郑州市交警二大队候:迎接6Gb到来！细数引领硬盘性能的新技术

出处：pconline 2009年11月12日 作者：里昂 责任编辑：chenxuhua

　　虽然硬盘性能发展的速度远远跟不上CPU、GPU等配件，但它在PC里的重要地位谁也无法取代，它的各项技术参数和性能还是在不断地稳步改进中，性能方面的进步还是能用用户真实体会到的。最近，SATA国际组织SATA-IO发布的第三版SATA规格已经将接口速度提升至惊人的6Gb/s。市场上多家一线主板厂商也在第一时间发布了自己支持SATA 6Gbps的主板产品，硬盘业界老大希捷也于11月10日发布了全球第一台SATA 6Gb/s 2TB硬盘——Barracuda XT。SATA 6Gbps（SATA Revision 3.0）从规格制定到产品线都已齐备。

　　业界的迅速反应，说明了对这项新技术的重视程度。自串行传输接口SATA取代并行传输接口PATA、SATA接口规格从1.5Gbps发展到现在的6Gbps，硬盘存储技术从内到外都有了明显变化。旧有的技术不断改进，新技术也不断加入，使得硬盘的性能获得长足的进步。下面，将为大家列举一些这段时间应用在硬盘存储的各项影响硬盘性能、影响用户实际使用的新技术，迎接第三代SATA——SATA 6Gbps的到来。

        垂直记录技术

　　笔者将将这一项技术放在首要介绍的位置，是因为它对传统硬盘有着非常重要的意义。面对固态硬盘（SSD）性能上无可比拟的优势，机械硬盘最有利的反击武器就是容量和每G容量的价格。从2003年开始，磁盘碟片的单碟容量的发展速度就开始缓慢下来，每年30%的低增长率预示着纵向记录技术已经到达了一个临界点，单碟容量已经很难再获得提高，然而垂直记录技术的应用改变了这个窘境，也使传统硬盘的统治地位得以延续。

 
纵向记录技术（左）与垂直记录技术（右）工作示意图

　　垂直记录（Perpendicular Magnetic Recording，PMR）是相对于之前的纵向记录方式（Longitudinal Magnetic Recording，LMR）而言，如果每个记录单元的SN方向为水平于盘片，则称为纵向记录方式。垂直记录技术利用厚度很好的地克服了超顺磁效应，可以有效地增加了磁盘的密度，从而取代纵向记录技术。

具有标志性的希捷7200.10 垂直记录技术硬盘

　　垂直记录技术使磁盘密度得到进一步提升，其最直接的好处就是使体积有限的硬盘腔体的硬盘容量获得明显提高，目前市售硬盘的最高容量已达海量的2000GB。今年2月，昭和电工刚刚宣布了第四代垂直记录技术的全线应用，包括最大单碟容量单碟500GB 3.5寸盘片。而昭和电工的下一步计划，就是以第五代垂直记录技术单碟750GB的3.5寸盘片。相信届时，四碟装容量达到3TB桌面硬盘就将到来。

 
单碟500GB硬盘与单碟250GB硬盘读写性能比较

　　有经验的DIYer应该知道，影响硬盘传输速度的一直是硬盘内部的传输速率，而不是外部接口的传输速率。不过，自从垂直记录技术得到全面应用、磁盘记录密度的不断增加，主流硬盘的传输性能早已超过100MB/s，并行PATA已不能满足实际需求。而在接口的物理设计上，宽大的PATA接口和线材已经一定程度上影响到机箱内部的散热风道，长度上较短的PATA线降低了理线的灵活性，加上没有任何的热插拔能力，PATA被淘汰已是板上钉钉的事。

10个SATA口，换作PATA的话占的空间要大几倍

　　传输方式上，SATA是点对点的串行传输方式，每个SATA设备可以独占一个SATA通道的所有带宽，避免了PATA并行传输方式一个通道上两个设备抢带宽的问题和跳线的麻烦；传输速度上，SATA从1.5Gb/s（150MB/s）、3.0Gb/s（300MB/s），到最新的6.0Gb/s，比PATA最高的133MB/s要高出很多。关于传输速率有些朋友可能会很困惑，例如SATA 3.0Gb/s的传输速度为什么会是300MB/s？这是因为SATA所使用的是被称为8b/10b的编码，这种机制下实际为8 bits的数据按10-bit进行打包发送，8b/10b的编码效率为80%，加上每个Byte等于8 bit，所以3.0Gbps=3000/8 x 80%=300MB/s。

PATA数据线（左）和SATA数据线（右）

　　在接插件上，相信不少老老家都经历过，费了九牛二虎之力、把手都搞痛了都无法把IDE数据线和4pin电源线从设备拔下来的尴尬。而SATA大幅减少了数据插头和电源插头的体积，可以轻松进行插拔操作，并带来了热插拔特性。在数据线的长度和体积上SATA也占尽优势，可达1米的长度和极小的体积，使SATA线可以在机箱内部轻松走线，既可以美观又能帮助机箱内部散热，而较短且宽大的IDE线就不能比了。

　　关于SATA接口的插拔次数流传着一个误区：SATA接口能插拔50次。其实这是不正确的，在SATA规范中有规定：内部连接器的耐用性不得低于50个插拔循环，也就是说，遵从规范生产的SATA接口产品，其耐插拔能力是不能低于50次，而不是最多50次，是下限而不是上限。

