近年來隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，尤其是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，短視頻時(shí)代的來臨，每個(gè)人都是信息的產(chǎn)生者和傳播者，數(shù)據(jù)量爆發(fā)式的增長，這就對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提出了更高的要求，本小節(jié)，我們就來了解一下企業(yè)中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的最主要的存儲(chǔ)介質(zhì)—-硬盤。

硬盤類型大致分為兩大類，一類是機(jī)械硬盤，一類是固態(tài)硬盤，而在了解這兩者之前，我們不得不提到硬盤的發(fā)展史，而這個(gè)歷史開篇當(dāng)然是機(jī)械硬盤。

一、機(jī)械硬盤

時(shí)間回到60多年前，在1956年世界上第一塊可以被稱為硬盤的設(shè)備誕生了，這就是IBM 350 RAMAC—今后機(jī)械硬盤（HDD）的鼻祖，與現(xiàn)在的硬盤相比，這個(gè)硬盤可真的是個(gè)大家伙，它的體積與兩臺(tái)冰箱差不多，內(nèi)部有50個(gè)直徑為24英寸的盤片，重量超過一噸而容量只有可憐的5MB。

但是其出現(xiàn)代表著存儲(chǔ)介質(zhì)拋棄了原始的穿孔紙和磁帶，進(jìn)入了硬盤的時(shí)代。

IBM 350 RAMAC

IBM 3340

有了第一塊硬盤的基礎(chǔ)，之后的硬盤在體積上變得越來越小巧，1973年 IBM公司推出了首款溫徹斯特（Winchester）硬盤IBM 3340，簡稱溫盤。這種硬盤已經(jīng)不再像RAMAC硬盤體積龐大，性能低效，具備了和現(xiàn)代的機(jī)械硬盤相同的工作原理和物理結(jié)構(gòu)，都是磁頭從旋轉(zhuǎn)的盤片上讀取磁信號(hào)來獲取數(shù)據(jù)，并且磁頭和盤片驅(qū)動(dòng)設(shè)備等都是被密封在盒子里。

隨后的幾年里，硬盤的體積不斷刷新記錄，70年代還都是些14英寸、8英寸的大塊頭，到了80年代很快啊一下子就涌現(xiàn)了5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸的硬盤。與體積一起變化的還有不斷引入的新技術(shù)，使得機(jī)械硬盤開始成為主流的設(shè)備。1997年IBM的GMR（Giant Magneto Resistive，巨磁阻）技術(shù)，它使磁頭靈敏度進(jìn)一步提升，大幅度提高了硬盤的工作效率和儲(chǔ)存密度，機(jī)械硬盤快速發(fā)展，率先普及。

GMR巨磁阻效應(yīng)磁頭

2007年，硬盤已經(jīng)進(jìn)入了以TB為單位的容量時(shí)代。垂直技術(shù)的出現(xiàn)，再一次提高了硬盤的存儲(chǔ)密度。在2007年，日立推出了第一款TB級(jí)別容量的硬盤，相比于世界上第一塊硬盤IBM RAMAC，容量足足翻了好幾十萬倍，可惜的是這確實(shí)成了機(jī)械硬盤最后的輝煌。之后機(jī)械硬盤的發(fā)展就陷入了瓶頸，從2007年至今機(jī)械硬盤除了在容量上有變化外，幾乎再也沒有什么技術(shù)上的飛躍了。

在2011年這個(gè)時(shí)間點(diǎn)，作為全球最大機(jī)械硬盤配件生產(chǎn)地的泰國，爆發(fā)了洪水，讓各個(gè)機(jī)械硬盤的廠商都開始嚴(yán)重缺貨，硬盤的價(jià)格大幅度上漲，更多的消費(fèi)者開始傾向于購買固態(tài)硬盤（SSD）來使用，整個(gè)固態(tài)硬盤的發(fā)展進(jìn)入起飛階段。

工作原理

機(jī)械硬盤的結(jié)構(gòu)大致包括：盤片、磁頭臂、讀/寫磁頭、主軸、硬盤接口和控制電路等。

硬盤的儲(chǔ)存原理是簡單來說就是通過控制電路來控制讀寫頭去改變盤片表面上極細(xì)微的磁性粒子簇的N、S極性來加以儲(chǔ)存。

硬盤的數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在盤片上的，盤片劃分有很多的扇區(qū)做為最小的存儲(chǔ)單元，在盤片上漂浮著讀寫磁頭，通過盤片的高速旋轉(zhuǎn)和讀寫磁頭在盤片上移動(dòng)來讀取盤片上指定位置的數(shù)據(jù)，大家都知道黑膠唱片機(jī)，機(jī)械硬盤的工作原理就和它非常相似。

