前言

一開始,原本我是希望能夠延續之前GF大所規劃的章節來進行寫作,但是寫著寫著,卻發現除非省略許多的基本知識,不然光是「認識硬碟」,篇幅就已經超出之前的預估了。而01當初規劃這一系列「教學類文章」的目的,就是希望能夠讓許多不是那麼懂電腦相關技術與規格,或是組裝電腦的使用者,能夠很輕鬆的學習到相關的知識,所以經過再三考量之後,我們決定不省略這些基本知識,而是將有需要修改的章節進行部分的調整,好讓大家能夠很輕鬆的閱讀。

此外,在本篇及後續的介紹之中,我們會盡量以淺顯易懂的方式讓大家可以很容易地就瞭解到相關的知識,除非是很重要的部分,否則我們會盡量少提到一些技術層面的專有名詞,當然,這一點可能就要請一些高手們見諒了。而有提到的專有名詞或是術語,我們也會適當地加以解釋,如果讀者看了之後還是不是很懂的話,可以再提出來討論,我們會在後續的討論中再做詳細的解說。接下來,就讓我們從硬碟的重要性開始,好好地來瞭解硬碟這個在電腦中具有舉足輕重地位的設備,我們該如何去善用它。

硬碟的重要性

如果我們把系統主記憶體比喻成人的頭腦中的記憶資料區的話,那麼硬碟就可以想像成是一本一本的書籍。

人所記憶的資料,有非常多是過一下子就忘了的,需要再重新去學習或是記憶,這就好像我們在使用電腦時,儘管電腦執行過各式各樣的軟體,但是一旦我們將電腦關機之後,系統主記憶體之內所存放的資料就會消失不見一樣。而硬碟就是「永久」存放資料的地方,就好比書本一樣,不論人們過了幾個世代,只要保存得當的話,書本理論上是可以永久保存上面所書寫的文字,或是繪製的圖片。硬碟也是如此,只要你平常有「好好地愛護」硬碟的話,硬碟基本上也是不太容易會發生故障的狀況,當然裡頭的資料也不會無緣無故地消失。

PS:上面的例子只是方便大家去「想像」電腦中的系統主記憶體與硬碟在「存放資料」上,功用的不同而已,如您覺得不妥,請忽略。

由以上可知,硬碟是電腦內部用來儲存資料的設備之一,所以其重要性可見一斑。想想看,如果你平日用來記重要行事曆,或是一些記了重要資料的筆記本突然不見了,那你應該會急的像是熱鍋上螞蟻吧!因此,雖然平常在使用電腦時,一般我們是不會注意到硬碟實際的運作情形,不過我們還是要小心地使用,以免一旦硬碟發生「不幸」事件,你的重要資料全部毀損,那可就真的是:「叫天天不應,叫地地不靈」了!

硬碟的運作原理

要如何「小心地」使用硬碟呢?那得先從硬碟內部的構造與運作的原理瞭解起。

要瞭解硬碟的構造與運作的原理,大家可能要先發揮一下想像力,我用一個例子來做簡單的說明。「黑膠唱片的播放機」,有在玩音響的玩家們應該都很清楚這是什麼東東,沒玩過音響的讀者應該多少也有聽過「黑膠唱片」,黑膠唱片的播放方式是把黑膠唱片放到播放機上面後,把播放機上帶有唱針的唱臂小心地放在黑膠唱片之上,然後隨著黑膠唱片被播放機的旋轉馬達帶動旋轉,唱針得以持續地讀取錄製在黑膠唱片上的樂曲資料,之後我們就可以欣賞到由播放機透過喇叭所放送出來的美妙音樂了。

「黑膠唱片的播放機」的運作方式,以及上面提到的基本構造,是不是很容易就可以讓大家聯想到電腦上的某些設備呢?聰明如你,應該很容易就可以聯想到例如軟碟機、光碟機等設備,其運作的基本方式與「黑膠唱片的播放機」是非常雷同的,同樣都是把一片"儲存媒介"(軟碟機是"磁碟片"、光碟機是"光碟")放進機器裡,接著機器內部會有一個組件(通常稱為主軸馬達)將這一片"儲存媒介"夾住,然後開始旋轉,最後透過機器內部的資料讀取/寫入裝置(類似黑膠唱片播放機上面的唱臂+唱針)就可以對這一片"儲存媒介"進行資料的存取了。

硬碟的運作原理也是如此,只是硬碟的磁碟片是直接安裝在軸心上,當主軸馬達開始旋轉時,磁碟片也就會跟著一起旋轉。而硬碟內部的資料讀取/寫入裝置一開始是固定在「起始位置」,在硬碟啟動有需要存取資料之後,資料讀取/寫入裝置才會移到磁碟片上面,開始進行資料的存取,而當硬碟停止運轉或是長時間沒有資料的存取需求時(通常是進入待機狀態),資料讀取/寫入裝置就會再回到剛開始的「起始位置」。


硬碟的資料讀取/寫入裝置在進行資料存取前後的運作狀態(原圖取自WD官方網頁)。

硬碟的內部構造

硬碟由於外面都會有一層「鐵殼」來對內部的磁碟片以及各式的零組件做保護,所以絕大多數的電腦使用者是看不到硬碟內部的實際狀況(雖然其實也不需要去看),了不起就是看一下硬碟底部上頭佈滿許多電子零件的電路板就好了。不過,如果你實在是好奇寶寶中的佼佼者的話,那麼我會建議你拿一顆已經壞掉,或者是肯定廢棄不用的硬碟來做拆解,先將硬碟底部的電路板上的固定螺絲拿掉,然後可能會需要帶有一點暴力的方式取下電路板(這部分各家廠商的產品設計方式不同,可能需要多嘗試一下才行),接著移除掉礙眼的零組件(如果有的話),這些動作都小心地做完之後(請注意:這裡的小心是請小心你的玉手,可不是硬碟喔,反正都壞掉或是廢棄不用了,不用小心它了,所以建議最好是戴手套啦,以免不小心被電路板或是其他的小零件傷了你的玉手),硬碟「真正的」內部構造就會完整的呈現在你的眼前了。

