SSD大敌当前，HDD硬盘靠新技术多次续命

每个电脑玩家都应该知道“硬盘有价、数据无价”这句话代表的含义，整台电脑中所有配件都可以替换，一旦硬盘上保存了数据，不论是工作上的还是家庭里的，那么硬盘就是电脑中最重要的一部分了。人们对硬盘这种产品的期望就是性能强、容量大、价格便宜、使用方便，也正是因为这些要求，SSD硬盘已经成为玩家装机的首选，HDD硬盘则变成了可有可无的选择，不保存大量电影及游戏的话，HDD硬盘完全可以不用选了。

从这个趋势来看，HDD硬盘的悲惨命运好像注定了，但是它并没有这么容易就消失在人们的视野中，SSD硬盘使用的NAND闪存在单位容量的成本上是没可能超过HDD硬盘的，而HDD硬盘的技术也在升级，尽管没有NAND进步这么快，但是新一代HDD硬盘技术也给了HDD硬盘多次续命的机会。

这期的超能课堂中，我们就来聊聊HDD硬盘这些年的发展状况，看看它们还有什么大招能续命。

HDD硬盘基本知识：高科技加持的复杂机械结构

从1956年的IBM RAMMC硬盘算起，HDD硬盘已经是60多岁的老寿星了，相比其他电脑硬件可要早得多，X86处理器目前也不过40周年而已。 在温氏硬盘定型之后，这么多年来HDD硬盘的结构并没有多大变化，主要组成跟爷爷辈的产品没什么区别。

上图就是HDD硬盘拆开之后的组成，大家都知道HDD硬盘 是一种机械结构复杂的硬盘，所以里面可以看到磁盘、磁头、马达、磁臂等部件，绿色的那部分就是PCB，上面还有主控芯片、DRAM缓存、马达控制芯片等等。

HDD硬盘有多种分类，从磁盘大小到马达转速都可以区分出不同产品，尺寸主要有5英寸、3、5英寸、2.5英寸、1.8英寸，转速主要有5400RPM、7200RPM、10000RPM及15000RPM，但是很多规格已经被淘汰，现在主要是3.5寸、2.5寸的，5400RPM、7200RPM转速的，其他的基本被淘汰。

关于HDD硬盘结构，网上有个比较详细的结构分析图，如上图所示，除了没有PCB介绍之外，HDD硬盘的基本结构都在这里了。

与SSD硬盘相比，HDD硬盘的复杂性要高得多，单从生产的角度来说其实SSD硬盘更容易，因为SSD除了外壳就是PCB，上面主要是主控、DRAM缓存(还不一定有)及NAND闪存芯片，而HDD硬盘因为要密封，外壳制造都要比SSD硬盘费事得多。

HDD硬盘技术组成

人们通常认为纯电子的产品科技含量比机械产品要高，这话没错，但在HDD硬盘上科技含量一点都不低，最核心的部分就是磁头及磁盘，其中磁头也是需要先进半导体工艺生产的，当然工艺水平不能跟CPU、NAND闪存这些相比，但是HDD硬盘的技术门槛一点都不低，尽管它们现在是过气网红，但技压群雄还是小菜一碟。

当然了，HDD的命运既要靠自己的奋斗，但也要考虑到历史的进程，它们依然是个好东西，但是有更好的东西(NAND闪存)发展壮大了，而HDD在技术上处于青黄不接的阶段，近年来HDD产业显然是面临着历史考验的。

HDD硬盘产业变迁：最美不过夕阳红，下岗员工拼命自救

随着IBM、三星、HGST等品牌退出或者出售，全球HDD硬盘市场的不断整合之后主要剩下西数、希捷及东芝三家，其中西数、希捷两家的份额在40-45%，西数总体上略高一些，剩下的10-15%市场就是东芝的了，不过东芝主业还是NAND闪存，HDD业务并不上心，毕竟有部分业务是西数收购HGST时被监管部门“强制”给东芝的。

