PMR？SMR？HAMR？MAMR？氦氣填充？512e？4Kn？硬碟技術一一拆解
– 18座大王 – 2017-10-17
大家看到標題上的技術名詞，想投降了嗎？LMR、PMR、SMR、CMR、HAMR、MAMR都是屬於物理層面上的讀寫技術，其用途是增加硬碟碟片上的資料密度；氫氣填充則是把更多碟片塞進硬碟內的技術；而512e、4Kn則是硬碟廠商推出Advanced Format（先進格式）後的產物，最終目的都是提升硬碟容量。接著，大王就要為大家深入講解這些是什麼東東！
LMR？PMR？CMR? SMR？ HAMR？MAMR？
先從簡單的開始吧！ LMR（Longitudinal Magnetic Recording，縱向磁記錄）是 CMR（Conventional Magnetic Recording，傳統磁性記錄）的其中一種，是上一代硬碟所採用的寫入技術，磁性記錄顆粒的易磁化方向（磁碟上最容易磁化的方向）相對於碟片是平行的，顆粒沿著碟片圓周以端對端排列，在造出更大容量的碟片的同時，顆粒的密度就愈高，顆粒的尺寸也相對愈小，但受物理定律所限，當顆粒的尺寸造得太小後，顆粒就會變得不穩定，令數據有機會損壞。因此，後來發展出 PMR （Perpendicular Magnetic Recording，垂直磁記錄），PMR也是CMR的其中一種，硬碟碟片上的磁性記錄顆粒的易磁化方向相對於碟片是垂直的，使顆粒的密度可以再提高，令硬碟廠商可以造出更大容量的碟片，這技術到現在還被廣泛使用。
然而，雖說 PMR （Perpendicular Magnetic Recording，垂直磁記錄）技術可以提升顆粒的密度，但仍然會受物理定律所限，碟片的容量又會遇到樽頸。因此，聰明的硬碟廠商又發展出另一技術 – SMR （Shingled Magnetic Recording，疊瓦式磁記錄），以再次提升磁錄密度。傳統磁軌間距SMR 技術磁軌間距
寫入器與磁軌重疊SMR 頻帶結構
說到 SMR (Shingled Magnetic Recording，疊瓦式磁記錄)，必先說明磁頭的架構；記錄磁頭可分為寫入用（寫入器）及讀取用（讀取器），一般而言，寫入器的磁頭體積是比讀取器的磁頭大，在硬碟進行寫入時，磁軌與磁軌之間會預留間距，防止資料出現錯誤。據硬碟廠商資料指出，磁軌間距會隨著記錄磁頭的讀取器和寫入器大小而縮小，但磁頭的物理大小已經發展到接近極限，縮無可縮，使碟片密度無法提高。透過 SMR 技術，磁軌間距可以被壓縮及拉近，磁軌會如屋瓦般彼此重疊，使相同空間內可寫入更多資料，進一步提升資料密度。但是，這個技術是有代價的，正如前面所說，寫入器的磁頭體積比較大，假如用家需要重新寫入或修改硬碟上的資料的話，探用 SMR 技術的硬碟不單止要從磁軌上修改所要求的資料，更要修改後續的磁軌，直到整個硬碟的磁軌盡頭。為克服這個問題， 探用 SMR 技術的硬碟會把磁軌分成多個 Band （頻帶），每個 Band 的結尾都會採用 PMR 的傳統方式寫入，不作任何重疊，使修改資料時只需修改到 Band 的結尾，而非整個硬碟的磁軌盡頭，以改善重寫效能。採用 SMR 技術的硬碟一般建議用作數據歸檔用途，即是適合寫入後不再作修改的應用，如果是其他用途，大王還是建議你選購探用 PMR 技術的硬碟。
談完現在的硬碟技術，也簡介一下未來的硬碟讀寫技術：HAMR ( Heat-Assisted Magnetic Recording，熱輔助磁記錄) 及 MAMR（Microwave-Assisted Magnetic Recording，微波輔助磁記錄）。HAMRMAMR
