HDD磁碟，非4K無以致遠

機械硬碟的未來要靠高容量作為依託，在財報中，希捷表示未來18個月內它們將推出14和16TB機械硬碟，而2020年20TB機械硬碟就將誕生。也有資料顯示，3.5英寸100TB硬碟大概在2025年就能面世。因此，機械硬碟與固態硬碟的拉鋸戰恐怕還會繼續打下去。

3.5寸6TB以上容量等大容量磁碟，都採用4K扇區磁碟，所以4K扇區磁碟技術是大容量磁碟的技術載體。前一段時間，分享過一篇文章vSAN 6.5解耦vSphere讓存儲更任性，裡面提到4K磁碟，很多讀者問我關於4K磁碟的問題，今天花時間跟大家分享下這方面的知識。

什麼是4K扇區

在硬碟碟片上，扇區（sector）是尋址、存放數據的最小單位，是扇區的基本組成。

用戶數據區是存儲用戶數據的區域，ECC隨用戶數據生成並一起寫入碟片，用於修復受損的數據，格式化開銷包含同步欄位、DAM(數據地址標記)、扇區間隔，這些信息在格式化時生成。

扇區的大小分類

512扇區：每扇區可存儲512字節用戶數據，硬碟誕生50多年來一直採用512扇區，正逐漸被4K扇區所取代。

4K扇區：每扇區可存儲4KB用戶數據，相當於把8個512合併為一個大扇區。2010年各廠家開始推出4K扇區的硬碟，目前已逐漸成為主流。

為什麼會出現4K扇區硬碟

4K扇區技術有助於提升硬碟容量，同時改善數據完整性

格式化開銷降低10%~15%，可用較少的物理空間存儲相同的用戶數據量，有利於廠家製造出容量更大的硬碟。

4K扇區的ECC更長。隨著硬碟記錄密度的攀升，512 扇區在碟片上占用的空間越來越小，同樣大小的介質缺陷對總體數據負載損害的百分比越來越高，錯誤修復變的越來越困難。擴大扇區，同時用更長的ECC來提高糾錯能力是解決之道。

機械硬碟的主要優勢在於容量，4K扇區技術是提升硬碟容量的有效手段，遷移到4K扇區是大勢所趨。桌面級硬碟自2011年開始迅速往4K扇區遷移，企業級硬碟的遷移啟動相對較晚。

4K扇區硬碟的分類

在接口層面，主機通過邏輯塊地址（LBA）訪問硬碟扇區。在512扇區時代，LBA與物理扇區一一對應，這類硬碟又稱512N盤，在4K扇區出現之前，只有512N盤，因此作業系統訪問硬碟時默認以 512字節/LBA 收發數據。
4K扇區技術出現後，為保證兼容性，廠家在接口上提供了512字節/LBA的模擬，這類硬碟被稱為512E硬碟。
512E是過渡方案，廠家期望儘快把物理扇區和LBA都統一到4KB，即4KN硬碟。針對4KN盤，作業系統必須做調整適配，訪問硬碟時以4KB/LBA收發數據。

4K扇區硬碟對磁碟性能提升

4K扇區硬碟的順序讀寫帶寬比同代次的512扇區硬碟高10%~15%，512E硬碟的隨機讀性能與512N、4KN相差不大，但小數據塊隨機寫性能難以保證。

物理扇區是硬碟內部尋址、讀寫的基本單元，理想情況下，要保證512E盤的寫性能，須確保4K對齊。

寫IO的起點落在4K邊界
寫入數據長度是4KB的整數倍
非4K對齊的寫IO，硬碟內部操作變成「讀-改-寫」，需要碟片旋轉多圈，IOPS比4K對齊時有大幅跌落。

4K扇區硬碟兼容性

4KN盤的LBA和物理扇區一一對應，沒有隨機寫性能差的風險，但需要存儲廠商主動解決兼容性問題。

綜合考慮兼容性和性能，最佳應對策略是主動優化系統軟體，搶在4KN硬碟正式出貨前就能夠支持4KN硬碟，考慮512E是過度產品，儘量直接從512N轉到使用4KN，避免使用512E。

4K扇區技術應用現狀

當前企業級硬碟的物理扇區大小正在從512B往4K過渡，除了HGST氦氣盤外，希捷和HGST的最新代次都提供了512B和4K兩種物理扇區，最高容量點都只有4K扇區硬碟可選，例如：2.5寸1.8TB容量點，3.5寸6TB容量點。

希捷和HGST兩家供應商都計劃把下一代盤全部切到4K物理扇區，不再生產512N盤。

對於技術儲備不足，尚未支持4KN盤的小廠商，很可能將使用512E硬碟，面臨隨機寫性能難以保證的困擾。

影響HDD硬碟壽命的因素

硬碟溫度規格是5-60度，為什麼建議運行在40度以下

硬碟溫度規格5-60度是指能夠正常運行的溫度，如果要保障硬碟更長的使用壽命和更低的故障率，40度以下是比較合適的。由於硬碟內部的一些非金屬材料具有揮發性，如密封膠、粘接膠、潤滑材料等，揮發物直接影響硬碟內部的潔凈度，如果溫度過高，材料會加速揮發，進而導致硬碟失效。

硬碟為什麼要求濕度5-90%

硬碟由電路板和機械部件組成，如果濕度過高，容易形成凝露，造成電路板短路和硬碟內部磁頭、碟片污染，導致硬碟失效。

為什麼硬碟要求運行海拔-304.8m to 3048m

硬碟運行主要依靠的是空氣動力學，碟片高速旋轉，帶動空氣旋轉，磁頭則依靠空氣旋轉產生的浮力停靠在碟片的上方。空氣浮力的大小和密度有很直接的關係，而海拔又是影響空氣密度的重要因素。過高的海拔會導致空氣密度偏低，使得浮力偏小，磁頭飛行高度下降，容易撞擊碟片；過低的海拔則會導致空氣密度偏高，浮力偏大，磁頭飛行高度升高，磁頭無法讀取碟片上的數據。