溫故而知新緬懷那些被歷史掩埋的HDD硬碟

HDD機械硬碟自1956年誕生至今已近60年，歷經風雨的它承載了太多的數據和記憶。在SSD打響普及戰役之前，我們不妨先來回顧一下HDD的發展軌跡吧。

HDD的「瘦身史」

HDD機械硬碟的60年其實就是一部「瘦身史」，體積最小化、容量最大化就是它的終極目標。然而，限於物理結構的制約（圖1），HDD再怎麼瘦身都是有極限的，於是也就給了SSD取代它的機會。

圖1 ：HDD硬碟的構成非常複雜，元器件之多令人咋舌。本圖來自PCPOP

HDD曾是「巨無霸」

今天，我們可以往硬碟里塞進數百GB的數據，而且可以隨時快速讀取調用。但你可曾想到，在60年之前的人們只能使用打孔卡和磁帶進行數據的存儲，而且在數小時或幾天後才能得到所需的數據，這就是順序存取技術的尷尬。終於，1956年IBM推出了RAMAC 305，作為全球首部隨機存取磁碟驅動器，RAMAC 305可以在幾秒內找到數據，並對數據進行修改和移動，以找到完全不同的數據。遺憾的是，RAMAC 305體積有2部冰箱那麼大（圖2），而且重量高達1噸，但容量卻僅有5MB而已。

圖2

堪稱巨無霸的RAMAC 305顯然不符合PC逐步向小型化發展的潮流趨勢，於是IBM在1968年提出了「溫徹斯特」（Winchester）技術，即「密封、固定並高速旋轉的鍍磁碟片，磁頭沿碟片徑向移動，磁頭懸浮在高速轉動的碟片上方，而不與碟片直接接觸」。而這一技術也就成為了現代機械硬碟的原型。

從未停歇的瘦身之旅

以「溫徹斯特」技術為基礎，再結合不斷改進磁頭技術、電機技術、碟片技術（圖3），機械硬碟的體積也在不斷的瘦身之中，從主宰60至70年代的14英寸，一路縮小到8英寸、5.25英寸，直至我們熟悉的3.5英寸（台式機硬碟）和2.5英寸（筆記本硬碟）。其中，最值得我們關注的就是1980年面世的5.25英寸硬碟驅動器ST-506（圖4）。這款硬碟的規格為4張碟片5MB容量，雖然容量與RAMAC 305持平，但其體積卻真正實現了向「迷你」時代的跨越。

圖3

圖4

1983年，Rodime推出了世界第一塊3.5英寸硬碟驅動器RO-352，但卻因成本高容量小而險些夭折。還好，硬碟存儲密度的增長速度最終超出了客戶實際需求的增長速度。在不斷的技術革新之下，3.5英寸硬碟最終在成本和容量上戰勝了5.25英寸，確立了其在PC行業（桌上型電腦）近30年的霸主地位（圖5）。與此同時，隨著第一塊2.5英寸硬碟由Prairietek於1989年推出，這種相對迷你的HDD最終被筆記本相中，並將其作為移動PC的存儲核心。

圖5

HDD也曾超級迷你

步入2000年之後，隨著以iPod為代表的MP3的崛起，如何在巴掌大小的音樂播放器里保存更多歌曲，就成為了硬碟廠商新的研發動力。於是，HDD開始了新一輪的瘦身競賽，從1.8英寸開始，一路減肥到了1英寸（以IBM為主）和0.85英寸（以東芝為主）。以0.85英寸的東芝HDD為例，其最大容量約3GB，體積和SD卡相當（圖6），但依舊容納了磁頭、電機、碟片和一系列主控晶片，可謂麻雀雖小五臟俱全。可惜，1英寸和0.85英寸硬碟市場太過小眾，很多國內用戶根本無緣接觸。

圖6

而1.8英寸硬碟的境遇則稍好一些，它曾被很多筆記本所武裝。如今，如果你在京東或淘寶上搜索「1.8英寸移動硬碟」，依舊可以找到很多武裝20GB～120GB容量不同的1.8英寸移動硬碟產品，其價格多在百元以內（圖7），只是這類硬碟轉速只有4200rpm，讀寫速度並不快。

圖7

遭遇快閃記憶體狙擊

遺憾的是，小於1.8英寸的超迷你HDD硬碟生不逢時，正好趕上了NAND快閃記憶體技術迅速崛起的時代。NAND快閃記憶體沒有機械結構，所以不怕振動、耗電小、無噪音，於是一步步將超迷你HDD踢出了MP3、MP4、筆記本等移動設備市場。如今，一款指甲大小的MicroSD卡的容量就可達到200GB（圖8），讀取速度高達90MB/s，這是超迷你HDD硬碟無論如何也難以企及的高度。

