SMR 与 PMR 硬盘的区别

2019-10-1 08:28| 发布者: 南召修电视| 查看: 983| 评论: 0

摘要: SMR（Shingled Magneting Recording），又名叠瓦式记录技术；在SMR硬盘出现之前，硬盘记录技术普遍为PMR（Perpendicular Magnetic Recording），即垂直式记录技术。要了解PMR以及SMR的区别，还是要先从机械硬盘基本 ...

SMR（Shingled Magneting Recording），又名叠瓦式记录技术；在SMR硬盘出现之前，硬盘记录技术普遍为PMR（Perpendicular Magnetic Recording），即垂直式记录技术。要了解PMR以及SMR的区别，还是要先从机械硬盘基本的结构原理说起。

这是一个机械硬盘的内部结构示意图，它的主要部件包括主轴、磁盘、磁头，其他部件包括空气过滤片、音圈马达、永磁铁等。其中：主轴下方包含马达电机以及轴承；磁盘（又被称作盘片），多采用铝合金材料，被固定在主轴电机的转轴上，工作的时候磁盘会随着主轴进行高速旋转，当然硬盘内的盘片数量都不止一片。

磁头和磁头臂是是一个整体，磁头主要负责读写数据，在硬盘驱动器的控制下，磁头工作时会在盘面上快速移动，准确定位到指令要求定位的磁盘磁道上。

先看看磁盘的其内部结构及工作原理。以单一的磁盘来看，它被划分为由一圈一圈同心圆组成的磁道，当然，这些磁道窄而密集，通常一个盘面就有上千条磁道。当然这些磁道肉眼是看不到的，可以通过下图表示：

在这张单盘面图中，磁盘最外围的磁道称为0磁道，硬盘数据的存放就是从最外围的0磁道开始的；由此向内数，下一个磁道就是1磁道，然后是2磁道、3磁道。。。以此类推；并且这些由同心圆组成的磁道并不是连续的，它们被横向地划分成了一道一道的圆弧，每一段磁道形成的圆弧，就叫做扇区，而在同一个圆心角范围内的扇区组成了一个扇面。

扇区是操作系统在硬盘上存储信息的具体形式，一个扇区包括512个字节的数据和其他的标记信息，例如标记扇区三维地址的信息方便寻址，还有“不良扇区”的标志等等。

另外一个硬盘中一般都不止一张磁盘，这些磁盘规格以及磁道分布都是一样的，不同盘面上的同一磁道又可以构成一个圆柱，这个柱体就叫做柱面。而数据的读取和写入都是按柱面的顺序进行的，而不是按照盘面顺序。

磁头是用线圈缠绕在磁芯上制成的，也是硬盘读取数据的关键部件，主要作用是将存储在硬盘盘片上的磁信息转化为电信号向外传输；它的工作原理则是利用特殊材料的电阻值会随着磁场变化的原理来读写盘片上的数据，磁头的好坏在很大程度上决定着硬盘盘片的存储密度。比较常用的是GMR（Giant Magneto Resisive）巨磁阻磁头，GMR磁头的使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构，这比以前的传统磁头和MR（Magneto Resisive）磁阻磁头更为敏感，相对的磁场变化能引起来大的电阻值变化，从而实现更高的存储密度。

硬盘在工作时，磁头通过感应旋转的盘片上磁场的变化来读取数据；通过改变盘片上的磁场来写入数据。为避免磁头和盘片的磨损，在工作状态时，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，只有在电源关闭之后，磁头会自动回到在盘片上的固定位置（称为着陆区，此处盘片并不存储数据，是盘片的起始位置）。

磁盘（盘片）存储信息的原理和磁带比较相似，在磁盘的表面，涂有一层薄薄的磁性材料，磁盘本身主要是铝合金材质，也有的尝试过其他材质（比如玻璃），磁性材料在磁盘表面可以涂敷得非常平整。磁头读取/写入数据的时候，磁头上的线圈通电，在周围产生磁场。根据物理原理，改变电流的方向，磁场的方向也会改变，而磁场会磁化磁盘表面的磁性物质，使它们按照磁场的方向排列。切换不同的磁场方向，不同的磁性微粒也会有不同的方向，就可以用来表示“0”和“1”，因为计算机中的数据都是以二进制的形式存在的，可以用这个方法来读取/写入二进制的原始数据。