如果你不想拿寶貝的硬碟開玩笑的話,那也沒關係,我們再來發揮一下想像力。

硬碟之所以會「硬」,就是因為外面有一層「鐵殼」保護,軟碟之所以是「軟的」,顧名思義,就是它少了「鐵殼」的保護(只有塑膠殼啦)。以人來形容的話,硬碟就好比開汽車一般,人的外面罩了一層鐵殼,而軟碟就好像是騎摩托車,摩托車上被人罩著。(而人呢!只有頭上戴安全帽~頂多下雨穿雨衣啦!)

PS:上面的例子只是筆者單純發想的笑點(好像有點冷到北極去了),硬碟與軟碟在名稱上的真正定義,應該要從原文"Hard Disk"與"Floppy disk"去做區別,有興趣的網友,建議可參考英文版的Wikipedia。

嗯~好像有點冷...回歸正題吧!

從字面上來看,硬碟跟軟碟都有個「碟」字,這表示他們都跟「磁碟片」有所相關。軟碟的磁碟片是一片薄薄的、方方正正的像「方塊豆乾」一樣的形式,將3.5吋軟碟片上方的保護蓋移到旁邊,就可以看到裡面「真正的磁碟片」了。而將"保護蓋移到旁邊"這個動作,就是你每次將軟碟片放進軟碟機時,軟碟機會對軟碟片所做的動作,透過這個動作,軟碟機內的磁碟讀寫頭就可以對軟碟片內部的磁碟片進行資料的存取了。


翻了好久終於找到的3.5吋軟碟片。


移開保護蓋就可以看到裡頭「真正」的磁碟片了。


這是軟碟機的磁碟讀寫頭,上、下都有,因為磁碟片的兩面都可以存取資料。


將3.5吋軟碟片放進軟碟機的樣子,注意磁碟讀寫裝置的組件會「夾住」軟碟片。

由以上可知,硬碟的內部包含了一片到好幾片的磁碟片,想像一下,將軟碟片放進軟碟機裡,然後外面包了一層鐵殼,這樣就成了一部硬碟的基本構造:包含磁碟片、磁碟讀寫裝置(磁碟讀寫臂+磁碟讀寫頭)、主軸馬達。


硬碟內部的構造(原圖取自WD官方網頁)。

最早期的硬碟大致上的構造就是這麼地簡單,而後來為了增加硬碟存取資料的效能,廠商開始在硬碟上面加入緩衝記憶體(Cache Memory,一般簡稱為Cache),緩衝記憶體的作用與之前在CPU章節所提到的L1或L2 Cache是一樣的,都是用來存放"比較可能"會經常用到的資料,所以雖然理論上,緩衝記憶體的容量是越大越好(目前市面上可看到的桌上型3.5吋硬碟的最大緩衝記憶體容量已經來到32MB),不過一來是成本的問題,二來是緩衝記憶體僅是存放"比較可能"會經常用到的資料,這個"比較可能"就牽涉到邏輯命中的機率問題,所以也不一定就是容量越大越好。


這顆記憶體晶片就是硬碟的緩衝記憶體。

綜合以上所說的,相信大家已經可以瞭解到一部現在市面上常見的硬碟內部,完整的組件就包含有:一片到許多片的磁碟片(兩面都可以存取資料)、磁碟讀寫裝置、主軸馬達(含軸承)以及緩衝記憶體等。另外還有硬碟的電源接頭以及對外的傳輸介面部分,我們接下來會再做詳細的說明。

硬碟的外觀

瞭解了硬碟內部的基本構造之後,接著我們再回過頭來看看硬碟的外觀。當你購買一顆硬碟,打開外包裝,從包裝袋(通常可以防靜電)將硬碟拿出來之後,首先映入眼簾的應該是硬碟上面那一張大大的標籤貼紙,上面一般都會標示出硬碟廠商的名稱、硬碟的型號、硬碟的容量、使用電壓規格以及一些注意事項,有些硬碟廠商還會在這張標籤貼紙上註明硬碟模式(IDE硬碟通常是Master、Slave、Cable,SATA-2硬碟則可能會有SATA-1、SATA-2)的跳針設置方式,有的則是在使用手冊中說明。


IDE硬碟上面的標籤貼紙。


SATA硬碟上面的標籤貼紙。

將硬碟翻轉180度,你可以看到硬碟的底部有一小塊電路板(有些硬碟廠商會將硬碟的底部全部包覆,以保護硬碟底部的組件),這是硬碟的控制電路板,上面會有一顆記憶體晶片,這就是剛剛提過的緩衝記憶體。由於硬碟的許多功能都是由這塊電路板來控制的,所以千萬要小心別讓電路板不小心刮傷,電路板故障可是會讓硬碟無法運作的。不過電路板故障還算是小事,通常送去維修中心換一片電路板,硬碟又可以回到生龍活虎的狀態;萬一是硬碟內部的磁碟片發生出問題,那可就要大費周章了,而且很大的機會是要跟硬碟說掰掰。


