超能課堂(162)：SSD大敵當前，HDD硬碟100TB容量還有大招
每個電腦玩家都應該知道“硬碟有價、資料無價”這句話代表的含義，整臺電腦中所有配件都可以替換，一旦硬碟上儲存了資料，不論是工作上的還是家庭裡的，那麼硬碟就是電腦中最重要的一部分了。人們對硬碟這種產品的期望就是效能強、容量大、價格便宜、使用方便，也正是因為這些要求，SSD硬碟已經成為玩家裝機的首選，HDD硬碟則變成了可有可無的選擇，不儲存大量電影及遊戲的話，HDD硬碟完全可以不用選了。
從這個趨勢來看，HDD硬碟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硬碟使用的NAND快閃記憶體在單位容量的成本上是沒可能超過HDD硬碟的，而HDD硬碟的技術也在升級，儘管沒有NAND進步這麼快，但是新一代HDD硬碟技術也給了HDD硬碟多次續命的機會。
這期的超能課堂中，我們就來聊聊HDD硬碟這些年的發展狀況，看看它們還有什麼大招能續命。
HDD硬碟基本知識：高科技加持的複雜機械結構
從1956年的IBM RAMMC硬碟算起，HDD硬碟已經是60多歲的老壽星了，相比其他電腦硬體可要早得多，X86處理器目前也不過40週年而已。 在溫氏硬碟定型之後，這麼多年來HDD硬碟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。
上圖就是HDD硬碟拆開之後的組成，大家都知道HDD硬碟 是一種機械結構複雜的硬碟，所以裡面可以看到磁碟、磁頭、馬達、磁臂等部件，綠色的那部分就是PCB，上面還有主控晶片、DRAM快取、馬達控制晶片等等。
HDD硬碟有多種分類，從磁碟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。
關於HDD硬碟結構，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硬碟的基本結構都在這裡了。
與SSD硬碟相比，HDD硬碟的複雜性要高得多，單從生產的角度來說其實SSD硬碟更容易，因為SSD除了外殼就是PCB，上面主要是主控、DRAM快取（還不一定有）及NAND快閃記憶體晶片，而HDD硬碟因為要密封，外殼製造都要比SSD硬碟費事得多。
ofollow,noindex">HDD硬碟技術組成
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硬碟上科技含量一點都不低，最核心的部分就是磁頭及磁碟，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快閃記憶體這些相比，但是HDD硬碟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程序，它們依然是個好東西，但是有更好的東西（NAND快閃記憶體）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硬碟產業變遷：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硬碟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快閃記憶體，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硬碟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統計的資料來看，全球HDD硬碟產業的出貨量在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。
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、磁碟、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、馬來西亞吉隆坡等硬碟生產基地），洪水對西數的泰國工廠影響非常大，導致2012年HDD硬碟出貨量銳減。
不過2011年的洪水也讓HDD硬碟因此而漲價，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硬碟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。
西數、希捷、東芝等公司HDD硬碟出貨量變化趨勢
從希捷、西數、東芝等公司的HDD季度出貨量資料也可見一斑，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硬碟的一些短板，比如效能、容量等方面的。
HDD續命機遇之一：讀寫效能還要掙扎一下
相比SSD硬碟，HDD硬碟最大的缺點是什麼？DIY玩家第一個想到的就是效能差距，隨便一個SATA介面的SSD硬碟都能虐所有HDD硬碟，所以HDD續命的一個方向就是提高效能。從它的原理及結構上來看，提高效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硬碟的效能有過一次提升，而在企業級市場上，10K RPM、15K RPM的硬碟之前也是有的，效能比消費級HDD硬碟強很多，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硬碟到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碟。
西數曾經的迅猛龍硬碟就是高轉速硬碟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，效能雖然好一些，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轉速的硬碟了，相對PCIe SSD硬碟，這些HDD硬碟也沒機會了。