HAMR ( Heat-Assisted Magnetic Recording，熱輔助磁記錄) 技術是在寫入時利用 Laser 對碟片的寫入區域進行加熱，使寫入顆粒可以再縮小的同時而不影響資料的正確性；而 MAMR（Microwave-Assisted Magnetic Recording，微波輔助磁記錄）技術則在寫入時利用自旋力矩振盪器（Spin Torque Oscillator）在磁頭產生電磁場，使磁頭可以在較低磁性條件下進行寫入，即是跟 HAMR 一樣，可以在寫入顆粒可以再縮小的前提下正確完成寫入動作，兩種技術都使硬碟碟片上的磁軌密度再次提高，造出更大容量的硬碟。
空氣填充？氦氣填充？
一般硬碟內都是填充空氣（就是我們正在呼吸的空氣），因此在空氣填充硬碟上可以看到有排氣口，用作平衡氣壓。而氦氣填充硬碟（Helium-Filled）則是利用惰性氣體（氦氣）填充，氦氣填充硬碟都是採用密封式設計，以保留氦氣在硬碟內。到底採用氦氣填充有什麼好處？這先要由氦氣的特性說起。氦氣的密度只有空氣的7.2分之一，使硬碟碟片在氦氣環境下轉動時受到的磨擦力遠比空氣低，這不但可以減輕碟片的震動，也減低了硬碟摩打的阻力，從而降低硬碟發熱量及功秏，也使硬碟運作得更安靜。另一方面，因碟片可以在低阻力環境下轉動，令硬碟廠商可以塞進更多碟片到標準3.5″硬碟內，在不改變磁軌密度下，大大提高硬碟容量，目前已經有廠商塞8塊碟片進入標準3.5″硬碟內，造出使用 PMR 技術的 12TB 硬碟，也有廠商推出使用 SMR 技術造出 14TB 硬碟。同時，因硬碟是密封的關係，在機房應用上，可以把氦氣填充硬碟放到不導電的液體上進行冷卻，提供更環保的散熱風案。
這方案是不是沒有缺點呢？答案是有的！因氦原子的體積極小，氦氣填充硬碟內的氦氣有機會出現洩漏的情況，但大王認為現今的氦氣硬碟已經是第三代產物，隨著硬碟廠商的技術進步，密封技術肯定再有改善，這個問題根本不必過份操心，重點還是多備份，才能確保資料安全。
512e？ 4Kn？
舊款的硬碟，都是採用512bytes作為磁區的大小，每個磁區中都包含用作確保資料正確性的ECC及磁區標頭（含Gap、Sync、Address Mark），以上的標頭及ECC共佔了 65bytes，使每個磁區真正存放資料的空間只餘下447bytes，即每個磁區只有約88%的儲存效率。提升硬碟碟片容量的其中一個手段是增加磁區儲存效率，精明的廠商因而共同把磁區的大小改定成4K大小，令每個真正存放資料的空間提升至3981bytes，達成約97%磁區儲存效率。這就是硬碟上標記的 Advanced Format （先進格式）。
這時候，問題就來了！現今大部分的電腦系統仍然有很多層面在使用512bytes作為磁區大小，因此硬碟廠商為使用Advanced Format的硬碟推出了 512e （512 emulation，512 位元組磁區模擬）及 4Kn （4K native，原生4K）兩款制式的硬碟。512 位元組模擬的可能讀取順序512 位元組模擬的可能寫入順序
所謂 512e，即是硬碟內部是以 4K 磁區運作，但與系統溝通時則假裝成 512bytes 磁區，使Advanced Format硬碟能在各個系統上運作，提供更高的兼容性。同時，現今的作業系統都預設支援 4K 對齊功能，因此都不會因使用Advanced Format硬碟而出現效能問題。至於512e硬碟如何把硬碟內部的4K磁區模擬成512bytes磁區，有興趣的朋友可以參閱上圖。
而4Kn硬碟則需要電腦系統直接支援 4K 磁區，由於不論是硬碟本身或是電腦系統本身都是利用4K磁區進行讀取及寫入動作，使讀寫時更有效率，效能也因此較佳。
總結
現今硬碟的技術五花八門，但大王可總結出一個重點：
除了購買採用 SMR 技術及 4Kn 制式的硬碟時需要注意外，其他都可以放心購買！
大王也在此期待硬碟廠商再有技術突破，推出更大容量、更高效能及更耐用的硬碟。
參考資料：
https://www.seagate.com/tw/zh/tech-insights/advanced-format-4k-sector-hard-drives-master-ti/