硬碟底部的樣子。


硬碟底部安裝散熱風扇的樣子。

硬碟底部兩邊通常都會有設置左右對稱的螺絲孔(參考上圖),一般來說,這是給使用者安裝一些散熱器用的,而在硬碟左右兩側的3個螺絲孔(前、中、後各一),則是在安裝硬碟到機殼上的硬碟槽時,用來固定硬碟,減少硬碟運作時的震動,也可避免硬碟不小心從硬碟槽中掉落。有些機殼(或硬碟外接盒)的硬碟安裝是採用滑軌設計,也就是使用者必須先將滑軌組件安裝在硬碟的兩側,然後才能「滑進」機殼(或硬碟外接盒)的硬碟槽內,而這些滑軌組件也是安裝在左右兩側的螺絲孔上。


硬碟左、右兩側的3個螺絲孔(前、中、後各一)。

接著再看到硬碟的後端,也就是配置有傳輸介面以及電源插座的地方,這裡請參考下圖。以目前的硬碟市場來說,雖然SATA介面已經成為主流,不過因為大家之前的電腦都是使用IDE介面,所以IDE介面的硬碟在市場上還是有一定的銷售量,而且應該還可以存活一陣子。另外,由於SCSI介面的硬碟現在比較少見了,而且它的介面配置與IDE差不多,所以我們在這裡就不再特意放SCSI介面的配置圖片。


IDE介面硬碟的介面配置(原圖取自WD官方網頁)。


SATA介面硬碟的介面配置(原圖取自WD官方網頁)。


SATA介面硬碟同時配置有12V 大4-Pin電源插座(原圖取自WD官方網頁)。

上面3張圖的第一張是IDE介面硬碟的介面配置,從圖中的標示可以看到40-Pin的IDE介面插座、俗稱為12V 大4-Pin的電源插座(SCSI硬碟也是用這種),以及設定硬碟模式(Master、Slave、Cable)的跳針。上面的第二張圖是SATA介面硬碟的介面配置,從圖中可以看到SATA介面插座、SATA的電源插座以及設定硬碟模式(SATA-1或SATA-2)的一些跳針。由這兩張圖應該可以很明顯地看出,IDE與SATA介面不論是傳輸介面或是電源插座,在型式上都有很大的不同,相信應該沒有人會搞混;而考量到有些使用者的電源供應器可能比較舊,沒有提供SATA電源接頭,所以有些廠商的SATA(或SAS)硬碟會同時擁有12V 大4-Pin與SATA兩種電源接頭(參考上圖)。

在安裝上,這兩種介面硬碟的排線與電源接頭在外型上也有很大的不同,而且在接頭前端的外殼上,也都有防呆的設計,所以只要不是暴力安裝的話,應該也不太容易插錯或插壞(詳細的安裝步驟我們留待後面組裝電腦的部分再詳加說明)。至於筆記型電腦用的硬碟部分,由於各家筆記型電腦廠商的設計不見得一樣(雖然硬碟都長的差不多),而且在選購筆記型電腦時,使用者通常會選擇好所需要的容量了,自己手動升級的機會不大(買外接式硬碟還比較方便),因此我們就不特別額外說明了。


由左至右依序是軟碟機的排線、IDE硬碟的排線以及SATA硬碟的排線。


SATA硬碟的電源接頭(左)與IDE硬碟的12V 大4-Pin電源接頭(右)。

至於SAS部分,SAS介面與SATA介面雖然在外觀上看起來非常雷同,但是中間還是有一點點小小的差異。如同下圖所示,SAS介面的電源插座與資料傳輸介面的「中間」是連起來的,而SATA介面的電源插座與資料傳輸介面的「中間」則是分開的(Notch);再看到下圖右邊,SAS排線的插頭稱為Backplane connector,它在SAS介面「中間」連起來的部分有一個開孔,而這個開孔的大小與SAS介面「中間」的"間隔"是一樣的,所以SAS排線可以適用在標準SATA介面的硬碟上。反過來看,由於SATA介面的電源線與排線是分開的,兩者間並沒有開孔設計可以對應到SAS介面「中間」連起來的部分,所以SATA介面的電源線與排線是不能夠用在SAS介面上。


SAS介面與SATA介面(包含資料傳輸介面與電源插座)的比較,圖片取自HP網站的技術支援說明文件。

認識硬碟的規格

當你到一般的賣場上想要選購硬碟時,大部分的店家大概都會標出出各家廠商硬碟產品的一些重要規格,包含有:容量、轉速、緩衝記憶體容量、傳輸介面等(這些規格有些會在硬碟的包裝盒或標籤貼紙上標示出來),而如果你到廠商的官方網站上查詢資料的話,你可以發現硬碟的規格其實不只如此,還有許多細部的項目(例如抗震性、操作溫度...等),不過我們在這裡為了篇幅著想,我們將一些比較直覺性的規格(例如運作噪音)省略掉,只針對比較重要、跟使用者有直接相關的規格做詳細的說明。(PS:由於緩衝記憶體已經在前面做過說明,所以在規格介紹的部分就不再重複了。)

尺寸

首先我們要看的第一項規格,就是硬碟的尺寸大小。一般來說,硬碟是依照尺寸大小來區分各種不同的適用領域,例如現在的桌上型電腦幾乎都是使用3.5吋的硬碟,而筆記型電腦則大多數都是使用2.5吋的硬碟,不過有一些超小型、訴求於行動力的可攜式筆記型電腦(螢幕尺寸多半是在10吋以下),則會使用1.8吋或是尺寸更小的小型硬碟。由於在不同領域的硬碟通常都會有該領域的硬碟安裝槽的標準規格,所以在大部分的情況下,大尺寸的硬碟是無法應用到小尺寸硬碟的適用領域裡(除非使用外接的方式),而小尺寸的硬碟如果想要在大尺寸硬碟的標準安裝槽上使用的話,通常也得要加裝適合該尺寸的硬碟架才行。


