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硬碟

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硬盤
2.5英寸SATA硬盤驅動器的內部
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：
「硬盤」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年硬盤，位於鏡子上方

硬盤驅動器（英語：Hard Disk Drive，縮寫：HDD），簡稱硬盤（hard disk）或硬驅（hard drive），又稱「機械硬盤」或「傳統硬碟」[a]，是電腦上使用堅硬的旋轉磁性盤片為基礎的非依電性存儲器，它在平整的磁性表面存儲和檢索數字數據，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盤上，數據可以通過盤片被讀取，原理是磁頭經過盤片的上方時盤片本身的磁場導致讀取線圈中電氣訊號改變。硬盤的讀寫是採用半隨機存取的方式，可以以任意順序讀取硬盤中的資料[2]，但讀取不同位置的資料速度不相同。硬盤包括一至數片高速轉動的盤片以及放在執行器懸臂上的磁頭。

早期的硬盤儲存介質是可替換的，不過現在硬盤的儲存介質一般不能更換，碟片與磁頭是一起被密封在硬盤驅動器內。硬盤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盤內外的氣壓差。

硬盤是由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），隨著技術的進步，硬盤也成為服務器及個人電腦的主要組件。

接口

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數據接口

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硬盤讀取狀態
硬盤內部的碟片在通電後開始高速轉動

硬盤按數據接口不同，大致分為ATA（又稱IDE）和SATA以及SCSI和SAS。接口速度不是實際硬盤數據傳輸的速度，目前普通硬盤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並口數據線連接主板與硬盤的，接口速度最大為133MB/s，因為並口線的抗干擾性太差，且排線占用空間較大，不利電腦內部散熱，已被SATA所取代。

SATA

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全稱Serial ATA，也就是使用串口的ATA接口，特點是抗干擾性強，對數據線的要求比ATA低很多，且支持熱插拔等功能。SATA-II的接口速度為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），接口型式也多種多樣。SCSI硬盤廣為工作站級個人電腦以及服務器所使用，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占用率較低，但是單價也比相同容量的ATA及SATA硬盤更加昂貴。

SAS

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全稱Serial Attached SCSI，是新一代的SCSI技術，可兼容SATA硬盤，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硬盤可以與SATA硬盤共享同樣的背板，因此在同一個SAS存儲系統中，可以用SATA硬盤來取代部分昂貴的SAS硬盤，節省整體的存儲成本。但SATA存儲系統並不能連接SAS硬盤。

FC

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全稱Fibre Channel（光纖通道接口），擁有此接口的硬盤在使用光纖聯接時具有熱插拔性、高速帶寬（4Gb/s或8Gb/s或16Gb/s）、遠程連接等特點；內部傳輸速率也比普通硬盤更高。但其價格高昂，因此FC接口通常只用於高端服務器領域。

電源接口

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一顆希捷硬盤電源接口處的Molex徽標
電腦內部硬盤電源線，白色的是D形4針電源接口，黑色的是SATA電源線

3.5寸台式機硬盤：ATA接口的硬盤一般使用D形4針電源接口（俗稱「大4pin」），由Molex公司設計並持有專利；SATA硬盤則使用SATA電源線。

2.5寸的筆記本電腦硬盤，可直接由資料介面供電，不需要額外的電源接口。在插上外接的便攜式硬盤盒之後，由計算機外部的USB接口提供電力來源，而單個USB接口供電約為4~5V 500mA，若移動硬盤盒用電需求較高，有時需要接上兩個USB接口才能使用，否則，需要外接電源供電。但如今多數新型硬盤盒（使用2.5寸或以下硬盤）已可方便地使用單個USB口供電。

結構

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磁道（Track）
柱面（Cylinder）
扇區（Sector）
磁頭（Heads）
盤片（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：磁道
B：扇面
C：扇區
D：簇（扇區組）
在硬盤上定位某一數據記錄位置—C扇區，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：柱面-磁頭-扇區

