[综合] 多独立磁头硬盘技术，突破硬盘瓶颈
“硬盘技术瓶颈可望获得重大突破” 一文在新浪网上发表以来，我收到了很多热心朋友的电话和来信，而且在论坛里也有许多网友在热切关心着此事。其中，除了表示鼓励和支持之外，更有不少朋友对该发明的技术上的可行性、新颖性提出了各种各样的质疑。为此，我撰写了本文，希望能更详细地阐明我的一些想法和判断，愿与各位朋友探讨交流。同时就一些朋友关心的问题做出说明。1、关于多独立磁头方案的技术上和商业上的可行性
多独立磁头方案本身具有多种不同的应用目的和相应的实施方式。不同的实施方式的难度也不同。其中最容易实现的一种实施方式如下图所示。
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昨天 11:50
这是采用具有四个独立磁头的硬盘的电脑系统示意图。每个独立磁头分别具有完全独立的完整的子硬盘控制电路。每套子硬盘控制电路和相应的独立磁头均与中央的公用主轴和盘片单独构成完整和独立的子硬盘系统。中央的公用主轴和盘片是四个子硬盘的共用的数据存储盘片。公用主轴的电机由单独的电路控制。四个子硬盘分别连接不同的电脑主机，并成为对应主机的副硬盘。四个主机的内部还分别包括各自的主硬盘，该主硬盘是普通硬盘。不难理解，对于各个主机来说，其他主机的副硬盘(也就是四独立磁头硬盘的某个子硬盘)上的独立磁头的运行与否和运行状态与自己并不相干，也不会产生任何直接的干扰。显然，四独立磁头硬盘中的各个独立磁头之间不存在也不需要任何协调工作，完全独立运行。甚至，部份主机可以处于关机状态。请注意，子硬盘的磁头及其独立的控制电路与现有的普通硬盘的磁头和控制电路除了安装位置有所差别之外其余完全相同，无需进行额外的研发工作。
这种最简单的四独立磁头硬盘显然能够依赖现有的精密机械加工和封装技术轻易地实施，而且不需要进行软件上的改进，可以直接沿用现有软件。其可正常运行的原理性样机甚至可以通过如下方式在一般实验室内轻易地做出来：把四个同型号的普通硬盘的机壳打开(当然是在超净环境)，把其中三个硬盘的磁头部件(包括磁头驱动电机)完整取出来(但要保持与原有控制电路的连接)，并精确和牢固地安装到第四个硬盘的主轴和盘片周围(事先对第四个硬盘的壳体和支撑架结构进行适当的扩展和改造)，然后在超净环境下将移植过来的三个磁头与第四个硬盘的主轴盘片以及原有磁头一同密封在一个较大的壳体中，构成一个形式上的四独立磁头硬盘。其实，它实质上只是个“松散联合体”，它包括的四个子硬盘之间除了共用主轴和盘片之外，并没有任何其他联系。除了公用主轴的启动和运转需要第四个硬盘单独控制之外，各子硬盘仍然完全受其原来的控制电路的控制，并且完全使用其原来的数据线接口和电源接口。此时的各个子硬盘原来的主轴和盘片处于无效的空转状态，甚至完全不必密封。但那三个子硬盘启动运行并自检时却无法发现自己的原有盘片其实已经丢失了，磁头所扫描的盘片已经被偷梁换柱了，也无法发现自己的磁头正在和其他三个陌生磁头共享一个中央盘片。当然，为了各个子硬盘能够正常工作，需要将第四个子硬盘的主轴设置为始终旋转状态。
这种最简单的四独立磁头硬盘实施方案的合适的应用场合之一是数据更新非常频繁的大型数据库的服务器系统。在这种场合，可以通过负载均衡系统向四台具有相同的操作系统的主机分别发出不同的读写命令，而各个主机可以完全独立并且最大权限地充分调动自己控制的独立磁头对“各自的”副硬盘进行读写操作。任何一台主机对其副硬盘所进行的写入操作都将对公用盘片上的数据造成变更，也就是绝对实时地更新了其他三台主机的副硬盘中的数据。其他主机可以无需任何额外操作便可以实时地享用这种更新结果。显然，这种共用中央盘片的多独立磁头硬盘的运行效率是使用普通硬盘或者普通的镜像磁盘阵列所无法达到的。
