硬盘的进化与其原理

世界上第一块硬盘，是1956年由IBM发明的RAMAC 350，这个家伙个头比冰箱大，容量却只有5MB。

IBM发明的RAMAC 350

而2007年日立环球存储科技宣布将会发售全球首只1Terabyte的硬盘也就巴掌大小。

日立单碟1TB硬盘编号为HDS721010DLE630

那么缩小了这么多的体积的硬盘，存储能力到底差多少呢？下面我们来计算一下：

1TB = 1,000 (103)GB

1TB = 1,000,000 (106)MB

也就是说现在的一块1T的硬盘存储能力等于之第一代RAMAC 350的200000（2X105）倍，这简直不敢想象。

硬盘英文名又叫Hard Disk Drive英文缩写是HDD。其实硬盘和传统的磁带工作的基本的原理是一样的（但是磁带记录的模拟信号，硬盘记录的数字信号）。

磁带

但是硬盘要比以前的磁带精密得多，数据量也会大很多。

到磁盘上，数据可以通过盘片被读取，原理是磁头经过盘片的上方时盘片本身的磁场导致读取线圈中电气信号改变。硬盘的读写是采用随机存取的方式，因此可以以任意顺序读取硬盘中的数据[2]。

录音磁头（实际上是个蹄形电磁铁），两极相距很近，中间只留个狭缝。整个磁头封在金属壳内。录音磁带的带基上涂着一层磁粉（实际上就是许多铁磁性小颗粒。）

磁录音和磁放音过程

带紧贴着录音磁头走过，音频电流使得录音头缝隙处磁场的强弱、方向不断变化，磁带上的磁粉也就被磁化成一个个磁极方向和磁性强弱各不相同的“小磁铁”，声音信号就这样记录在磁带上了。

放音头的结构和录音头相似。当磁带从放音头的狭缝前走过时，磁带上“小磁铁”产生的磁场穿过放音头的线圈。由于“小磁铁”的极性和磁性强弱各不相同，它在线圈内产生的磁通量也在不断变化，于是在线圈中产生感应电流，放大后就可以在扬声器中发出声音。

计算机上使用坚硬的旋转盘片为基础的非易失性存储器，它在平整的磁性表面存储和检索数字数据，数据通过离磁性表面很近的磁头由电磁流来改变极性的方式被写入到磁盘上，数据可以通过盘片被读取。

硬盘读取状态

图为硬盘内部的碟片在通电后开始高速转动

硬盘的工作原理是磁头经过盘片的上方时盘片本身的磁场导致读取线圈中电气信号改变。硬盘的读写是采用随机存取的方式，因此可以以任意顺序读取硬盘中的数据。

磁道（Track）柱面（Cylinder）扇区（Sector）磁头（Heads）盘片（Platters）每个碟片都有两面，因此也会相对应每碟片有2个磁头

硬盘的物理结构一般由磁头与碟片、电动机、主控芯片与排线等部件组

成；当主电动机带动碟片旋转时，副电动机带动一组（磁头）到相对应的碟片上并确定读取正面还是反面的碟面，磁头悬浮在碟面上画出一个与碟片同心的圆形轨道（磁轨或称柱面），这时由磁头的磁感线圈感应碟面上的磁性与使用硬盘厂商指定的读取时间或数据间隔定位扇区，从而得到该扇区的数据内容。

自20世纪70年代起，硬盘碟片的存储密度以每年25%~30%的速度增长；从1991年开始增长到60%～80%；至今，速度提升到100%甚至是200%。从1997年开始的惊人速度提升得益于IBM的GMR（Giant Magneto Resistive，巨磁阻）技术，它使磁头灵敏度进一步提升，进而提高了存储密度。

那么什么是巨磁阻呢？

那么我们要知道什么是“磁阻效应”，物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为“磁阻效应”。

如上图的圆盘。随着磁场关闭，由于电池连接在（无限）电导率边缘之间，径向电流在导电环中流动。 当沿着轴线的磁场接通时，洛伦兹力驱动电流的圆形分量，内外边缘之间的电阻上升。这种由于磁场引起的电阻的增加被称为“磁阻”。

磁性金属和合金材料一般都有这种磁电阻现象，通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10余倍，称为“巨磁阻效应”（GMR）。

巨磁阻效应示意图

FM（蓝色）表示磁性材料，NM（橘色）表示非磁性材料，磁性材料中的箭头表示磁化方向；Spin的箭头表示通过电子的自旋方向

图片来源：文献(fr)Modèle électrique de lamagnétorésistance géante, effet "vanne despin" ouspin valve. FM =ferromagnétique, NM = non magnétique(en)Resistor model ofspin-valvegiant magnetoresistance effect. FM =ferromagnetic, NM = non-magnetic(es)Modelo eléctrico de una válvula deespín,magnetorresistencia gigante. FM =ferromagnético, NM = no magnético

如上图所示，左面和右面的材料结构相同，两侧是磁性材料薄膜层（蓝色），中间是非磁性材料薄膜层（橘色）。

左面的结构中，两层磁性材料的磁化方向相同。

当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子通过时，电子较容易通过两层磁性材料，都呈现小电阻。

当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相反的电子通过时，电子较难通过两层磁性材料，都呈现大电阻。这是因为电子的自旋方向与材料的磁化方向相反，产生散射，通过的电子数减少，从而使得电流减小。

右面的结构中，两层磁性材料的磁化方向相反。

当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相同的电子通过时，电子较容易通过，呈现小电阻；但较难通过第二层磁化方向与电子自旋方向相反的磁性材料，呈现大电阻。

当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相反的电子通过时，电子较难通过，呈现大电阻；但较容易通过第二层磁化方向与电子自旋方向相同的磁性材料，呈现小电阻。

下面分享一个关于磁阻发现的动画图:

目前科学家已经发现了超巨磁阻效应存在于具有钙钛矿（Perovskite）ABO3结构的锰系陶瓷氧化物中，其磁阻变化随着外加磁场变化而有数个数量级的变化。由于产生的机制与巨磁阻效应（GMR）不同，而且往往大上许多，所以被称为超巨磁阻效应。

不过，由于其相变温度较低，不像巨磁阻材料可在室温下展现其特性，因此离实际应用尚需一些努力。

硬盘原理你对存储设备

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