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2009年11月10日 星期二

傳承科技- 硬碟常見技術與理論大收集 -www.radius.tw

硬碟常見技術與理論大收集 總的來說,目前硬碟技術的發展主要集中在速度、容量及可靠性三方面。Ultra-ATA100/133接口、GMR巨磁阻技術和S.M.A.R.T自我監測分析和報告技術等各項技術已普遍為各大硬碟製造商所採用,這使得硬碟在傳輸率、單片儲存容量和監測預告技術上較以往有了很大提高。

  1、更高的主軸電機轉速。

  目前大多數硬碟的主軸電機轉速一般都在5400轉以上。理論上來說,轉速越快,硬碟的速度越快,但提高轉速受到散熱、穩定性等多方面的制約,因此硬碟轉速的提高是有限度的。E-IDE接口硬碟大約會以10000轉/分為限。隨著硬碟轉速的提高,平均等待時間和平均尋道時間隨之下降,平均尋道時間縮短到9ms以下。而SCSI接口的硬碟轉速已提高到15000轉/分以上。

   2、ULTRADSP(超級數字信號處理器)的應用。

  DSP每秒可以處理數以千萬條指令,處理數學運算時較一般CPU快10~50倍,MAXTOR在硬碟廠商中率先引入了此項技術,用於縮短硬碟的平均尋道時間,採用ULTTRADSP技術,其單一的DSP芯片可同時提供處理器及驅動接口的雙重功能,減少了其它電子零件的使用,可大幅度提高硬碟的速度可靠性。

   3、高速緩存技術。

  目前在硬碟上廣泛採用了多段先行讀出式超高速緩存器,多段先行讀出式超高速緩存器可在讀出和先行讀出作業中,資料被存入超高速緩存器中,主機不必通過硬碟便可以直接使用這些資料,由於每一段都可以用作一個獨立的緩衝器,可以在多任務環境中大大提高系統的吞吐性能。因此即使是E-IDE接口的硬碟,為了提高性能,最好也要擁有256KB的高速緩存。由於高速緩存可以提高硬碟性能,所以隨著硬碟容量的加大,高速緩存就顯得越來越重要。目前一些硬碟上已經採用了高達8M的高速緩存。

   4、硬碟內多盤片封裝技術

  當平均存取時間和記錄密度一定時,盤片數加倍則單位區域內的容量加倍,移動磁頭尋道的可能性將減小,性能將提高。一般E-IDE接口的硬碟最多為四片盤。

   5、OAW技術

  在傳統碟盤技術發展的上存在一個「超順磁極限」。傳統磁記錄驅動器的面記錄密度越來越大,當它達到20~40Gb/平方英吋時,碟盤上的磁介質就無法保持穩定的磁疇,這就是傳統碟盤技術發展的理論極限。但信息技術發展對信息儲存的要求卻沒有極限。OAW技術達到的面記錄密度遠高於今天的硬碟驅動器,最終將突破超順磁極限即傳統磁技術的面記錄密度的理論極限。OAW技術在驅動器業界首次把光技術、磁技術和通信技術集成在一起,構成新一類的經濟實惠的高容量驅動器產品。OAW技術能突破超順磁級所限制的驅動器性能。OAW系統由:先進的光輸送系統、獨特的磁頭設計、全新的伺服系統、等新一代記錄介質子系統組成。

   6、「濕盤」(wetdisk)技術

  當我們要把碟盤密度進一步增大,目前以金屬薄膜盤片以及玻璃基片的「溫盤技術」便無能為力了。我們知道,當碟盤密度達到一定程度時,信號便會變得更加微弱,並且相鄰信號之間的干擾也更為嚴重。要解決只能把磁頭進一步貼近盤片,但目前的磁頭飛高已不到0.08微米,要進一步令磁頭靠近盤片非常困難,因為這要克服磁頭抖動及盤片細微凹凸等引起問題。為此,有人提出乾脆把磁頭緊貼碟盤(Contactrecording),就像錄音機那樣。但對盤片及磁頭而言,這種接觸是致命的,磁頭與盤片會兩敗俱傷。於是,一種全新的盤片--「濕盤」(wetdisk)被提上的研發日程,「濕盤」可以最大限度地減少磁頭與盤片的磨擦,但其中還有不少技術上與工藝上的問題有待解決。

