這技術(shù)要是實(shí)現(xiàn)了硬盤速度能翻好幾倍

這篇文章寫于13年前（2003年），當(dāng)時(shí)我還在北航上大三，對于日新月異的電腦硬件十分癡迷，花了很多時(shí)間研究學(xué)習(xí)硬件知識(shí)，也有了一些思考。于是就寫下了這篇文章《猜想--突破磁盤瓶頸，實(shí)現(xiàn)RAID硬盤》，投稿給了中關(guān)村在線。

然而十三年過去了，機(jī)械硬盤已經(jīng)快要被固態(tài)硬盤取代了，我的猜想依然沒能實(shí)現(xiàn)，真的很是遺憾。這個(gè)技術(shù)能夠讓機(jī)械硬盤的性能提升2-10倍之多，持續(xù)傳輸速度輕松突破SATA接口上限，雖然隨機(jī)性能還是比不上固態(tài)硬盤，但至少存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)間會(huì)大幅縮短，試想隨便一個(gè)移動(dòng)硬盤速度就能達(dá)到550MB/s會(huì)有多快？

現(xiàn)在我把這篇老文章一字不改的轉(zhuǎn)過來，感興趣的朋友可以一讀，我們可以相互探討。

計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展速度可謂是一日千里、日新月異：左右CPU發(fā)展的摩爾定律不但沒有衰減甚至出現(xiàn)將被超越的跡象；在NVIDIA豪言壯語“每六個(gè)月發(fā)布一款新的GPU”的支配下我們甚至已經(jīng)跟不上顯卡的發(fā)展腳步了；內(nèi)存也毫不示弱，緊隨著CPU和GPU的腳步，完全可以滿足系統(tǒng)的需要；而作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心配件之一的硬盤的情形卻不容樂觀，硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率始終未能得到提高。而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展需要各個(gè)獨(dú)立硬件系統(tǒng)發(fā)展的協(xié)調(diào)和均衡，無論哪個(gè)環(huán)節(jié)慢下來，整個(gè)系統(tǒng)的性能都會(huì)受到影響。因此，作為現(xiàn)階段無可代替的計(jì)算機(jī)外部存儲(chǔ)系統(tǒng)的硬盤，已經(jīng)形成了IT界公認(rèn)的一個(gè)嚴(yán)重制約電腦整機(jī)性能的瓶頸！

一.問題的提出

近年來，硬盤無論在容量、存取速度還是可靠性方面都取得了長足的進(jìn)步，典型的諸如：ATA133、Serial ATA、SCSI等外部接口規(guī)范，以及單碟容量的不斷提升，轉(zhuǎn)速也達(dá)到7200轉(zhuǎn)（服務(wù)器版甚至達(dá)到15000轉(zhuǎn)）。但如果同其它配件相比，現(xiàn)在的硬盤實(shí)在是沒有什么值得夸耀的：緩慢的傳輸速度，居高不下的出錯(cuò)率和返修率，不盡人意的使用壽命……而且硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率取決于外部和內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率兩個(gè)因素。外部數(shù)據(jù)傳輸率和硬盤的接口有直接關(guān)系，外部數(shù)據(jù)傳輸率目前至少能夠達(dá)到150MBs以上。而且，從長遠(yuǎn)的角度來看，其繼續(xù)發(fā)展也完全沒有什么問題。但其內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率目前尚未突破ATA66的水平！因此，在內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率沒有得到相應(yīng)的提高的情況下，單純提高外部數(shù)據(jù)傳輸率實(shí)在是沒有太大意義的。

于是，人們開始想方設(shè)法的努力解決這個(gè)問題。與CPU、GPU、內(nèi)存、主板等芯片類硬件不同的是，硬盤的核心部件為機(jī)械裝置。硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率主要由硬盤的機(jī)械性能決定。要想提高硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率，就必須提高機(jī)械裝置的效率。目前提高硬盤內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率的途徑主要有以下幾個(gè)方法：

