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硬碟

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硬碟
2.5英寸SATA硬碟驅動器的內部
研發日期1956年9月4日[1]
研發者IBM的Rey Johnson
連接至主機板通過：
「硬碟」的各地常用名稱
中國大陸硬盤、機械硬盤
臺灣硬碟
拆卸並貼有標籤的1997年硬碟，位於鏡子上方

硬碟機（英語：Hard Disk Drive，縮寫：HDD），簡稱硬碟（hard disk）或硬驅（hard drive），又稱「機械硬碟」或「傳統硬碟」[a]，是電腦上使用堅硬的旋轉磁性碟片為基礎的非依電性記憶體，它在平整的磁性表面儲存和檢索數字數據，數據通過離磁性表面很近的磁頭由電磁流來改變極性的方式被寫入到磁碟上，數據可以通過碟片被讀取，原理是磁頭經過碟片的上方時碟片本身的磁場導致讀取線圈中電氣訊號改變。硬碟的讀寫是採用半隨機存取的方式，可以以任意順序讀取硬碟中的資料[2]，但讀取不同位置的資料速度不相同。硬碟包括一至數片高速轉動的碟片以及放在致動器懸臂上的磁頭。

早期的硬碟儲存媒介是可替換的，不過現在硬碟的儲存媒介一般不能更換，碟片與磁頭是一起被密封在硬碟機內。硬碟有一個有着過濾措施的氣孔，用來平衡工作時產生的熱量導致的硬碟內外的氣壓差。

硬碟是由IBM在1956年開始使用[3]，在1960年代初成為通用式電腦中主要的輔助存放裝置（英語：secondary storage），隨着技術的進步，硬碟也成為伺服器及個人電腦的主要組件。

介面

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數據介面

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硬碟讀取狀態
硬碟內部的碟片在通電後開始高速轉動

硬碟按數據介面不同，大致分為ATA（又稱IDE）和SATA以及SCSI和SAS。介面速度不是實際硬碟數據傳輸的速度，目前普通硬碟的實際數據傳輸速度一般不超過300MB/s。

ATA

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全稱Advanced Technology Attachment，是用傳統的40-pin並列數據線連接主機板與硬碟的，介面速度最大為133MB/s，因為並列線的抗干擾性太差，且排線佔用空間較大，不利電腦內部散熱，已被SATA所取代。

SATA

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全稱Serial ATA，也就是使用序列埠的ATA介面，特點是抗干擾性強，對數據線的要求比ATA低很多，且支援熱插拔等功能。SATA-II的介面速度為300MiB/s，而新的SATA-III標準可達到600MiB/s的傳輸速度。SATA的數據線也比ATA的細得多，有利於機箱內的空氣流通，整理線材也比較方便。

SCSI

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全稱Small Computer System Interface（小型電腦系統介面），經歷多代的發展，從早期的SCSI-II，到目前的Ultra320 SCSI以及Fiber-Channel（光纖通道），介面型式也多種多樣。SCSI硬碟廣為工作站級個人電腦以及伺服器所使用，因此會使用較為先進的技術，如碟片轉速15000rpm的高轉速，且資料傳輸時CPU佔用率較低，但是單價也比相同容量的ATA及SATA硬碟更加昂貴。

SAS

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全稱Serial Attached SCSI，是新一代的SCSI技術，可相容SATA硬碟，同樣支援熱插拔，採用序列式技術以獲得更高的傳輸速度，可達到12Gb/s，碟片轉速也較快。而較小的連接線，可改善系統內部空間空氣流通。通常應用於伺服器等企業級產品。

此外，由於SAS硬碟可以與SATA硬碟共用同樣的背板，因此在同一個SAS儲存系統中，可以用SATA硬碟來取代部分昂貴的SAS硬碟，節省整體的儲存成本。但SATA儲存系統並不能連接SAS硬碟。

FC

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全稱Fibre Channel（光纖通道介面），擁有此介面的硬碟在使用光纖聯接時具有熱插拔性、高速頻寬（4Gb/s或8Gb/s或16Gb/s）、遠端連接等特點；內部傳輸速率也比普通硬碟更高。但其價格高昂，因此FC介面通常只用於高端伺服器領域。

電源介面

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一顆希捷硬碟電源介面處的Molex徽標
電腦內部硬碟電源線，白色的是D形4針電源介面，黑色的是SATA電源線