   7.PRML讀取通道技術

  PRML技術最初只用在通信方面,用以解決誤碼率問題,該技術引入硬碟中後可有效提高資料讀取及傳輸效率,可使硬碟容量提高30%以上,據稱第三代PRML讀取通道可提供高達900MBPS的內部資料傳輸率。PRML技術可使盤片儲存更多的資料,因此既可提高單片硬碟的容量,又可加快資料傳輸率。PRML技術應用於硬碟信號讀取時,能避免因磁道過窄造成的信號干擾,大幅度地提高盤片的密度。同時由於碟盤密度的增大,磁頭在相同時間內可以讀取到更多的信號,使得讀取速度得以提高。而通過最大相似原理的多點採樣可以把磁頭讀取到的信號與標準信號進行對比,以得出最匹配的信號再傳送出去,從而大大地提高了資料讀取的準確性。PRML技術的普遍採用,使硬碟的容量、速度、可靠性都有了不同程度的提高。

   8.GMR(巨磁阻)磁頭技術

  磁阻磁頭的工作原理是基於磁阻效應來工作的,其核心是一小片金屬材料,其電阻隨磁場變化而變化,雖然其變化率不足2%,但因為磁阻元件連著一個非常靈敏的放大器,所以可測出該微小的電阻變化。巨磁阻磁頭GMR磁頭與MR磁頭一樣,是利用特殊材料的電阻值隨磁場變化的原理來讀取盤片上的資料,但是GMR磁頭使用了磁阻效應更好的材料和多層薄膜結構,比MR磁頭更為敏感,相同的磁場變化能引起更大的電阻值變化,從而可以實現更高的儲存密度,現有的MR磁頭能夠達到的盤片密度為3Gbit-5Gbit/in2(千兆位每平方英吋),而GMR磁頭可以達到10Gbit-40Gbit/in2以上。目前GMR磁頭已經成為最流行的磁頭技術。  TDK公司日前成功地試制了採用TMR薄膜的TMR(tunnelingmagnetoresisitive)磁頭,並製造出硬碟設備。據悉,該TMR磁頭的再生輸出以及面密度均與GMR磁頭相同。磁頭結構與GRM磁頭不同,但是詳細信息尚未公開。

   9、資料保護技術

(1)S.M.A.R.T(自動檢測、分析及報告)技術

  使用S.M.A.R.T技術,可有效保護你的硬碟。硬碟出現故障,是一件十分令人懊惱的事情,為此,你將冒丟失重要資料的危險。不過,現在有一種對硬驅故障發出報警的方法,它就是自我監視、分析和報告技術S.M.A.R.T.。  可預測的硬驅故障是由硬驅性能逐漸惡化引起的。實際上,硬驅故障的60%都是機械性質的,對此類故障,S.M.A.R.T.可一顯身手。S.M.A.R.T.可以對資料提供有效的廉價保護,使用S.M.A.R.T.可行的驅動器有助於減少資料丟失的風險,亦即避免了金錢和時間的損失,並且預先報警能讓你安排更換驅動器所需的停工時間。儘管S.M.A.R.T.能有這樣的幫助,但保護資料最好的方法仍是不斷地定期備份,實際上,將二者結合是最好的保護方案。S.M.A.R.T技術是硬碟廠商提供的一個規範,主要目的是預防某些設備失敗。提高硬碟可靠性和確保資料的連續性,已成為工業標準,因此,大多數的硬碟生產商已在向支持S.M.A.R.T技術看齊。  

