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從溫徹斯特步槍談起,回顧HDD演進之路

1973年:“溫徹斯特磁頭”開創關鍵硬盤技術

1973年11月,IBM 3340硬盤正式發售,具備低成本、低負載、使用潤滑的盤片來停放讀/寫磁頭的特性,確立了HDD的主導技術。3340有兩個主軸系統,每個主軸硬盤容量都是30 MB,當時溫徹斯特步槍的一類子彈是.30-30 口徑,因此硬盤代號取為“溫徹斯特”。之后IBM又把磁盤、主軸、軸承、磁頭定位托架和磁臂組件合并到一個密封盒里,其基本HDD 封裝概念沿用至今。

1976年:微型計算機刺激軟盤銷售

1973年,曾任職IBM的Alan (Al) Shugart創立Shugart Associates (SA),制造小型商用計算機未果,但保留了一個關鍵組件8英寸軟盤驅動器,1975年正式發布。1976 年,為了響應當時王安實驗室對低成本驅動器需求,SA推出5.25 英寸驅動器。

此后軟盤驅動器制造業務在 1990年達到頂峰,年產量約為1.2 億臺,隨后隨著可記錄光盤的發展風光不再。1979年Shugart Associates團隊又開發了另一個標準——“Shugart Associates 系統接口”(SASI),隨后演變成 SCSI(小型計算機系統接口)。

1977年:標準形成加速磁盤驅動器的集成

1977年,標準化的軟硬件用于磁盤連接到其他計算機組件,控制數據公司的SMD(存儲模塊驅動器)接口開始努力定義為存儲行業標準,自此為磁盤開發的新接口非標準即死。主要接口包括SCSI,1982年作為小型計算機系統接口(SCSI)被采用,最初用作通用外圍接口的SCSI逐漸發展為磁盤和磁帶的高性能接口選擇,即SAS(串行連接SCSI)。

IDE,1985年,西部數據出了一份規范,將主機總線適配器(HBA)電子元件集成到IBM的PC/AT計算機的磁盤驅動器板上。集成驅動電子接口(IDE)迅速在連接PC的磁盤驅動器市場占據主導地位。各種變體是1989年的AT附件(ATA)項目和1993年的ATAPI(ATA數據包接口)。

光纖通道,1988年開始定義光纖通道,為SCSI、IPI(智能外圍接口)和HIPPI(高性能并行接口)提供了一條通往100MBps串行接口的增長路徑。當時的博科通訊系統公司推出分組交換機后,存儲區域網絡(SAN)迅速采用改變了企業數據存儲管理方式。

1979年:薄膜磁頭用于大容量磁盤

1979年,基于IBM研究中心成果的薄膜技術首次應用于IBM 3370直接存取存儲單元的大容量磁盤,采用了類似半導體器件的光刻技術,以比鐵氧體設計更小、更精密的方式制造磁盤驅動器的磁頭。通過連續的光罩制作、蝕刻和沉積步驟(包括真空和濕式電鍍),在陶瓷基片上構建了薄膜層,包括磁性材料(鎳鐵)、絕緣材料和銅線圈材料,然后物理上將它們分隔成單獨的讀寫頭電路,并與空氣軸承一起集成,大大降低了每個單元的制造成本。

1979年:硬盤直徑逐漸縮小

隨著諸如IBM 4331型計算機,還有Data General、DEC、惠普、王安等公司推出小型商業和工程計算機的需求增加,硬盤從14英寸直徑逐漸過渡到8英寸。1979年,IBM推出的62PC(Piccolo)采用了8個容量為65MB的8英寸硬盤。一年后,為滿足個人電腦市場對更小尺寸和更低功耗的需求,希捷推出一款直徑為5.25英寸的硬盤驅動器ST506,并建立了ST506接口和大小尺寸作為行業標準。

1983年,Rodime公司推出了第一款3.5英寸硬盤R0351/352,采用更小的介質直徑,與當時行業標準的3.5英寸軟盤大小相匹配。其它企業隨后推出了更多3.5英寸硬盤。到了1996年發貨的1億塊硬盤中,3.5英寸硬盤仍是PC中的主要使用規格,占據80%以上的市場份額。至今3.5英寸規格仍被用于企業和個人存儲系統來獲取大容量。

1983年:網絡存儲系統實現商業化

存儲系統由多個存儲設備組成,例如硬盤驅動器和磁帶驅動器,通過層層的硬件和軟件構建出可靠且高性能的網絡單元。早期的系統通過專用接口設備連接到單臺計算機上。

20世紀70年代出現了將存儲的數據在獨立網絡計算機之間動態共享的概念。1983年5月,DEC(數字設備公司)宣布推出的VAX集群計算機允許最多15臺VAX計算機每臺運行自己的VMS操作系統,并通過分布式鎖管理器在由多個分層存儲控制器(HSC)控制的存儲設備池(磁盤、磁帶等)之間共享文件。

