磁录密度提升对效能的影响电脑DIY

 

硬碟机

  • 磁录密度提升对效能的影响

    磁录密度提升对效能的影响电脑DIY

    现在提到硬碟,大家应该就只有「好贵」与「买不到」这两种反应吧?毕竟泰国水灾的影响实在是太大了,虽然部分硬碟厂商的厂房并没有太大的受损,但问题其实在于上游零件製造厂的受损,在没有零件供应而无法製造出硬碟

    的情况下,价格当然就水涨船高,但硬碟厂商还是默默地在更新产品线,像单碟1TB的产品也已经开始贩售了。

    ■ 布满磁性物质的碟盘

    电脑是一台只能处理二进位资料的东西,也就是说它只认得0与1这两种资料型态,因此储存媒介只要能呈现出两种变化就可以拿来当作纪录资料使用,在拥有这样物理特性且容易更改的物质里,磁性物质算是较为稳定且成本较低的一种,所以在很早之前就被拿来当作储存媒介使用。硬碟用来记录资料的碟盘上就布满了密度相当高的磁性物质,并利用高精密度的读写头去改变磁性物质的排列方向,来呈现出0与1的型态变化。

    ■ 越来越大的单碟容量

    硬碟本身因为体积的限制,一颗3.5吋的产品顶多就只能装设5个磁碟盘,在无法增加碟盘数目的限制下,要提升产品的总容量,就只能够增加单一碟片的可储存空间了。

    ● 垂直写入技术

    当磁碟盘上的磁性物质排列越紧密时,就能够在单位面积里创造出更大的储存容量,单位成本也可以降低,因此将磁录密度提升,一直都是硬碟厂商在努力研发的方向。近几年来磁密度能够持续发展且迅速成长,很大的原因在于「垂直写入技术」的使用。以往磁性物质的排列方向是使用水平放置的方式,磁性变化需要佔用平面空间,而垂直写入就是将磁性物质改为垂直方向的排列,因此不需要在平面上保留额外的空间,在单位面积之下就可以排列更多的磁性分子,磁录密度也就可以顺利地向上提升。

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    图 / 垂直写入技术将磁性物质改为重质方向来排列,可以有效地增加磁录密度。(图片来源:维基百科)

    ● 先进格式化

    除了提升磁录密度来增加单碟容量的方式之外,会影响到硬碟单碟可用空间的因素还有「先进格式化」,但一颗同样为1TB的硬碟,採用先进格式化的产品并不会让使用者有更多的可用容量,其目的只是为了减少硬碟本身的「公设比」,让厂商端可以用较少的原始磁碟空间来创造出相同的容量。

    在传统的架构底下,一个磁区是以512Byte为单位,并且还要附加65Byte的经常性资料,其中包含了50Byte的ECC错误校正码、总共15Byte的磁区间隙(Gap)与标示磁区起始点及识别磁区数量、位置资料也提供磁区本身状态的同步及位置标记(Sync/DAM),所以原始的磁碟空间经过磁区化格式之后,仅有512/(512+65)x100%=88.7%的利用率而已。

    而先进格式化将磁区从512Byte提升到4KB为一个单位,但ECC校正码也增加为100Byte,不过每个磁区也只要附加100+15共115Byte的资料,磁区化格式的效率可以高达4096/(4096+115)x100%=97.3%,可以增加近10%的原始磁碟空间利用率。因此以一个单碟1TB产品的1000.2GB空间为例,使用传统格式的硬碟就需要1000.2/88.7%=1127.6GB的原始磁碟空间,而使用先进格式化的产品就只需要1000.2/97.3%=1028GB的原始空间,这样一来,厂商在生产更高单碟容量的产品时就更加容易了。

    然而使用先进格式化并不会让硬碟效能有所增长,内部的4KB磁区管理模式还要模拟成8个512Byte磁区来与外界做沟通,因为MBR(Master Boot Record,主开机纪录)与大部分的作业系统也还是以512Byte为磁区单位,但是遇到像Windows XP这种较为老旧的作业系统,磁碟分割区的规划是从LBA(Logical Block Address,逻辑区块位址)定址的第63个磁区开始,换算之后就是从31.5KB之后才会有第一个磁碟区,这并不是一个完整4KB倍数的位置,在资料存放时就会发生无法对齐4KB实体磁区的状况,一笔资料总是要多储存到一个实体磁区的空间,在小档案的写入效能上会有较大的影响,而需要去进行4KB磁区校正的动作。

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    图 / 使用先进格式化之后,从512Byte就必须附加65Byte的资料,变成每4KB才要附加115Bbyte,

    磁区化格式的效率从88%提高到97%。

    ■ 转速之外,磁录密度也是影响效能的因素

    在硬碟的物理结构影响之下,磁碟盘的转速越快,硬碟的资料存取效能就越好,因为在单位时间内,转速越高的硬碟,读写头下通过的磁柱数量将会越多,但是硬碟转速主要是用来区分不同使用者类型的,万转以上的3.5吋硬碟定位在企业及用户,而5400~7200转则是给一般使用者使用。