3.5寸桌上電腦硬碟：ATA介面的硬碟一般使用D形4針電源介面（俗稱「大4pin」），由Molex公司設計並持有專利；SATA硬碟則使用SATA電源線。

2.5寸的手提電腦硬碟，可直接由資料介面供電，不需要額外的電源介面。在插上外接的可攜式硬碟盒之後，由電腦外部的USB介面提供電力來源，而單個USB介面供電約為4~5V 500mA，若流動硬碟盒用電需求較高，有時需要接上兩個USB介面才能使用，否則，需要外接電源供電。但如今多數新型硬碟盒（使用2.5寸或以下硬碟）已可方便地使用單個USB口供電。

結構

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磁軌（Track）
磁柱（Cylinder）
磁區（Sector）
磁頭（Heads）
碟片（Platters）
每個碟片都有兩面，因此也會相對應每碟片有2個磁頭。
A：磁軌
B：扇面
C：磁區
D：叢集（磁區組）
在硬碟上定位某一數據記錄位置—C磁區，使用三維定位。
硬碟的執行器臂組件

物理結構

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參見：磁柱-磁頭-磁區

硬碟的物理結構一般由磁頭與碟片、馬達、主控晶片與排線等零件組成；當主馬達帶動碟片旋轉時，副馬達帶動一組（磁頭）到相對應的碟片上並確定讀取正面還是反面的碟面，磁頭懸浮在碟面上畫出一個與碟片同心的圓形軌道（磁軌或稱磁柱），這時由磁頭的磁感線圈感應碟面上的磁性與使用硬碟廠商指定的讀取時間或數據間隔定位磁區，從而得到該磁區的數據內容；

  • 磁軌

當磁碟旋轉時，磁頭若保持在一個位置上，則每個磁頭都會在磁碟表面劃出一個圓形軌跡，這些圓形軌跡就叫做磁軌（Track）。資料儲存手段從LMR進展到PMR這中又有CMR、SMR等技術。

  • 磁柱

在有多個碟片構成的盤組中，由不同碟片的面，但處於同一半徑圓的多個磁軌組成的一個圓磁柱（Cylinder）。

  • 磁區

磁碟上的每個磁軌被等分為若干個弧段，這些弧段便是硬碟的磁區（Sector）。硬碟的第一個磁區，叫做開機磁區。

避免故障

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硬碟碟片轉速極快，與碟片的距離極小；因此硬碟內部是無塵狀態，硬碟有過濾器過濾進入硬碟的空氣。為了避免磁頭碰撞碟片，廠商設計出各種保護方法；目前硬碟對於地震有很好的防護力（1990年代的一些硬碟，若在使用中碰到略大的地震，就很可能損壞），防摔能力也大幅進步，電源關閉及遇到較大震動時磁頭會立刻移到安全區（近期的硬碟也開始防範突然斷電的情況）；而許多手提電腦廠商也開發出各種手提電腦結構來加強硬碟的防摔性。但硬碟在通電時耐摔度會降低（旋轉逆動性）、也只能溫和的移動，許多人也已經養成在關閉硬碟後30秒至一分鐘內、不會移動硬碟（及手提電腦）的習慣。

2010年後氦氣封裝技術量產，以往的硬碟填充介質為空氣，不過容易受到空氣影響，因此碟片之間距離不能進一步縮小，而氦氣的密度比起空氣小上許多，而且性質穩定，使用它來當介質，使盤體和磁頭的阻力和震動相對變小，因此碟片之間的距離能進一步縮小，所以同樣的空間下能夠裝下更多的碟片，採用氦氣封裝的好處除了容量變大外[4]，溫度和耗電能夠再降低，因此耐用度和穩定效能夠再提升。但如果內部氣體發生泄漏，會導致磁碟更容易地損壞和難以常規性的修復（非原廠的數據恢復無法提供氦氣的重新封裝及組件修復）。

邏輯結構

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主條目：檔案系統

作業系統對硬碟進行讀寫時需要用到檔案系統把硬碟的磁區組合成叢集，並建立檔案和樹狀目錄制度，使作業系統對其存取和尋找變得容易，這是因為作業系統直接對數目眾多的磁區進行定址會十分麻煩。