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硬碟一套驅動系統上增加一路驅動系統，因為現在的HDD硬碟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硬碟，速度可達480MB/s，是單HDD硬碟中速度最快的，比常規的15000RPM轉速硬碟還高60%，而且可靠性也達標了，現在的MACH.2硬碟總計有18個磁頭，按照現在的要求，HDD硬碟每年要能傳輸550TB資料，或者5年傳輸2750TB資料，這樣一來每個磁頭在5年內要可靠地傳輸152TB資料。
480MB/s的速度相比普通HDD硬碟速度翻倍了，跟SATA介面的SSD硬碟有了競爭的資本了，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硬碟在速度上的一次掙扎， 因為驅動系統再多也解決不了HDD硬碟的隨機效能，這方面是死穴，這方面SSD硬碟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磁碟遇到SMR技術，密度提升25%
對HDD硬碟來說，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碟，確切說是磁記錄技術，我們現在使用的HDD硬碟主要是PMR垂直磁記錄技術，最早的探索可以追溯到十九世紀末，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硬碟，容量80GB，雙盤結構，直徑1.8英寸，儲存密度達到了133Gb/in2（每平方英寸Gb）。
SDK第九代PMR磁碟已經實現單碟1.8TB容量
PMR技術商業化之後就成為HDD硬碟的主流選擇了，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磁碟供應商，包括TDK、SDK昭和電工，其中SDK的PMR磁碟已經發展到了第九代，3.5寸規格的磁碟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硬碟基本上都是這個磁碟的功勞。
在這背後，是PMR磁碟儲存密度的不斷提升，前面說到東芝首發的PMR硬碟儲存密度才133Gbit/in2，而九代PMR磁碟的密度提升到了1Tbit/in2，但也接近了PMR技術的極限了，再往下PMR磁碟已經沒多少潛力可挖了。
儲存密度突破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儲存密度，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因此可以把儲存密度提升最多25%，所以14TB（9碟1.5TB組成）之後的硬碟普遍要用SMR技術，西數前不久釋出的 UltraStar DC HC620硬碟容量就是15TB，靠的就是SMR技術，儲存密度從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資料時臨近磁軌也要受到影響，要寫就得一塊寫，所以效能會降低，而且有可能影響資料可靠性，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儲存密度，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技術的儲存密度了，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儲存密度相比，這些新技術的儲存密度可以提升到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。
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推出首款商業硬碟的時間還要早。它的原理很簡單——根據西數的材料，HAMR技術的基礎是將鐳射二極體直接放在寫入磁頭元件的前
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。隨著介質從鐳射強熱中冷卻下來，介質的矯頑力增加，確保資料位的正常狀態，使得磁化不會意外發生變化。
HAMR技術的原理就是上圖所示，就是用鐳射加熱到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需要全新的儲存介質、重新設計的鐳射讀寫磁頭、特殊的NFT近場光學感測器以及其他大量沒用過或者大量生產的元件。
但是在每個硬碟磁頭元件中應用鐳射成本高昂，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資料寫入垂直磁記錄介質的電磁場。磁碟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。
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。
在儲存密度上，MAMR磁記錄技術的儲存密度可達4Tbit/in2，遠高於目前的SMR磁碟的1.3Tbit/in2及PMR磁碟的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硬碟上市，容量會進一步提升到16TB，2020年的目標是20TB。
總結：HDD硬碟不會退出舞臺，單位價格容量依然有優勢
HDD硬碟問世這麼多年，大風大浪見多了，但是NAND快閃記憶體帶給HDD硬碟的挑戰是前所未有的，隨著大容量NAND快閃記憶體技術的不斷出現，HDD硬碟的命運已經註定了，一旦QLC快閃記憶體大規模量產上市，TB級SSD硬碟普及就不是問題了，消費級市場上HDD硬碟只會越來越少。
HD硬碟不會退出歷史舞臺，不過HDD硬碟日後發揮作用的場合主要就是資料中心、企業級市場了，西數之前表示哪怕到了2020年，資料中心90%的資料容量都是儲存在HDD硬碟上的。
在技術上，HDD硬碟現在用的PMR技術已經進入尾聲，2019年將開啟HAMR、MAMR等新技術的大門，儲存密度未來會提升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硬碟。