(2)SPS和DPS技術

  SPS(ShockProtectionSystem)震動保護系統。是由昆騰公司開發,使硬碟在受到撞擊時,保持磁頭不受震動,磁頭和磁頭臂停泊在盤片上,衝擊能量被硬碟其他部分吸收,這樣能有效地提高硬碟的抗震性能,使硬碟在運輸、使用及安裝的過程中最大限度地免受震動的損壞。目前第二代保護系統(SPSII)也推出,可以更有效的防止由於外界的震動所引起的硬碟損壞  DPS(DataProtectionSystem)資料保護系統。DPS可快速自動檢測硬碟的每一個扇區,並在硬碟的前300M空間定位存放操作系統或其他應用系統的重要部分。當系統發生問題時,DPS可以在90秒內自動檢測並恢復系統資料,即使系統無法自舉,也可以用包含DPS的系統軟盤啟動系統,再通過DPS自動檢測並分析故障原因,盡可能保證資料不被丟失。DPS,配合QDPS測試軟件,可以方便,正確的檢測你的硬碟是否有損壞。當系統發生故障後,如果硬碟能通過QDPS軟件的測試,則可以排除是硬碟的問題:反之,則可以肯定是硬碟發生了故障,在質保期內可要求經銷商退換。

(3)ShockBlock和MaxSafe技術

  ShockBlock是邁拓公司在其金鑽二代硬碟上使用的防震技術,它的設計思想和昆騰的SPS相似,採用先進的設計製造工藝,在意外碰撞發生時,盡可能避免磁頭和碟盤表面發生撞擊,減少因此而引起的碟盤表面損壞。  MaxSafe同樣也是金鑽二代擁有的獨特資料保護技術,它可以自動偵測、診斷和修正硬碟發生的問題,提供更高的資料完整性和可靠度。Maxsafe技術的核心是ECC(ErrorCorrectionCode錯誤糾正代碼)功能,它在資料傳輸過程中採用特殊的編碼算法,加入附加的ECC檢驗位代碼並保存在硬碟上,當資料重新讀出或寫入時,通過解碼方式去除額外的檢驗位和原來保存的資料對照,如果編碼和解碼過程中發生錯誤,將重新讀出資料並保持資料的完整性。

(4)Seashield和DST技術

  Seashield是希捷公司推出的新防震保護技術。Seashield提供了由減震彈性材料製成保護軟罩,配合磁頭臂及盤片間的加強防震設計,為硬碟提供了高達300G的非操作防震能力。另一方面它也提供了印刷電路底板靜電放電硬罩及其他防損害措施,保證硬碟的可靠性。  DriveSelfTest(DST,驅動器自我測試)功能是希捷新增的資料保護技術,它內建在硬碟的固件中,提供資料的自我檢測和診斷功能,在用戶卸下硬碟時先進行測試診斷,避免資料無謂的丟失。

(5)DFT技術

  DFT(DriveFitnessTest,驅動器健康檢測)技術是IBM公司為其PC硬碟開發的資料保護技術,它通過使用DFT程序訪問IBM硬碟裡的DFT微代碼對硬碟進行檢測,可以讓用戶方便快捷地檢測硬碟的運轉狀況。  DFT微代碼可以自動對錯誤事件進行登記,並將登記資料保存到硬碟上的保留區域中。DFT微代碼還可以實時對硬碟進行物理分析,如通過讀取伺服位置錯誤信號來計算出盤片交換、伺服穩定性、重複移動等參數,並給出圖形供用戶或技術人員參考。這是一個全新的觀念,硬碟子系統的控制信號可以被用來分析硬碟本身的機械狀況。

(6)「熱拔插」技術。

  熱拔插SCSI連接/斷接功能深受市場的歡迎。在開啟或關閉電源時,硬碟在活躍的SCSI總線上不會造成電源瞬變或資料失誤的情況,因此熱拔插功能特別適用於陣列應用程式,在拆機安裝硬碟時,陣列仍可照常運作而不會中斷。目前IBM、Compaq、HP等品牌伺服器都採用了80針熱拔插硬碟,並配有專用的硬碟架和電源。

