SMR、PMR/CMR硬盘古古怪怪你分得清吗

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但是，这个角色的变化，也悄然让硬盘的技术规格发生了改变。机械硬盘再也不追求速度，毕竟无论如何，机械硬盘的读写方式永远也不可能赶上固态硬盘电信号擦写的速度;而另一方面，人们对机械硬盘的容量需求，却前所未有的大。所以现在，机箱硬盘并非以速度见长，很多硬盘的转速不过是5900转/分钟，而不是以往我们认知的7200转“高速硬盘”了。只不过，为了扩大容量，一些看似“先进”、但又缺陷满满的技术也随之而来，这便是SMR……（图1）

机械硬盘如何运行

现在的消费级机械硬盘都是所谓的“温切斯特”式架构，主要部件是主轴、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，并且通常硬盘内的盘片数量都不止一片（图2）。

而磁头和磁头臂是一个整体，磁头主要负责读写数据，它是用线圈缠绕在磁芯上制成的，工作原理是利用特殊材料的电阻值随着不同地点磁场的不同而变化，两种磁极会让磁头表现为强弱不同的电阻，系统就会将不同的电阻读取为0或1的数据。反过来，磁头加电后还能改变盘片上各个点的磁极，也就是写入数据。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，间隙只有0.1um～0.3um，而不是盘片直接接触，在电源关闭之后，磁头会自动回到在盘片上着陆区，此处盘片并不存储数据，是盘片的起始位置（图3）。

而这一切的控制指挥权，都在硬盘的控制电路板上。电路板上的电子元器件大多采用贴片式元件焊接，这些电子元器件组成了功能不同的电路，包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。在电路板上有几个主要的芯片：主控芯片、BIOS芯片、缓存芯片、电机驱动芯片（图4）。

对于机械硬盘而言，容量的需求很高，所以厂商就必须想尽办法提高硬盘容量。而方法不外乎三种，第一是增加磁盘的数量，第二是增加磁盘的面积，第三是增加每个磁盘上存储数据的密度。不过毕竟无论是3.5英寸还是2.5英寸的规格，都已经定型了，再要改变磁盘尺寸几无可能（图5）。

PMR技术是什么

数据储存的需求一直持续增加，不管是直接、间接的储存行为都是造就海量数据的主要原因，早期硬盘发展由诺大体积缩小到5.25英寸、3.5英寸，之后逐步发展成以3.5英寸、2.5英寸为主流硬盘规格（仅限机械硬盘）。之后硬盘容量提升方式就是在有限空间中提高数据密度、增加可用面积，所以增加盘片数曾经是其中很重要的方式，但这一方式随着硬盘高度、重量、发热量等问题逐渐被放弃，最后剩下的就只有提升数据密度了。改变磁记录方式是提升存储密度最有效的方式，由LMR（纵向磁记录）转为PMR（垂直磁记录）曾让硬盘容量大幅提升，而PMR自2007年之后就成了硬盘很重要的基础技术。

LMR（Longitudinalmagneticrecording）也就是水平磁性记录，在早期磁盘中，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。这种方式最大的缺点，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。

PMR通过将代表数据位的磁性元素的磁极与磁盘表面垂直对齐来工作。磁道并排写入，不重叠。由于写入磁头通常大于读取磁头，因此HDD制造商会尽量缩小写入磁头的大小。由于PMR垂直式记录磁盘内，摆放磁粒的小格竖起来了，占用的空间变小了，所以相同的面積，单盘容量有了巨大的提升，LMR水平式记录磁盘，存储密度仅为每平方英寸133GB，而现在我们使用的PMR垂直式记录磁盘是可以做到每平方英寸1108GB，翻了将近9倍（图6）。

由LMR转为PMR使得单盘片磁记录密大大幅提升，但随着海量数据的爆炸性增长，比如高清格式的电影、超大容量的游戏等等，很快的这所谓的大容量硬盘又面临考验。于是如何在硬盘那有限的空间里“塞入”更多的碟片，就成了各家硬盘厂商的终极追求——例如导入氦气让每张盘片的间隙尽量缩小，可以在同等体积下塞进更多数据，很自然地就成为解决方案之一（图7）。

做到PMR这一步，严格意义上说已经非常困难了。但是，面对这数据存储需求的巨大鸿沟，仅仅是PMR依旧不够，所以在PMR基础上，SMR便诞生了。

SMR技术的由来

SMR是PMR的延伸，可提供更高的面密度。 SMR不会将每个磁道分开写入，而是将每个新磁道与之前写入磁道的一部分重叠，非常像屋顶的瓦片。通过重叠磁道，磁道会变得更窄，从而增加磁道数量，提升数据密度。这样一来，采用SMR技术的硬盘容量非常容易做得更大，毕竟在同等单位面积下“挤”出了新的存储空间（图8）。

实际上SMR的磁场摆放方式仍是采用PM R（垂直磁记录）将磁场垂直摆放，只是通过磁道重迭增加容量。因此为了避免与SMR混淆，业界于是将原先传统磁道不会重迭的PMR改称为CMR（Conventional MagneticRecording / 传统式磁记录）技术。所以本质上，PM R就是CMR，只不过名称换了而已（图9）。

当采用SMR技术的硬盘上循序写入新数据时，这些如瓦片般堆栈的磁道仍可正常读取，并不影响读取性能。但是，一旦已写入的数据要修改或覆写时，写入磁头并不会直接在既有的磁道上进行磁录，以避免毁损相邻磁道的数据，编辑后的数据会先在磁盤上的空白处写入，原先旧数据的磁道会暂时维持不动，等到硬盘闲置时才会与相邻磁道一起重新整理，将原先磁道上的旧数据自动清除，并重新成为可用空间以供新数据写入（图10）。

因此，SMR硬盘的空闲时间就显得相当重要。如果SMR硬盘长时间进行密集的写任务，则会没有足够的空闲时间来重新整理磁道，暂时不动的已有数据磁道数量会越来越多。这就导致SMR硬盘必须一边写入新数据，一边重新整理旧磁道，进而对读写效能造成某种程度的影响。为了增加读写性能，往往配备相当大的缓存——因此当你看到很多硬盘都是128MB、256MB的缓存，就明白它是什么了（图11）。

显然，在频繁读写的使用需求下，SMR硬盘绝对不是一个好的选择。但是，在需要读远大于写的使用环境下，SMR硬盘“便宜又大碗”的特性倒是十分适宜。所以，我们必须要以自身使用需求出发，这才是最重要的。笔者也整理了当前主流硬盘厂商的PMR/CMR及SMR技术硬盘，如果你有需求，可以根据这部分内容来区分硬盘的属性，方便自己采购时做出正确选择。此外，如果未来遇到一些尚未涉列的硬盘，笔者也提供基本的判断方法帮助读者快速判断硬盘的技术规格。

首先，目前的2.5英寸笔记本硬盘，也就是7mm厚规格的，如果容量是1TB或者2TB，那么几乎可以肯定用的就是SMR技术，因为这意味着使用了单碟容量为1TB的盘片，而目前2.5寸的盘片要做到单碟容量1TB，几乎只能靠SMR技术来提升密度。这种情况在希捷的2.5寸硬盘上最为常见，甚至出现了容量为500GB也要用SMR技术的2.5英寸单碟硬盘。其次，前文已经讲过了SMR式HDD具有跟CMR式HDD不同的写入方式，因为涉及到数据的来回迁移，所以一般SMR的硬盘会使用大容量的缓存来帮助提升使用体验，例如硬盘多采用128MB以上的缓存，那么极大概率也是SMR技术产品（图12）。