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機械硬碟的未來要靠高容量作為依託，在財報中，希捷表示未來18個月內它們將推出14和16TB機械硬碟，而2020年20TB機械硬碟就將誕生。也有資料顯示，3.5英寸100TB硬碟大概在2025年就能面世。因此，機械硬碟與固態硬碟的拉鋸戰恐怕還會繼續打下去。

3.5寸6TB以上容量等大容量磁碟，都採用4K扇區磁碟，所以4K扇區磁碟技術是大容量磁碟的技術載體。前一段時間，分享過一篇文章vSAN 6.5解耦vSphere讓儲存更任性，裡面提到4K磁碟，很多讀者問我關於4K磁碟的問題，今天花時間跟大家分享下這方面的知識。

什麼是4K扇區

在硬碟碟片上，扇區（sector）是定址、存放資料的最小單位，是扇區的基本組成。

使用者資料區是儲存使用者資料的區域，ECC隨使用者資料生成並一起寫入碟片，用於修復受損的資料，格式化開銷包含同步欄位、DAM(資料地址標記)、扇區間隔，這些資訊在格式化時生成。

扇區的大小分類

512扇區：每扇區可儲存512位元組使用者資料，硬碟誕生50多年來一直採用512扇區，正逐漸被4K扇區所取代。

4K扇區：每扇區可儲存4KB使用者資料，相當於把8個512合併為一個大扇區。2010年各廠家開始推出4K扇區的硬碟，目前已逐漸成為主流。

為什麼會出現4K扇區硬碟

4K扇區技術有助於提升硬碟容量，同時改善資料完整性

格式化開銷降低10%~15%，可用較少的物理空間儲存相同的使用者資料量，有利於廠家製造出容量更大的硬碟。

4K扇區的ECC更長。隨著硬碟記錄密度的攀升，512 扇區在碟片上佔用的空間越來越小，同樣大小的介質缺陷對總體資料負載損害的百分比越來越高，錯誤修復變的越來越困難。擴大扇區，同時用更長的ECC來提高糾錯能力是解決之道。

機械硬碟的主要優勢在於容量，4K扇區技術是提升硬碟容量的有效手段，遷移到4K扇區是大勢所趨。桌面級硬碟自2011年開始迅速往4K扇區遷移，企業級硬碟的遷移啟動相對較晚。

4K扇區硬碟的分類

在介面層面，主機通過邏輯塊地址（LBA）訪問硬碟扇區。在512扇區時代，LBA與物理扇區一一對應，這類硬碟又稱512N盤，在4K扇區出現之前，只有512N盤，因此作業系統訪問硬碟時預設以 512位元組/LBA 收發資料。

4K扇區技術出現後，為保證相容性，廠家在介面上提供了512位元組/LBA的模擬，這類硬碟被稱為512E硬碟。

512E是過渡方案，廠家期望儘快把物理扇區和LBA都統一到4KB，即4KN硬碟。針對4KN盤，作業系統必須做調整適配，訪問硬碟時以4KB/LBA收發資料。

4K扇區硬碟對磁碟效能提升

4K扇區硬碟的順序讀寫頻寬比同代次的512扇區硬碟高10%~15%，512E硬碟的隨機讀效能與512N、4KN相差不大，但小資料塊隨機寫效能難以保證。

物理扇區是硬碟內部定址、讀寫的基本單元，理想情況下，要保證512E盤的寫效能，須確保4K對齊。

寫IO的起點落在4K邊界

寫入資料長度是4KB的整數倍

非4K對齊的寫IO，硬碟內部操作變成“讀-改-寫”，需要碟片旋轉多圈，IOPS比4K對齊時有大幅跌落。

4K扇區硬碟相容性

4KN盤的LBA和物理扇區一一對應，沒有隨機寫效能差的風險，但需要儲存廠商主動解決相容性問題。

綜合考慮相容性和效能，最佳應對策略是主動優化系統軟體，搶在4KN硬碟正式出貨前就能夠支援4KN硬碟，考慮512E是過度產品，儘量直接從512N轉到使用4KN，避免使用512E。

4K扇區技術應用現狀

當前企業級硬碟的物理扇區大小正在從512B往4K過渡，除了HGST氦氣盤外，希捷和HGST的最新代次都提供了512B和4K兩種物理扇區，最高容量點都只有4K扇區硬碟可選，例如：2.5寸1.8TB容量點，3.5寸6TB容量點。

希捷和HGST兩家供應商都計劃把下一代盤全部切到4K物理扇區，不再生產512N盤。

對於技術儲備不足，尚未支援4KN盤的小廠商，很可能將使用512E硬碟，面臨隨機寫效能難以保證的困擾。

影響HDD硬碟壽命的因素

硬碟溫度規格是5-60度，為什麼建議執行在40度以下

硬碟溫度規格5-60度是指能夠正常執行的溫度，如果要保障硬碟更長的使用壽命和更低的故障率，40度以下是比較合適的。由於硬碟內部的一些非金屬材料具有揮發性，如密封膠、粘接膠、潤滑材料等，揮發物直接影響硬碟內部的潔淨度，如果溫度過高，材料會加速揮發，進而導致硬碟失效。

硬碟為什麼要求溼度5-90%

硬碟由電路板和機械部件組成，如果溼度過高，容易形成凝露，造成電路板短路和硬碟內部磁頭、碟片汙染，導致硬碟失效。

為什麼硬碟要求執行海拔-304.8m to 3048m

硬碟執行主要依靠的是空氣動力學，碟片高速旋轉，帶動空氣旋轉，磁頭則依靠空氣旋轉產生的浮力停靠在碟片的上方。空氣浮力的大小和密度有很直接的關係，而海拔又是影響空氣密度的重要因素。過高的海拔會導致空氣密度偏低，使得浮力偏小，磁頭飛行高度下降，容易撞擊碟片；過低的海拔則會導致空氣密度偏高，浮力偏大，磁頭飛行高度升高，磁頭無法讀取碟片上的資料。

操作硬碟為什麼要很小心

硬碟屬於精密的機械部件，執行時磁頭距離碟片只有幾納米左右，如果操作時不小心，容易造成磁頭移位，碟片移位或傾斜，軸承移動，這些都會導致執行時磁頭無法準確讀寫碟片，嚴重的會直接導致磁頭和碟片損壞。

為什麼裝置執行時不宜對硬碟大吼大叫

聲波是一種機械波，可以通過空氣傳遞給硬碟形成震動，而聲波的頻率範圍在20-20000Hz，硬碟執行時在500-4000Hz容易受到干擾。

如果幹擾的時間過長或過於頻繁，容易形成讀寫錯誤，錯誤過多時，主機就會將硬碟隔離。

硬碟為什麼要執行在相對潔淨的環境中

硬碟內部的潔淨度要求非常高，一旦有微米級別的顆粒，就會造成磁頭損傷。雖然硬碟內部有相關措施能夠一定程度上防止和清潔顆粒汙染，但僅限於輕度的。因而要求環境要相對潔淨，一般要求達到辦公環境即可。

硬碟為什麼不宜長時間存放或長期下電不使用

硬碟有些部件使用的是非金屬材料，這些材料具有揮發特性。揮發形成的氣固膠體在空氣中，會沾汙磁頭和碟片，當達到一定程度時，就使得硬碟無法啟動。請搜尋“ICT_Architect”關注“架構師技術聯盟”公眾號，獲取更多精彩內容。
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作者：Hardy晗狄
來源：CSDN
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