① .加快盤片主軸轉(zhuǎn)速；

② .提高磁頭的尋道速度；

③ .提高盤片的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度；

④ .提高盤片直徑。

從現(xiàn)在的電機(jī)技術(shù)發(fā)展水平來看，雖然主軸轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到15000轉(zhuǎn)，但似乎已經(jīng)離極限不遠(yuǎn)了。更高的轉(zhuǎn)速意味著穩(wěn)定性、散熱、機(jī)械損耗、能耗等方面問題的急劇加重。因此，主軸轉(zhuǎn)速的提高是有限度的，而且代價(jià)高昂。即使采用了目前最先進(jìn)的“液態(tài)軸承馬達(dá)”技術(shù)，機(jī)械損耗和震動(dòng)也在所難免，提速的潛力十分有限，這就是IDE硬盤自從進(jìn)入7200轉(zhuǎn)以來遲遲沒有向更高速度發(fā)展的原因。而尋道速度的提高意味著必須克服更嚴(yán)重的磁頭移動(dòng)慣性和達(dá)到更高的精度要求，以及更強(qiáng)的抗震技術(shù)的支持，顯然也受到相關(guān)機(jī)電技術(shù)現(xiàn)有發(fā)展水平的制約。提高盤片的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度，即提高盤片的單碟容量，可以在相同的主軸轉(zhuǎn)速下使磁頭在單位時(shí)間內(nèi)可讀寫更多的數(shù)據(jù)。近年來，硬盤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度提高很快，現(xiàn)在已經(jīng)誕生單碟80G的硬盤。不過，由于受到磁頭技術(shù)水平的限制，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的增加并不能同比地提高硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率，就拿剛剛上市不久的希捷“酷魚 V ”來說，他的單碟容量為60G，而其“前輩”“酷魚 IV ” 單碟容量為40G，但是兩者的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率且不相伯仲，磁盤性能的提升十分有限。而提高盤片的直徑已經(jīng)嚴(yán)重與加快盤片主軸轉(zhuǎn)速背道而馳，而且現(xiàn)在的硬盤盤片已經(jīng)呈現(xiàn)出小型化趨勢，3.5英寸已經(jīng)成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。

二.應(yīng)急之策——RAID 0

既然單憑硬盤廠商無法從內(nèi)部解決磁盤傳輸瓶頸問題，那么就只能從外部想辦法了。為此，人們采取了多種措施。1988年，美國加州大學(xué)伯克利分校的D.A.Patterson教授提出的廉價(jià)冗余磁盤陣列（Redundant Array of Inexpensive Disks，簡稱RAID）有效地解決了這個(gè)問題，簡單的說，RAID是一種把多塊獨(dú)立的硬盤（物理硬盤）按不同方式組合起來形成一個(gè)硬盤組（邏輯硬盤），從而提供比單個(gè)硬盤更高的存儲(chǔ)性能和提供數(shù)據(jù)冗余的技術(shù)。根據(jù)RAID所采用的方法不同，可以將其分為許多種。這里我們只介紹能夠大幅提高硬盤傳輸速率的一種——RAID 0：

RAID 0的工作原理為：當(dāng)主機(jī)要求寫入數(shù)據(jù)時(shí)，RAID控制器把即將進(jìn)入硬盤的數(shù)據(jù)分成許多塊，然后并行地將它們寫到磁盤陣列中的各個(gè)硬盤上；當(dāng)讀出數(shù)據(jù)時(shí)，RAID控制器從各個(gè)硬盤上同時(shí)讀取數(shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后恢復(fù)為原來順序傳給主機(jī)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是采用數(shù)據(jù)分塊、并行傳送方式，能夠極大的提高主機(jī)讀寫速度，并且磁盤陣列中存儲(chǔ)空間沒有冗余。如果采用N（N>1）塊硬盤組成RAID 0系統(tǒng)，那么它可以在不犧牲硬盤容量的前提下達(dá)到理論上N倍于原來單個(gè)硬盤的讀寫速度！這樣就可以極大的提升磁盤子系統(tǒng)的性能，以緩解燃眉之急。

由上可以看出RAID 0系統(tǒng)所帶來的性能的提升是我們急切渴望得到的。但是RAID 0也并不是沒有缺點(diǎn)的：

① .需要至少兩塊硬盤，這無疑加重了用戶的負(fù)擔(dān)；

② .需要附加控制器RAID卡的支持；

③ .RAID 0系統(tǒng)所帶來的高發(fā)熱、高噪音、高電能消耗都給用戶帶來了安裝、控制和維護(hù)的不便；

④ .其致命的缺點(diǎn)就是穩(wěn)定性差——一旦組成RAID 0系統(tǒng)的硬盤中有一塊出錯(cuò)損壞，那么將全盤皆毀，給系統(tǒng)帶來災(zāi)難性的損失。

