SMR、PMR/CMR硬盤古古怪怪你分得清嗎

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但是，這個角色的變化，也悄然讓硬盤的技術規格發生了改變。機械硬盤再也不追求速度，畢竟無論如何，機械硬盤的讀寫方式永遠也不可能趕上固態硬盤電信號擦寫的速度;而另一方面，人們對機械硬盤的容量需求，卻前所未有的大。所以現在，機箱硬盤并非以速度見長，很多硬盤的轉速不過是5900轉/分鐘，而不是以往我們認知的7200轉“高速硬盤”了。只不過，為了擴大容量，一些看似“先進”、但又缺陷滿滿的技術也隨之而來，這便是SMR……（圖1）

機械硬盤如何運行

現在的消費級機械硬盤都是所謂的“溫切斯特”式架構，主要部件是主軸、磁盤、磁頭，其他部件包括空氣過濾片、音圈馬達、永磁鐵等。其中磁盤又被稱作盤片，多采用鋁合金材料，被固定在主軸電機的轉軸上，工作的時候磁盤會隨著主軸進行高速旋轉，并且通常硬盤內的盤片數量都不止一片（圖2）。

而磁頭和磁頭臂是一個整體，磁頭主要負責讀寫數據，它是用線圈纏繞在磁芯上制成的，工作原理是利用特殊材料的電阻值隨著不同地點磁場的不同而變化，兩種磁極會讓磁頭表現為強弱不同的電阻，系統就會將不同的電阻讀取為0或1的數據。反過來，磁頭加電后還能改變盤片上各個點的磁極，也就是寫入數據。為避免磁頭和盤片的磨損，在工作狀態時，磁頭懸浮在高速轉動的盤片上方，間隙只有0.1um～0.3um，而不是盤片直接接觸，在電源關閉之后，磁頭會自動回到在盤片上著陸區，此處盤片并不存儲數據，是盤片的起始位置（圖3）。

而這一切的控制指揮權，都在硬盤的控制電路板上。電路板上的電子元器件大多采用貼片式元件焊接，這些電子元器件組成了功能不同的電路，包括主軸調速電路、磁頭驅動與伺服定位電路、讀寫電路、控制與接口電路等。在電路板上有幾個主要的芯片：主控芯片、BIOS芯片、緩存芯片、電機驅動芯片（圖4）。

對于機械硬盤而言，容量的需求很高，所以廠商就必須想盡辦法提高硬盤容量。而方法不外乎三種，第一是增加磁盤的數量，第二是增加磁盤的面積，第三是增加每個磁盤上存儲數據的密度。不過畢竟無論是3.5英寸還是2.5英寸的規格，都已經定型了，再要改變磁盤尺寸幾無可能（圖5）。

PMR技術是什么

數據儲存的需求一直持續增加，不管是直接、間接的儲存行為都是造就海量數據的主要原因，早期硬盤發展由諾大體積縮小到5.25英寸、3.5英寸，之后逐步發展成以3.5英寸、2.5英寸為主流硬盤規格（僅限機械硬盤）。之后硬盤容量提升方式就是在有限空間中提高數據密度、增加可用面積，所以增加盤片數曾經是其中很重要的方式，但這一方式隨著硬盤高度、重量、發熱量等問題逐漸被放棄，最后剩下的就只有提升數據密度了。改變磁記錄方式是提升存儲密度最有效的方式，由LMR（縱向磁記錄）轉為PMR（垂直磁記錄）曾讓硬盤容量大幅提升，而PMR自2007年之后就成了硬盤很重要的基礎技術。

LMR（Longitudinalmagneticrecording）也就是水平磁性記錄，在早期磁盤中，每個存儲位的磁性粒子是平鋪在盤面上的，磁感應的方向也是水平的。這種方式最大的缺點，就是比較占面積，另外當磁粒過小，相互靠得太近，磁性就很容易受到熱能的干擾，令方向發生混亂。所以，LMR的時代，單個磁盤能夠存儲的數據有限，整個硬盤的容量也就存在瓶頸。

PMR通過將代表數據位的磁性元素的磁極與磁盤表面垂直對齊來工作。磁道并排寫入，不重疊。由于寫入磁頭通常大于讀取磁頭，因此HDD制造商會盡量縮小寫入磁頭的大小。由于PMR垂直式記錄磁盤內，擺放磁粒的小格豎起來了，占用的空間變小了，所以相同的面積，單盤容量有了巨大的提升，LMR水平式記錄磁盤，存儲密度僅為每平方英寸133GB，而現在我們使用的PMR垂直式記錄磁盤是可以做到每平方英寸1108GB，翻了將近9倍（圖6）。