说到这里，机械硬盘的读取/写入原理看似简单，实际操作环境却复杂多了。首先磁头需要采用特别的材料制作，需要对磁感应非常敏感，并且要求极高的精密度，因此磁头的工艺、材料和制作环境都要求非常高；然后硬盘在工作时，磁头是不能与高速旋转的磁盘表面接触的，而是以非常微小的距离悬空在磁盘表面，即要有效地发生磁场感应，又不能让磁头擦伤盘面的磁性涂层或者说不让磁性涂层损伤磁头；最后还要保证高度的无尘密闭工作环境，因为在这种高速、精密的运转状态下，一旦进入灰尘，就有极大的可能碰伤磁头或者划伤磁盘表面的磁性涂层，导致硬盘数据丢失甚至损坏，这也是图1中空气过滤片起到的作用。

在SMR技术没出来之前，要提高硬盘的数据容量，一是增加磁盘的数量，二是增加磁盘的面积，三是增加每个磁盘上存储数据的密度。不过现在市场上的机械硬盘绝大多数都是3.5英寸的机箱硬盘、2.5英寸的笔记本硬盘以及少量的超薄本的1.8英寸和1.3英寸硬盘（超薄本更多时候采用的是固态盘），可以说硬盘的尺寸早已标准化了，并且盘片尺寸大了在高速旋转时惯性也大，稳定性和转速降低，对读写性能也会造成影响。因此加磁盘数量和面积的方法很少采用，更多的技术手段是增加磁轨密度。

早期的磁盘上每个存储位的磁性粒子是平铺在盘面上的，磁感应的方向也是水平的。这种感应记录方式被称为LMR（Longitudinal magnetic recording），即水平磁性记录，这种方式有一个缺点，就是比较占面积，另外当磁粒过小，相互靠得太近，磁性就很容易受到热能的干扰，令方向发生混乱。所以，LMR的时代，单个磁盘能够存储的数据有限，整个硬盘的容量也就存在瓶颈。

随后研究人员采用了让磁性粒子和磁感应的方向相对盘片垂直，以此提高了空间密度；这种垂直磁性记录的方法，就叫PMR（Perpendicular Magnetic Recording）；同时还采用热辅助磁记录技术来提高在高密度下的信息写入能力。这种技术采用了一种热稳定记录介质，通过在局部进行激光加热，来短暂减小磁阻力，从而有效提高磁头在微场强条件下的高密度信息写入能力。采用PMR技术的3.5英寸硬盘，其单碟容量已达到1TB。

但是受固态盘（SSD）的挑战，机械硬盘只能不断发挥自身大容量的优势才能在市场上占据位置。叠瓦式记录技术（SMR）就是在这种背景下研发出来的。

在LMR和PMR技术下，磁盘是被划分为一圈一圈微小的磁道来记录数据的，这些磁道之间并不是连续的，而是磁道与磁道之间存在一个保护距离，从而不让不同磁道的数据产生干扰。由于硬盘信息的读取和写入是两种不同的操作，因此读取磁头和写入磁头也是不一样的。现在的硬盘主要采用的是分离式磁头结构，写入磁头仍是传统的磁感应磁头，相对比较宽；读取磁头则是新型的MR磁头（磁阻磁头），相对比较窄；磁道在划分的时候，当然要满足最宽的标准。但是写入磁头在工作的时候，实际上对于每个磁道，其写入信息的宽度是和读取的宽度一样的，在这个工作原理下，磁道的空间就存在“浪费”的情况。

那么科研人员是如何再一次“挤牙膏”式的利用空间呢？方法就是如图所示将磁道“被浪费”的一小部分重叠起来，写入的时候沿着每条磁道上方进行写入，中间留下一小段保护距离（这个保护距离相对于PMR来说也缩小了），再写下一条磁道。同样的空间，磁盘上磁道的密度就相对又增加了，容量也就比PMR硬盘更大了。