 (7)磁碟陣列技術

  它起源於集中式大、中、小型計算機網絡系統中,專門為主計算機儲存系統資料。隨著計算機網絡、Internet和Intranet網的普及,磁碟陣列已向我們走來。為確保網絡系統可靠地保存資料,使系統正常運行,磁碟陣列已成為高可靠性網絡系統解決方案中不可缺少的儲存設備。磁碟陣列由磁碟陣列控制器及若干性能近似的、按一定要求排列的硬碟組成。該類設備具有高速度、大容量、安全可靠等特點,通過冗余糾錯技術保證設備可靠。RAID是由幾組硬碟組成,並由一個控制器統一管理,通過在碟盤之間使用鏡像資料或資料分割及奇偶校驗來實現容錯要求,是一種具有較高容錯能力的智能化碟盤集合,具有較高的安全性和可靠性。RAID在現代網絡系統中作為海量儲存器,廣泛用於檔案伺服器中。用磁碟陣列作為儲存設備,可以將單個硬碟的30萬小時的平均無故障工作時間(MTBF)提高到80萬小時。磁碟陣列一般通過SCSI接口與主機相連接,目前最快的UltraWideSCSI接口的通道傳輸速率達到80Mbps。磁碟陣列通常需要配備冗余設備。磁碟陣列都提供了電源和風扇作為冗余設備,以保證磁碟陣列機箱內的散熱和系統的可靠性。為使儲存資料更加完整可靠,有些磁碟陣列還配置了電池。在陣列雙電源同時掉電時,對磁碟陣列緩存進行保護,以實現資料的完整性。

(8)SAN技術

  SAN(StorageAreaNetwork)是儲存技術的發展方向之一,SAN是一種與傳統儲存方式不同的儲存結構,在這種結構中儲存設備,如磁碟陣列等是通過光纖通道等高速接口直接聯到網絡上,而不是像以前那樣只作為伺服器或主機的一部分,這樣便於集中管理。SAN有更高的儲存速度、更大的靈活性和更高的故障恢復能力。  SAN可以帶來高的資料吞吐能力,並且可以通過光纖內部通道增加連接的距離。SAN會對伺服器的硬碟分配方式帶來巨大的改變。因為伺服器可以共享SAN上的所有儲存設備,人們考慮最多的是系統所需儲存設備的類型。系統需要對鏡像硬碟快速訪問,因此需要增加EMC陣列。對那些無需快速訪問的系統,可以從SAN上隔離出45G的硬碟給它單獨使用。但是目前還不能把所有的SAN的設備連接在一起。建立SAN所需的互聯設備例如路由器和集線器投資很大。

(9).遠程鏡像技術SRDF

  現代金融機構對信息資源可持續性和高可用性提出了極端苛刻的要求。應用於這些領域中的信息技術系統,就是我們通常所說的「業務關鍵型應用系統」。雖然傳統鏡像與備份技術能夠部分地解決業務關鍵型應用系統在高可用性方面所遇到的挑戰,但是因為傳統鏡像和備份技術在時空方面的局限性,使得它們根本無法保障關鍵業務在災害或危機發生時仍然能夠持續不斷地穩定運行。

  隨著磁碟陣列與通信技術的飛速發展,為解決業務關鍵型系統可用性所面臨的挑戰,人們開始將著眼點轉向遠程鏡像與資料救援技術之上。顯然,這種技術一方面要求本地和遠程碟盤子系統具有高度智能化,另一當前,磁碟陣列技術的發展,正在將硬碟鏡像功能的處理器負荷從處理器本身轉移到智能硬碟上,這種技術不但保證了我們能夠做到在災難發生的同時,實現應用處理過程的實時恢復,而且解決了在資料救援過程中一直困擾人們的費時費力的磁帶倒帶操作,這就是所謂的智能碟盤儲存子系統。此外,通信技術的發展使得實現異地間高速、穩定的資料交換成為了可能。現在,恢復一個任務關鍵型系統的信息可能僅需幾分鐘,而不再是傳統方式下的幾十個小時甚至幾天了。

  遠程資料鏡像技術SRDF,實現了資料在不同環境間的實時有效複製,而無論這些環境間相距幾米、幾公里,還是橫亙大陸。SRDF擁有兩套硬碟子系統,可分別稱之為R1和R2,存放實時資料拷貝的R2子系統被安置在與存放原始資料拷貝的R1子系統不同的地點。這樣就確保了在資料中心發生故障時,R2系統仍然是可用的,而且與R1是同步的。

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