硬盘是如何工作的？

平均500美元的笔记本电脑提供256GB的存储空间。你看到这个数字可能会想，"哇--想象一下我可以把所有的电影、歌曲和图像保存在这个宝贝上，"对吗？

但你有没有想过你的数据是如何存储的？

好吧，答案可能会让你震惊，因为你系统上的硬盘驱动器使用磁力来存储数据。与CD相比，这种方法更有效率。事实上，如果你把同等容量的CD堆在你面前，它肯定会上升到眼睛的高度。

 

这就引出了一个问题。硬盘是如何工作的？

硬盘是如何工作的？

要充分了解硬盘，你必须知道它的物理工作原理。基本上，有一些圆盘片，一个在另一个上面，间隔几毫米。这些光盘被称为盘片。它们被打磨成高度镜面光泽和难以置信的光滑，可以容纳大量的数据。

接下来，我们有机械臂。它将数据写入和读入盘片。它在盘片上伸展，从中心到边缘移动，通过盘片上盘旋的小头向盘片读写数据。平均而言，国内驱动器的机械臂每秒可以摆动50次左右。在许多高规格的机器和用于复杂计算的机器上，这个数字可以上升到数千。

 

为了说明问题，对于运行在5,400 RPM的硬盘，机械臂每小时行驶62英里。而且，机械臂离盘片只有10纳米的距离，正是在这个距离上，机械臂必须在盘片上读取和写入数据。

为了完成这项任务，硬盘使用了磁力的概念，为了理解硬盘的工作原理，我们需要重新审视一些基本知识。

硬盘中的磁学原理解析

在进入硬盘之前，让我们了解一下硬盘用来存储数据的概念。

简单地说，硬盘利用铁磁性在几秒钟内保存你所有的文件。但什么是铁磁性？

你是否记得将一组回形针靠近磁铁过夜，却发现回形针现在的行为像磁铁一样？某些金属在靠近磁铁时获得磁性的这种行为被称为铁磁性。金属属性的这种变化被用来在你的硬盘上存储数据。

 

虽然你的硬盘上的盘片在表面下看起来像一面镜子，但它是由数万亿个晶粒组成的。这些晶粒的特性类似于我们之前讨论的回形针，当它们接近磁场时，可以存储磁性信息。为了存储信息，这些晶粒可以有两种不同的状态，而这些状态被称为磁矩。

除此之外，与回形针不同的是，这些晶粒的尺寸非常小，一平方英寸的盘面可以存储数百吉比特的数据。因此，一个带有非常小的磁头的电磁铁被用来向这些小颗粒写入数据。下面是如何使用电磁铁将数据写入这些晶粒的。

将数据写入硬盘

假设你的计算机想在你的硬盘上存储一个文件。这个数据只不过是一组1和0，它改变了电流在写头中的流动方向。由于电流的变化，电磁铁的极性发生了变化--在下面的盘片中产生了不同的磁场。正是这些在盘片上的磁场差异，在颗粒中产生了不同的磁矩。

因此，如果你的系统想存储1，与0相比，晶粒将有不同的磁矩。晶粒的这些磁性差异使得硬盘能够存储数据。

了解在盘片上存储数据的不同方法

人类产生的数据比以往任何时候都多；事实上，2021年全球创造、捕获、复制和消费的数据超过75兆字节。这个惊人的数字表明，硬盘需要存储比以往更多的数据。为了做到这一点，盘片上的晶粒需要做得更小，并且相互之间更紧密地挤在一起。

这样做会产生问题，因为较小的晶粒会因环境因素而失去它们拥有的磁性信息。因此，磁矩必须以不同的方向排列来解决这个问题。

以下是数据存储在盘片上的不同方式：

纵向磁记录：顾名思义，纵向磁记录（LMR）是纵向存储数据的。这意味着，磁偶极的方向与写头的运动相同--平行于盘面的平面。虽然高效，但使用LMR技术的硬盘上的偶极子的大小占用了大量的空间。由于这个原因，LMR提供的密度为每平方英寸100GB。

垂直磁记录：垂直磁记录也被称为传统磁记录，与LMR相比，垂直磁记录（PMR）提供了更多的存储。这一增长的原因是磁偶极方向的不同。你看，在LMR中，数据是纵向存储的，但在PMR技术中，偶极子是垂直排列的。因此，PMR驱动器上的偶极子与写头的运动垂直。这种方向上的变化增加了信息密度，因为与LMR技术中使用的偶极相比，每个偶极占用的空间更小。由于这个原因，PMR提供的密度为每平方英寸300-400GB。

 

叠层式磁记录：如前所述，硬盘上的数据被储存在晶粒中。这些存储数据的颗粒被放置在硬盘的圆形轨道上。写头正是在这些轨道上移动以存储信息。尽管在PMR和LMR技术中，这些轨道被放置得很近，但它们不会被重叠，因为这在读取数据时造成问题。也就是说，SMR将硬盘上的轨道重叠起来，以增加硬盘上可存储的数据量。由于这些重叠的轨道看起来就像屋顶上的瓦片，这项技术被命名为叠层磁记录。由于重叠，SMR将存储密度提高了25%。

热辅助磁记录：尽管从LMR到PMR的转变使得硬盘上可存储的数据量大幅增加，但对于像谷歌、Facebook、微软和亚马逊这样的公司来说，这仍然是不够的，它们至少存储了1200PB的信息。因此，为了进一步提高硬盘的信息密度，热辅助磁记录（HAMR）进入了人们的视野。这项技术利用激光对盘片进行加热，使晶粒可以相互靠近，而且它们储存的信息不会因环境因素而丢失。由于这一改进，使用HAMR的硬盘可以在一平方英寸内存储超过两兆字节的数据。

从硬盘中读取数据

现在我们了解了数据是如何被写入硬盘的，我们可以看看硬盘如何读取写入的数据。

你看，硬盘上的颗粒被排成了一组轨道。正是在这些轨道上，信息被储存起来。当你在电脑上存储一个文件时，写头就会在这个轨道的某个部分写入，硬盘就会记住这个文件的位置。

 

当你打开文件时，CPU要求硬盘也这样做。硬盘将机械臂移动到写入数据的同一轨道上。

这时，读头进入画面。就像写头使用电磁铁来写入数据一样，读头也使用巨磁电阻（GMR）头。然而，与诱导磁场的写头不同，GMR检测盘片上的磁场变化。由于读取头的这些特性，它可以从盘片上读取数据。

也正是这种数据的读写使你的硬盘出现噪音。

硬盘仍然值得购买吗？

固态硬盘已经风靡全球，提供更快的读/写速度。也就是说，这种速度是有代价的，找到廉价的高存储容量的固态硬盘并不是一件容易的事。

因此，如果你有一个庞大的游戏库，扩展到几兆字节以上，最好是买一个机械硬盘，用于存储所有的数据。