这种四独立磁头硬盘在网站服务器应用方面还有一个特殊的方式：使这四台主机中的三台[主机1、主机2、主机3]接入互联网中，并且，将这三台对外联网主机的副硬盘的磁头制成只读结构。主机4的副硬盘磁头仍然具有读和写的功能，但该主机未联入互联网，或者仅联入绝对封闭的局域网。主机1、2、3可以接受互联网上的访问请求，但主机4却只能由网管或者网站内部人员使用，并且不与主机1、2、3连接。网站的所有容许访问的静态页面都存放在副硬盘盘片(也就是四独立磁头硬盘的中央共用盘片)上。这样，任何黑客高手不论采用任何手段都将绝对无法篡改该网站的包括首页在内的所有容许访问的静态页面(直接破门闯入网站机房者除外)。当然，动态页面和动态数据库仍然需要存放在其他普通硬盘中。
由于上述的这种多独立磁头硬盘实施方案不会遇到软件上的难题，机电结构的变更设计和加工也容易实现，磁头、盘片和控制电路可以沿用现有技术，因而，在实施上不存在难以克服的技术困难。从成本上看，由于外壳体以及昂贵的主轴和盘片是共用的，所以，整体成本不应高于四个同类指标的普通硬盘成本之和。当然，该硬盘的体积会超标，但肯定不会占用大于四个普通硬盘的空间之和。
多独立磁头硬盘在未来的主要应用方式当然应该是采用具有相互协调功能的多独立磁头的高级应用方式，而且，也会由于应用目的和要求上的差异而有多种不同的具体实施方案。并且遇到各种不同的实施上的难度。其研发和最终应用的过程会更大些。而且，最终肯定会导致其它硬件和软件(包括操作系统)的相应变更。在达到真正成熟的产业化阶段之前，还必须做很多相关的工作。
然而，任何高新技术都不可能等到很成熟之后再去申请专利。任何国家的专利法都不要求也不可能要求专利申请方案必须产业化、实用化，也不需要发明人提供样机。专利授权的对象基本上都是方案和构想。只要这种构想和方案在提交该专利申请的当时的世界范围内已知的最好的制造条件下可以实现该发明的至少一种最基本的实施方案，并且不存在依靠当时的已有技术无法解决的技术上的困难，审查员就将会认为该发明具有专利法所要求的实用性，哪怕这种最基本的实施在当时将需要很高的代价和成本也无妨。如果该发明还同时具有创造性和新颖性，就能够被批准为专利。
为了进一步说明多独立磁头硬盘的必要性和积极效果，让我们从用户的角度再具体分析一下目前的硬盘内部数据传输率的瓶颈问题。
既然是数据传输的瓶颈，显然应该是当CPU要求硬盘执行的瞬间数据传输总量大于硬盘输出能力时才突现。此时，用户需要较长时间等待硬盘的动作。这类情况大致包括以下两种：1、突发性的连续读取或者写入大量数据时；比如拷贝/移动大文件、连续读写数量很大的文件列表。2、需要耗费很长时间的连续读取或者写入；比如格式化硬盘、大范围的数据搜索、磁盘扫描、硬盘碎片的整理等。而在其他情况下，硬盘的数据传输瓶颈问题对于用户来说几乎不会显现。比如，我现在正在起草本文时，虽然我的电脑的CPU和内存正在忙碌着，但我的主机硬盘的磁头却在睡大觉，没发现什么硬盘瓶颈现象。当硬盘接受指令进行瞬间的少量的数据传输时，硬盘的瓶颈问题也几乎不存在。比如，我此刻将本文保存一次时，硬盘的动作干净利索，指示灯仅仅闪了一下便OK了。
那么，既然增加独立磁头的目的是为了缓解现有硬盘的内部数据传输瓶颈问题，新增加的磁头当然应该在如上所述情况下发挥作用。当硬盘接受指令进行瞬间的少量数据传输时，新增加的磁头其实不必参与操作。用一个就足够了。只有当一个磁头难以满足指令所需的效率时，才需要其他独立磁头参与读写工作。
当需要读取或者写入一个几百兆的大文件或者大文件列表时，可以控制多个磁头分别读写该文件或者文件组的不同的起始段，每个磁头负责读写几十兆或者上百兆数据。此时，所有磁头完全没有必要同时扫描同一条磁道，也没有必要保持同样的读写速率。所有磁头输出或者输入的数据都经过缓存负责整合拼接。显然，这里不存在如何使两磁头进行精确的同径运行的问题。
当需要在同一硬盘中复制或者移动大文件或者大文件列表时，不同的磁头可以分别承担读取和写入的工作。也就是说，负责读取数据的磁头可以通过缓存几乎实时地向负责写入的磁头提供数据流。此时，相关磁头在同时工作，而且，磁头的寻址过程显著降低。由于磁头读取和写入相同数据所需的时间也基本相同，因此，在这种多独立磁头硬盘内进行复制或者移动数据所需的总时间仅由读取(或者写入)该数据的时间+最少次数的磁头寻址时间构成。而普通硬盘进行复制和移动数据时，由于只有一个磁头，无法同时在不同位置进行读写操作，因此，其进行复制和移动数据所需的总时间将包括读取数据的时间+写入数据的时间+很多次数的磁头寻址时间。也就是说，当进行大数据的复制和移动时，多独立磁头硬盘可以比普通硬盘快一倍。
