硬盘技术纵横谈―马达和保护技术篇

“转动”的生命??马达技术剖析

　　对于硬盘技术纵横谈专题，前两期我们对硬盘的磁头、盘片和接口技术进行了介绍，本期我们将向读者介绍硬盘的马达、数据保护、震动保持技术等。总的来说，硬盘马达技术是使硬盘运行更稳定、从而实现更快的转速等，而数据保护技术都作为硬盘的附加技术存在，它们虽然不能为硬盘带来直接的性能提升，但是它们却是硬盘高数据传输率和高性能的重要保障。

    “转动”的生命??马达技术剖析

    　　一直以来，硬盘马达都在使用普通的滚珠轴承，这种的轴承马达应用了数十年之外，它比较鲜明特点是硬盘的工作噪音比较大，运行稳定性不是非常好，这点在早期的7200RPM IDE硬盘身上得到了充分的体现。因此，自2001年开始，硬盘厂商开始在IDE硬盘上应用了比较新的FDB液态轴承马达技术。

    　　FDB全称即液态轴承马达，它是用于取代传统滚珠轴承马达的新型马达技术。此项新型马达允许更高的主轴转动速度，并且拥有更低的工作噪音，同时FDB电机也能在一定程度上增强硬盘的防震能力，从而提高硬盘的工作稳定性。在工作机理上，FDB电机是通过流体驱动，而不是传统滚珠轴承马达中的金属球与金属球的碰撞来产生动力。

    　　在滚珠马达中，滚动元件按照他们的几何学设计以尽量减小振动。因为这些振动是产生噪音的来源，同时也是导致硬盘工作不稳定的因素，特别是在高磁盘密度的硬盘中，滚珠振动更难以消除。此外，在滚珠马达中，振动将导致滚珠与轨道间的撞击，久而久之，这些轨道将永久性变性，这将导致硬盘的工作噪音急剧增加，同时也可能导致硬盘电机主轴振动，从而影响硬盘工作稳定性。

    　　在FDB液态轴承马达中，轴承功能被一个很小的流体层所替代，它的高度只有人类头发丝直经的十分之一。流体薄膜将旋转式喷灌器和轴承的固定成员分开，这将在根本上减小或消除振动，从而达到静音运作。在FDB轴承中，电机主轴通过整合在轴承上的一个更大区域来传递振动，从而大大地增强了振动的缓冲能力。此外，流体还提供着一种机械阻尼，从而减小负荷扩大化，而这是滚珠电机普通存在的问题。

FDB马达的交叉部分，空白处为流体滑润剂

    　　追溯历史，FDB马达其实早在50年前就已在陀螺仪上得到广泛应用，不过将FDB马达引入硬盘领域，还只是10年前的事情。现在FDB马达在硬盘领域也得到了广泛应用，例如大家非常熟悉的希捷新酷鱼V，迈拓金钻七代L系、金钻八代等都是采用FDB马达。硬盘中，应用了FDB后，给我们体会最深刻的一点就是硬盘工作时变安静了。随着此项技术越来越成熟，相信以后FDB将得到越来越广泛的应用。

    　　最后，这里简单提一下题外话，在希捷的宣传材料中，我们还经常看到一个名词即SoftSonic，而希捷公司经常将它与FDB联系在一起，对于这两者有何区别呢？其实SoftSonic马达即FDB马达，只是希捷公司对FDB起的一个雅称罢了，因此大家以后在查看关于希捷科技的相关材料时应注意这点。

无形的价值??硬盘数据保护技术

　　如今，计算机用户们对数据存储可靠性的期望值很高。许多用户甚至从不考虑硬盘故障可能导致数据丢失的情况。尽管技术的日益进步使数据丢失现象已不常见，但也不能排除其可能性。

    　　因此，随着硬盘技术的前进，硬盘就出现了如下几套数据保护系统。最为大家熟悉的莫过于S.M.A.R.T，它是利用可靠性预测技术来提前发现硬盘故障，以便引起系统管理员或用户的重视，保证在硬盘发生故障前将数据备份下来。S.M.A.R.T.英文全称即Self Monitor Analysis Report Technology,自检测诊断分析与报告技术，它是是ATA/IDE和SCSI环境下都可使用的一种可靠性预测技术。S.M.A.R.T.由Compaq公司率先开发，全球前五名硬盘生产商目前正对其进行不间断开发。这前五名硬盘生产商是：希捷科技、原IBM公司（即日立全球存储技术公司）、Conner外围设备公司（已被别的公司所并购）、西部数据公司和迈拓公司（包括原昆腾硬盘公司）。