對于不惜代價(jià)追求硬盤高容量和急速 的服務(wù)器來說① ② ③ 項(xiàng)顯得微不足道，可以忽略不計(jì)，但 ④ 的存在使得服務(wù)器也不能安安穩(wěn)穩(wěn)的享用RAID 0帶來的高磁盤性能。

那么，如果我們能夠消滅RAID 0系統(tǒng)所帶來的所有缺點(diǎn)而僅保留其優(yōu)點(diǎn)，那么磁盤系統(tǒng)的瓶頸將不復(fù)存在！那么這樣的硬盤系統(tǒng)必將具備以下的條件：

① .只需要一塊硬盤，安裝、控制、維護(hù)簡單；

② .極大的提高硬盤的傳輸速度（與原來的硬盤相比較）；

③ .不犧牲硬盤容量；

④ .不需要附加控制卡的支持；

⑤ .不降低其穩(wěn)定性。

聽起來很美，但能否實(shí)現(xiàn)呢？請看：

三.硬盤的結(jié)構(gòu)帶來的思考

先來看看硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

硬盤在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)盤片高速旋轉(zhuǎn)，磁臂帶動(dòng)磁頭沿盤片徑向移動(dòng)，凡是磁頭掃過的區(qū)域都可進(jìn)行讀寫操作。現(xiàn)在的硬盤大多是由多個(gè)盤片和多個(gè)磁頭組成的。目前主流的硬盤為單碟40GB，那么40GB的硬盤就有一個(gè)雙面盤片和兩個(gè)磁頭（正反兩面各一個(gè)），60GB的硬盤由兩個(gè)盤片，一個(gè)雙面一個(gè)單面，和三個(gè)磁頭……以此類推。

但是一般來說，磁盤在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，是連續(xù)分布的，即在當(dāng)前位置的磁道寫滿之后才轉(zhuǎn)入下一個(gè)磁道，除非出現(xiàn)磁盤碎片。因此，在讀寫具體的某個(gè)文件時(shí)，只有一個(gè)磁頭在進(jìn)行讀寫操作，其余的磁頭雖然也在跟著移動(dòng)，但不進(jìn)行任何操作。當(dāng)磁盤要執(zhí)行多個(gè)任務(wù)時(shí)，舉個(gè)例子：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)磁頭正在連續(xù)讀取數(shù)據(jù)1（假設(shè)其物理位置在硬盤第一個(gè)盤片的正面）時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出請求要求讀取另一個(gè)數(shù)據(jù)2，這時(shí)第一個(gè)磁頭就必須暫停當(dāng)前對數(shù)據(jù)1的讀寫操作，從而尋找數(shù)據(jù)2。注意硬盤的各個(gè)磁頭是由同一個(gè)磁臂所控制，因此他們每時(shí)每刻都在相同的位置。

由此我們可以聯(lián)想到，假如此時(shí)數(shù)據(jù)2在硬盤上的物理位置正好位于第一個(gè)盤片的反面與數(shù)據(jù)1相同的位置，此時(shí)硬盤的磁頭就沒必要進(jìn)行尋道工作，也沒有必要停止當(dāng)前對數(shù)據(jù)1的讀取工作，就可以執(zhí)行對數(shù)據(jù)2的讀取工作。也就是說，此時(shí)硬盤的兩個(gè)磁頭在同時(shí)進(jìn)行讀取工作！這樣的話，此時(shí)其內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率將達(dá)到其標(biāo)準(zhǔn)的兩倍！同理，在我們要同時(shí)拷貝兩個(gè)文件時(shí)，硬盤的控制電路可以讓這兩個(gè)文件寫入同一個(gè)盤片正反兩面的相同位置，這樣就可以同時(shí)讓兩個(gè)磁頭進(jìn)行寫入操作，極大地提高了磁頭的利用率。當(dāng)然這只是十分極端的情況，在實(shí)際應(yīng)用中這種情形根本不可能出現(xiàn)，況且我們對硬盤的內(nèi)部具體讀寫工作方式并不了解，硬盤能否在同一時(shí)刻讓兩個(gè)磁頭同時(shí)工作還是個(gè)未知數(shù)。不過我們可以肯定的是：如果能夠?qū)τ脖P控制電路重新設(shè)計(jì)，從而能夠做到硬盤的所有磁頭能夠同時(shí)進(jìn)行工作，那么上面的猜想也不是沒可能實(shí)現(xiàn)。