厂商数量减少实际上就代表着这个行业早就过了繁荣阶段，HDD硬盘产业也被人视为夕阳产业，虽然是个科技含量很高的夕阳产业。从Statistic统计的数据来看，全球HDD硬盘产业的出货量在2010年达到6.51亿部的巅峰之后就开始下滑，预计2020年出货量会下降至3亿左右，减少了一半多。

为什么2010年是HDD产业的高峰?许多玩家可能还记得2011年发生了什么，上半年的时候有日本大地震，下半年的时候有泰国洪水，这两次自然灾害影响了全球HDD供应链，日本厂商是重要的磁头、磁盘、马达等HDD配件供应商，而泰国是全球重要的HDD制造基地(泰国之外当年还有中国苏州、马来西亚吉隆坡等硬盘生产基地)，洪水对西数的泰国工厂影响非常大，导致2012年HDD硬盘出货量锐减。

不过2011年的洪水也让HDD硬盘因此而涨价，所以之后两年HDD厂商的营收其实很快就恢复增长了，但是HDD硬盘的高价持续了好几年，也算是因祸得福，只是短期利益是赚到了，HDD市场却从2011年开始日薄西山了。

西数、希捷、东芝等公司HDD硬盘出货量变化趋势

从希捷、西数、东芝等公司的HDD季度出货量数据也可见一斑，2011年时候西数单季出货量从5000万+骤降到2800万+，希捷的出货量也下降了，不过降幅并不大，双方的出货量在2012年Q2季度就开始反弹，随后就是持续下滑了，一直到今年都是如此。

HDD现在就需要一波续命的机会，它们是不甘心退出江湖的，所以西数、希捷以及HDD供应链厂商多年来都在研发新技术，期望补齐HDD硬盘的一些短板，比如性能、容量等方面的。

HDD续命机遇之一：读写性能还要挣扎一下

相比SSD硬盘，HDD硬盘最大的缺点是什么?DIY玩家第一个想到的就是性能差距，随便一个SATA接口的SSD硬盘都能虐所有HDD硬盘，所以HDD续命的一个方向就是提高性能。从它的原理及结构上来看，提高性能可以靠提高马达转速、磁头数量等方向着手，多年来HDD厂商也确实这么做了。

但是提高转速这事已经是死路，从5400RPM转速提升到7200RPM转速，HDD硬盘的性能有过一次提升，而在企业级市场上，10K RPM、15K RPM的硬盘之前也是有的，性能比消费级HDD硬盘强很多，但是存在价格贵、容量低、噪音大等问题，西数之前尝试引入VelociRaptor硬盘到PC市场上，它就是10K RPM转速的，当年赫赫有名的万转迅猛龙硬盘。

西数曾经的迅猛龙硬盘就是高转速硬盘在消费级市场的一次尝试

不过试水之后西数也没有大规模推广，原因也不用多说了，性能虽然好一些，但是噪音、价格、容量方面都有硬伤。现在别说消费级市场了，西数、希捷在企业级市场上都在停止10K、15K RPM转速的硬盘了，相对PCIe SSD硬盘，这些HDD硬盘也没机会了。

提高转速是不可能了，那就在驱动系统上下功夫，希捷近年来尝试过MACH.2技术，简单来说就是在现有HDD硬盘一套驱动系统上增加一路驱动系统，因为现在的HDD硬盘就已经应用多磁头技术了，相当于一只手上有多个手指，而希捷的MACH.2技术相当于再多一只手，同时干活的速度就快了。

在OCP 2018大会上，希捷展示了应用该技术的Exos 14TB硬盘，速度可达480MB/s，是单HDD硬盘中速度最快的，比常规的15000RPM转速硬盘还高60%，而且可靠性也达标了，现在的MACH.2硬盘总计有18个磁头，按照现在的要求，HDD硬盘每年要能传输550TB数据，或者5年传输2750TB数据，这样一来每个磁头在5年内要可靠地传输152TB数据。

