硬盘技术—马达和保护技术篇

hyremc · 发表于 2005-6-21 11:26:36

硬盘技术—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*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*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*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*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*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*性问题的研究，并最终纳入到新的可*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*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*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*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*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。

<> 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；