由LMR轉為PMR使得單盤片磁記錄密大大幅提升，但隨著海量數據的爆炸性增長，比如高清格式的電影、超大容量的游戲等等，很快的這所謂的大容量硬盤又面臨考驗。于是如何在硬盤那有限的空間里“塞入”更多的碟片，就成了各家硬盤廠商的終極追求——例如導入氦氣讓每張盤片的間隙盡量縮小，可以在同等體積下塞進更多數據，很自然地就成為解決方案之一（圖7）。

做到PMR這一步，嚴格意義上說已經非常困難了。但是，面對這數據存儲需求的巨大鴻溝，僅僅是PMR依舊不夠，所以在PMR基礎上，SMR便誕生了。

SMR技術的由來

SMR是PMR的延伸，可提供更高的面密度。 SMR不會將每個磁道分開寫入，而是將每個新磁道與之前寫入磁道的一部分重疊，非常像屋頂的瓦片。通過重疊磁道，磁道會變得更窄，從而增加磁道數量，提升數據密度。這樣一來，采用SMR技術的硬盤容量非常容易做得更大，畢竟在同等單位面積下“擠”出了新的存儲空間（圖8）。

實際上SMR的磁場擺放方式仍是采用PM R（垂直磁記錄）將磁場垂直擺放，只是通過磁道重迭增加容量。因此為了避免與SMR混淆，業界于是將原先傳統磁道不會重迭的PMR改稱為CMR（Conventional MagneticRecording / 傳統式磁記錄）技術。所以本質上，PM R就是CMR，只不過名稱換了而已（圖9）。

當采用SMR技術的硬盤上循序寫入新數據時，這些如瓦片般堆棧的磁道仍可正常讀取，并不影響讀取性能。但是，一旦已寫入的數據要修改或覆寫時，寫入磁頭并不會直接在既有的磁道上進行磁錄，以避免毀損相鄰磁道的數據，編輯后的數據會先在磁盤上的空白處寫入，原先舊數據的磁道會暫時維持不動，等到硬盤閑置時才會與相鄰磁道一起重新整理，將原先磁道上的舊數據自動清除，并重新成為可用空間以供新數據寫入（圖10）。

因此，SMR硬盤的空閑時間就顯得相當重要。如果SMR硬盤長時間進行密集的寫任務，則會沒有足夠的空閑時間來重新整理磁道，暫時不動的已有數據磁道數量會越來越多。這就導致SMR硬盤必須一邊寫入新數據，一邊重新整理舊磁道，進而對讀寫效能造成某種程度的影響。為了增加讀寫性能，往往配備相當大的緩存——因此當你看到很多硬盤都是128MB、256MB的緩存，就明白它是什么了（圖11）。

顯然，在頻繁讀寫的使用需求下，SMR硬盤絕對不是一個好的選擇。但是，在需要讀遠大于寫的使用環境下，SMR硬盤“便宜又大碗”的特性倒是十分適宜。所以，我們必須要以自身使用需求出發，這才是最重要的。筆者也整理了當前主流硬盤廠商的PMR/CMR及SMR技術硬盤，如果你有需求，可以根據這部分內容來區分硬盤的屬性，方便自己采購時做出正確選擇。此外，如果未來遇到一些尚未涉列的硬盤，筆者也提供基本的判斷方法幫助讀者快速判斷硬盤的技術規格。

首先，目前的2.5英寸筆記本硬盤，也就是7mm厚規格的，如果容量是1TB或者2TB，那么幾乎可以肯定用的就是SMR技術，因為這意味著使用了單碟容量為1TB的盤片，而目前2.5寸的盤片要做到單碟容量1TB，幾乎只能靠SMR技術來提升密度。這種情況在希捷的2.5寸硬盤上最為常見，甚至出現了容量為500GB也要用SMR技術的2.5英寸單碟硬盤。其次，前文已經講過了SMR式HDD具有跟CMR式HDD不同的寫入方式，因為涉及到數據的來回遷移，所以一般SMR的硬盤會使用大容量的緩存來幫助提升使用體驗，例如硬盤多采用128MB以上的緩存，那么極大概率也是SMR技術產品（圖12）。