为了感受这种差别，有兴趣的朋友可以在自己的电脑上做一个简单的试验(如果你的电脑上有两块性能相当硬盘的话)：将一个大文件(比如100M)拷贝到同一个硬盘中的另一个分区中。此时，由于该硬盘只有一个磁头，无法同时进行读取和写入操作，因而花费的时间较长，大约需要18秒，而且，通过声音和指示灯的状态，你会感到硬盘磁头在不同目标区之间不停地来回摆动。然后，你再试试把这个大文件从一个硬盘复制到另一个硬盘中。怎么样？只需要大约8秒钟！而且只有极少次数的磁头摆动过程！这就是说，其中一个硬盘的磁头连续读取数据时，通过缓存的作用，另一个硬盘的磁头几乎实时地连续写入数据，所用的时间刚好重叠，而且磁头不需要在源文件地址和目标地址之间频繁地往复移动和寻址。
多独立磁头的运行方式和效果显然与上述试验时在不同硬盘中复制文件时两个磁头的运行方式和效果很相似。所以说，多独立磁头所能提高的数据传输效率是显著的，而且是用户需要的。可以预见，双独立磁头硬盘可以比普通硬盘的内部数据传输率在总体上提高一倍。当然，并非在任何情况下都是如此。比如，由于用一个磁头瞬间读写小量数据所需的时间极短，没有必要同时启动两个磁头，因此，这时的内部数据传输率与普通硬盘相同。
容易理解，当进行格式化硬盘、大范围的数据搜索、硬盘碎片的扫描和整理时，多个磁头在不同区段同时进行读写操作，当然可以显著提高整体效率。
让我们设想一下，如果硬盘在未来一两年内真的实现了单碟容量800G，并且不采用多独立磁头方案，其格式化硬盘、大范围的数据搜索、硬盘碎片的扫描和整理所需的时间将会何等漫长！如果您发现在这个超级硬盘中搜索一个字符串需要若干小时，您还会为拥有800G空间而感到骄傲吗？如果硬盘存储密度更进一步提高10倍(并非不可能)，出现了8000G的硬盘，却仍然只有一个磁头时，您又将有怎样的感受？如果在那样的硬盘中安排8个独立磁头，您会觉得太多太没有必要吗？当硬盘容量进一步激增后，您难道不觉得多独立磁头方案非用不可吗？还有更好的方案吗？
至于未来的全静态硬盘，要想在容量、价格、速度上全面打败机械硬盘，恐怕需要很长时间，至少长过20年的专利有效期。
许多朋友提出质疑的另一个问题是如何协调各个独立磁头的运行。首先，我认为，独立磁头之间的协调技术将是多独立磁头硬盘产业化后进一步发展、性能逐步改善的最重要的研发对象之一，并且将产生更多更具体的专利发明。第一个多独立磁头硬盘专利提出之后，必然会有更多的有关多独立磁头硬盘的后续专利不断出现。就像喷墨打印机的最原始的发明专利提交后，不仅不能终结此类发明的后续改进申请，反而引发了不断的改进发明接连申请专利。比如，作为喷墨打印机鼻祖的EPSON公司每年在喷墨头方面的新的专利申请达数百件，而且还在不断提交新的申请。所以，作为一个独立发明人，我没有能力也不需要将多独立磁头协调技术的实现方案现在就做得很完善并公布于众。不过，可以透露的是，我还有一系列关于多独立磁头存储器方面的新的发明方案正在研究和进行专利申报之中。而且，可以预计，国内外的众多发明人还将陆续提出更多的有关多独立磁头存储器的相关技术的各种拓展和改进的专利申请。
其次，根据上面的描述，各独立磁头事实上并不需要始终同时运转。当硬盘没有收到读写指令时，所有独立磁头都处于休息状态；当硬盘接到少量数据传输指令时，也仅需要一个磁头运行，其他磁头不必参与；只有当硬盘必须连续读写大量数据时，才需要根据不同情况调用其他磁头参与运行。而且，多独立磁头的相互协调归根到底是从软件上实现的。与磁盘阵列的控制软件相比，多独立磁头硬盘的软件开发可能要更容易些。当然，为了支持多独立磁头硬盘，相关的主板、操作系统最终都需要进行相应的配套改进。可以预计，未来的多独立磁头硬盘产品在性能上的差别将很大程度上体现在多独立磁头之间的配合效率上。