    　　S.M.A.R.T技术其实不是一项新数据保护技术，只是由于它得到了广泛的应用，现在几乎所有的计算机系统中都能支持S.M.A.R.T技术，因此在这里笔者再简单多说几句。S.M.A.R.T.技术就象拼七巧板，需要把许多块拼图正确拼装在一起，最终形成一种图案。如前所述，推定故障就是其中的一块拼图。另一块就是确定属性的方法。属性是进行可靠性预测的参数，由制造商为各种硬盘量身设定。为了确定属性，硬盘的设计工程师们对返修硬盘进行了检查，研究设计要点，为他们所看到的各种故障确立相应的诊断属性。来自应用现场的信息可用于预测可靠性问题的研究，并最终纳入到新的可靠性结构之中。

    　　尽管不同的硬盘属性各异，但是它们还是有以下一些共同之处：

    　　<> 磁头飞行高度
　　<> 数据吞吐性能
　　<> 起旋时间
　　<> 重新分配的扇区计数
　　<> 寻道错误率
　　<> 寻道时间特性
　　<> 试旋重计数（spin try recount）
　　<> 硬盘校准重试计数 （drive calibration retry count）

    　　上面所列的属性是几种能反映可靠性的典型指标。从根本上讲，硬盘的设计决定了制造商将选定哪些属性。因此可以认为，属性因制造商而异，并取决于硬盘的设计。

    　　由于ATA硬盘和SCSI硬盘对数据特性具有不同的要求，因此当SFF-8035(1995年5月12日，Compaq公司向Small Form Factor委员会提交了专为ATA/IDE 开发的IntelliSafe，也称为SFF-8035)进入公共领域时，用于ATA/IDE环境的S.M.A.R.T.开始出现。SCSI硬盘采用了一个不同的行业标准，如ANSI-SCSI Informational Exception Control (IEC)中定义的X3T10/94-190。适用ATA/IDE和SCSI环境的S.M.A.R.T.系统技术的属性和门限值相似，但在信息的报告上却不相同。

    　　在ATA/IDE环境下，由主机上的软件对S.M.A.R.T“报告状态”命令生成的、来自硬盘的告警信号进行解读。主机定期对硬盘进行查询，以检查这一命令的状态，如果显示马上要发生故障，就将告警信号送至最终用户或系统管理员。系统管理员就安排关机时间，以备份数据和更换硬盘。这一结构还可以进一步改进，即能够报告除硬盘以外的其它信息，如温度告警、CD-ROM、磁带，或其它Ｉ／Ｏ报告等。主系统除对来自硬盘的“报告状态”命令进行评估外，还可对属性和告警报告进行评估。

    　　一般来说，具有可靠性预测功能的SCSI 硬盘只报告状况完好或出现故障。在SCSI 环境中，由硬盘进行故障判断，然后由主机通知用户采取措施。在SCSI 标准中有一个检测位，当硬盘确定可靠性出现问题时，检测位就打上标记。系统便通知最终用户或系统管理员。

硬盘数据保护技术之MaxSafe增强版

　　除了大家耳熟能详的S.M.A.R.T.技术外，各家硬盘厂商现在均竞相推出了各自的硬盘数据保护技术，例如原IBM硬盘公司就有DFT技术，原昆腾硬盘公司有DPS（数据保护系统），迈拓公司有MaxSafe技术，西部数据公司有数据卫士（Data Lifeguard）技术，希捷公司有3DS系统。笔者这里再对Maxtor的MaxSafe技术和希捷的3DS系统进行简要介绍。

    MaxSafe(增强版)

    　　高性能高容量硬盘很重要，但可靠性也是一个不能忽视的因素，MaxSafe是Maxtor硬盘专有的数据安全系统。从硬盘原理我们可以知道，硬盘内部是一个非常非常清洁的空间，比医院的隔离病房还要干净得多，一个极小的微粒也会造成数据错误。尽管厂商们不断追求更为干净的制造环境，但是无论采用如何高级的过滤措施，仍然不能完全防止灰尘的入侵，MaxSafe系统的设计本意就是为了在数据丢失之前，发现和修正这些错误。

    　　Maxtor的数据完整性判断很简单：识别和决定可能发生问题的潜在点，MaxSafe先检查数据瞬时写入的正确与否，再监测长时间的数据存储过程，其中动用到三个技术：后台磁盘表面扫描、高级ECC、高速写入侦察。

硬盘磁头与盘片的示意图

    　　<> 后台磁盘表面扫描
　　ECC提供了一串数据位，使用复杂的译码算法计算，把自身附加在每一个存储在磁盘的数据上。当你存取这些资料时，附加的额外数据位会解码和校验数据，与原始记录相比较。如果编码/解码算法侦察有差异，将动用ECC位来修复不正确的数据。MaxSafe使用硬盘的idle（空闲）周期从磁盘读取数据，再使用硬盘电路版上的ECC来验证，最后把修复的数据存储在磁盘的另一点上，以上操作独立于主机系统，不会受到我们的干涉，充分利用了硬盘的每一段工作时间。