优点

采用SMR技术的机械硬盘的首要优点就是容量大，单碟磁盘从2015年的1.33TB提升到了目前的2TB；然后引入了充氮技术，使得其功耗和发热量都降低了；并且进一步降低了大容量机械硬盘的价格。

缺点

首先是转速不高，由于磁盘上的高密度叠加，转速自然也不会太快。

然后是读写风险，在有数据的轨道上继续往附近区域擦写数据时，会有可能直接将已有数据重写。而导致的直接结果就是这片区域多次的擦写带来的掉速。这种掉速就相当于SSD的MLC颗粒与TLC颗粒的速度差距，如果把PMR技术比作MLC固态,SMR就等于开了SLC模拟的TLC固态。

如果在写入数据时意外断电，还会导致本来硬盘上保存好的数据在写入其他数据时被一起重新写入而造成数据丢失。

单纯读取数据还是没什么大问题，但是要写入某个磁道上的数据就比较麻烦了，因为磁道间隙比较小，而磁头比较宽，比如修改2磁道的数据，就必然会影响相邻的3磁道的数据。

解决这个问题有两个办法，一是每重叠一部分磁道时，隔开一些距离，二是设置一些专用的缓冲区，当修改2磁道的数据时，先把3磁道的数据取出来放到缓冲区中，等2磁道的数据改完了，再将3磁道的数据放回去。

但总的说来SMR硬盘的擦写特性并不能很好地应付大范围反复重写入过程。为了对付这个问题（注意是对付而不是解决），一般厂商都会加入大缓存（一般PMR是64MB缓存、而PMR则是256MB缓存）来缓解读写压力。但是缓存本质是RAM，RAM断电后内部数据会完全清空。因此在写入数据这个过程，硬盘上本来保存的数据跟着新写入的数据一起同时转存至缓存暂时保存着，假如一断电，新数据与旧数据就一起消失了，文件没拷贝进去不说，原来硬盘里面的东西还会丢失。

识别方法

目前硬盘产品包装上基本不会标注采用的是PMR还是SMR技术的，最好的方法当然是通过官方客服进行询问。如果嫌麻烦，只能凭经验进行大概的判断：

1.通常3.5寸硬盘大于1TB、2.5寸硬盘大于500GB时， SMR硬盘的可能性就非常高了。

2. SMR硬盘的缓存都比较大，至少是128MB起步的。但也有少数SMR硬盘缓存只有64MB，另外一些高端的大容量PMR硬盘的缓存也能达到256MB。所以这个判断方法不保证100%正确。

3.根据硬盘的总容量计算每片磁盘的容量，可以大概估摸硬盘是SMR还是PMR了。通常2.5寸SMR硬盘一般每碟是500G左右，大的能到1TB，而3.5寸SMR硬盘一般是1TB左右，大的能到1.5TB。

写在最后

看了SMR硬盘可能有不少人觉得SMR硬盘就是个坑，其实也不完全。相较于PMR的硬盘，SMR硬盘是不适合用来当做系统盘或者需要频繁读写的硬盘来用的；SMR硬盘有它的优势，性价比非常不错，作为电影盘或者备份数据还是可以的。

附硬盘部分中英文参数说明：

Recording - HDD写入技术
Capacity - HDD容量
Sector - 逻辑扇区大小, 表格里只包含了512e和4Kn
Disk - 碟片数
TB/Platter - 单碟TB大小
Helium - 是否充氦
PWR IDLE - 待机功耗瓦数
PWR TYPC - 典型运行功耗瓦数
PWR PEAK - 峰值功耗瓦数
Workload - 工作负荷 (TB/年)
UBER - 不可恢复比特误码率, 14=10^14内1个bit错误
L/UL- 磁头加载/卸载循环次数, 单位是千, 所以300=300,000次
AFR - 年化故障率
POH - 通电小时数/年
MTBF - 平均故障间隔小时数, 单位是百万, 所以0.75=750,000小时, Toshiba的数值为MTTF, 跟MTBF有所不同
Warranty - 质保年数