    然而在转速固定的情形下,要改变资料存取的效能,磁录密度就扮演相当重要的角色了。磁录密度增加,磁性物质排列更紧密,磁碟盘同样旋转一圈,密度高的产品,通过读写头下的磁柱数量也会比较多,因此在连续存取的速度上将会增加,提升磁录密度来使效能成长的方式,甚至于会比提高硬碟转速来得更有用。

    而且同样是1TB容量的产品,单碟500GB的就必须要使用到两个碟片,不过单碟1TB的就只需要一个而已,重量降低了,碟盘马达所需要的启动电力也变少了,运作时的发热量更会减少,实在是好处多多。不过因为碟片变少而使读写头数目也跟着减少的情形下,再加上磁录密度高、单位面积资料量变多,都会使得资料随机搜寻与存取速度反而变慢。

    ■ 单碟500GB vs. 1TB效能比一比

    小编特地向HITACHI借来了新款单碟1TB的7K1000.D系列硬碟,1TB容量的机种快取记忆体为32MB,支援介面为SATA 6Gbps。并与手上现有快取容量同样为32MB但单碟为500GB的1TB硬碟来相比较,虽然旧硬碟的介面仅为SATA 3Gbps,不过这样的介面频宽已经相当足够了,因此在排除介面频宽这个因素的影响之下,来看看单碟500GB提升到1TB之后会有怎样的效能差异吧。
     

    电脑DIY测试平台

    处理器

    Intel Core i5 2500K @3.3GHz

    主机板

    ASRock Fatal1ty Z68 Professional Gen3

    显示卡

    AMD RADEON HD 6870 GDDR5 1GB

    记忆体

    Kingston HyperX DDR3-1600 2GB ×2

    系统硬碟

    OCZ VERTEX 2 SSD 40GB

    作业系统

    Windows 7 Ultimate 64bit SP1

    电源供应器

    Seasonic X-650W 80PLUS金牌

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    图 / HITACHI新推出的7K1000.D系列硬碟为SATA 6Gbps介面并支援NCQ,转速7200转,

    快取为32MB,且支援先进格式化。

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    图 / 产品型号为HDS721010DLE630,HD表示HITACHI Deskstar系列,72为7200转,10是此系列

    最大到1TB,之后的10是此产品为1TB容量,D是系列代号,E6为SATA 6Gbps,3则代表32MB快取。

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    图 / 右方为单碟1TB机种的效能测试,可以看出平均读写速度有非常大的成长,但是存取时间会变得较慢。

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    图 / 随机存取的效能测试上,更能看出右方单碟1TB机种在各档案大小都有不同程度的存取速度减少。

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    图 / 在ATTO Disk Benchmark的不同资料大小传输测试上,右方单碟1TB机种有非常亮眼的效能表现。

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    图 / 而CrystalDiskMark的测试中,单碟1TB的资料连续存取也还是强项,非常适合当作资料储存碟使用。

    ■ 磁录密度发展上的瓶颈

    当硬碟磁碟盘上的磁性物质排列越紧密,分子就要越小,读写头的结构就要做得更精密,但是以目前的技术而言,单碟1TB的磁录密度似乎也已经达到了物理结构的上限,要再增加磁录密度,那就必须研发别种技术来取代。但是更大的单碟容量,就并不保证写入效能会有所提升,应该说以后若出现使用别种技术来达成单碟1TB以上的硬碟,就只是为了可以让使用者拥有更多的储存容量为前题,在写入效能上可能会发生减少的情形。

    目前仅剩的几间硬碟大厂,其实都有研发出下一代提升单碟容量的方式,不过在製造成本普遍过高的情况下,短时间内还不会使用新技术来量产硬碟,更何况,要使用哪种技术来成为下一代的主流,也还是没有一个定论出现。

    ■ 除了效能,创造便宜且大容量储存媒体更是重点

    容量大且单位储存价格便宜,一直都是传统硬碟的优势,也是它永远都不会消失的原因。未来硬碟的使用方式也渐渐地往只用来储存资料的用途为主,在NAND FLASH记忆体製程不断降低且良率越来越高而使单位容量价格快速下降的情形下,固态硬碟也越来越被一般使用者所接受了,尤其是目前传统硬碟价格大涨,有装机需求的使用者就会先选择购买60GB左右的固态硬碟做系统碟使用,等待日后硬碟价格回稳再购入大容量传统硬碟作为资料储存,这样一来不但有了良好的系统效能,也有大容量的储存空间。

    3.5吋单碟1TB的技术出现,就可以预测单颗容量高达5TB的产品也不远了,不过基于分担风险的观念下,一般使用者会选择的主流容量应该也还是会停留在单颗1TB左右的产品上,毕竟一个塞满5TB资料的硬碟要是哪一天挂了,一次就少了这幺庞大的资料量,那真的是非常痛苦的一件事情。但是在有进行磁碟阵列架构来保护资料的使用者与企业用户而言,单颗硬碟容量的提升就是非常好的一件事情了,使用同样数量的硬碟,却可以提供更多容量的储存服务,耗电量也会有所降低,更对地球的环保有所帮助。
     

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