混合硬盘迎来新希望

来源:用户上传      作者: 易　树

　　在全球消费和企业级存储的双重带动下，闪存和传统的磁盘存储都有了很大的发展。业界领导者们也在探讨推出混合硬盘，以集闪存介质的稳定性、低功耗和快速度与磁性驱动器的超高存储密度和低成本优势于一身。而业界巨头英特尔和微软对其的支持从根本上改变了混合硬盘的生态系统。
　　近日，IDEMA举办了主题为“硬盘行业动态: 接口、电子器件、架构和可靠性”的研讨会。IDEMA的全称是国际磁盘驱动器设备和材料协会，这个行业协会代表来自产值300亿美元的磁盘驱动器行业的340家公司。来自Adaptec、杰尔、博通、日立全球存储技术公司、英特尔、M-Systems、微软、Network Appliance、三星、希捷和西部数据等公司的代表有机会畅谈了诸多问题，譬如新兴接口、新的电子设计和集成、扇区架构和可靠性测试。
　　
　　研讨会上讨论的其中一个课题涉及固态存储设备和传统磁盘的集成。所谓的混合硬盘把磁性硬盘和闪存集成到一个设备上。固态存储介质用于消费类和企业存储设备上的做法已经很广泛: 它出现在数码相机、MP3播放器、USB硬盘和移动电话上，其市场份额正在不断扩大。与此同时，闪存价格每年在以30%到50%左右的速度下跌。每GB的价格在不断下降的同时，磁性驱动器的存储面密度却在不断增大。生产商们力求让混合硬盘集闪存介质的稳定性、低功耗和快速度与磁性驱动器的超高存储密度和低成本于一身。
　　
　　混合硬盘: 两种方案
　　
　　微软的混合硬盘设计其特点是把非易失性缓存添加到硬盘上――存储经常用到的扇区，从而缩短启动和恢复时间。M-Systems公司的技术营销主管Esther Spanjer特别指出，平均而言，90%的用户只使用10%的操作系统扇区。如果把最常使用的数据复制到非易失性缓存上，用户就可以尽量减小经常读取的扇区对硬盘的依赖，从而提高性能。厂商建议至少使用128MB的缓存容量，但硬盘生产商们大概会集成至少4GB的缓存，以存储重要的系统数据，譬如注册表或者收藏页信息。微软的混合硬盘设计目前只得到Vista的支持，不过随着这款平台日益成为标准，预计会得到更广泛的采用。
　　
　　英特尔的Robson缓存则采用了不同的方案，它把非易失性缓存直接放在主板上。因整个操作系统加载到了闪存上，这样就可以直接从缓存启动。同样，厂商建议缓存容量至少为128MB，但2GB到4GB的容量有望提供更强大的灵活性。
　　
　　集两者之所长
　　
　　这种混合集成方案能够为我们带来什么呢？首先，它降低了功耗。由于停止了转动，通过闪存的磁盘读写操作让硬盘可以保持在节电状态下。三星公司的Dan Barnetson估计，可以从整体上把功耗降低9%。在便携式电脑上，这省下来的电相当于最多可让电池寿命延长一个小时。
　　启动和恢复速度加快是另一个优势。 首次给PC加电后的头3至5秒用来转动硬盘盘片、实现磁头同步，然后才开始启动过程。直接从闪存缓存启动就消除了这种延迟现象，又不会牺牲磁盘性能: 闪存几乎全部利用了SATA协议的1.6Gbps传输速率。使用英特尔Robson闪存的工作模型则可以把启动时间缩短至不到半分钟。从关闭或者暂停模式进行恢复也是同样的情况。便携式电脑在进入睡眠、休眠或者断电模式之前，重要数据被写入闪存缓存。一旦恢复，重要数据立即可用。
　　最后，混合存储解决方案更可靠。移动应用需要可靠性，而作为固态介质，闪存具有出众的抗震性。另外，硬盘较低的工作占空比（operating duty cycle）意味着转动较少、散热较低、硬驱寿命较长、磁盘故障率较低。
　　
　　三种产品化实施
　　
