互联网时代下机械硬盘的发展史

Posted 2022-01-04 JavaEdge.

无论是作为个人电脑的数据盘，还是在数据中心里面用作海量数据的存储，机械硬盘仍然在被大量使用。随着成本下降，机械硬盘还替代掉了很多传统的存储设备，如以前常用来备份冷数据的磁带。

拆解机械硬盘

机械硬盘的IOPS大概只能做到每秒100次左右。机械硬盘拆开，自然知道为什么它的IOPS是100左右了。

硬盘的构造，里面有接口，有对应的控制电路版，以及实际的I/O设备（也就是我们的机械硬盘）。

一块机械硬盘是由盘面、磁头和悬臂三个部件组成的。

盘面（Disk Platter）

实际存储数据的盘片。
本身通常是用的铝、玻璃或者陶瓷这样的材质做成的光滑盘片。有层磁性涂层。数据就存储在这个磁性的涂层上。
中间有个受电机控制的转轴。控制盘面去旋转。

硬盘的转速5400转的、7200转,指的就是盘面中间电机控制的转轴的旋转速度，英文单位叫RPM，也就是每分钟的旋转圈数（Rotations Per Minute）。所谓7200转，其实更准确地说是7200RPM，指的就是一旦电脑开机供电之后，我们的硬盘就可以一直做到每分钟转上7200圈。如果折算到每一秒钟，就是120圈。

磁头（Drive Head）

数据并不能直接从盘面传输到总线上，而是通过磁头，从盘面上读取到，然后再通过电路信号传输给控制电路、接口，再到总线。

一个盘面有两个磁头，分别在盘面的正反面。盘面在正反两面都有对应的磁性涂层来存储数据，而且一块硬盘也不是只有一个盘面，而是上下堆叠了很多个盘面，各个盘面之间是平行的。每个盘面的正反两面都有对应的磁头。

悬臂（Actutor Arm）

悬臂链接在磁头上，并且在一定范围内会去把磁头定位到盘面的某个特定的磁道（Track）。

磁道

一个盘面通常圆形，由很多同心圆，每个“甜甜圈”就是个磁道。每个磁道都有自己的编号。
悬臂只是控制到底读最里面那个“甜甜圈”，还是最外面的“甜甜圈”数据。

扇区（Sector）

一个磁道，会分成一个个扇区。

柱面（Cylinder）

上下平行的一个个盘面的相同扇区叫一个柱面。

读取数据

两个步骤：

• 把盘面旋转到某个位置
  在这个位置，悬臂可定位到整个盘面的某个子区间。该子区间像块披萨饼，叫几何扇区（Geometrical Sector），即“几何位置上”，所有这些扇区都可以被悬臂访问到。
• 把悬臂移动到特定磁道的特定扇区，即在这个“几何扇区”里，找到实际扇区。找到后，磁头会落下，即可读取到正对着扇区的数据。
  

一次硬盘的随机访问所需时间

平均延时（Average Latency）

盘面旋转，把几何扇区对准悬臂位置的时间。
和机械硬盘转速相关。随机情况下，平均找到一个几何扇区，需旋转半圈盘面。
7200r硬盘，1s可旋转240个半圈，平均延时：

1s / 240 = 4.17ms

平均寻道时间（Average Seek Time）

盘面选转之后，我们的悬臂定位到扇区的的时间。我们现在用的HDD硬盘的平均寻道时间一般在4-10ms。

若随机在硬盘找个数据，需 8~14 ms。硬盘只有一个电机转轴，也只有一个悬臂，所以无法并行定位或读数据。那一块7200r硬盘，1s随机的I/O访问次数就是：

1s / 8 ms = 125 IOPS
或
1s / 14ms = 70 IOPS

若不是随机的数据访问，而是顺序的数据读写，应如何最大化读取效率？

顺序存放的数据，尽可能存放在同一柱面。这就只需旋转一次盘面，进行一次寻道，就可写或读，同一个垂直空间上的多个盘面的数据。
若一个柱面上的数据不够，也不要去动悬臂，而是通过电机转动盘面，即可顺序读完一个磁道上的所有数据。所以，对HDD的顺序数据读写，吞吐率还不错，约200MB/s。

Partial Stroking：根据场景提升性能

100 IOPS，难以满足现在互联网海量高并发请求。所以，DB都会将数据存在SSD。
但20年前，没有现在这么便宜的SSD硬盘。DB数据只能存放在HDD。

即便如今数据中心用的HDD，也是7200r，要更快随机访问速度，会选择SSD。但当时，SSD非常贵，还没能商业化。硬盘厂商们在不断研发转得更快的硬盘。数据中心往往用10000转，乃至15000转的硬盘。
直到2010年，SSD开始逐步进入市场，西数还在尝试研发20000转硬盘。转速更高、寻道时间更短的机械硬盘，才能满足实际DB需求。

但10000r，乃至15000r硬盘也更贵，想节约成本，提高性价比，就得想它法。Google早年用家用PC乃至二手硬件，通过软件层面设计解决了可靠性和性能。那有办法提高机械硬盘的IOPS吗？这就是Partial Stroking或者Short Stroking，“缩短行程”技术。
既然访问一次数据的时间：“平均延时+寻道时间”，只要能缩短其一，就能提升IOPS！

一般 $硬盘的寻道时间＞平均延时$，如何缩短平均寻道时间？
最极端的：不需要寻道，即将所有数据都放在一个磁道。比如始终把磁头放在最外道磁道。寻道时间就基本为0，访问时间就只剩平均延时。
IOPS就变成：

1s / 4ms = 250 IOPS

但只用一个磁道，能存的数据就很有限了！可能我们还不如把这些数据直接都放到内存呢！
所以，实践可只用$1/2$或$1/4$磁道，即最外面1/4或1/2的磁道。
如此，硬盘可使用的容量可能变成1/2或1/4。但寻道时间也变成1/4或1/2，因为悬臂需移动的“行程”也变成原来1/2或者1/4，IOPS大幅提升！

比如7200r硬盘，正常平均延时4.17ms，寻道时间9ms。原本IOPS：

1s / (4.17ms + 9ms) = 75.9 IOPS

若只用其中1/4磁道，则IOPS变成：

1s / (4.17ms + 9ms/4) = 155.8 IOPS

IOPS提升一倍，和块15000r硬盘性能差不多。但这时硬盘可用空间也只有原1/4。所以，这样通过软件去格式化硬盘，只保留部分磁道让系统可用的情况，可大大提升硬件性价比。

总结

机械硬盘的硬件主要由：盘面、磁头和悬臂组成。
数据在盘面上的位置，可通过磁道、扇区和柱面来定位。
实际的一次对于硬盘的访问，需要把盘面旋转到某一个“几何扇区”，对准悬臂的位置。然后，悬臂通过寻道，把磁头放到我们实际要读取的扇区上。

受制于机械硬盘的结构，对随机数据的访问速度，就要包含旋转盘面的平均延时和移动悬臂的寻道时间。通过这俩时间，能计得机械硬盘IOPS。

7200转机械硬盘的IOPS，只能做到100。早期没有SSD，所以想出Partial Stroking这个浪费存储空间，但能缩短寻道时间以提高硬盘IOPS的方案。