480MB/s的速度相比普通HDD硬盘速度翻倍了，跟SATA接口的SSD硬盘有了竞争的资本了，不过希捷的这个技术路线依然是适用于特定领域，只能说是HDD硬盘在速度上的一次挣扎，因为驱动系统再多也解决不了HDD硬盘的随机性能，这方面是死穴，这方面SSD硬盘依然有成千上万倍的优势，这是基因注定的。

HDD续命机遇之二：PMR磁盘遇到SMR技术，密度提升25%

对HDD硬盘来说，折腾转速、驱动系统乃是舍本逐末，这些是它的天生缺点，提升空间有限，而HDD现在的核心优势、同时也是多年停滞不前的地方是磁盘，确切说是磁记录技术，我们现在使用的HDD硬盘主要是PMR垂直磁记录技术，最早的探索可以追溯到十九世纪末，1975年日本东北大学教授岩崎峻一提出PMR技术，不过用于计算机中还是1987年东芝的2.88MB ED软盘，2004年东芝才正式将PMR技术用于HDD硬盘，容量80GB，双盘结构，直径1.8英寸，存储密度达到了133Gb/in2(每平方英寸Gb)。

SDK第九代PMR磁盘已经实现单碟1.8TB容量

PMR技术商业化之后就成为HDD硬盘的主流选择了，由于该技术最早是日本厂商开发的，所以迄今为止日本厂商都是最重要的PMR磁盘供应商，包括TDK、SDK昭和电工，其中SDK的PMR磁盘已经发展到了第九代，3.5寸规格的磁盘单碟容量已经提升到了最高1.8TB，2.5寸版也有单碟1TB了，目前12TB、14TB的HDD硬盘基本上都是这个磁盘的功劳。

在这背后，是PMR磁盘存储密度的不断提升，前面说到东芝首发的PMR硬盘存储密度才133Gbit/in2，而九代PMR磁盘的密度提升到了1Tbit/in2，但也接近了PMR技术的极限了，再往下PMR磁盘已经没多少潜力可挖了。

存储密度突破1Tbit/in2之后，业内厂商又推出了SMR(Shingled Magnetic Recording)叠瓦式磁记录技术，它本质上也是PMR技术，但是通过提高磁轨的空间效率实现了更高的存储密度，简单来说就是上图所示的那样堆叠方式，将瓦片的间隔减少，所以同样的场地下可以堆叠更多的瓦片，而SMR因此可以把存储密度提升最多25%，所以14TB(9碟1.5TB组成)之后的硬盘普遍要用SMR技术，西数前不久发布的UltraStar DC HC620硬盘容量就是15TB，靠的就是SMR技术，存储密度从1034Gbits/sq.in(每平方英寸Gbit)提升到了1108Gbits/sq.in，所以9碟封装下实现了15TB容量。

不过SMR技术有优点也有缺点，最大的问题就是写入数据时临近磁轨也要受到影响，要写就得一块写，所以性能会降低，而且有可能影响数据可靠性，为此西数、希捷也开发了各自的解决方案降低SMR负面影响。

总之，SMR通过提高空间效率提升了存储密度，但是它带来的改变并不大，25%的提升是理论上的，实际提升不会有这么高，再加上一些负面影响，SMR技术只是过渡用的，真正革命性的磁记录技术还在路上。

HDD续命机遇之三：新一代磁记录技术混战，HAMR跑的最快

上面说了SMR技术只是给PMR技术添砖加瓦式，再怎么折腾也无法大幅提高PMR技术的存储密度了，想改就要换技术标准，所以很早就在研发取代PMR磁记录的技术，候选人有TDMR(Two Dimensional Magnetic Recording，2D磁记录)、HAMR(Heat Assisted Magnetic Recording，热磁辅助记录)、HDMR(Heated Dot Magnetic Recording，热点磁记录)等，其中HAMR是研究的比较成熟的，也是新一代标准最强力的候选人，HDMR技术也是基于HAMR技术的。