关于多独立磁头硬盘在可靠性方面的问题，许多朋友也提出了担心和质疑。我认为，这个问题除了研发机构的优化设计之外，最终是厂商内部的制造工艺问题。而且，即使性能和效率上的提高最终使可靠性有所降低，也并非不可接受。比如，现在的7200转硬盘，其可靠性就比5400要低。万转以上更是如此。硬盘单碟存储密度的激增也带来可靠性的降低。但这些都没有阻止相关技术的更新换代。自行车比摩托车可靠性高，但无法阻止摩托车上市。
综上所述，多独立磁头硬盘的应用方式多种多样，其实现的难度也各有不同。但是，需要强调的是，我们只要首先认识到该发明的可以预见到的效果是用户所需要的，并且在理论上是可行的，那么，不论该发明在实际的研发过程中还会遇到多大的实际障碍，成本会多么难以控制，生产工艺多么复杂，都不能成为终止将该发明提交国际申请的合理理由。就像当初申请了集成电路发明的人一样，如果他畏惧于该发明的实现难度(当时的科技水平根本不可能实施)而放弃专利申请机会，那将令人非常遗憾。所以，不论怎样，我认为已经可以得出这样的判断：该发明在技术上和实用性上都是可行的，是用户所需要的，是硬盘厂商不可忽视和放弃的重要研发方向。其实施和推广只是个时间迟早问题。因此，绝对不能轻易放弃该发明获得国际专利保护的机会。要知道，如果该发明的专利申请被批准，那么，在未来20-30年的专利有效期内，硬盘相关技术会得到迅速发展，该发明在实施上的可以预见到的各种技术问题，肯定会得以解决并得到不断完善。我相信，不久之后，当我们回过头来看看现在的关于多独立磁头硬盘是否可行的争论时，会哑然失笑。
2、关于新颖性
本文之所以将发明的名称称为多“独立”磁头硬盘，是因为，据我所知，早在几十年之前，就已经出现过多磁头硬盘。只是，那种多磁头硬盘的原理是多个磁头共用一个移动架和机电系统，各个磁头只能同步移动，没有“独立”性。其缺陷是显而易见的，相当于为图书馆增加了多名图书管理员，但却把所有管理员捆绑在一起同步工作。其整体效率只能下降，谈不上提高。因而，这种多磁头硬盘因不具备实用性而不可能产业化。另外，现有的硬盘其实也是多磁头的：在每个盘片的上下表面各有一个磁头。但这两个磁头也是共用一个机电系统并同步运行(并不同步工作)。可以理解，这种“多磁头”和本文所称的“多独立磁头”完全不是一回事，也不可能产生相同效果。
当然，我现在并不能完全肯定是否有早于2001年4月23日以前的同类发明方案公开或者申报了专利或者形成了商品。虽然这两天网上的朋友曾经提到过以前见过此类发明的某种文件，但并没有告诉我其发现的确切途径和文件出处在哪里？什么是侯公开的？如何证实？以及所说的“早已有的”技术与我目前申请的发明专利在是实质性上有多少相同之处？是否足以完全否定我的申请的“权利要求书”中的保护范围？
我在2001年4月以来一直关注着相关技术的进展，至今没有发现第三方的任何相关技术的公开报道或者产品面世。正如上面所述的，如果这么有潜力、符合需求并且容易实施的发明真的在业内早已公开的话，必然会引发国内外众多研发机构和发明人的跟进，产生更多的后续专利申请并在硬盘业内形成一个研发焦点，同时产生大量的公开文件和新闻报道。怎么可能销声匿迹这么多年？连一片介绍性文章都难以找到？这些年来，我们都已经无数次感受到，现在的硬盘新技术研发和推广速度何等之快，相关信息公开的速度何等之快！回首这些年，我们不难发现IT硬件方面的很多新技术仅仅在实验室中获得了初步成功便很快会有媒体上的相关报道迅速出笼。我想，无论如何，专家们都不可能将这样的显然具有开发价值和前景的硬盘技术方案在初步尝试之后便止步后退、不再理会、束之高阁“好几年”而再无作为，以至于中国的许多硬盘方面的行家听都没听说过。所以，到现在为止，我相信该发明可以初步认为具备国际新颖性。或者，我认为至少不应该仅仅根据该发明“可能不具备新颖性”这个推测而放弃该专利的国际申请的最后机会。另外，由于时间过于紧迫，已经来不及进行更深入的查新和求证工作。要知道，如果该发明果真具备国际新颖性，并且在4月22日还不能申请国际专利，那么，该重要发明将很快在中国大陆范围之外成为完全免费的“共享软件”。那时，受到嘲笑的将是包括这几天争论不休的网友在内的所有中国人。