圖8

實際上，SSD固態硬碟的主要組成部分也是NAND快閃記憶體（圖9），其成本和容量受限於生產工藝。目前NAND的工藝正處於20nm向15nm（東芝）和10nm（三星）轉型的階段，而SSD之所以敢取代HDD的底氣也就源於此：HDD無論是體積、速度還是容量都存在機械結構的極限，但NAND卻存在無盡的可能，換個工藝就能在體積不變的基礎上容量翻番成本減半！

圖9

HDD的「提速史」

HDD機械硬碟在瘦身的同時，硬碟與PC間的傳輸通道也在不斷的改進和進化中，以滿足更大容量的讀寫速度需求。然而，目前主流的磁碟接口的理論傳輸速度都遠遠超過了HDD可能達到的極限，而這也是SSD能取代HDD的另一個重要原因。

那些塵封於歷史的接口

在PC的歷史上，最早的通用型硬碟接口應該是由希捷倡導的ST-506/412接口，該接口的名稱對應希捷ST-506和ST-412這兩款硬碟。1983年，邁拓推出了全新的ESDI接口，其速度可達10Mbps，是ST-506接口的2～4倍。隨著HDD硬碟容量突破1GB大關後，其對讀寫速度也提出了更高的要求。於是，從1986年開始，IDE時代就此來臨。

從IDE到SATA的跨越

IDE（Integrated DriveElectronics）是指把控制器與盤體集成在一起的硬碟驅動器，其在後期也被成為PATA、ATA、ATAPI，經歷了ATA-1、ATA-2……ATA-6等標準升級，主要用於硬碟、光碟機等存儲設備，使用40針/80針的並行數據線，最大速度可達133MB/s。IDE應該是史上壽命最長的傳輸接口（圖10 ：採用IDE接口的HDD硬碟），直至2013年12月29日，西部數據才正式停止銷售IDE硬碟。

圖10 ：採用IDE接口的HDD硬碟

雖然IDE足以滿足HDD硬碟的讀寫需求，而且兼容性也不賴，但其最存在抗干擾性差、安裝不便、不支持熱插拔、無法外部使用（需設置主從盤）、接口和排線太過占用空間等問題。因此，隨著Serial ATA（SATA）標準的出現，IDE也就逐步退出市場，形成SATA一統江山的局面。

HDD讀寫速度的瓶頸

SATA接口最大的特性就是以連續串行的方式傳送資料，用四個針就能完成所有的工作，可有效降低電力消耗、減小發熱量。而更簡潔的接口和排線設計，也符合PC往小型化發展的趨勢。截至目前位置，SATA經歷了從SATA1.0、SATA2.0（3Gbps）、SATA3.0（6Gbps）三次標準升級（圖11），理論外部傳輸率分別為150MB/s、300MB/s和600MB/s。遺憾的是，從SATA2.0開始，其理論傳輸率就已經遠遠超過了HDD硬碟所能達到的最高速度（圖12）。換句話說，如果你想充分挖掘SATA接口的傳輸潛力，只能選擇讀寫性能更優秀的SSD硬碟。

圖11：白色為SATA3.0，最右側為IDE

圖12 ：HDD在接SATA1.0、2.0、3.0接口的速度上差別不大

針對SSD高速的特性，以及小型化PC設備的設計需要，比SATA更迷你的mSATA以及M.2（NGFF）接口也隨之面世。其中，M.2可以繞過SATA而選擇帶寬更為充裕的PCIe總線，輕易突破SATA3.0的速度極限，理論傳輸速度最高可達1000MB/s！這足以讓HDD羨慕到吐血。因此，HDD在最近幾年中也不再談及速度，而將重心放在了提升單碟容量、降低功耗的層面之上，以求博得用戶的關注。

HDD的「沉淪史」

在HDD機械硬碟數十年的崢嶸歲月，見證了無數品牌的崛起與衰落。昆騰「火球」、昆騰「大腳」、邁拓「新火球」、IBM「玻璃硬碟」等經典產品依舊言猶在耳。多年後，這些昔日的大牌早已退出了歷史舞台，讓HDD的歷程變成了一出活生生的「沉淪史」。

HDD的併購宿命

回憶當年，HDD機械硬碟的價格動輒千元以上，豐厚的利潤蛋糕引得無數廠商瘋搶。然而，隨著2000年PC銷量步入下滑期，很多昔日的「大佬」撐不住了。而首先陷入併購宿命的，就是當時的老大哥----昆騰，將硬碟部門以股權置換形式賣給了邁拓公司，交易總值約為23億美元；2012年，IBM受玻璃硬碟壞道率奇高的拖累，將硬碟業務以20.5億美元轉手日立（HGST）；2005年底，希捷以19億美元為代價，將邁拓收入門中（圖13）；2009年初，東芝以不足10億美元的代價收購了富士通的磁碟驅動器業務；2011年，希捷以現金加股票的形式，出資43億美元收購了日立（HGST）。

