

HDD續命機遇之一:讀寫性能還要掙扎一下

相比SSD硬盤,HDD硬盤最大的缺點是什麼?DIY玩家第一個想到的就是性能差距,隨便一個SATA接口的SSD硬盤都能虐所有HDD硬盤,所以HDD續命的一個方向就是提高性能。從它的原理及結構上來看,提高性能可以靠提高馬達轉速、磁頭數量等方向著手,多年來HDD廠商也確實這麼做了。

但是提高轉速這事已經是死路,從5400RPM轉速提升到7200RPM轉速,HDD硬盤的性能有過一次提升,而在企業級市場上,10K RPM、15K RPM的硬盤之前也是有的,性能比消費級HDD硬盤強很多,但是存在價格貴、容量低、噪音大等問題,西數之前嘗試引入VelociRaptor硬盤到PC市場上,它就是10K RPM轉速的,當年赫赫有名的萬轉迅猛龍硬盤。

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西數曾經的迅猛龍硬盤就是高轉速硬盤在消費級市場的一次嘗試

不過試水之後西數也沒有大規模推廣,原因也不用多說了,性能雖然好一些,但是噪音、價格、容量方面都有硬傷。現在別說消費級市場了,西數、希捷在企業級市場上都在停止10K、15K RPM轉速的硬盤了,相對PCIe SSD硬盤,這些HDD硬盤也沒機會了。

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提高轉速是不可能了,那就在驅動系統上下功夫,希捷近年來嘗試過MACH.2技術,簡單來說就是在現有HDD硬盤一套驅動系統上增加一路驅動系統,因為現在的HDD硬盤就已經應用多磁頭技術了,相當於一隻手上有多個手指,而希捷的MACH.2技術相當於再多一隻手,同時幹活的速度就快了。

在OCP 2018大會上,希捷展示了應用該技術的Exos 14TB硬盤,速度可達480MB/s,是單HDD硬盤中速度最快的,比常規的15000RPM轉速硬盤還高60%,而且可靠性也達標了,現在的MACH.2硬盤總計有18個磁頭,按照現在的要求,HDD硬盤每年要能傳輸550TB數據,或者5年傳輸2750TB數據,這樣一來每個磁頭在5年內要可靠地傳輸152TB數據。

480MB/s的速度相比普通HDD硬盤速度翻倍了,跟SATA接口的SSD硬盤有了競爭的資本了,不過希捷的這個技術路線依然是適用於特定領域,只能說是HDD硬盤在速度上的一次掙扎,因為驅動系統再多也解決不了HDD硬盤的隨機性能,這方面是死穴,這方面SSD硬盤依然有成千上萬倍的優勢,這是基因註定的。

HDD續命機遇之二:PMR磁盤遇到SMR技術,密度提升25%

對HDD硬盤來說,折騰轉速、驅動系統乃是捨本逐末,這些是它的天生缺點,提升空間有限,而HDD現在的核心優勢、同時也是多年停滯不前的地方是磁盤,確切說是磁記錄技術,我們現在使用的HDD硬盤主要是PMR垂直磁記錄技術,最早的探索可以追溯到二十世紀末,1975年日本東北大學教授巖崎峻一提出PMR技術,不過用於計算機中還是1987年東芝的2.88MB ED軟盤,2004年東芝才正式將PMR技術用於HDD硬盤,容量80GB,雙盤結構,直徑1.8英寸,存儲密度達到了133Gb/in2(每平方英寸Gb)。

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SDK第九代PMR磁盤已經實現單碟1.8TB容量

PMR技術商業化之後就成為HDD硬盤的主流選擇了,由於該技術最早是日本廠商開發的,所以迄今為止日本廠商都是最重要的PMR磁盤供應商,包括TDK、SDK昭和電工,其中SDK的PMR磁盤已經發展到了第九代,3.5寸規格的磁盤單碟容量已經提升到了最高1.8TB,2.5寸版也有單碟1TB了,目前12TB、14TB的HDD硬盤基本上都是這個磁盤的功勞。

在這背後,是PMR磁盤存儲密度的不斷提升,前面說到東芝首發的PMR硬盤存儲密度才133Gbit/in2,而九代PMR磁盤的密度提升到了1Tbit/in2,但也接近了PMR技術的極限了,再往下PMR磁盤已經沒多少潛力可挖了。

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存儲密度突破1Tbit/in2之後,業內廠商又推出了SMR(Shingled Magnetic Recording)疊瓦式磁記錄技術,它本質上也是PMR技術,但是通過提高磁軌的空間效率實現了更高的存儲密度,簡單來說就是上圖所示的那樣堆疊方式,將瓦片的間隔減少,所以同樣的場地下可以堆疊更多的瓦片,而SMR因此可以把存儲密度提升最多25%,所以14TB(9碟1.5TB組成)之後的硬盤普遍要用SMR技術,西數前不久發佈的UltraStar DC HC620硬盤容量就是15TB,靠的就是SMR技術,存儲密度從1034Gbits/sq.in(每平方英寸Gbit)提升到了1108Gbits/sq.in,所以9碟封裝下實現了15TB容量。