左邊是筆記型電腦用的2.5吋硬碟,右邊是桌上型電腦用的3.5吋硬碟。


WD新推出的10,000轉、SATA硬碟:VelociRaptor,雖然外型實際上是2.5吋的型式,不過卻有獨家的IcePack框架(具備散熱功能),可直接安裝在3.5吋的硬碟槽上(圖片取自WD官方網頁)。

硬碟的尺寸大小還會直接影響到硬碟的容量,因為在相同的技術(單位資料儲存密度)以及使用相同的磁碟片數之下,硬碟的尺寸越大,容量也就會越高,所以在同一時間點,市場上最大容量的3.5吋硬碟的容量會大於最大容量的2.5吋硬碟,再大於最大容量的1.8吋硬碟....。

至於硬碟的效能部分,由於技術上的限制以及應用層面的需求不同,例如一般筆記型電腦用的硬碟的轉速就不能太高,以免因為硬碟產生的廢熱過多而影響到整部筆記型電腦的散熱設計以及穩定性等,所以轉速比較高的3.5吋硬碟的效能通常會高於轉速比較低的2.5吋硬碟,再大於1.8吋硬碟...。不過現在新一代的2.5吋硬碟不論是在容量、轉速(目前主流已經來到7,200轉)、或是硬碟內部的各項技術上,都比以往有更顯著的進步,甚至在效能上也不會比3.5吋的硬碟差多少,再加上2.5吋硬碟有尺寸上的優勢(與3.5吋的硬碟比起來,同樣的空間可以裝入更多顆的2.5吋硬碟;或者是使用相同數量的硬碟,2.5吋的硬碟所需要的空間會比較小),因此目前2.5吋硬碟有朝向桌上型市場發展的趨勢,特別是在需要使用到多顆硬碟的儲存伺服器市場上,其優勢更是特別地明顯。

容量

當你有需要購買硬碟而到一些賣場上查看實際的商品,或是透過網路來搜尋相關的硬碟資料時,相信你一定會碰到硬碟各式各樣的規格,其中對於一般使用者最重要的,當然就是硬碟的「容量」了。以目前的市場來看,主流硬碟的容量已經來到500GB以及750GB(1GB=10億個位元組),而更高容量的TB(1TB=1000GB)等級硬碟目前還屬於高價位的產品,除非你沒有預算的限制,不然我個人是不建議現階段去購買這麼高容量的硬碟,反正現在桌上型電腦的機殼大多可以安裝超過4~6顆以上的硬碟,大約6千元左右就可以買到2顆500GB容量的硬碟了,何必砸下重金去購買高成本的TB硬碟。

這裡要提醒大家一點,硬碟容量的計算方式雖然都是以MB、GB、TB...等單位來計算,不過實際上硬碟廠商對於這些單位的定義與Windows作業系統的定義是有些微的差距。硬碟廠商對於MB、GB、TB等單位的定義是以10進位的方式去設定,也就是說在硬碟廠商的定義之下,1MB=10的6次方(1000*1000)個位元組、1GB等於10的9次方個位元組,而1TB就等於10的12次方個位元組;但是在作業系統之下,使用的定義卻是2進位的方式,所以作業系統的1MB=1024*1024個位元組,看出差異了嗎?作業系統的1M=1048576,而硬碟廠商定義下的1M=1000000,兩者相差了48576,到了GB就會差距更大(作業系統定義1024*1024*1024-硬碟廠商定義1000*1000*1000)了,所以當你高高興興買了一顆硬碟回家,安裝後卻發現作業系統裡顯示的硬碟容量,怎麼會比硬碟上面標示的容量還少一些時,可不要以為買來的硬碟有問題,或是廠商的容量標示錯誤,這其實只是兩者對於「容量的定義」不同罷了!

與硬碟容量相關的,還有一項鮮少人會注意的重點,那就是硬碟內部的磁碟片數量。一般來說,由於硬碟的高度有標準的限制,所以廠商不可能在裡面無限制的放進磁碟片(不管桌上型還是筆記型電腦用的硬碟都是如此),以桌上型用的3.5吋硬碟為例,筆者所聽過的最多就是5片磁碟片,因此,廠商如果想要增加硬碟的容量的話,除了在磁碟片的數量上傷腦筋之外,更重要的就是想辦法增加磁碟片的「單位資料儲存密度」。

所謂的「單位資料儲存密度」指的是磁碟片上每一平方英吋可以儲存的資料量,單位是MB/英吋、GB/英吋等。磁碟片的「單位資料儲存密度」直接就會影響到磁碟片可儲存的資料量,也就是大家常聽到的單碟有多少GB,舉個例子,一顆200GB容量的硬碟如果是採用單碟200GB的磁碟片,那只需要一片就可以搞定了;如果是採用單碟100GB的磁碟片,那就需要2片磁碟片;而如果是採用單碟50GB的磁碟片,那可得要4片磁碟片才行了。