有许多朋友用“太简单”的理由否定该发明的创造性，我对此不能认同。发明的价值不在于原理上是否简单，而在于是否具有创造性、实用性和新颖性。在发明史上曾有许多极其简单的“一层窗户纸”式的大发明。例如，当无数专家们全力研究如何使电机的电极轴表面再光滑一些以便“增强”与电刷的接触可靠性时，有发明人提出“将电极轴变得粗糙些”的“一句话式”发明，获得了意想不到的效果，改变了电机技术的研发方向。再看看论坛上的许多朋友在看过原文之后还是反复引用另一种不独立的多磁头硬盘方案来否定我所说的“多独立磁头硬盘”的现象，更能说明该“简单”发明其实并非那样“显而易见”。
3、关于国际专利申请费用
据我咨询上海的有关专利事务所得知，该发明专利的国际专利申请费分为国际和国家两部份，其中国际部份的费用大约需要一两万元人民币(国家指定的越多费用越高)，而且必须在4月17日之前支付给中国专利局指定的国际专利申请代办机构(否则，他们来不及办理相关手续)。上海有多家这样的专利事务所。另一部分费用是国家部份，根据申请人希望申请的国家的不同，其数额有所不同。大约每个国家需要3万元人民币。由于硬盘的生产基地主要在几个发达国家，因此，只需要向少数主要国家申请就可以了。这部份国家费用将在未来一年半之内逐步支付。也就是说，眼前最急迫的是在未来几天内支付的国际部份的一两万元费用，而国家部份可以在几个月后或者一年后再决定是否支付。
4、关于风险
由于国际专利申请的初步费用只有一两万元，国家部份的几十万元可以在未来的一年半内根据详细的查新结果再决定是否缴纳，因此，整个过程的风险其实只有一两万元人民币。假如真的由于新颖性问题丧失了专利申请的可能性，那么，只能造成一两万元的损失。
5、关于该发明专利申请的法律状态
该发明的中国专利申请提交于2001年4月23日。属于发明专利申请。目前已经通过了中国专利局的初步审查。但还没有进行实质性审查。我曾经将我的一项关于机械化停车场的发明专利申请提交了实质性审查请求，并且交纳了费用。但直到一年之后我因其先进性较差(我有了更好的方案)而放弃该发明专利申请时，专利局仍然没有给我一个实审结果。鉴于此，我对这项硬盘发明也没有及早进行实质性审查请求。根据专利法的规定，发明专利申请通过了初步审查之后，将在申请日之后18个月内公布，在此之前，专利局是保密的。也就是说，目前通过任何公开的手段都不能在中国专利局查询到该专利的全文或者文摘。这就是为什么有些网友说无法在网上查到该申请号的专利原文的原因。事实上，由于现在的在线查新网站的数据库更新很迟，一件专利经专利局公开后，往往需要将近一年时间才能从网上查到。
6、关于我本人
我是一名发明爱好者，早在1982年就开始搞发明。并从1985年4月1日[中国专利法正式实施的第一天]起开始申请专利。至今大约申请了70多项专利。虽然有一少部份得到了实施，但其中大部分都由于没有及时交纳申请费而被视为撤回。我在去年申请了22件专利(涉及电脑台、鼠标、键盘、光盘盒等电脑周边设备，还有多层建筑施工技术)，其中，有14项已经被批准。遗憾的是，由于经济拮据，其中8项专利权已经被视为撤回，如果在今年5月至6月间没有补交证书费和滞纳金，其中的部份专利权将最终被视为放弃。所以，在迫不得已的情况下，我想到了新浪网。
7、关于可能的合作方式
我的第一愿望是能够在4月16日之前获得该硬盘专利发明的国际专利申请的国际部份的费用借贷或者投资合作支持。其次，我愿意针对多独立磁头硬盘专利申请权或者我的其它专利权、专利申请权以各种可能的方式和条件寻求合作或投资。我本人并不追求太高的利益目标。只希望能够在互惠互利的前提下与合作方共同开拓事业，以实现自己的抱负。 （收摘于中国硬盘基地） 谢谢分享!!!!!!!!!1
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