四. 由RAID 0引發(fā)的聯(lián)想

再我們來看一下RAID 0系統(tǒng)的工作原理圖，圖2是由兩塊硬盤組成的RAID 0系統(tǒng)：

由上圖可以清楚地看到：該系統(tǒng)由兩塊硬盤同時(shí)讀寫同一數(shù)據(jù)的不同數(shù)據(jù)塊來達(dá)到雙倍于原來硬盤的速度。也就是說，在任何時(shí)刻，這兩塊硬盤都在同步地工作，但它們讀寫的內(nèi)容卻完全不同。其中RAID 0控制器的作用就是將原來的數(shù)據(jù)均分為兩份給兩塊硬盤寫入或?qū)蓧K硬盤讀出的數(shù)據(jù)合并在一塊兒交給外部數(shù)據(jù)總線。

由上面硬盤結(jié)構(gòu)的猜想我們可以聯(lián)想到它似乎和RAID 0的工作方式有些共同點(diǎn)：RAID 0在工作時(shí)將一個(gè)數(shù)據(jù)分成若干塊給數(shù)個(gè)硬盤，這些硬盤同時(shí)進(jìn)行讀寫操作，如果組成RAID 0系統(tǒng)的硬盤完全相同的話，那么這些分塊了的數(shù)據(jù)的存放位置將完全相同（不同硬盤上的相同物理位置）。更進(jìn)一步，如果我們將這些分塊了的數(shù)據(jù)不是分給幾個(gè)硬盤，而是分給同一個(gè)硬盤的幾個(gè)磁頭進(jìn)行讀寫操作，由這幾個(gè)磁頭分別在各個(gè)盤片（或者同一盤片）的正反面的相同位置同時(shí)進(jìn)行讀寫操作，這樣的話，我們就在硬盤的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了RAID 0系統(tǒng)！在這里我姑且將其稱為“RAID硬盤”吧。

五.一勞永逸的解決方法

上面的猜想的確挺誘人的，如果能夠?qū)崿F(xiàn)“RAID硬盤”的話，即可在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上不進(jìn)行太大的改動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)倍于原來的傳輸速度（有幾個(gè)磁頭就是幾倍），但其究竟能否實(shí)現(xiàn)呢？讓我們來慢慢地進(jìn)行可行性分析：

⑴.先決條件——硬盤的特殊結(jié)構(gòu)：

前面已經(jīng)提到過，硬盤的幾個(gè)磁頭是由同一個(gè)磁臂連接在一起的，所以在任何時(shí)刻，他們都位于同一個(gè)位置，這就決定了這幾個(gè)磁頭可以在各個(gè)盤片（或者同一盤片）的正反面的相同位置同時(shí)進(jìn)行讀寫操作，而且精度極高。

⑵.成功的先例——RAID 0系統(tǒng)：

由于我們的猜想是與RAID 0系統(tǒng)息息相關(guān)的，因此RAID 0系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到我們的“RAID硬盤”的性能。目前，RAID系統(tǒng)在服務(wù)器上的廣泛應(yīng)用和良好的性能充分肯定了RAID 0的存在價(jià)值，雖然服務(wù)器是用得并不一定是RAID 0系統(tǒng)，但其一定是由RAID 0演化而來的。近年來，RAID 0系統(tǒng)開始進(jìn)入桌面IDE領(lǐng)域，這無不充分證明了RAID 0的高性能和高性價(jià)比。

根據(jù)權(quán)威的測試數(shù)據(jù)表明，由兩塊硬盤組成的RAID 0系統(tǒng)可以提高硬盤傳輸率30%以上。當(dāng)然，具體性能還受到RAID控制卡等外部因素的影響。雖然這里理論上的100%性能提升相差很遠(yuǎn)，但不可否認(rèn)，在很小的代價(jià)下，RAID 0帶來的性能提升是空前的。況且如果把RAID 0系統(tǒng)集成與硬盤內(nèi)部的話，那就可以更好更精確的控制硬盤，接近甚至達(dá)到100%的性能提升指日可待。

