提升HDD存储密度的良方 - 叠瓦式磁记录技术

在现在这个数据信息越来越爆炸的时代，不论是在生活中还是工作上，每个人每天都会产生大量的新数据，比如视频、照片、文档、邮件等等，所以人们对于数据存储的需求越来越大。HDD（Hard Disk Drive, 机械硬盘）因为具有大容量的特性，成为了人们大量存储数据的首选项。

HDD的存储技术持续发展，它经历了从LMR（Longitudinal magnetic recording, 水平磁性记录）、PMR（Perpendicular Magnetic Recording, 垂直磁性记录）到最新的SMR（Shingled Magneting Recording, 叠瓦式磁性记录）技术的发展。今天，就跟着科普小贴士了解一下提升机械硬盘存储密度的良方——SMR（叠瓦式磁性记录）技术。

大部分非专业人士对于LMR、PMR和SMR等存储技术都比较陌生，为了更好地理解SMR技术，我们先简单讲解一下HDD的工作原理，以及LMR、PMR技术的大致原理。

▲机械硬盘内部结构

机械硬盘顾名思义，其工作是依靠一系列机械结构完成的。这些机械结构最关键的部分包括存储数据的磁盘和读取、写入数据的磁头。

▲磁道示意图

一个磁盘上有上千个磁道，以同心圆的形式排列。磁道中排列着磁性颗粒，每个磁性颗粒通过不同的磁场方向，记录着二进制的0和1。磁盘运行时，磁盘被电机驱动旋转，磁头以纳米级的距离在磁盘上悬浮，通过检测或改变磁道上磁性颗粒的磁场方向而读取或写入数据。

▲机械硬盘数据读写

所谓LMR、PMR、SMR技术，实质上是磁盘上磁道和磁性颗粒排布方式，以及在这种排布方式下读取、写入数据的技术。

最初，硬盘中的磁性颗粒横向被放置在磁道中，磁感应方向也是水平的，这就是LMR（水平磁记录）技术。这种技术有一个缺点——比较浪费磁盘面积。因为如果磁性颗粒太小，相互靠得太近，就很容易相互间干扰。

▲LMR原理示意

为了解决这个问题，工程师想到了将原来水平放置的磁性颗粒垂直放置，此时磁头的磁感应方向也相应变为竖直方向，这就是PMR（垂直磁记录）技术。这种技术可以非常有效地增加单位面积磁盘信息储量，3.5英寸单碟容量可达1TB。至今大部分HDD都运用了PMR技术。

▲PMR原理示意

随着时代的进步，信息的产生量持续增多，硬盘制造商依然不停地想方设法提高硬盘的存储效率，于是新的技术——SMR（叠瓦式磁性记录）技术应运而生。

SMR可以在PMR的基础上进一步大幅提升磁盘的容量，这是怎么做到的呢？难道说还有比竖直排布磁性颗粒更节约空间的方式吗？

实际上，在磁盘进行读写操作的时候，是通过读磁头和写磁头分别进行操作的。读写磁头的宽度不一样，写磁头的宽度比读磁头更宽，但二者要在同样的磁道内进行操作，这就导致磁道的宽度必须以较宽的写磁头的宽度为准。然而，实际上存储颗粒所需要占用的宽度很小，因此磁道的一部分宽度其实是被浪费的。此外，为了防止干扰，在磁道和磁道之间还保留有保护空间，这就导致，磁盘上可以用于存储信息的空间占比其实很小。

▲传统HDD磁道布置

为了进一步增加信息存储密度，工程师开发了这样一种磁道排布方式——让磁道和磁道之间被浪费的空间重叠起来，就像瓦片相互叠落一样，这也是SMR的中文名称——叠瓦式技术的来源，非常形象。

▲采用SMR技术的HDD磁道布置

通过这种叠层的操作，磁盘上磁道的密度大幅提升，因而信息存储密度得到了大幅提升。然而，这种磁道加密的方法是有代价的——由于磁道的间距过于狭窄，当一个区域已经存有信息，写磁头想要对某一条磁道的信息进行修改，那么势必要影响到相邻磁道的数据。解决这个问题相对比较复杂，除了在每组堆叠的磁道之间预留保护间隔，还需要在修改数据时，先将相邻磁道的数据备份出来，等本磁道数据修改完毕，再把相邻磁道的信息放回去。因此，SMR硬盘通常具有高达256MB的大缓存，用于在修改数据的时候存储相邻磁道的数据，相比之下一般磁盘的缓存只有64MB。

SMR技术让HDD的容量再上一个台阶，这种技术适合大容量仓储式存储需求，例如数据备份、RAID阵列和NAS网络存储等应用，备受企业级用户喜爱。对于个人用户而言，SMR硬盘搭配SSD系统盘，让两块硬盘各司其职——一个提供高速运行的性能，一个提供超大容量的存储，是最好的组合。

本次的内容是我们科普小贴士系列的第一期，以后我们会持续以深入浅出的解读，为广大希捷粉丝和硬盘使用者带来更多有关存储技术的知识。

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