硬盘技术发展史

3/2/2008来源:存储备份人气:5733

现在的IDE硬盘,容量动辄20GB,转速则大多为7200rpm,数据缓存则是2MB,这就是现在主流IDE硬盘的标准。那你知不知道以前的硬盘是什么样子呢?现在大家看到的硬盘大多是3.5英寸盘,但以前的硬盘又是什么一样子呢?到今日这个样子,又经过了多少发展过程呢?带着这些问题,让我们来看看硬盘的历史发展。

最早的硬盘可算是1956年9月,IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM 350 RAMAC(Random access Method of Accounting and Control),它的磁头可以直接移动到盘片上的任何一块存储区域,从而成功地实现了随机存储,这套系统的总容量只有5MB,共使用了50个直径为24英寸的磁盘,这些盘片表面涂有一层磁性物质,它们被叠起来固定在一起,绕着同一个轴旋转。此款RAMAC在那时主要用于飞机预约、自动银行、医学诊断及太空领域内。普通用户是不可能用到得,当然当时的电脑也不多,还没有所谓的PC(Personal Computer)。

由于RAMAC庞大的体积及低效的性能,使用或者制造都非常不便,因此在1968年IBM公司又提出了“温彻斯特/Winchester”技术,探讨对硬盘技术做重大改造的可能性。“温彻斯特”技术的精隋是:“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片,磁头沿盘片径向移动,磁头悬浮在高速转动的盘片上方,而不与盘片直接接触”,这也是现代绝大多数硬盘的原型。在此项温氏技术提出后的5年,即1973年,IBM公司制造出了第一台采用“温彻期特”技术的硬盘,从此硬盘技术的发展有了正确的结构基础,现在大家所用的硬盘大多是此技术的延伸。

下面让我们分块来介绍硬盘技术的历史与发展。

一、磁头技术 硬盘技术的更新换代,其中一个非常重要的技术就是磁头技术,现在的硬盘单碟容量一般都在10GB以上,最高的单碟容量已经达到了20GB,以后硬盘的单碟容量还将继续增大,对于单碟容量,它直接联系的技术就是磁头技术,磁头技术越先进,硬盘的单碟容量就可以做得更高。

最早的磁头是采用铁磁性物质,它在不论磁头的感应敏感程度或精密度上都不理想,因此早期的硬盘单碟容量均非常低,单碟低了,硬盘的总容量就受到非常大的限制,因为在一块硬盘内封装的盘片数是非常有限的(目前一般的硬盘封装盘片数在3~5片)。同时早期使用的磁头在体积上也小,它使得早期的硬盘体积上相对而言比较庞大,这给用户的使用带来了非常的不便。 1979年,IBM发明了薄膜磁头,为进一步减小硬盘体积、增大容量、提高读写速度提供了可能。接着在80年代末期,IBM公司对硬盘发展做出了非常重要的一个贡献,即研发了MR(Magneto Resistive)磁阻磁头,这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感,这使得盘片的存储密度能够比以往20MB每英寸提高了数十倍,磁盘存储密度提高了,单碟容量自然而然就提高了,而单碟的提高就带动着整块硬盘容量的增大。

在1991年,IBM公司将此项MR磁头技术应用于3.5英寸硬盘中,使得普通电脑用户使用的硬盘容量首次达到了1GB,从此我们使用的硬盘容量开始进入了GB数量级。现在有些用户使用得迈拓钻石十一代(DiamondMax 80),它能提供高达80GB的容量,这些都是从那时的MR磁头技术开始得,当然这么高的容量最后还得归功于GMR(GaintMagneto Resistive,巨磁阻)磁头技术,GMR是IBM公司在MR技术的基础上研发成功的新一代磁头技术,它是最新的磁头技术,现在生产的硬盘全都应用了GMR磁头技术。GMR比MR具有更高的信号变化灵敏度,从而使得硬盘的单碟容量可以做得更高,目前最新的磁头技术为第四代GMR磁头技术。 

二、电机技术

在硬盘中,与磁头技术一样重要的另一项技术就是电机技术了,它直接影响着硬盘转速的大小。目前最快主轴转速的硬盘即希捷公司推出的Cheetah X15(捷豹X15系列),它的主轴电机转速高达15,000rpm。目前主流的IDE硬盘转速为7200rpm,而主流的SCSI硬盘转速则为10,000rpm。

早期的硬盘转速一般只有4000rpm甚至更低,低转速的主要原因是由于电机技术的限制,随着技术的革新,转速提高到了4400rpm及4900rpm,再后来就是5400rpm了。

目前还有相当大部份的IDE硬盘转速只有5400rpm,这些产品的定位是低价位电脑市场,如上面提到的迈拓钻石十一代(DiamondMax 80),虽然它能提供最高容量达80GB,但其转速却只有5400rpm。在5400rpm后,推出的即7200rpm,这也是目前最高的IDE硬盘转速。

这里提一个比较优秀的电机技术是希捷公司独有的 Fluid Dynamic Bearing (FDB) 电机,它在1996年第一次推出,现在已经发展到了第三代技术,最新推出的7200rpm Barracuda ATA III(希捷新酷鱼三代)采用的就是FDB III电机技术,它能有效降低噪音,减少震动,延长寿命和增强对震动的反抗能力。电机技术发展了,直接影响的就是硬盘主轴转速的提高,而转速就决定着硬盘的寻道时间。当然在提高硬盘主轴转速的同时需要考虑得是硬盘的发热量及振动问题,还有就是硬盘的工作噪声问题。所以电机技术直接决定着硬盘的快慢、工作温度及工作噪声等。