開始，讀寫磁頭停靠在主軸附近的位置—啟停區(qū)，主軸上連接多塊盤片，并連接在一個(gè)馬達(dá)上，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)主軸和盤片高速的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣流，使得磁頭漂浮盤片的上空，磁頭在磁頭臂上，磁頭臂帶動(dòng)磁頭移動(dòng)到指定位置通過讀取磁性顆粒的極性N，S來讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

硬盤上的數(shù)據(jù)組織

硬盤上的數(shù)據(jù)是如何來進(jìn)行組織存放的呢？其架構(gòu)關(guān)系如圖所示，在這有必要了解一下一些基本的概念。

1、盤面

首先硬盤的每個(gè)盤片都有兩個(gè)盤面，上下盤面，一般來說每個(gè)盤面都是可以存放數(shù)據(jù)的。每一個(gè)盤面都對(duì)應(yīng)一個(gè)盤面號(hào)，根據(jù)順序從上往下從0開始編號(hào)。盤面號(hào)又被稱為磁頭號(hào)，因?yàn)槊總€(gè)盤面都需要一個(gè)磁頭來進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和寫入。

2、磁道（Track）

磁盤在格式化時(shí)被劃分成許多同心圓，這些同心圓叫做磁道（Track）。磁道從外到內(nèi)從0開始順序編號(hào)。這些同心圓磁道不是連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，而是被劃分成一段段的圓弧，圓弧的角速度一樣，但是由于距離圓心的長度（徑長）不一樣，線速度不一樣，外圈的線速度比內(nèi)圈的線速度大，因此在相同的轉(zhuǎn)速下，外圈的讀寫速度比內(nèi)圈的快。每段圓弧就是一個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)是從1開啟編號(hào)，是讀寫的最小單元。

3、柱面（Cylinder）

所有盤面上同一磁道構(gòu)成一個(gè)圓柱，稱為柱面（Cylinder），數(shù)據(jù)的讀寫是按照柱面來進(jìn)行的，數(shù)據(jù)在存放的時(shí)候從上往下，依次在同一柱面的不同盤面上寫入數(shù)據(jù)，在同一柱面的所有盤面都寫入數(shù)據(jù)后，磁頭才會(huì)移動(dòng)到一個(gè)柱面進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入。

注意這里的數(shù)據(jù)的寫入是按照柱面來的，不是按照盤面進(jìn)行的，因?yàn)樵谶x取不同的磁頭的時(shí)候進(jìn)行的是電子切換，而選取柱面必須通過移動(dòng)磁頭進(jìn)行機(jī)械切換。如果是按照盤面來進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的話，會(huì)頻繁的切換柱面（機(jī)械切換），耗時(shí)久讀寫性能差。

4、扇區(qū)（Sector）

磁道上劃分為一段一段圓弧，稱為扇區(qū)，劃分扇區(qū)的目的就是為了使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更加條理化，就像一個(gè)大的倉庫要?jiǎng)澐譃椴煌姆块g一樣。一般扇區(qū)可以保存512字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)。

當(dāng)需要讀取某個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)的邏輯地址發(fā)送給磁盤，磁盤的控制電路把邏輯地址翻譯成物理地址，確定要讀的數(shù)據(jù)在哪個(gè)磁道，哪個(gè)扇區(qū)—-實(shí)際上就是通過磁頭找到扇區(qū)的過程。

確定柱面，磁頭需要移動(dòng)到相應(yīng)的磁道上，這個(gè)過程叫做尋道，耗費(fèi)的時(shí)間是尋道時(shí)間。

確定扇區(qū)，找到了磁道，接下來就是確定磁道上哪個(gè)扇區(qū)，也就是需要等待盤片旋轉(zhuǎn)，將目標(biāo)扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下，消耗的時(shí)間是旋轉(zhuǎn)時(shí)間。

傳輸數(shù)據(jù)，確定了扇區(qū)就可以通過改變讀寫磁頭的極性寫入數(shù)據(jù)。

總結(jié)：一次訪問的請(qǐng)求大概需要由三個(gè)動(dòng)作完成

尋道：磁頭旋轉(zhuǎn)到指定的磁道

旋轉(zhuǎn)延遲：等待指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下

數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)在磁盤和內(nèi)存之間傳輸。

二、固態(tài)硬盤

固態(tài)硬盤出現(xiàn)也很早，但是因?yàn)?0世紀(jì)末機(jī)械硬盤快速發(fā)展而被遺忘。早期的固態(tài)硬盤是拿RAM內(nèi)存作為存儲(chǔ)介質(zhì)，RAM的優(yōu)點(diǎn)是讀寫速度快，但是缺點(diǎn)也非常的明顯，RAM是易失性存儲(chǔ)介質(zhì)，電一斷數(shù)據(jù)就沒了，而且價(jià)格也非常的昂貴。隨著技術(shù)的發(fā)展之后的固態(tài)盤開始使用閃存（Flash）作為存儲(chǔ)單元。Flash是一種非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)，在斷電的情況下，也可以保存數(shù)據(jù)。

