電腦達人養成計畫 7-5：硬碟運作原理

在簡介完硬碟與磁碟介面的發展過程與特色之後，接下來站長打算把主題轉向回到較具技術性的部分，談談現代電腦硬碟的運作原理與作業系統等軟體如何利用硬碟儲存空間。

現代電腦硬碟運作原理

在現代的電腦架構中，最早、最廣泛且最長期使用的就是磁性儲存媒介，從 7-1 節介紹過的磁帶、軟碟片到 7-2 節與 7-3 節所談的硬碟都是基於磁性儲存媒介設計出來的儲存設備 (一般而言會包含讀寫頭、塗有磁性物質的碟盤與控制電路板等元件所組成)，而磁性儲存媒介的基本原理就是透過讀寫頭與塗滿磁性物質的碟片之間的交互作用來進行資料的讀寫。

採用磁性材料作為儲存媒介之儲存設備的基本原理為利用讀寫頭發出的磁場改變儲存媒介上塗布的磁性材料的分布情形進行資料寫入、利用讀寫頭感測各區域的磁性材料分布情形 (感應各區塊的磁性物質所產生的磁場方向) 來讀取資料，也就是我們接下來要探討的主題——磁性紀錄技術。

磁性記錄技術

雖然過去幾十年內推出的電腦硬碟運作的基本原理大致相同，但在實作方面其實有著多種不同做法。從最早被發展出來的水平磁性記錄技術 (LMR) 到十幾年前讓電腦硬碟容量大幅提升的垂直磁性記錄技術 (PMR)，再到近年來為追求更高儲存密度推出，但因其特性而引發許多爭議的疊瓦式磁性記錄技術 (SMR)，隨著時代變遷至今已有許多種類不同的記錄技術被發展出來。

水平磁性記錄技術 (LMR)

水平磁性記錄技術 (Longitudinal Magnetic Recording，LMR) 為最初被發展出來的磁性記錄技術，在 2005 年以前的硬碟都是採用此種技術，此種硬碟所使用的磁盤其上塗佈的磁性物質的磁性主要分布方向是與盤面平行的。

水平磁性記錄技術伴隨著電腦硬碟的發展一路走過了五十多個年頭，但隨著儲存密度的上升、用於儲存資料的磁性物質體積愈縮愈小而變得益發明顯的超順磁效應問題 (隨著磁性物質體積縮小，使其磁場方向改變所需的能量也隨之下降，最終到了在室溫環境下磁場方向也會自發性發生改變的程度，無法維持穩定的磁場方向自然也就無法穩定儲存資料) 使得硬碟容量與可靠性的提升遭遇了嚴重的瓶頸，水平磁性記錄技術所能允許的極限儲存密度大約是每平方英吋 120 Gb 左右。

垂直磁性記錄技術 (PMR)

為了應對水平磁性記錄技術愈來愈嚴重的超順磁效應問題，硬碟廠商在 2005 年開始推出採用垂直磁性記錄技術 (Perpendicular Magnetic Recording，PMR) 的硬碟產品，首款上市的產品為 TOSHIBA 在 2005 年 08 月所推出的 1.8 吋微型硬碟 (這種硬碟當年被大量應用在 iPod 上)，隨後 Seagate 等廠商也在 2006 年陸續推出用於筆記型電腦與桌上型電腦的 PMR 硬碟 (又稱為「垂直寫錄硬碟」)。

PMR 技術的主要原理為透過將磁盤上塗佈的磁性單元「立起來」使其磁性主要分布方向變為與盤面垂直來達到抑制超順磁效應的效果，從而使得磁盤上的單位面積儲存密度得以再次大幅提升，750 GB 以上的 2.5 吋硬碟與 1 TB 以上的 3.5 吋硬碟大多至少需要採用 PMR 技術才得以實現，隨著電腦硬碟容量的持續提升，目前 PMR 也已成為最主流的硬碟技術。

此外，由於 PMR 與 LMR 技術的原理十分相似，主要差異為磁性記錄單元的方向有所不同，因此 PMR 與 LMR 這兩種磁性記錄技術近來常被合稱為「傳統磁性記錄技術 (Conventional Magnetic Recording，CMR)」。

疊瓦式磁性記錄技術 (SMR)

由於磁軌寬度持續縮減會導致超順磁效應問題再次變得明顯，因此追求提高儲存密度時以磁軌為改進標的已經不太可行，因此硬碟廠商不得不尋找其他的途徑。

在 2013 年 Seagate 正式發布了疊瓦式磁性記錄技術 (Shingled Magnetic Recording，SMR)，與傳統磁性記錄技術相比，SMR 技術最大的特性在於磁軌的排列方式由原先的互不重疊甚至為了配合讀寫頭的寬度而保有一定間距改為層層相疊、狀似屋瓦或階梯的結構，而這也是其中文名稱「疊瓦式」的由來。