与PMR技术的1Tbit/in2存储密度相比，这些新技术的存储密度可以提升到5Tbit/in2，甚至10Tbit/in2，也就是说单碟容量有5-10倍的变化，现有技术已经可以做到14TB了，所以未来100TB容量不是问题了。

PMR技术之后的各种候选人

HAMR技术也不算新鲜了，其原理实际上早在1954年就提出了，甚至比IBM推出首款商业硬盘的时间还要早。它的原理很简单——根据西数的材料，HAMR技术的基础是将激光二极管直接放在写入磁头组件的前

面，然后非常快速地加热无法写入(除非在写入过程中加热才能写入)的高矫顽力的介质。随着介质从激光强热中冷却下来，介质的矫顽力增加，确保数据位的正常状态，使得磁化不会意外发生变化。

HAMR技术的原理就是上图所示，就是用激光加热到400到700°C让材料磁性发生变化，虽然原理说起来容易，但实现起来就没这么简单了，HAMR需要全新的存储介质、重新设计的激光读写磁头、特殊的NFT近场光学传感器以及其他大量没用过或者大量生产的元件。

但是在每个硬盘磁头组件中应用激光成本高昂，增加物料的成本不说，还有一个问题让人担心，那就是小而窄的区域中引入高热量会造成严重的可靠性问题。对于这个问题，西数开发了MAMR(微波辅助磁记录技术)，据官方介绍，其原理是利用自旋转矩振荡器 (STO)产生微波场。在这种方法中，STO位于磁头写入极附近，产生允许在较低磁场下将数据写入垂直磁记录介质的电磁场。磁盘上的磁性晶粒与转子式陀螺类似，在没有外磁场作用的情况下，在上下方向上保持稳定。当在磁体当前状态的反方向上施加一个足够强的磁场时，极性会沿着所施加磁场的方向翻转。通过STO施加的额外磁场可以更低的磁场更快翻转磁体。

西数表示MAMR技术具备更高的可靠性，内部测试显示MAMR 磁头的中断故障时间是HAMR磁头的百分之一。此外，对一种磁头的可靠性测试表明，99.99%的MAMR 磁头的写入使用寿命比 99.99% 的 HAMR 磁头的写入使用寿命高出好几个级别。

在存储密度上，MAMR磁记录技术的存储密度可达4Tbit/in2，远高于目前的SMR磁盘的1.3Tbit/in2及PMR磁盘的1.1Tbit/in2密度。

与西数不同，希捷那边公布的技术路线还是HAMR，不过在解决HAMR技术温度及可靠性等问题上，希捷也会有自己的解决方案。

不论是HAMR还是MAMR技术，西数、希捷给出的路线图时间都差不多，今年内可能会出样给客户，但是2019年才会有HAMR或者MAMR硬盘上市，容量会进一步提升到16TB，2020年的目标是20TB。

总结：HDD硬盘不会退出舞台，单位价格容量依然有优势

HDD硬盘问世这么多年，大风大浪见多了，但是NAND闪存带给HDD硬盘的挑战是前所未有的，随着大容量NAND闪存技术的不断出现，HDD硬盘的命运已经注定了，一旦QLC闪存大规模量产上市，TB级SSD硬盘普及就不是问题了，消费级市场上HDD硬盘只会越来越少。

HD硬盘不会退出历史舞台，不过HDD硬盘日后发挥作用的场合主要就是数据中心、企业级市场了，西数之前表示哪怕到了2020年，数据中心90%的数据容量都是存储在HDD硬盘上的。

在技术上，HDD硬盘现在用的PMR技术已经进入尾声，2019年将开启HAMR、MAMR等新技术的大门，存储密度未来会提升5-10倍，不过这个过程也是慢慢提升的，现在的目标是2025年差不多能见到100TB级别的HDD硬盘。