　　有三种方法可以把非易失性内存集成到混合硬盘中。第一种是嵌入式闪存磁盘。这是占用内存很小且较为简单的一种解决方案，把控制器和闪存集成到一块芯片上。它只需要占用极小的主板空间，提供了NOR接口，可与现有的硬盘控制器协同工作。从设计角度来看，它比下面的其他方案要简单得多。它不需要全面重新设计现有的硬盘架构。闪存磁盘的管理软件由闪存磁盘生产商提供。
　　使用原始的NAND闪存（微型闪存卡和USB驱动器里面的那种闪存）和现有的硬盘控制器也是使用单一芯片的解决方案，其成本低于嵌入式闪存磁盘，不过需要额外的研发成本。由于NAND闪存种类繁多，但因为不同厂商的许多闪存芯片彼此不兼容，所以交叉兼容性没有保证。另外还需要开发管理NAND内存的软件。
　　第三种解决方案使用附带专用NAND控制器的原始NAND。它解决了不同闪存芯片的兼容问题。与嵌入式闪存磁盘或者使用硬盘控制器的NAND磁盘相比，这种使用两块芯片的解决方案需要更多的印刷电路板空间。它也有着类似NAND和硬盘控制器这种设计方案的缺点，包括缺少对现有软件的支持以及需要另外开发软件。
　　
　　硬盘扇区架构
　　
　　硬盘更高的存储面密度是在过去几十年促进硬盘存储容量飞速提高的主要因素之一，但现在已到了这样的阶段: 每英寸的比特数（bpi）和每英寸的磁道数（tpi）要是进一步提高，就很难确保数据检索的可靠性。如果存储面密度超过每平方英寸150－200GB，传统的512字节扇区对纠错码（ECC）来说就不够了。
　　由IDEMA发起的委员会发现，把标准扇区的大小增加到4096字节可以为将来的高存储面密度硬盘提供足够可靠的平台。这个较大的4K标准将让ECC可保持同样的比特误码率（BER），又不牺牲信噪比（SNR）。比较长的扇区可减少更大块的数据之间每个扇区带来的开销，同时提高了比特空间的利用率。如果使用较大的4K扇区，驱动器不但受益于增强的可靠性和容错性，还受益于更大的容量。
　　扇区大小从512B增加到4K将需要系统上出现变化。预计会在2007年开始生产4K扇区的驱动器，但随着市场开始统一使用4K原始块大小的驱动器，此后会出现持续多年的过渡期。譬如说，为了让原有的驱动器可继续正常使用，Windows XP等操作系统仍需要支持512B仿真技术。定于2006年发布的Vista还得再过两三年方可成为一款主流的操作系统。
　　据西部数据公司的Curtis Stevens声称，同时支持512B和4K原始扇区驱动器可能会给性能带来一些影响。譬如说，如果主机把数据写到与物理扇区边界不对齐的逻辑块地址（LBA），那么把512B的逻辑扇区映射到比较大的物理扇区就可能需要读－修改－写（RMW）过程。虽然在物理扇区边界开始及结束的读操作或者写操作其性能可能不会受到重大影响，但在物理扇区中间开始或结束的写操作可能会出现速度减慢。譬如说，在一个磁道里面的写操作可能需要多旋转一次。如果写操作横跨整个磁道，可能需要两次旋转。
　　这种变化带来的另一个问题与块对齐有关。Windows 3.1直到XP通常按奇数扇区边界格式化，而其他操作系统按偶数扇区边界格式化。为了工作状态处于最佳，就需要报告对齐要求，以便较新的系统能够相应地对遗留设备的数据进行格式化。文件系统格式和虚拟内存也需要稍加改动，以确保不会出现不对齐的情况。为了准备迎接这种变化，需要改写主机软件、驱动程序和固件。
　　
　　链接:三星明年将推出混合硬盘产品
　　三星电子近日宣布，其带有闪缓存芯片的硬盘产品将在明年初大量投入市场，这种硬盘不仅可以大幅提高电脑启动速度，还可以提升笔记本电脑的继航时间。
　　这种“混合硬盘”在结构上增加了大容量的快速NAND闪存芯片，三星硬盘搭载的是三星先进的OneNAND闪存芯片，数据读取速度108MB/s，
　　写入速度为18MB/s，能将系统启动所需时间缩短8～25秒，减少电池消耗8～10％，采用SATA接口，数据传输带宽3.0Gbps。

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