採用單一磁碟片的硬碟(單碟硬碟,圖片取自WD官方網頁)。


採用多片磁碟片的硬碟(圖片取自WD官方網頁)。

硬碟內部的磁碟片數量雖然從表面上來看,使用者一般在使用時,是不會有什麼太大的差異感,然而就硬碟本身而言,磁碟片數量的多寡至少會有兩個影響因素,第一是硬碟所產生的廢熱問題,第二是硬碟在存取資料上的效率問題。如同前面所提過的,硬碟是利用主軸馬達帶動磁碟片旋轉,然後透過磁碟讀寫頭來存取磁碟片上的資料,而磁碟片在旋轉時,或多或少總是會發生一些摩擦,磁碟片越多,發生的摩擦也就會跟著增加,摩擦增多之後,轉換而產生的廢熱也會隨之增加。

另一方面,硬碟內部使用的磁碟片越多,在資料的存取效率上,也會跟著變差;很直覺的假想一下,同容量的單碟硬碟與多碟硬碟比起來,如果你的資料在兩種硬碟內都是存放在同一片磁碟片上的話,或者是循序地存放在不同的磁碟片上,那可能還不會有什麼影響,然而實際上大家的資料可能會錯綜複雜地存放在不同的磁區裡,此時對多碟硬碟的資料存取效率就會有一些影響了,畢竟在單一磁碟片上搜尋、讀取、寫入資料的效率,總是會比在多片磁碟片上進行相同的動作更有效率一些。所以如果你在選購硬碟時,發現某一顆硬碟只有使用一片磁碟片,而另一顆相同容量的硬碟卻是使用多片磁碟片,那麼我會建議你盡量選擇單碟硬碟(或者是使用磁碟片數量較少的硬碟)會比較好。

轉速

接著要看的是硬碟「主軸馬達的轉速」,就目前來看,消費型市場的3.5吋桌上型硬碟的主流轉速依然維持在7,200轉,而高階機種則是突破上萬轉的轉速,5,400轉在桌上型的市場上幾乎已不復見,而筆記型電腦的硬碟市場雖然還有不少5,400轉的產品,不過主流硬碟也逐漸地朝7,200轉的產品邁進。

硬碟「主軸馬達的轉速」直接會影響到硬碟對於資料搜尋、讀取、寫入等的效能表現,由於硬碟是依賴內部磁碟片的旋轉來進行資料的存取,而磁碟片又是依靠主軸馬達才能旋轉,所以主軸馬達的轉速就會直接影響磁碟片的旋轉速度,進而影響到資料存取的效率。理論上,硬碟的轉速是越快越好,7,200轉硬碟的效能會高於5,400轉,10,000轉硬碟的效能會高於7,200轉,不過這是指同一類型硬碟之間的相互比較,不同類型(或不同世代)的硬碟有時候不見得轉速高的硬碟會有比較好的效能表現,例如7,200轉的舊款IDE硬碟對上新一代的5,400轉SATA硬碟,此時後者的效能可能會比前者還要更高。

前面提過磁碟片的摩擦問題,主軸馬達的轉速也會對這方面有所影響。通常硬碟的轉速越高,造成的效應就是硬碟產生的廢熱也會越多,就好比多年前,在硬碟廠商剛推出3.5吋的7,200轉產品時,各家廠商的硬碟幾乎都很熱,比起當時主流的5,400轉硬碟,幾乎可用天壤之別來形容(不曉得有沒有人試過拿來煎蛋),而現在主流的7,200轉硬碟雖然在熱的部分已經有所改善,不過未來如果要朝向10,000轉硬碟邁進的話,可能還是得注意一下這方面的問題。

既然提到轉速,那就不得不再提一下「軸承」。硬碟的軸承是由主軸馬達以及軸心本體等組件所組成的,它被設計用來貫穿磁碟片,藉以帶動磁碟片旋轉。早期的硬碟是採用滾珠軸承(Ball Bearing),而現在市面上常見的硬碟則大多數都是採用液態軸承,硬碟廠商對於液態軸承的英文命名(中文則通稱為液態軸承)有些許的不同,我們在這裡以Fluid Dynamic Bearing為主,其他還有陶瓷軸承、磁浮軸承等技術,或許你已經在某些產品上,或是在未來的產品裡,可以看到這些軸承技術的應用。

滾珠軸承的設計方式是在硬碟的軸心與基座的部分,放入約8~12顆金屬材質的鋼珠,這些鋼珠不但要當作主軸馬達旋轉的緩衝劑,也要支撐馬達的重量;而液態軸承簡單的說,則是把上述的鋼珠拿掉,改以液態黏性的油膜(或氣體)來替代。滾珠軸承在運作時,主軸馬達旋轉一定會造成軸心端與金屬鋼珠之間的「金屬表面」摩擦,有摩擦就會產生廢熱,而且還會產生噪音,隨著使用時間一久,這些「金屬表面」也會產生磨損,而在主軸馬達有高轉速需求的狀況下,滾珠軸承的極限也越來越明顯。

液態軸承因為採用的是液態的油膜,主軸馬達在旋轉時,油膜會在軸心端的周圍形成一層保護膜,所以理論上不但不會有摩擦發生,產生的熱量很少,而且還可以減少噪音。此外,液態軸承比起滾珠軸承還可以更有效地吸收外來的震動(硬碟的抗震性會更好),保護軸心的表面,軸心也不會因為磨擦而耗損,理論上可以永久地使用。

