硬碟故障

硬碟故障是指硬碟發生故障，導致電腦無法訪問其所存儲的資訊。

硬碟在正常運行過程中就有可能會偶然發生故障，也有可能是火災、浸水、強磁、撞擊或污染（可能會引起磁頭劃碰）之類的外因。

此外，數據損壞、MBR損壞，又或是惡意軟體，雖然不是硬碟本身的故障，但也表現為電腦無法正常訪問硬碟。

## 原因

硬碟故障的原因有很多種，例如說：人為原因、硬體損壞、固件損壞、介質損壞、高溫、浸水、電源問題，甚至是單純的巧合。硬碟的製造商通常會列明平均故障間隔時間（MTBF）或年化故障率（AFR），這些是總體的統計數據，並不能夠預測某一個體的故障。這些數據的計算方式是抽取硬碟樣本，在短時間內不斷運行樣本，分析其物理組件的磨損，藉此對其使用壽命進行合理推算。硬碟故障往往遵循浴缸曲線，也就是說如果生產的過程中存在問題，那在短時間內就應該開始出現故障。如果硬碟在開始使用後的幾個月內是可靠的，那麼它接下去一直保持可靠的可能性要大得多。即使經過長年累月的頻繁使用，硬碟也不太會表現出明顯的磨損跡象。但即使如此，硬碟隨時都可能突然發生故障。

硬碟故障最主要的直接原因是磁頭劃碰。硬碟內部的讀寫磁頭通常懸浮在碟片表面上方，一旦磁頭接觸到碟片，或是劃傷數據存儲的磁性表面，就會導致嚴重的數據丟失。在這種情況下，由於硬碟內部已經受損，數據恢復必須由專業人士通過適當的設備進行，否則還可能造成進一步的損壞。硬碟的碟片上塗有一層極薄的非靜電潤滑劑，所以在發生碰撞時，磁頭可能只是單純從碟片表面掠過。然而，磁頭平時就在距離碟片表面僅僅幾納米的地方，劃碰仍然是一個眾所周知的風險。

另一個可能的故障原因是空氣過濾器故障。現代硬碟上配備有空氣過濾器，可以平衡盤內外之間的氣壓和濕度。當過濾器不能濾清空氣時，灰塵就有可能落在碟片上，一旦磁頭掃過，就造成了磁頭劃碰。在碰撞發生後，損壞的碟片和磁頭飛濺出的的顆粒還可能進一步導致壞道。這些再加上碟片本身的損壞，會使硬碟很快報廢。

硬碟里除了碟片還有控制器等電子設備，這些設備偶爾也會發生故障。不過在這種情況下，只需更換控制器板，即可恢復所有數據。

## 故障現象

硬碟故障可能是災難性的，也可能是漸進性的。災難性的故障表現為主板BIOS無法檢測到硬碟，或者硬碟無法通過POST自檢，此時作業系統完全無法感知到硬碟的存在。漸進性的故障相對難以診斷，因為其症狀，例如偶爾的數據損壞，或者電腦變得卡頓（這是壞道需要反覆嘗試讀取所致），不能明確指向硬碟故障，而可能是由許多其他原因引起的，例如惡意軟體。壞道數量不斷增加是硬碟可能出現故障的跡象。不過，硬碟自動將壞道添加到自己的重映射表中，這些跡象對ScanDisk這類檢查程序來說不是很明顯，而只有對能在硬碟自身之前發現的檢查程序來說才有可能暴露這些問題。一旦硬碟內部的缺陷管理系統保留的備份扇區用盡，故障將會徹底發生。磁頭尋道的重複模式，例如反覆出現快速或較慢的尋道結束噪音（咔噠聲）可能表明硬碟存在問題。

硬碟故障的現象不僅限於硬碟，還適用於其他類型的磁介質。艾美加在1990年代末發布的Zip驅動器中所使用的100MB「Zip磁碟」，就受到「死亡咔嗒聲」的影響，這麼稱呼是因為這種磁碟在發生故障時驅動器會不停發出咔噠聲。3.5英寸軟碟也可能會發生類似的故障，如果驅動器或磁介質受污染，使用者在嘗試訪問驅動器時會遇到「死亡嗡嗡聲」。

### 磁頭停靠技術

<image>

<image>

<image>

正常運行時，硬碟的磁頭在碟片上空飛行，為了避免斷電或者其他故障發生時磁頭直接撞上數據區，現代硬碟通常會進行「著陸」或者「卸載」操作。接觸式啟停的硬碟將磁頭停靠在碟片上一塊不用於存儲數據的區域，稱為「著陸」。斜坡加載技術的硬碟將磁頭移動到盤外的磁頭架上，並通過機械結構鎖定，使磁頭遠離碟片，稱為「卸載」。一些早期的硬碟沒有在突然斷電時安全著陸的能力，導致磁頭錯誤降落在數據區上。還有一些早期硬碟需要由使用者手動執行著陸。

#### 接觸式啟停

接觸式啟停的硬碟在碟片接近中心的地方有一塊無數據區域，稱為「著陸區」。現代設計會將主電機暫時充當發電機為磁頭致動器供能，利用碟片的慣性在斷電時將磁頭推到著陸區。而較早的設計則依賴彈簧。