硬盤的物理結構一般由磁頭與碟片、電動機、主控芯片與排線等部件組成；當主電動機帶動碟片旋轉時，副電動機帶動一組（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（磁道或稱柱面），這時由磁頭的磁感線圈感應碟面上的磁性與使用硬盤廠商指定的讀取時間或數據間隔定位扇區，從而得到該扇區的數據內容；

  • 磁軌

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

  • 柱面

在有多個盤片構成的盤組中，由不同盤片的面，但處於同一半徑圓的多個磁道組成的一個圓柱面（Cylinder）。

  • 磁區

磁盤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）；而許多筆記型電腦廠商也開發出各種筆記本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（及筆記本電腦）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，因此耐用度和穩定性能夠再提升。但如果內部氣體發生泄漏，會導致磁盤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：文件系統

操作系統對硬盤進行讀寫時需要用到文件系統把硬盤的扇區組合成簇，並建立文件和樹形目錄製度，使操作系統對其存取和查找變得容易，這是因為操作系統直接對數目眾多的扇區進行尋址會十分麻煩。

MBR和GPT

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主條目：主引導記錄和全局唯一標識分區表

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，主引導磁區記錄著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]。

全局唯一標識分區表（GUID Partition Table，縮寫：GPT）是一個實體硬盤的分區表的結構布局的標準。它是可擴展固件接口（EFI）標準（被Intel用於替代個人計算機的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個扇區。對於每個扇區大小為512字節的磁盤，相當於9.4ZB（9.4 x 1021字節）[5][6]或8 ZiB-512字節（9,444,732,965,739,290,426,880字節或 18,446,744,073,709,551,615（264-1）個扇區x 512（29）字節每扇區）。

尺寸

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帶一個小提手的筆記型電腦用SATA接口2.5英寸東芝硬碟

硬碟機的尺寸和用途可分為：

  • 0.85英寸，多用於手機等便攜裝置中，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，多用於筆記型電腦及外置硬碟盒中，目前已停產。
  • 2.5英寸，多用於筆記型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，多用於桌上型電腦中。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寸硬盤需要12v電壓。
  • 5.25英寸，多為早期桌上型電腦使用，已停產。
  • 10.5英寸。
  • 14英寸，如NEC DKU800。
5.25英寸硬盤與3.5英寸硬盤的尺寸比較

主要參數

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除了接口和尺寸以外，硬盤還有以下參數：

容量 硬盤最主要的參數，目前硬盤的容量有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 硬盤每分鐘旋轉的圈數，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。
緩存 主要有2MB、8MB、16MB、32MB、64MB、128MB、256MB等規格。
平均尋道時間 單位是ms（毫秒），有5.2ms、8.5ms、8.9ms、12ms等。
內部傳輸速度 包括磁頭把數據從盤片讀入緩存的速度，以及磁頭把數據從緩存寫入盤片的速度。可用來評價硬盤的讀寫速度和整體性能[7]。

除此之外還有電壓、電流等參數。固態硬盤還有主控、顆粒類型（SLC、MLC、TLC、QLC）等參數。

機械硬盤裡一般3.5寸硬盤需要5V和12V電壓，2.5寸硬盤只需5V電壓，但因為有機械結構，因此功耗通常比固態硬盤要高；固態硬盤的電壓一般則為5V或3.3V，同時固態硬盤功耗通常較低（功耗2.5W左右，電流500mA左右），相比機械硬盤更節能。

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，這是首款面向桌上型電腦的產品，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芯片組，昆騰與Intel攜手發布UDMA 33接口——EIDE標准將原來接口數據傳輸率從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硬碟事業部計畫，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盤垂直寫入技術（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 希捷宣布收購三星旗下的硬盤業務[10]。

現存主要硬盤製造商

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電腦配件圖中7是硬碟安裝位置

參見

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注釋

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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. 中關村在線. [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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