既然 SMR 的磁軌層層相疊，其單位面積所能容納的磁區數量顯然會因此而顯著成長，硬碟廠商認為這可以做為隨儲存密度持續上升而讓 PMR 技術再次遇上超順磁性效應問題時的解決方案，但 SMR 技術並非沒有缺點，而那些缺點也使得廠商在推動 SMR 技術時產生了不少爭議。

SMR 技術得以實現且有其意義的關鍵在於就目前技術而言讀寫頭當中負責「讀」的部分可以做得比負責「寫」的部分來得小，因此將磁軌層層相疊而每層僅露出與讀寫頭負責「讀」的部分等寬的部分就可以達到提高儲存密度同時又不影響讀取的目的，但對於 SMR 技術來說真正的挑戰是在寫入的部分。

由於讀寫頭當中負責「寫」的部分寬度比重疊之後露出的磁軌還要來得寬，因此無可避免的讀寫頭在進行寫入時勢必會同時影響到相鄰的磁軌，因此在寫入資料之前得把鄰近磁軌的資料先暫存到其他位置，等到寫入操作完成之後再把周圍所有磁軌重新寫入一次。

這樣的做法會導致幾個問題：

• 隨機寫入時需要大量進行鄰近磁軌重新寫入，導致性能的減退、壽命的縮短與可靠性的下降，在快取空間被用光之後寫入性能會出現非常劇烈的下跌。
• 為了確保相鄰磁軌的資料不在寫入時發生遺失，需要頻繁將資料搬入暫存區再回寫，導致延遲與發生斷電時資料遺失的風險提高。
• 在軟體、韌體支援不佳的情況下頻繁的資料移動可能導致發生錯誤進而引發檔案毀損的機率提高。
• 每多一次寫入便多一次出錯的可能，整體而言可能造成可靠性的下降。

為了應對這些缺點，硬碟廠商針對 SMR 技術的硬碟大多會採行加大快取、將磁軌分群應用、在磁盤上增加採用 PMR 技術的特殊區域同時應用這兩種技術等作法來緩解這些問題所帶來的影響。

由於採用 SMR 技術的硬碟在處理大量隨機寫入時的劣勢，目前而言一般不建議將採用 SMR 技術的硬碟用於安裝作業系統與日常操作用途，SMR 技術硬碟較適合用於大型資料備份與冷儲存等用途，根據 WD 在 2019 年所發布的預測，在 2023 年資料中心硬碟總出貨量當中將有近半是採用 SMR 技術的硬碟。

能量輔助磁性記錄技術 (EAMR)

除了 SMR 之外，目前磁性記錄仍有許多技術持續在發展中，目前看起來較有潛力的發展方向是以尋求透過外加能量輔助寫入來克服超順磁效應的能量輔助磁性記錄技術 (Energy Assisted Magnetic Recording，EAMR)。

各家硬碟廠商目前已經提出了多種不同的 EAMR 技術方案，例如 2006 年富士通發表了熱輔助磁性記錄技術 (Heat Assisted Magnetic Recording，HAMR) 與 2017 年由 WD 所發表的微波輔助磁性記錄技術 (Microwave Assisted Magentic Recording，MAMR) 等都屬於此類技術，前者使用雷射快速加熱磁性儲存單元，後者則使用發射微波的方式達成抑制超順磁性效應的目的。

至於首款進入量產階段的 EAMR 類技術硬碟則是 WD 在 2020 年所推出的 Ultrastar HC550，使用的不是 HAMR 也非 MAMR，而是相對而言較為簡單的「能量輔助式垂直磁性記錄技術 (Energy-Assisted PMR，ePMR)」，是基於現有垂直磁性記錄技術 (PMR) 的改進產物。

ePMR 技術透過在現有 PMR 的基礎上於讀寫頭主要結構通入電流產生額外磁場以進一步穩定讀寫頭對微小磁性單元進行寫入的能力，使磁軌密度得以再次在不使用目前消費者仍有許多疑慮的 SMR 技術的狀況下再次小幅提升，使單一硬碟機可提供多達 18 TB 的儲存空間。

至於 HAMR 與 MAMR 的部分，目前所知的是 Seagate 較傾向於發展 HAMR 技術，而 WD 則傾向於押寶 MAMR 技術並認為 HAMR 使用熱能作為寫入時的重要條件很可能有不易控制、可靠性低的問題，不過截至目前為止二者都還在研發階段中，僅有少量樣品被產出。