⑶.修改硬盤控制電路——硬件級(jí)的軟件工作：

既然硬件方面沒有什么問題，那么就該“RAID硬盤”的核心部分——RAID控制器。作為機(jī)械式硬盤的唯一芯片部分，控制電路的性能好壞也直接影響到磁盤的性能，由于我們對硬盤的內(nèi)部的工作方式進(jìn)行了很大的改動(dòng)，因此硬盤控制電路就必須作相應(yīng)的修改。能否實(shí)現(xiàn)“RAID硬盤”的關(guān)鍵就在于此。

首先，既然是“RAID硬盤”就必須要有RAID控制器，因此先在硬盤的控制電路中集成一塊RAID芯片，這對于硬盤廠商來說絕不是件難事。數(shù)據(jù)由硬盤接口傳入后經(jīng)過RAID芯片的處理分為幾份（有幾個(gè)磁頭就分為幾份）。

其次是磁頭控制電路，數(shù)據(jù)被RAID芯片“瓜分”之后，交給磁頭控制電路，由他來指揮磁頭進(jìn)行讀寫操作。這樣的話，我們不管硬盤原來的磁頭控制電路是什么樣的，“RAID硬盤”的磁頭控制電路的任務(wù)就是將這些已經(jīng)分好的數(shù)據(jù)分別傳輸給各個(gè)磁頭，然后，磁臂帶動(dòng)這些磁頭同時(shí)進(jìn)行讀寫操作。

由此以來，硬盤的控制電路將進(jìn)行很大的修改。但是，集成電路IC設(shè)計(jì)屬于硬件級(jí)的軟件工作，要完成這樣工作的芯片及其電路雖然要花費(fèi)一些周折，但比起無畏地提升硬盤電機(jī)的轉(zhuǎn)速顯然要現(xiàn)實(shí)的多，我們有理由相信重新設(shè)計(jì)的硬盤控制電路比較容易實(shí)現(xiàn)！

⑷.穩(wěn)定性、安全性分析：

前面說過，RAID 0系統(tǒng)致命的缺點(diǎn)就是穩(wěn)定性差，如果單個(gè)硬盤的穩(wěn)定系數(shù)為90%的話，那么有雙硬盤組成的RAID 0系統(tǒng)的穩(wěn)定系數(shù)將小于81%！這樣無疑將本來就很脆弱的硬盤穩(wěn)定性雪上加霜！那么“RAID硬盤”的情形又如何呢？

首先，“RAID硬盤”只是一塊硬盤，這樣比起由多塊硬盤組成的RAID 0系統(tǒng)來說，出錯(cuò)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)降低。但是跟原來的硬盤相比，穩(wěn)定性還是比原來的硬盤差，因?yàn)樗峭瑫r(shí)由所有的磁頭讀取。但是反過來想一下，正是由于它是所有的磁頭一起進(jìn)行讀寫操作，所以在數(shù)據(jù)出錯(cuò)的情況下不至于影響到硬盤的其它數(shù)據(jù)，因此安全性還是比較高的。這樣一來，“RAID硬盤”可以不犧牲安全性，而降低少許穩(wěn)定性，同又?jǐn)?shù)倍地提高了磁盤的整體性能，這樣還是比較值得的。

下圖所示就是單碟雙面雙磁頭的“RAID硬盤”工作原理圖：

分析了這么多，就是一句話：在現(xiàn)有硬盤制造業(yè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“RAID硬盤”并不難！一旦“RAID硬盤”誕生，那將是成倍地提升硬盤的性能！就拿現(xiàn)在主流的7200轉(zhuǎn)80GB硬盤來說，它有雙碟4面共有四個(gè)磁頭，內(nèi)部傳輸率為50MB/S左右。如果將其改造為“RAID硬盤”的話，它就相當(dāng)于有四塊硬盤組成的RAID 0系統(tǒng)，理論內(nèi)部傳輸率將達(dá)到200MB/S左右，這即使是Serial ATA 150也不能滿足它的要求！