1989年,Auspex推出網絡附加存儲(NAS)系統,采用專用文件存儲服務器,通過標準以太網連接,運行Sun公司的分布式網絡文件系統(NFS)協議,共享UNIX系統上的文件。

1993年,NetApp推出價格更低、可擴展性更強的文件服務器設備,最終獲得NAS市場主導權。

1997年,由博科推出的存儲區域網絡(SAN)采用交換式光纖通道網絡,為客戶端和服務器提供基于塊的存儲池。上層的SAN文件系統允許在共享存儲介質上共享多個不同操作系統的服務器上的文件副本。隨著NAS和SAN的共同演進,基本消除了距離對網絡系統性能的限制。

1988年:獨立磁盤冗余陣列(RAID)來了

1988年,加州大學伯克利分校在論文中提出了RAID(獨立磁盤冗余陣列)概念,稱用于個人電腦應用的多個廉價磁盤陣列性能勝于單個昂貴的大型機磁盤。那時鏡像概念已經廣為人知,已經有一些存儲系統圍繞小型磁盤陣列開始構建。此后RAID引起了商業供應商的關注,1987年成立的獨立RAID供應商相繼被希捷、天騰和EMC收購。

一些標準的RAID等級和相關的數據格式有所發展,每個等級都有很多變種。之后存儲網絡行業協會(SNIA)做了標準規范。如今,大多數基于服務器和網絡的存儲都基于RAID。

2005年:垂直磁記錄(PMR)技術出現

1995年,業內專家預測縱向磁記錄的密度將受到超順磁效應限制,之后人們認識到垂直磁記錄可以擴展到更高的密度。2005年底至2006年中期,東芝、西部數據和HGST在帶頭推動了PMR磁盤驅動器的商業化。東芝推出80GB 1.8英寸硬盤MK4007GAL,磁記錄密度達133Gb/平方英寸。業內所有主要供應商都采用了PMR技術,兩年后,HGST推出了一款擁有1TB容量的硬盤Deskstar 7K1000,磁記錄密度達到325 Gb/平方英寸。

2013年:氦氣硬盤助力云存儲

氦氣技術使得更多寶貴的數據能夠以較低的成本存儲在“云端”

云計算是20世紀60年代分時共享計算的現代等價物,個人用戶可以通過一個終端和調制解調器,模擬電話線路遠程訪問大規模的計算和存儲資源,其資本成本遠低于自己安設備。如今,訪問通過互聯網進行,資源和服務更加復雜,硬件分布在全球多個數據中心。典型消費者最廣泛使用的云服務是低成本的大容量存儲。

數據中心里很多數據存儲在硬盤(HDD)上。這些驅動器通過在旋轉盤的表面上磁性記錄數據。為了存儲最多的數據,硬盤在每平方英寸的磁盤上記錄盡可能多的比特位。增加更多硬盤成為挑戰,更糟糕的是,功耗會增加,硬盤會過熱。此外,由于磁盤和臂需要更薄,內部流動引起的振動更嚴重,這使得跟蹤包含數據的磁道變得更加困難。

用氦氣填充硬盤可以解決這些問題。氦氣的密度是空氣的1/7。這大大降低了功耗和熱量的產生,并且改善了磁道跟蹤。

氦氣硬盤的研發可以追溯到20世紀70年代甚至更早。但直到2013年,HGST才推出了一款采用充氦技術的3.5英寸、7200轉硬盤Ultrastar? He6,容量為6TB。1英寸高度可以放七個盤片。2017年,數字增加到了八個盤片(Ultrastar He12),2018年東芝增加到九個盤片。盤片厚度從1.27毫米降至0.635毫米。截至2020年3月,所有高容量數據中心硬盤都采用了氦氣技術。

2014年:硬盤記錄密度達到每平方英寸1TB

密度(Areal density)是指在記錄介質的表面積上可以存儲的信息數,它是確定一種技術最大容量的主要因素,最常應用于硬盤。2014年,希捷宣布推出一款采用扇區磁記錄(SMR)技術的3.5英寸,6TB硬盤,其記錄密度達到每平方英寸1TB。

2015年,東芝宣布通過擴展傳統的面向垂直磁記錄(PMR)技術,在2.5英寸硬盤上實現了每平方英寸1TB的記錄密度。

此后,硬盤制造商們將新技術目光轉向HAMR(熱輔助磁記錄)。其通過在寫入磁場之前使用激光加熱來降低磁介質的磁化閾值,從而實現更高的磁化穩定性和更小的位尺寸。這意味著每平方英寸上可以存儲更多的比特位,HAMR技術的進一步改進,意味著實現更高的記錄密度,為未來硬盤容量增長鋪平道路。此外還加大了對硬盤能效的關注度,引入創新技術和方法以降低功耗和環境影響。

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