不過理論歸理論,實際上液態軸承還是會產生一些噪音與廢熱,也不太可能可以永久使用,而且如果設計的方式與使用的材質不夠好的話,可能還會比滾珠軸承更差。而隨著硬碟的轉速越來越快,現在的硬碟差不多都是採用液態軸承了,滾珠軸承大概已經成為硬碟發展史中的一個過去式,而未來的硬碟會採用什麼樣的軸承?或許是磁浮軸承,或許是其他更先進的技術,也有可能因為SSD(固態硬碟)的出現,機械式硬碟的市場會因此而出現重大的改變(或許機械式硬碟會就此消失),這也是有可能會發生的未來式。

傳輸介面

另一個與使用者有直接相關的規格,就是硬碟的傳輸介面,而你的電腦可以支援的硬碟傳輸介面種類,通常也限制了你可以選用的硬碟種類,想要使用別種傳輸介面的硬碟,除非加裝可以支援該介面的轉接卡,不然就只好使用外接的型式(例如USB、IEEE 1394等)。我們接下來要說明的傳輸介面將包含桌上型電腦或筆記型電腦上常見的PATA(Ultra ATA)、SCSI、SATA以及最新的SAS等,至於其他領域或是特殊規格的傳輸介面我們就不在此處多做說明了(請有需要的網友們自行查詢)。

PATA的英文全名是Parallel Advanced Technology Attachment,也就是平行式的ATA傳輸介面,這個介面在電腦上已經使用超過15年的時間了,而且目前不論是在個人的桌上型電腦或筆記型電腦,或是一些伺服器及其他消費性電子產品的應用領域裡,都還可以發現PATA傳輸介面的蹤跡。PATA也稱為Ultra ATA,在個人電腦上也就是大家常聽到、前面也提過的IDE插槽,它的型式與軟碟機的插槽類似,只不過比較長一點,Pin腳數共有40支。一組IDE控制器可以支援2個IDE裝置(通常是硬碟或光碟機),而以前的主機板南橋晶片都有提供2組IDE控制器,所以最多可以安裝4個IDE裝置;不過現今由於SATA介面的盛行,IDE的需求大不如前,所以現在的主機板幾乎都只有提供一組IDE插槽,大多是用來讓使用者可以安裝IDE光碟機,而如果你要在這組IDE插槽上同時使用硬碟及光碟機的話,那就要利用跳針來設定硬碟為Master、光碟機為Slave(除非你有特殊用途,不然一般是建議做這樣的設定)。

PATA介面的資料傳輸速率目前最高是133MB/s,之前的規格包含有100MB/s、66MB/s、...,也就是大家常聽到的Ultra ATA-133、Ultra ATA-100、Ultra ATA-66、...,後面的數字所代表的就是這個介面的最高資料傳輸率。每一種規格與當時硬碟的技術背景有所相關,特別是硬碟的轉速,大致上可以說Ultra ATA-133對應到7,200轉以上的硬碟、Ultra ATA-100對應到5,400轉的硬碟、Ultra ATA-66對應到4,500轉的硬碟、...,這是因為硬碟的轉速直接關係到硬碟所能提供的資料傳輸速率,當硬碟在某一個固定的轉速之下,它的資料傳輸速率便很難突破某一個極限,必須要等硬碟的轉速能夠提升到更高的等級,硬碟所提供的資料傳輸速率也才能邁進到下一個世代的規格。


主機板上內建的IDE(PATA)插槽

SCSI的英文全名是Small Computer System Interface,是一套ANSI標準用於連接設備的電腦系統傳輸介面,SCSI最多的應用是在硬碟上,不過在USB尚未盛行之前,早期的掃描器以及一些印表機(一般都是高階產品才會採用SCSI介面),甚至是早期的光碟機、燒錄機等,都有採用SCSI介面的產品。SCSI普遍被認為是用來替代IDE介面的高階產品,因為一組IDE控制器只能支援2個IDE裝置,而一組SCSI控制器卻可以支援8~16個SCSI裝置,而且SCSI所提供的排線長度也比IDE要長很多,有利於多顆硬碟之間的串接(特別是在磁碟陣列系統的應用上)。SCSI介面的傳輸規格歷經許多世代的演進之後,目前是來到Ultra320,理論上的最高資料傳輸速率可達到320Mbps。

SATA是Serial ATA的縮寫,相較於PATA的平行式ATA傳輸介面,SATA就是串列式(也有人翻做序列式)的ATA傳輸介面,它的名稱是由它採用串列的方式傳輸資料而來。根據SATA協會官方網站(http://www.sata-io.org)上的資料說明,SATA傳輸介面的匯流排使用了嵌入式的時脈信號,具備比以往更強的除錯能力,而且它不只是對於傳輸資料,還可以對傳輸指令進行檢查,如果發現錯誤會自動矯正,在相當大的程度上提高整體資料傳輸的可靠性。其他部分,SATA介面還具有支援硬碟熱插拔;排線寬度縮小,利於機殼內部的空氣對流,而且比IDE排線更容易安裝;以及結構簡單等優點。

SATA介面目前的傳輸規格有SATA-1(第一代的SATA)與SATA-2(第二代的SATA),而下一代的SATA-3規格也準備蓄勢待發了。(PS:按照SATA協會的標準寫法,第一代是SATA,第二代是SATA II,不過我們在這裡為了清楚起見,直接用數字1、2、3來表示,也避免大家看錯。)

SATA-1介面的最高資料傳輸速率為1.5Gbps,另一個寫法是150MB/s,大家可能會覺得很奇怪,1個Byte不是應該等於8個bit嗎?為何1.5Gbps會變成150MB/s呢?這是因為SATA的資料傳輸使用8b/10b encoding(在數位差異訊號下只能夠使用到80%的有效encoding),而它內部的工作時脈為1500MHz,所以SATA最大的有效傳輸頻寬為1500MHz * 1bit * 80%(因為8b/10b encoding)/ 8(1個Byte = 8個bit),然後就得到150MB/s這個數據了。不過可能是因為1.5Gbps比150MB/s好看,所以SATA-1雖然一開始在硬碟的規格標示上,廠商都是使用150MB/s這個數據,但是現在幾乎都已經改用1.5Gbps了。