MBR和GPT

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主條目：主開機紀錄和全域唯一標識分區表

主開機紀錄（Master Boot Record，縮寫：MBR），又叫做主引導磁區，是電腦開機後存取硬碟時所必須要讀取的首個磁區，主引導磁區記錄着硬碟本身的相關訊息以及硬碟各個分割的大小及位置訊息，是資料訊息的重要入口。如果它受到破壞，硬碟上的基本資料結構訊息將會遺失，需要用繁瑣的方式試探性的重建資料結構訊息後才可能重新存取原先的資料，對於那些磁區為512位元組的磁碟，MBR分割表不支援容量大於2.2TB（2.2×1012位元組）的磁區[5]。

全域唯一標識分區表（GUID Partition Table，縮寫：GPT）是一個實體硬碟的分區表的結構佈局的標準。它是可延伸韌體介面（EFI）標準（被Intel用於替代個人電腦的BIOS）的一部分。GPT分配64bits給邏輯塊地址，因而使得最大分區大小為264-1個磁區。對於每個磁區大小為512位元組的磁碟，相當於9.4ZB（9.4 x 1021位元組）[5][6]或8 ZiB-512位元組（9,444,732,965,739,290,426,880位元組或 18,446,744,073,709,551,615（264-1）個磁區x 512（29）位元組每磁區）。

尺寸

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帶一個小提手的手提電腦用SATA介面2.5英寸東芝硬碟

硬碟機的尺寸和用途可分為：

  • 0.85英寸，多用於手機等可攜式裝置中，目前已停產。
  • 1英寸（微型硬碟，MicroDrive），多用於數碼相機（CF type II介面），目前已停產。
  • 1.8英寸，多用於手提電腦及外置硬碟盒中，目前已停產。
  • 2.5英寸，多用於手提電腦及外置硬碟盒中。採用2.5寸硬碟的外置硬碟盒一般不需外接電源。
  • 3.5英寸，多用於桌上電腦中。但採用3.5"硬碟的外置硬碟盒一般都需外接電源，因為耗電量超過USB的供電上限，且3.5寸硬碟需要12v電壓。
  • 5.25英寸，多為早期桌上電腦使用，已停產。
  • 10.5英寸。
  • 14英寸，如NEC DKU800。
5.25英寸硬碟與3.5英寸硬碟的尺寸比較

主要規格

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除了介面和尺寸以外，硬碟還有以下規格：

容量 硬碟最主要的規格，目前硬碟的容量有36GB、40GB、45GB、60GB、75GB、80GB、120GB、150GB、160GB、200GB、250GB、256GB、300GB、320GB、400GB、500GB、640GB、750GB、1TB、1.5TB、2TB、2.5TB、3TB、4TB、5TB、6TB、8TB、10TB、12TB、14TB、16TB、18TB、22TB等多種規格，但會有計算誤差，詳見檔案大小轉換。
轉速 硬碟每分鐘旋轉的圈數，單位是rpm（Revolutions Per Minute，每分鐘的轉動數），有4200rpm、5400rpm、5900rpm、7200rpm、10000rpm、15000rpm、18000rpm等規格。一般來講轉速愈高通常資料傳輸速率愈好，但同時噪音、耗電量和發熱量也越高。
快取 主要有2MB、8MB、16MB、32MB、64MB、128MB、256MB等規格。
平均搜尋時間 單位是ms（毫秒），有5.2ms、8.5ms、8.9ms、12ms等。
內部傳輸速度 包括磁頭把數據從碟片讀入快取的速度，以及磁頭把數據從快取寫入碟片的速度。可用來評價硬碟的讀寫速度和整體效能[7]。

除此之外還有電壓、電流等規格。固態硬碟還有主控、顆粒類型（SLC、MLC、TLC、QLC）等規格。

機械硬碟里一般3.5寸硬碟需要5V和12V電壓，2.5寸硬碟只需5V電壓，但因為有機械結構，因此功耗通常比固態硬碟要高；固態硬碟的電壓一般則為5V或3.3V，同時固態硬碟功耗通常較低（功耗2.5W左右，電流500mA左右），相比機械硬碟更節能。