工作原理

固態(tài)盤簡單來說就是一塊電路板，構(gòu)成固態(tài)硬盤的存儲(chǔ)單元閃存Flash其實(shí)是由一個(gè)個(gè)浮柵晶體管構(gòu)成的，每一個(gè)晶體管對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)空間里的一個(gè)存儲(chǔ)單元（Cell），常見的Cell有4種類型分別是SLC、MLC、TLC、QLC。

SLC (Single Level Cell)，單層式存儲(chǔ)單元，在SLC中，1個(gè)Cell能夠存儲(chǔ)1位數(shù)據(jù)。

MLC (Multi Level Cell)，多層式存儲(chǔ)單元，在MLC中，1個(gè)Cell能夠存儲(chǔ)2位數(shù)據(jù)。

TLC (Triple Level Cell)，三層式存儲(chǔ)單元，在TLC中，1個(gè)Cell可以存儲(chǔ)3位數(shù)據(jù)。

QLC(Quad Level Cell)，四層式存儲(chǔ)單元，在QLC中，1個(gè)Cell可以存儲(chǔ)4位數(shù)據(jù)。因此同等容量下SLC需要的Cell數(shù)量最多成本最昂貴。我們可以簡單來理解一下這三者的區(qū)別，固態(tài)硬盤就是一個(gè)超大的倉庫，倉庫中有很多的存儲(chǔ)單元，一個(gè)存儲(chǔ)單元就是一個(gè)貨架，SLC類型的貨架上只擺放一個(gè)貨物，MLC類型的貨架上可以擺放兩種貨物，TLC類型的貨架上可以擺放三種貨物，QLC類型的貨架上可以擺放四種類型的貨物。

SLC類型的貨架上只擺放了一種貨物，找到貨物的時(shí)間最快，QLC類型的貨架上擺放了四種貨物，找貨物還需要挨個(gè)檢索一遍耗費(fèi)時(shí)間長，并且QLC類型的貨架使用存儲(chǔ)的貨物多，使用的頻率高容易出錯(cuò)，也更容易損壞。所以使用的壽命QLC最短，SLC最長，性能SLC最好，QLC最差。

接下來我們來看一下浮柵晶體管是如何保存數(shù)據(jù)的，計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)最終都是二進(jìn)制0和1的兩種形式，磁盤是使用磁性顆粒的極性來保存1或0，在固態(tài)盤中就采用電荷來保存1和0兩種狀態(tài)。比如電荷充滿電表示0，放電后表示1。

固態(tài)盤在存儲(chǔ)單元中通過輸入不同的電子的數(shù)量改變和讀取每一個(gè)單元的導(dǎo)電性能，來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀和寫，簡單的說固態(tài)硬盤的寫入就是改變浮柵晶體管中電子數(shù)量的過程，讀取就是向晶體管施加電壓獲取不同導(dǎo)電狀態(tài)識(shí)別數(shù)據(jù)的過程。

固態(tài)硬盤在寫入數(shù)據(jù)的時(shí)候不是直接覆蓋原有的數(shù)據(jù)，而是要先擦除然后寫入，每個(gè)存儲(chǔ)單元中進(jìn)行擦除寫入后會(huì)殘留的電荷，改變其電阻。比如拿鉛筆在白紙上寫字之后拿橡皮擦除，對(duì)紙擦寫的次數(shù)多了，最終紙會(huì)被擦破，浮柵晶體管也是一樣的，擦寫到達(dá)一定次數(shù)后也就不能使用了。

三、兩者對(duì)比

最后我們來看一下兩種硬盤的對(duì)比：

對(duì)比發(fā)現(xiàn)SDD，性能、體積、噪音、震動(dòng)等方面都優(yōu)于HDD。雖然在容量、價(jià)格和數(shù)據(jù)安全性等方面比機(jī)械硬盤差了那么點(diǎn)，但SSD取代HDD，將是不可阻擋。

如今，機(jī)械硬盤碟片技術(shù)和磁頭技術(shù)方面都沒有突破性的發(fā)展，更多的只是在靠堆疊盤片獲得容量上的增長。想要突破創(chuàng)新，難。

反之SSD在體積上，性能上容量上各方面都在不斷的突破，相信在不遠(yuǎn)的未來，SSD會(huì)全面取代HDD。HDD會(huì)像磁帶，軟盤一樣逐漸的消失在人們的視線中。