不過SMR技術有優點也有缺點,最大的問題就是寫入數據時臨近磁軌也要受到影響,要寫就得一塊寫,所以性能會降低,而且有可能影響數據可靠性,為此西數、希捷也開發了各自的解決方案降低SMR負面影響。

總之,SMR通過提高空間效率提升了存儲密度,但是它帶來的改變並不大,25%的提升是理論上的,實際提升不會有這麼高,再加上一些負面影響,SMR技術只是過渡用的,真正革命性的磁記錄技術還在路上。

HDD續命機遇之三:新一代磁記錄技術混戰,HAMR跑的最快

上面說了SMR技術只是給PMR技術添磚加瓦式,再怎麼折騰也無法大幅提高PMR技術的存儲密度了,想改就要換技術標準,所以很早就在研發取代PMR磁記錄的技術,候選人有TDMR(Two Dimensional Magnetic Recording,2D磁記錄)、HAMR(Heat Assisted Magnetic Recording,熱磁輔助記錄)、HDMR(Heated Dot Magnetic Recording,熱點磁記錄)等,其中HAMR是研究的比較成熟的,也是新一代標準最強力的候選人,HDMR技術也是基於HAMR技術的。

與PMR技術的1Tbit/in2存儲密度相比,這些新技術的存儲密度可以提升到5Tbit/in2,甚至10Tbit/in2,也就是說單碟容量有5-10倍的變化,現有技術已經可以做到14TB了,所以未來100TB容量不是問題了。

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PMR技術之後的各種候選人

HAMR技術也不算新鮮了,其原理實際上早在1954年就提出了,甚至比IBM推出首款商業硬盤的時間還要早。它的原理很簡單——根據西數的材料,HAMR技術的基礎是將激光二極管直接放在寫入磁頭組件的前面,然後非常快速地加熱無法寫入(除非在寫入過程中加熱才能寫入)的高矯頑力的介質。隨著介質從激光強熱中冷卻下來,介質的矯頑力增加,確保數據位的正常狀態,使得磁化不會意外發生變化。

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HAMR技術的原理就是上圖所示,就是用激光加熱到400到700°C讓材料磁性發生變化,雖然原理說起來容易,但實現起來就沒這麼簡單了,HAMR需要全新的存儲介質、重新設計的激光讀寫磁頭、特殊的NFT近場光學傳感器以及其他大量沒用過或者大量生產的元件。

但是在每個硬盤磁頭組件中應用激光成本高昂,增加物料的成本不說,還有一個問題讓人擔心,那就是小而窄的區域中引入高熱量會造成嚴重的可靠性問題。對於這個問題,西數開發了MAMR(微波輔助磁記錄技術),據官方介紹,其原理是利用自旋轉矩振盪器 (STO)產生微波場。在這種方法中,STO位於磁頭寫入極附近,產生允許在較低磁場下將數據寫入垂直磁記錄介質的電磁場。磁盤上的磁性晶粒與轉子式陀螺類似,在沒有外磁場作用的情況下,在上下方向上保持穩定。當在磁體當前狀態的反方向上施加一個足夠強的磁場時,極性會沿著所施加磁場的方向翻轉。通過STO施加的額外磁場可以更低的磁場更快翻轉磁體。

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西數表示MAMR技術具備更高的可靠性,內部測試顯示MAMR 磁頭的中斷故障時間是HAMR磁頭的百分之一。此外,對一種磁頭的可靠性測試表明,99.99%的MAMR 磁頭的寫入使用壽命比 99.99% 的 HAMR 磁頭的寫入使用壽命高出好幾個級別。

在存儲密度上,MAMR磁記錄技術的存儲密度可達4Tbit/in2,遠高於目前的SMR磁盤的1.3Tbit/in2及PMR磁盤的1.1Tbit/in2密度。

與西數不同,希捷那邊公佈的技術路線還是HAMR,不過在解決HAMR技術溫度及可靠性等問題上,希捷也會有自己的解決方案。

不論是HAMR還是MAMR技術,西數、希捷給出的路線圖時間都差不多,今年內可能會出樣給客戶,但是2019年才會有HAMR或者MAMR硬盤上市,容量會進一步提升到16TB,2020年的目標是20TB。

總結:HDD硬盤不會退出舞臺,單位價格容量依然有優勢

HDD硬盤問世這麼多年,大風大浪見多了,但是NAND閃存帶給HDD硬盤的挑戰是前所未有的,隨著大容量NAND閃存技術的不斷出現,HDD硬盤的命運已經註定了,一旦QLC閃存大規模量產上市,TB級SSD硬盤普及就不是問題了,消費級市場上HDD硬盤只會越來越少。

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HD硬盤不會退出歷史舞臺,不過HDD硬盤日後發揮作用的場合主要就是數據中心、企業級市場了,西數之前表示哪怕到了2020年,數據中心90%的數據容量都是存儲在HDD硬盤上的。

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在技術上,HDD硬盤現在用的PMR技術已經進入尾聲,2019年將開啟HAMR、MAMR等新技術的大門,存儲密度未來會提升5-10倍,不過這個過程也是慢慢提升的,現在的目標是2025年差不多能見到100TB級別的HDD硬盤。

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