SATA-2介面的最高資料傳輸速率為3.0Gbps,是SATA-1的2倍,同樣的,它的另一個寫法是300MB/s(原因同上),而除了SATA-1、SATA-2的稱呼之外,另一種稱呼是以傳輸速率的方式,也就是SATA-1 = SATA-150,SATA-2 = SATA-300,這應該是沿用之前PATA的稱謂(Ultra ATA-133、ATA-100...)而來。至於SATA-3部分,不像PATA的傳輸頻寬是以33MB/s的倍數成長,SATA介面是以幾何倍數的方式成長,所以SATA-2的傳輸頻寬是SATA-1的2倍,SATA-3也是SATA-2的2倍(SATA-3變成SATA-1的4倍),SATA-3的最高資料傳輸速率可達到6.0Gbps(或是寫成600MB/s)。


主機板上的SATA插槽

最後要看的傳輸介面是最新的SAS(這可不是幾年前令人聞之色變的SAS病毒喔),SAS是Serial Attached SCSI的英文縮寫,由名稱上應該很容易可以看出SAS跟前面提過的SCSI有相關。SAS是串列式的SCSI,由並列式的SCSI(也就是原本的標準SCSI)而來,是由ANSI INCITS T10技術委員會負責開發及維護的新儲存介面的標準。如果拿SCSI與PATA相比,SCSI是用在伺服器/工作站領域,而PATA是用在個人電腦領域的話,那麼SAS與SATA相比也是同樣的狀況,換句話說,SAS就是用來取代SCSI在伺服器/工作站領域的地位。

相較於並列式的SCSI介面,SAS採用串列式的傳輸通道,主機(SAS Host)連接到每一部SAS裝置上都是以點對點(point-to-point)的形式,也就是主機到每一部SAS裝置之間都是單一通道,既不用分享頻寬,而且也可以減少多部裝置同時連接到同一主機時的訊號干擾。SAS完全相容於SATA介面,而且也使用相同的連接埠,目前SAS-1.1規格的最高資料傳輸速率為3.0Gbps(300MB/s),SAS-2規格的最高資料傳輸速率為6.0Gbps(600MB/s),未來可望提升至12Gbps(1.2GB/s);這兩種介面同樣都可以支援所謂的NCQ功能,不過整體而言,SAS是更為複雜。

PS:NCQ的英文全名為Native Command Queuing,可翻譯成原生指令排序技術,這項技術需要透過硬碟的韌體(也就是硬碟要有內建這項功能)、硬碟的控制器以及作業系統三者的互相配合,才能提高硬碟的效能(最高可提升約30%)。由於硬碟使用的時間一久,裡面的檔案通常會呈現散亂分佈的情況,當磁碟讀寫頭在讀取檔案時,如果這些資料各自分佈在不同的磁軌上,那麼磁碟讀寫頭可能必須要多繞好幾圈(磁碟讀寫臂的移動距離變長),才能將檔案全部讀取完畢,如此將會降低硬碟的效能,解決之道可以使用硬碟重組軟體,將散亂的檔案資料重新排序為連續的區塊。啟用NCQ的功能之後,會依照檔案在硬碟內部的分佈情況,將讀取的順序做最有效的排序,藉此可減少磁碟讀寫臂的移動距離,提升硬碟在存取檔案時的效能,進而減少磁碟讀寫頭的損耗,延長硬碟的使用壽命。

抗震性與MTBF(平均無故障時間)

在前面硬碟的運作原理部分,我們已經說明過硬碟在運作時,是由主軸馬達帶動磁碟片旋轉,然後再透過磁碟讀寫頭來存取磁碟片上的資料。因此,硬碟在運作時,是很怕受到震動的,因為當磁碟讀寫頭在存取磁碟片上的資料時,兩者是非常非常的接近(磁碟讀寫頭是"漂浮"在磁碟片上),只要震動的力道一大,讓正在旋轉中的磁碟片稍微產生偏移,那麼當磁碟讀寫頭實際接觸到磁碟片的表面時,就會造成磁碟片的表面產生刮痕,而這些刮痕通常就會變成磁碟片上的壞軌,硬碟一旦產生壞軌,磁碟讀寫頭在這塊區域上便無法存取資料了。另外,如果撞擊的力道過大,甚至可能會讓主軸馬達上的軸心等組件產生偏移,導致磁碟片無法保持在正常的旋轉位置上,最後整個硬碟只好報廢了。

PS:由於磁碟讀寫頭在存取磁碟片上的資料時,兩者是非常非常的接近,其間隙甚至容不下一粒灰塵,所以硬碟都是在無塵室中製造的,硬碟如果內部發生故障(例如磁碟片產生壞軌),也必須要回到無塵室才能進行內部的拆解及維修,否則將會很容易讓硬碟再次損壞,這就是使用者的硬碟一旦內部發生故障問題,想要救回裡面的資料卻需要花費大筆費用的最主要原因。