圖13 ：昔日HDD的老大哥----邁拓硬碟

經過這麼一番折騰，如今HDD市場碩果僅存其三，希捷、西部數據（下文簡稱西數）以及東芝。而由於東芝已將戰略重心轉移到了SSD市場，因此嚴格意義上講今天的HDD領域就是希捷和西數兩家獨大了。

HDD的國產回憶

在HDD最為風光的那幾年，很多國產品牌也紛紛加入戰局。其中最具代表性的就是易拓硬碟和長城硬碟，其中易拓以引入IBM生產工藝為噱頭，最終陷入了玻璃硬碟的質量漩渦之中；而長城硬碟曾打造出第一塊中國自主生產的8.6GB高速硬碟，但同樣因質量問題而早早退出了市場。

實際上，別看HDD似乎是PC內最不起眼的硬體，但它卻對生產工藝和品控的要求極高。無論是國外的IBM，還是國內的易拓長城，都是因某幾款產品的故障率而失去了江山（圖14）。要知道，HDD自身的確不值錢，但其承載的數據確是無價的。你把人家無價的數據弄丟了，不找你拚命才怪！

圖14

希捷西數「自挖牆腳」

經歷HDD市場的幾番沉淪後，活到今天的西數和希捷都是「人精」，雖有來自希捷的專家提出了「根據大量的測試和統計，發現固態硬碟即使在不通電的情況下，數據也會隨時間慢慢丟失。此外，溫度也至關重要，每升高大約5℃，數據能保存的時間就會減少一半」這種驚天觀點（事實證明沒有太多依據），但卻不妨礙兩大硬碟巨頭在SSD領域的布局。

其中，希捷早在2013年就推出了針對企業級用戶定製的高端SSD硬碟（圖15），並完成了對Avago公司旗下LSI加速解決方案部門、FCD快閃記憶體組件部門的資產收購。要知道，LSI擁有當今市場上最廣泛的PCI-E快閃記憶體產品系列和智慧財產權，而FCD部門則擁有同類最佳的SSD控制器，也就是大名鼎鼎的SandForce。此外，在2015年初業內也傳出西數JMicron拿到了西部數據的訂單，將用於後者的固態硬碟產品的消息。種種跡象表明，希捷西數這兩尊HDD大鱷已經認識到HDD市場的頹勢，力求在SSD領域尋求突破的決心。

圖15 ：希捷首款SSD

HDD的「未來經」

雖然SSD取代HDD似成定局，但HDD真的會退出歷史舞台嗎？答案自然是否定的，即便SSD真的降到很便宜，那短期內也只會限定在筆記本、平板、一體機和迷你機等領域，傳統台式機和移動硬碟市場，HDD依舊難以被取代。

有需求就有市場

和SSD相比，HDD最大的優勢依舊是容量。特別是在最新氦氣硬碟技術和疊瓦式磁記錄技術的加持之下（圖16），讓HDD終於突破了史無前例的8TB甚至10TB大關！反觀SSD，哪怕它未來真的可以做到相同的容量，但價格依舊會維持在天價級別。

圖16

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所謂氦氣硬碟，是指在封閉的硬碟內填充氦氣，可使其能比普通硬碟多2張碟片，瞬間容量增大40%。而疊瓦式磁記錄技術則類似於瓦片的疊加效應，可提高33%的磁碟存儲密度。

並非所有的設備都需要SSD那高速的讀寫性能，比如路由器（圖17）、移動硬碟、視頻監控設備、影音發燒友用於保存視頻的PC等等。在這些領域，哪怕SSD的價格再便宜，但只要它們的容量不達標依舊難以吸引用戶關注。

圖17 ：你捨得往路由器里塞SSD嗎？HDD容量大，速度夠用，SSD反而有浪費之嫌

「混合硬碟」救市

在SSD的步步緊逼之下，HDD也展開了自救之旅。除了想辦法提高容量外，還採取了和NAND快閃記憶體聯姻的方式，以SSHD「混合硬碟」的身份殺入市場。

簡單來說，SSHD就是在傳統HDD的PCB主板上增加一顆8GB起步的NAND快閃記憶體晶片以及主控晶片（圖18），通過特殊的算法提高HDD的隨機讀寫性能。目前，SSHD內的NAND快閃記憶體主要有兩種工作模式，其一是SSD緩存加速技術，即將NAND作為加速緩衝區，為主體的HDD機械硬碟提供緩存加速服務，缺點是；其二是緩存記憶技術，即把用戶最常使用的軟體、數據信息預存到NAND中緩存，這個緩存具備學習和記憶功能，隨時使用時間的增加你會發現常用的軟體可以越用越快。