ESATA（左）和SATA（右）接插件对比

　　过去我们在机箱外部连接移动硬盘等设备一般是采用USB2.0或火线1394接口，但这两种接口的实际传输能力（USB 2.0约30MB/s；IEEE1394约40MB/s）已经远远不能满足现在硬盘（超过100MB/s）的性能需求。而eSATA的出现使用户在电脑外部连接SATA设备也可以获得和内部连接相同的效果。对于内部接口SATA，外部的eSATA接口仅仅是在接插件上改进了耐插拔性、插拔次数可超过2000次；而内部的针定义是和SATA接口完全一致的。

        AHCI（串行ATA高级主控接口）

　　AHCI，全称为Serial ATA Advanced Host Controller Interface（串行ATA高级主控接口），是在Intel的指导下，由多家公司联合研发的接口标准，其研发小组成员主要包括Intel、AMD、戴尔、Marvell、迈拓、微软、Red Hat、希捷和StorageGear等著名企业。在AHCI技术里面我们最常用到的高级功能就是热插拔功能和NCQ（全速命令排序）。

主板BIOS中设置AHCI功能

　　AHCI描述了一种PCI类设备，主要是在系统内存和串行ATA设备之间扮演一种接口的角色，而且它在不同的操作系统和硬件中是通用的。对于主板来说，它是一项可选功能，只有当用户在BIOS设置里面启用磁盘控制器（部分主板拥有一个以上的磁盘控制器）的AHCI后再正确安装操作系统，该功能才能生效。

Intel Matrix 存储管理器界面

　　在前面我们提到SATA接口可以支持热插拔，但其实在SATA 1.0具备完整的热插拔能力，而到了SATA II这个能力才真正得到完善。在开启了主板的磁盘控制器（部分主板拥有一个以上的磁盘控制器）的AHCI功能，正确安装操作系统和驱动程序后，我们就可以对该控制器下的SATA/eSATA设备进行轻松的热插拔操作。

        NCQ（全速命令排序）

　　一直以来SCSI硬盘在多任务负载下的表现能力为人称道，其根本的原因除了SCSI接口惊人的接口速率外，便是它的指令排序功能。以往的PATA、SATA硬盘也正是因为缺少一种指令优化执行功能而在性能上落后于SCSI硬盘。针对这一困境，Intel的AHCI 1.0规范首次引入的NCQ（Native Command Queuing），它的应用能够大幅度减少硬盘无用的寻道次数和数据查找时间，这样就能显著增强多任务情况下硬盘的性能。

NCQ和非NCQ的磁头工作方式

　　如果没有原生命令队列，当命令被发往硬盘时，会按照命令到达的顺序进行处理。尽管这样听起来非常合理，但其实这样的效率会比较低。假设你的硬盘收到三条从硬盘读取数据的命令，第一条命令要求读取最里面的磁道的数据，第二条命令要求读最外侧的磁道的数据。最后一条命令又要求读取最内侧的数据。如果按照顺序执行命令，磁头需要在整个硬盘上四处游走。

　　如果能够先执行两个需要在外侧磁道读取数据的命令（第一条和第三条命令）再去执行第二条读取内侧磁道的命令，效率就能提高很多。这就是原生命令队列所起到的作用。通过原生命令队列功能，磁盘可以查看多个要求然后按照效率最高的方式进行处理。以这种方式处理命令可以提高硬盘的系统性能，而且由于这种方式效率较高，所以也能延长硬盘的使用寿命。

        固态硬盘

　　固态硬盘（Solid State Disk；SSD），也称作电子硬盘或者固态电子盘。SSD存储介质分为两种，一种是采用闪存（FLASH芯片）作为存储介质，另外一种是采用DRAM作为存储介质。固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与传统硬盘完全相同，由于固态硬盘没有普通硬盘的旋转介质，因而抗震性极佳。而由于没有机械读写结构，固态硬盘的随机读写能力是传统硬盘无法望其项背的一个地方。

闪存型（Flash）固态硬盘

　　在基于闪存的固态硬盘中，存储单元又分为两类：SLC和MLC。SLC的缺点是成本高、容量小，但读写性能高；而MLC的特点是容量大成本低，有写入寿命限制。MLC的每个单元是2bit的，相对SLC来说整整多了一倍。不过，由于每个MLC存储单元中存放的资料较多，结构相对复杂，出错的几率会增加，必须进行错误修正，这个动作导致其性能大幅落后于结构简单的SLC闪存。此外，SLC闪存的优点是复写次数高达100000次，比MLC闪存高10倍。

DRAM型固态硬盘，Ramdisk

　　基于DRAM的固态硬盘：采用DRAM作为存储介质，目前应用范围较窄。它仿效传统硬盘的设计、可被绝大部分操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理，并提供工业标准的PCI和FC接口用于连接主机或者服务器。应用方式可分为SSD硬盘和SSD硬盘阵列两种。它是一种高性能的存储器，而且使用寿命很长，美中不足的是需要独立电源来保护数据安全。

　　对于厂商开发、推行的新技术，消费者一直只能处于被动接受的状态，而每项新技术都有一个接受的过程。像SATA II的300MB/s接口速度刚推出来的时候，相信大部分用户都会觉得这么高速的外部接口速度根本用不上、因为传统硬盘的内部传输速度也就只有外部接口的1/3左右，但当读取能力高达250MB/s的固态硬盘产品推出时，大家又会担心这样的接口速度很快又会不够用了。今天，强大的SATA 6Gbps规格也会遇到相同的情况，而我们只能静待能充分发挥该规格的性能的产品出现。