磁頭臂上的彈簧將磁頭滑塊推向碟片，當碟片開始旋轉後，磁頭由氣墊懸浮支撐，不會與碟片接觸或磨損。接觸式啟停硬碟的磁頭滑塊設計上可以多次接觸碟片表面，但長期的微觀磨損最終還是會造成損壞。大部分廠商設計的磁頭滑塊在損壞率超過50%之前至少可以容忍50000次啟停。不過由於使用時間較長的硬碟磁頭滑塊要在碟片上拖行一段時間才能建立氣墊，老硬碟每次啟動都有比新硬碟更高的損壞機率，所以磨損率並不是線性的。廠商一般會在測試後發布相關的可靠性數據，例如，希捷酷魚7200.10系列機械硬碟的可靠性評級具有50000次的啟停次數，也就是說在測試中至少50000次啟停後並沒有發現與磁頭表面接觸相關的故障。

IBM在1995年左右率先推出了一項使用雷射毛化工藝（LZT）對著陸區進行處理的技術，在硬碟的著陸區上加工出納米級的粗糙表面以增強摩擦力並提高耐久。這項技術沿用至今，現在大多只用於低容量的希捷桌面級硬碟。在小尺寸（2.5寸）、大容量、NAS專用以及企業級硬碟中已經被斜坡加載技術逐步淘汰。總的來說，使用接觸式啟停技術的硬碟會受到更大的環境影響，例如高濕環境可能導致磁頭粘滯在碟片上，由此產生過高的摩擦，對碟片、滑塊和電機造成物理損壞。

#### 斜坡加載技術

加載卸載技術將磁頭從碟片上舉起並移動到安全區域，既能減少磨損，同時又避開了接觸式啟停的粘滯風險。世界上第一塊硬碟RAMAC以及大多數同時代的早期硬碟都是使用了類似技術，但在當時還是一種非常複雜的機制。現代硬碟使用的則是Memorex在1967年發明的「斜坡加載技術」，在碟片外有一塊塑料磁碟架，當硬碟不用時，磁頭會沿坡道移動到固定位置保存，這個過程稱為「卸載」。剛開始僅有用於筆記本的小尺寸硬碟為了抗衝擊而選擇使用，後來為大多數桌面級硬碟所廣泛使用。

為了進一步提升抗衝擊性能，IBM為ThinkPad筆記型電腦產品線還推出了配備有「主動保護系統」的硬碟。當電腦內置的加速度傳感器檢測到突然的劇烈運動時，硬碟會自動卸載磁頭，以減輕數據丟失和硬碟劃傷的風險。蘋果後來也為PowerBook、iBook、MacBook Pro和MacBook產品線推出了類似的技術，稱為突發運動傳感器。索尼、惠普的「HP 3D DriveGuard」以及東芝等等，各大廠商後來都在他們的筆記型電腦產品線應用類似的技術。

### 故障症狀

硬碟有多種故障的症狀，有可能是突發的、逐漸惡化的或者自限的。可能會導致全部或部分數據丟失，或者沒有影響。

早期的硬碟在出廠時、以及在使用中很容易出現壞道，只要不是短時間內突然出現大量壞道，在當時是正常現象。可以使用「重映射」功能來屏蔽這些扇區，從而保證硬碟的正常運行。有的早期硬碟甚至還在出廠時附有一張表格，指示使用者手動進行重映射。後來硬碟都可以無需使用者的介入自動重映射壞道。重映射後，硬碟仍可以繼續使用，但磁頭在遇到壞道時必須移動到重映射後的扇區才能完成存取，導致性能受到影響。S.M.A.R.T.功能可以提供關於重映射的日誌和統計數據。現代的硬碟出廠時已屏蔽壞道，重映射計數正常情況下是0，任何增加的重映射扇區都可能是硬碟即將故障的徵兆。

還有一些其他類型的故障，可能是逐漸惡化的，也可能是自限的。但無論如何，一旦這些症狀出現，就應該立刻考慮更換硬碟，數據損失的風險往往要遠遠大於更換硬碟節省的錢。反覆出現的讀寫錯誤、嚴重的噪音以及發熱等等都是可能會出現的症狀。

- 磁頭劃碰：外部有撞擊等原因導致磁頭接觸碟片，導致接觸區域的不可逆轉的機械損傷及數據丟失。在最壞的情況下，從接觸區域飛濺出的碎片污染磁頭和整個盤面，使硬碟完全損壞。即使損傷一開始是局部的，在硬碟繼續運行中，損壞區域會繼續擴大，直至硬碟完全報廢。
- 壞道：硬碟中有一些扇區的故障可能不會使整個硬碟無法訪問。壞道的出現是即將故障的徵兆，只要有一個壞道出現，接下去硬碟很快就完全故障的機率要大得多。
- 粘滯：磁頭粘在碟片上無法啟動，這種現象稱為粘滯。這種問題除了磨損以外還可能有很多種原因，比如碟片的不當潤滑、錯誤設計或者生產缺陷。有些早期硬碟設計上具有這種問題，直到1990年代初才解決。
- 電路故障：硬碟內的驅動板等電路損壞，導致硬碟無法訪問，一般是靜電等使用者錯誤導致。
- 軸承和電機損壞：電機故障、燒毀，或者軸承過度磨損，導致硬碟無法正常運行。現代硬碟一般使用液體動壓軸承（FDB），所以這種問題不是很常見了。
- 機械故障：硬碟內的一些機械組件斷裂或損壞，尤其是可移動的組件，碎片還可能導致擴大損壞。

## 其他條目

- 級聯失效
- 單點故障

## 外部連結

- Backblaze: Hard Drive Annual Failure Rates, 2019 , Q2-2020
- Failure Trends in a Large Disk Drive Population – Google, Inc. February 2007
- A Clean-Slate Look at Disk Scrubbing
- Noises made by defective and failing hard disk drives
- Hard disk drive anatomy: Logical and physical failures