發展史

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時間 發展內容
1956年 IBM的IBM 305 RAMAC（英語：IBM 305 RAMAC）是現代硬碟的雛形，它相當於兩個冰箱的體積，不過其儲存容量只有5MB。
1973年 這一年IBM 3340問世，它擁有「溫徹斯特」這個綽號，來源於它的兩個30MB儲存單元，恰好是當時出名的「溫徹斯特來福槍」的口徑和填彈量。至此，硬碟的基本架構被確立。
1980年 兩位前IBM員工創立的公司開發出5.25英寸規格的5MB硬碟ST506，這是首款面向桌上電腦的產品，而該公司正是希捷科技公司（Seagate）。
1980年代末 IBM推出MR（Magneto Resistive磁阻）技術令磁頭靈敏度大大提升，使盤片的儲存密度較之前的20Mbpsi（bit/每平方英寸）提高數十倍，該技術為硬碟容量的巨大提升奠定基礎。1991年，IBM應用該技術推出首款3.5英寸的1GB硬碟。
1970年到1991年 硬碟碟片的儲存密度以每年25%~30%的速度增長；從1991年開始增長到60%～80%；至今，速度提升到100%甚至是200%。從1997年開始的驚人速度提升得益於IBM的GMR（Giant Magneto Resistive，巨磁阻）技術，它使磁頭靈敏度進一步提升，進而提高儲存密度。
1993年 康諾（Conner Peripherals）推出CP30344硬碟容量是340MB。
1995年 為了配合Intel的LX晶片組，昆騰與Intel攜手發佈UDMA 33介面——EIDE標準將原來介面數據傳輸率從16.6MB/s提升到33MB/s同年，希捷開發出液態軸承（FDB，Fluid Dynamic Bearing）馬達。所謂的FDB就是指將陀螺儀上的技術引進到硬碟生產中，用厚度相當於頭髮直徑十分之一的油膜取代金屬軸承，減輕硬碟噪音與發熱量。
1996年 希捷收購康諾（Conner Peripherals）。
1998年2月 UDMA 66規格面世。
2000年10月 邁拓（Maxtor）收購昆騰。
2003年1月 日立宣佈完成20.5億美元的收購IBM硬碟事業部計劃，並成立日立環球儲存科技公司（Hitachi Global Storage Technologies, Hitachi GST）。
2005年 日立環儲和希捷都宣佈將開始大量採用磁碟垂直寫入技術（perpendicular recording），該原理是將平行於盤片的磁場方向改變為垂直（90度），更充分地利用儲存空間。
2005年12月21日 希捷宣佈收購邁拓（Maxtor）。
2007年1月 日立環球儲存科技宣佈將會發售全球首隻1Terabyte的硬碟，比原先的預定時間遲了一年多。硬碟的售價為399美元，平均每美分可以購得27.5MB硬碟空間。
2011年3月 威騰電子以43億美元的價格，收購日立環球儲存科技[8]。
2011年4月 希捷宣佈與三星強化策略夥伴關係，傳統的硬碟逐漸地被固態硬碟所取代。[9]。
2011年12月 希捷宣佈收購三星旗下的硬碟業務[10]。

現存主要硬碟製造商

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電腦配件圖中7是硬碟安裝位置

參見

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註釋

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  1. ^ 為了與後來出現的固態驅動器相區分。

參考資料

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  1. ^ IBM 350 disk storage unit. [2013-10-04]. （原始內容存檔於2008-05-31）. 
  2. ^ 硬碟單位成本不斷降低，磁帶系統還有未來嗎?. [2013-10-04]. （原始內容存檔於2013-10-04）. 
  3. ^ IBM Archives: IBM 350 disk storage unit. [2012-10-19]. （原始內容存檔於2008-05-31）. 
  4. ^ ithome-氦氣封裝結合成熟磁錄技術. [2017-11-09]. （原始內容存檔於2017-11-10）. 
  5. ^ 5.0 5.1 FAQ: Drive Partition Limits (pdf). UEFI Forum. [2010-06-09]. （原始內容存檔 (PDF)於2013-03-22）. 
  6. ^ Bill Boswell. FAQ: Drive Partition Limits. Redmondmag.com. 2002-07-01 [2010-06-09]. （原始內容存檔於2010-10-01）. GPT disks also support very large partitions thanks to a 64-bit Logical Block Address scheme. A logical block corresponds to one sector, or 512 bytes, yielding a maximum theoretical capacity of eight zettabytes, 
  7. ^ 硬盘：内部数据传输率. 中關村線上. [2013-06-13]. （原始內容存檔於2013-01-03）. 
  8. ^ Western Digital砸43億美元收購Hitachi GST. [2011-03-08]. （原始內容存檔於2011-03-10）. 
  9. ^ 希捷宣佈與三星強化策略夥伴關係[永久失效連結]
  10. ^ 希捷宣布完成收购三星硬盘业务. 新浪科技. [2013-02-14]. （原始內容存檔於2014-03-14）. 

外部連結

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硬碟製造商

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