三、接口技术

硬盘接口一直是人们关心的技术,随着电脑其他配件(如CPU、内存、显示等子系统)性能的大步迈进,硬盘的接口传输率越来越体现出它在整个电脑系统的瓶颈效应,硬盘接口越来越受到人们的关注。

1、最早的硬盘接口要算是ST-506/412接口,它是希捷开发的一种硬盘接口,首先使用这种接口的硬盘为希捷的ST-506及ST-412。ST-506接口使用起来相当简便,它不需要任何非凡的电缆及接头,但是它支持的传输速度很低,因此到了1987年左右这种接口就基本上被淘汰了,采用该接口的老硬盘容量多数都低于200MB。早期IBM PC/XT和PC/AT机器使用的硬盘就是ST-506/412硬盘或称MFM硬盘,MFM(Modified Frequency Modulation)是指一种编码方案 。


2、接在ST-506/412接口后发布得是ESDI(Enhanced Small Drive Interface)接口,它是迈拓公司于1983年开发的。其特点是将编解码器放在硬盘本身之中,而不是在控制卡上,理论传输速度是前面所述的ST-506的2~4倍,一般可达到10Mbps。但其成本较高,与后来产生的IDE接口相比无优势可言,因此在九十年代后就补淘汰了。

 3、IDE与EIDE接口,IDE(Integrated Drive Electronics)的本意实际上是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器,我们常说的IDE接口,也叫ATA(Advanced Technology Attachment)接口,现在PC机使用的硬盘大多数都是IDE兼容的,只需用一根电缆将它们与主板或接口卡连起来就可以了。把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度,数据传输的可靠性得到了增强,硬盘制造起来变得更轻易,因为厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其他厂商生产的控制器兼容,对用户而言,硬盘安装起来也更为方便。

4、ATA-1(IDE)接口,ATA是最早的IDE标准的正式名称,IDE实际上是指连在硬盘接口的硬盘本身。ATA在主板上有一个插口,支持一个主设备和一个从设备,每个设备的最大容量为504MB,ATA最早支持的PIO-0模式(PRogrammed I/O-0)只有3.3MB/s,而ATA-1一共规定了3种PIO模式和4种DMA模式(没有得到实际应用),要升级为ATA-2,你需要安装一个EIDE适配卡。

5、ATA-2(EIDE Enhanced IDE/Fast ATA)接口,这是对ATA-1的扩展,它增加了2种PIO和2种DMA模式,把最高传输率提高到了16.7MB/s,同时引进了LBA地址转换方式,突破了老BIOS固有504MB的限制,支持最高可达8.1GB的硬盘。如你的电脑支持ATA-2,则可以在CMOS设置中找到(LBA,LogicalBlock Address)或(CHS,Cylinder,Head,Sector)的设置。其两个插口分别可以连接一个主设备和一个从设置,从而可以支持四个设备,两个插口也分为主插口和从插口。通常可将最快的硬盘和CD—ROM放置在主插口上,而将次要一些的设备放在从插口上,这种放置方式对于486及早期的Pentium电脑是必要的,这样可以使主插口连在快速的PCI总线上,而从插口连在较慢的ISA总线上。

6、ATA-3(FastATA-2)接口,这个版本支持PIO-4,没有增加更高速度的工作模式(即仍为16.7MB/s),但引入了简单的密码保护的安全方案,对电源治理方案进行了修改,引入了S.M.A.R.T(Self-Monitoring,Analysis and Reporting Technology,自监测、分析和报告技术) 。

7、ATA-4(UltraATA、UltraDMA、UltraDMA/33、UltraDMA/66)接口,这个新标准将PIO-4下的最大数据传输率提高了一倍,达到33MB/s,或更高的66MB/s。它还在总线占用上引入了新的技术,使用PC的DMA通道减少了CPU的处理负荷。要使用Ultra-ATA,需要一个空闲的PCI扩展槽,假如将UltraATA硬盘卡插在ISA扩展槽上,则该设备不可能达到其最大传输率,因为ISA总线的最大数据传输率只有8MB/s 。其中的Ultra ATA/66(即Ultra DMA/66)是目前主流桌面硬盘采用的接口类型,其支持最大外部数据传输率为66.7MB/s。

8、Serial ATA接口,新的Serial ATA(即串行ATA),是英特尔公司在今年IDF(Intel Developer Forum,英特尔开发者论坛)发布的将于下一代外设产品中采用的接口类型,就如其名所示,它以连续串行的方式传送资料,在同一时间点内只会有1位数据传输,此做法能减小接口的针脚数目,用四个针就完成了所有的工作(第1针发出、2针接收、3针供电、4针地线)。这样做法能降低电力消耗,减小发热量。最新的硬盘接口类型ATA-100就是Serial ATA是初始规格,它支持的最大外部数据传输率达100MB/s,上面介绍的那两款IBM Deskstar 75GXP及Deskstar 40GV就是第一次采用此ATA-100接口类型的产品。在2001年第二季度将推出Serial ATA 1x标准的产品,它能提高150MB/s的数据传输率。对于Serial ATA接口,一台电脑同时挂接两个硬盘就没有主、从盘之分了,各设备对电脑主机来说,都是Master,这样我们可省了不少跳线功夫。

四、盘片技术

在硬盘磁头、电机及接口不断更新的过程中,存储数