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永不休止的战争 硬盘容量的技术挑战与障碍

归档日期:04-26       文本归类:额外扇区      文章编辑:爱尚语录

  在数据量不断增长的前提下,目前的硬盘存储容量已经发展到了最高3TB的阶段,而且,其还会继续增长下去。对于此,我们完全可以将其比喻成一场“永不休止的战争”。不过,恰恰就在此时,在容量扩充上的技术局限也越来越多的被突显了出来。

  尽管目前我们已经能够见到很多不同的存储介质,然而在目前来说,最为成熟的技术依然是常见的机械磁盘。因此,在对最高容量的超越方面,其也就被寄予了更多期望。不过,在不断增长的容量扩充下,机械旋转磁盘也在这方面遭遇了瓶颈。

  其实,增加磁盘容量的方法说起来非常简单,这无外乎提升碟片密度和增加碟片数量两种方式。

  增加碟片密度的方式很好理解。比如说,目前最大容量的3TB希捷外置式硬盘产品FreeAgent GoFlex Desk drive就采取了五碟片的设计。在此之前,日立也曾经推出过五碟片的产品。实际上,五碟片也是目前我们能够见到的单盘碟数最多的设计。

  那么未来是否会出现更多碟片的单盘设计呢?增加碟片数量,势必将会加大硬盘的高度,因此在这方面我们首先要看的就是硬盘的高度(厚度)。现在常见的3.5寸硬盘的高度为25毫米和17毫米,2.5寸硬盘一般为9.5毫米。当然,这种这一规格并不一定要遵循,比如说我们已经可以见到7mm的2.5寸硬盘。既然可以做的更薄,那么为了容量是否可以做的更厚?至少在很多年以前,由于技术原因我们已经见到过高度17毫米的2.5寸硬盘,以及高度甚至达到过41毫米的3.5寸硬盘。希捷中国区客户技术服务部经理翟光宝认为,这种可能性是存在的,不过实现几率并不一定高。这是由于,市场的总体趋势还是在向着更为轻薄的方向来进行,从接受度以及标准组件的规格上来说,对产品进行加厚还需要更多的考虑。

  那么如此看来,硬盘厂商更多地还是要从提高碟片密度的角度出发。这也分为两种方式。

  首先来说,我们可以保持现有密度,增加碟片的大小。不过,这种方式肯定会被所有硬盘厂商所否决。其中的原因除了上面提到过的尺寸问题外,还包括在碟片偏振方面的考虑。一旦增加了碟片的直径,其在工作时的边缘振幅必然会增大,从而影响到磁头的定位,严重时还会导致故障频繁发生。

  其实,硬盘厂商们早就已经开始致力于磁介质密度的增加。目前,我们能够见到的普通垂直纪录(PMR)2.5寸硬盘的密 度大约是每平方英寸135Gbits。东芝曾经将这一数字提高到了188Gbits,而希捷甚至发布过每平方英寸421Gbits的战绩。不过遗憾的是, 这些数字仅仅是停留在了实验阶段。下一代的磁记录模式,无论是热辅助磁记录(HAMR)技术还是比特格式媒体(Bit-Patterned Media)技术,都离我们的实际应用有着不小的距离。

  技术的发展是永无止境的。在看似遍访名师无门的情况下,硬盘厂商开始在扇区方面 做上了文章。在传统的分区表规格下,单扇区的容量被定义为512byte,且拥有唯一的LBA(逻辑块地址),每一扇区均需要存储扇区地址、ECC校验等 信息,如果我们将单扇区的容量进行扩大,那么相应就会减少扇区地址这类附加信息的存储,间接增大硬盘的可用空间。

  目前,包括西部数据、希捷 在内,已经有多家厂商推出了相对应的产品,这些产品大多是按照单扇区4KB容量进行的设计,其应用模式主要是采用对4KB扇区进行512字节扇区模拟的方 式进行。根据希捷的资料表述,这一模式是指将高级格式化中所用4K物理扇区转换为主机计算系统预期使用的传统512字节扇区的过程。在读取上,以512 字节模拟方式来读取4K扇区格式化硬盘中数据的过程非常直接,可以在硬盘DRAM内存中读取4K数据块以及格式化主机所需的特定512字节虚拟扇区,因此 这个过程不会明显影响到性能。

  在写入上过程更为复杂一些,特别是主机尝试写入的数据为4K物理扇区的子集时。这时,硬盘必须首先读取 包含主机写入请求目标位置的整个4K扇区,合并现有数据与新数据,然后重新写入整个4K扇区。在此情况下,硬盘必须执行额外的机械步骤:读取4K扇区数 据、修改其内容,然后重新写入数据。此过程称为 读取-修改-写入 (read-modify-write)循环,但这个过程不够理想,因为它会对硬盘性能造成负面影响。

  上面所提到的负面影响产生的原因之一,就是逻辑块和物理块的对齐问题。前面我们说过,每个512字节扇区都分配了唯一的LBA,根据硬盘大小,数字可以是从0到所需的数字。主机会使用分配的LBA来请求特定的数据块。主机请求写入数据时,会在写入结束时会返回一个LBA地址,告知主机数据的位置。

  当LBA 0与4K物理扇区中的第一个512字节虚拟块对齐时,512字节模拟的逻辑块到物理块对齐情况称为Alignment 0。另一种可能出现的对齐情况是,LBA 0与4K物理扇区中第二个512字节虚拟块对齐。这种情况称为Alignment 1。类似的这种分区不对齐情况,就会引起读取-修改-写入事件,影响系统性能,这也就是对齐问题。

  目前,硬盘厂商的解决方案是,通过Firmware或者系统程序来进行人工对齐。另外,通过Windows7、部分Linux等在内的操作系统进行格式化操作,也可以避免这种情况。

  尽管支持4KB格式的产品已经开始出现,不过,在企业级市场上硬盘供应商依然还是处于观望状态。一方面,企业级应用对于数据可用性的要求非常苛刻,新技术在这一领域的发展并没有消费级市场那么快,特别是在频繁写入上其还需要经受一些考验;另一方面,企业级应用的环境更为复杂,除了硬盘和操作系统支持外,包括RAID控制器等在内的其它组件也需要提供足够的响应,而目前这种支持还并不到位。希捷翟光宝认为,在企业级市场上,未来一段时间将有可能会出现两种技术并存的情况。

  硬盘容量的提升大战还会继续进行。套用一句常见的话,To be continued......

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