    　　<> 高级ECC
　　 从DiamondMax Plus 5120开始，Maxtor的所有产品已经包含了错误侦测和修正能力，与以前的产品相比，等于有了双重的ECC，每512byte个用户数据块，就有430 bits的ECC校验位。旧式的ECC可能会出现错误的修正，但高级ECC拥有两次校验操作，使错误发生率降到了1/10^20 bits。以250KB文件读取为例，1秒读1个文件，1天读取24小时，平均犯错时间为150万年。

    　　<> 高速写入侦察
　　 以今天的技术来计算，每英寸盘片大约可以存储1百万个文件，在写入资料时，如何磁头飞得太高，数据将不能被准确地记录下来。高速写入侦察用于检查每次数据写入的高度，确保磁头维持在安全写入区域内。

硬盘数据保护技术之希捷3D防护系统(增强版)

　　3D防护系统是希捷公司所独有的硬盘保护技术，它包括硬盘防护、数据防护和诊断防护。而这三方面的防护技术可确保用户得到的是高质量、高稳定性的硬盘。3D Defense System是捆绑在希捷硬盘特性中的一种保护手段，这可确保硬盘在震动及其它冒险性动作中对用户数据的损坏。同时它还带有诊断工具以供用户对硬盘的错误进行标识或解决。这个3D指得是Drive Defense(硬盘防护)、Data Defense(数据防护)及Diagnostic Defense(论断防护)

    　　<> Drive Defense(硬盘防护)

    　　磁盘保护包括如下几大方面：
　　G-Force 保护：可帮助希捷硬盘承受业内最高的非工作状态下的防震水平，即在2ms内震动力即使达到350G，也不会使硬盘损坏。
　　SeaShield 保护：提供ESD及安全处理，特别是对PCBA(Printed Circuit Board Assembly)板。
　　SeaShell保护：这是一种可以替换原有ESD(Elestro-Static Discharge)的硬盘工具包，这将为硬盘提供更多的保护、更易使用。

    　　<> Data Defense(数据防护)

    　　希捷先进的Multidrive系统(SAMS)–SAMS通过减小硬盘的旋转振动来减小对硬盘损坏，主要包括：
　　ECC(Error Correction Code，错误检正代码)—为高性能硬盘提供on-the-fly检正，还有就是对数据恢复提供最大限度firmware(固件)检正，因此数据可以正确完整地进行读及恢复。
　　Safe Saring—当硬盘断电及重新来电后，此Safe Saring可确保硬盘磁头回到同样的扇区，以保证数据不丢失。
　　End-to-End Path Protection-确保数据在主机与磁盘之间传输的完整性。

    　　<> Diagnostic Defense(论断防护)

    　　SeaTools–诊断工具软件，可以帮助用户诊断系统是否存在问题，以及诊断错误是否由其它硬件及软件产生 SeaTools可以大大地避免硬盘的返修，以节约用户开支及保护用户宝贵数据。它可以在ATA及SCSI产品中工作，包括全部的旧希捷硬盘。
　　增强的S.M.A.R.T(Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology自诊断，分析及报告技术)：可在硬盘错误与问题发生前向用户发出警告。
　　Web-Based Tools（基于Web的工具）：可以允许用户标识及解决一些非硬盘相关错误，如病毒等，也可以检正文件系统，解决硬件冲突以避免不必要的硬盘返修。
　　DLD(Drive Logging Diagnostics)–捕获不可恢复性数据错误，实质上就是交互性的诊断工作。
　　硬盘的数据保护系统，是每一款硬盘所不可或缺，失去数据保护系统的硬盘是没有使用价值的。而为了更方便最终用户使用，许多硬盘厂商都将各种保护系统的微代码写入硬盘firmware 中，用户可以通过更新firmware 得到最新的数据保护技术和震动保护系统等。另外，硬盘厂商们还为方便用户使用，都拥有额外诊断程序，它是用户诊断硬盘健康状况的接口，这些程序很多，例如IBM公司推出的DFT（Disk Fitness Test）、Maxtor公司推出的PowerMax、西部数据公司推出的Data Lifeguard(数据卫士工具包)和希捷公司推出的SeaTools等。

    　　关于这些工具的具体使用方法及相关说明，读者可以参考存储线的相关文章。

    西部数据”数据卫士”技术详述
剖析Maxtor硬盘的专有技术
IBM Drive Fitness Test 诊断技术剖析
希捷：3D防护系统剖析

结述语

　　随着科技进步，硬盘技术也在日新月异，对于最终用户的体现就是我们可用的硬盘容量越来越大了、速度越来越快了、运行越来越稳定了。而这一切都是硬盘新技术的直接表现，没有更新磁头和盘片技术，硬盘单碟容量就无法成倍地增大；没有新型的接口技术和更高的单碟容量，硬盘的数据传输率也无法成倍提升；没有更先进的数据保护技术和震动保护系统，硬盘也就无法在更快更大的情况下不出现数据丢失或硬盘损坏的现象。

    　　我们在享受新型硬盘带来各种各样好处的同时，其实也就是在体验硬盘新技术的直接利益。存储从此开始，存储也是从新技术开始。

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