壞軌不僅會讓硬碟損失一些可用的儲存容量,而且在硬碟存取資料時,磁碟讀寫頭往往會因為無法辨識壞軌的資料而反覆地檢查,如此將造成硬碟的存取資料效率明顯地變慢。雖然我們可以利用硬碟在格式化的時候,讓硬碟標示出壞軌的區域而避免發生這樣的狀況,不過如果硬碟上的壞軌過多的話,有時還是會讓硬碟進入無限迴圈的反覆讀取狀態,導致硬碟無法正常的運作(這是硬碟損壞的最大原因)。

為了避免因不小心的碰撞讓磁碟片被磁碟讀寫頭刮傷而產生壞軌,最早期的硬碟需要使用者下達指令讓磁碟讀寫頭離開磁碟片,回到起始位置;而現在新一代的硬碟大多都有內建智慧型的防震技術,當硬碟內部偵測到硬碟有不正常位移的狀況發生時(例如從桌子上快要掉到地面上時),硬碟就會自動讓磁碟讀寫頭離開磁碟片的表面,甚至是回到起始位置,藉此來保護磁碟片不被磁碟讀寫頭刮傷。

至於MTBF(平均無故障時間)是英文Mean Time Between Failure的縮寫,指的是硬碟在操作使用或測試期間,平均連續無故障所達到的時間。MTBF通常代表的是硬碟的可靠性,數值越大越好,例如希捷的Barracuda ES.2硬碟可達到120萬小時的MTBF;抗震性的數值單位為G,也是數值越大越好,例如250G、300G...等。這兩個數值在一般的賣場上幾乎是不可能看到的,對於一般使用者來說,感覺可能也不明顯(保固期限3年或5年,可能還比較能夠感覺到差異性),不過如果你有興趣的話,其實到各硬碟廠商的官方網站上查詢,廠商多半都會把各款硬碟的詳細資料放在網頁上給客戶參考,而你也可以把這些資料當作選購時的參考依據。

硬碟的重要效能規格

平均搜尋時間(Average Seek Time):這是指磁碟讀寫頭從磁碟表面移動到資料所在的特定磁軌上所需要用掉的平均時間,單位為毫秒(ms),時間越短越好。

存取時間(Access time):指的是磁碟讀寫頭在磁碟片上尋找位於不同位置的資料時,所需要用掉的(平均)時間,單位一樣為毫秒(ms),時間越短越好。

存取時間與平均搜尋時間在定義上是不一樣的,不過由於同樣都是使用相同的時間單位(毫秒),所以不見得每一家廠商都會列出這兩種規格,有些只會列出數字比較好看的那一項,大家在選購硬碟時可要注意看一下。

資料傳輸速率(單位MB/s):嚴格來說,資料傳輸速率應該要分為讀取與寫入兩部分,甚至還要細分為硬碟內部由磁碟片上的資料讀取到緩衝記憶體(或是由緩衝記憶體寫入到磁碟片上)這一段,以及緩衝記憶體內的資料傳送到外部(或是由硬碟外部傳送資料到緩衝記憶體)這一部份。不過就一般個人電腦的應用來說,硬碟的運作通常是讀取與寫入並重,並不會像例如網頁伺服器(或其他)的系統,比較偏重資料讀取(或寫入)的效能,所以大家應該要重視的是硬碟整體的傳輸速率(並不是採用哪一種傳輸介面規格喔)。當然,廠商標示的資料傳輸速率(不論是讀取、寫入或整體)數字是越大越好囉!

小結

看完了以上的介紹,大家是不是對硬碟有更深一層的瞭解了呢?其實就筆者對自己周遭朋友的觀察,一般在使用電腦時,大多數人通常只會注意到CPU、顯示卡、記憶體的效能,而對於硬碟,則多半只注意到它的容量而已,不過這也難怪,因為如果使用電腦一般只是上上網、文書處理、玩遊戲的話,硬碟的效能的確是沒有很明顯的幫助;但如果是常常會需要處理大量檔案的使用者,硬碟的效能就會有明顯的差異了。另外,現在主流的硬碟轉速已經來到7,200轉,未來10,000轉硬碟成為消費市場的主流也不是不可能的事,在這麼高轉速的情況下,硬碟的散熱問題真的需要好好關切一下,特別是自己組裝電腦的DIY玩家,畢竟硬碟內儲存的資料可能是你花了好幾年的心血,當然,最好的作法是定期備份,或者是使用具有備援功能的磁碟陣列,不然最少你也應該要好好愛護一下硬碟,注意一下它的散熱問題(在後面電腦組裝的章節會再做詳細的說明),平常使用時盡量避免碰撞,如此才能讓你的硬碟的使用年限更為長久。

此外,對於硬碟的傳輸介面部分,是不是越高的傳輸速率規格就一定越好?這也不一定,要依照硬碟能夠達到多高的傳輸速率而定。舉例來說,雖然IDE介面的最高傳輸規格維持在ATA-133已經有很長一段時間了,但是以目前主流的7,200轉硬碟來看,可以說還沒有哪一款硬碟能夠突破133MB/s的資料傳輸速率,即使是10,000轉的硬碟,也鮮少有能夠達到這麼高傳輸速率的產品。而現在SATA介面有兩種傳輸規格,150MB/s的SATA-1與300MB/s的SATA-2,同樣的,目前市面上的主流硬碟也還沒有哪一款可以突破150MB/s的資料傳輸速率,頂多是接近而已,而SATA硬碟如果採用SATA-2介面的話,耗電量將會比採用SATA-1硬碟稍微多一些,或許一般使用者對於這麼一點點的耗電量差別不會很在乎,然而就環保的觀點來看,選用耗電量低一點的產品,也可以算是為環保盡一點點的心力(多多少少也可以減少你的荷包支出)。