机械硬盘

**硬碟機**（英語：**h**ard **d**isk **d**rive，縮寫：**HDD**）簡稱**硬碟**（hard disk）或**硬驅**（hard drive），有時為了與後來出現的固態驅動器相區分而也稱「**機械硬碟**」或「**傳統硬碟**」，是電腦上使用堅硬的旋轉磁性碟片為基礎的非依電性記憶體，它在平整的磁性表面儲存和檢索數字資料，資料通過離磁性表面很近的磁頭由電磁流來改變極性的方式被寫入到磁碟上，資料可以通過碟片被讀取，原理是磁頭經過碟片的上方時碟片本身的磁場導致讀取線圈中電氣訊號改變。硬碟的讀寫是採用半隨機存取的方式，可以以任意順序讀取硬碟中的資料，但讀取不同位置的資料速度不相同。硬碟包括一至數片高速轉動的碟片以及放在致動器懸臂上的磁頭。

早期的硬碟儲存媒介是可替換的，不過現在硬碟的儲存媒介一般不能更換，碟片與磁頭是一起被密封在硬碟機內。硬碟有一個有著過濾措施的氣孔，用來平衡工作時產生的熱量導致的硬碟內外的氣壓差。

硬碟是由 IBM 在 1956 年開始使用，在 1960 年代初成為通用式電腦中主要的輔助存放裝置，隨著技術的進步，硬碟也成為伺服器及個人電腦的主要組件。

## 介面

### 資料介面

**硬碟**按資料介面不同，大致分為 ATA（又稱 IDE）和 SATA 以及 SCSI 和 SAS。介面速度不是實際硬碟資料傳輸的速度，目前普通硬碟的實際資料傳輸速度一般不超過 300MB/s。

#### ATA

全稱 **A**dvanced **T**echnology **A**ttachment，是用傳統的 40-pin 並列資料線連接主機板與硬碟的，介面速度最大為 133MB/s，因為並列線的抗干擾性太差，且排線占用空間較大，不利電腦內部散熱，已被 SATA 所取代。

#### SATA

全稱 **S**erial **ATA**，也就是使用序列埠的 ATA 介面，特點是抗干擾性強，對資料線的要求比 ATA 低很多，且支援熱插拔等功能。SATA-II 的介面速度為 300MiB/s，而新的 SATA-III 標準可達到 600MiB/s 的傳輸速度。SATA 的資料線也比 ATA 的細得多，有利於機箱內的空氣流通，整理線材也比較方便。

#### SCSI

全稱 **S**mall **C**omputer **S**ystem **I**nterface（小型電腦系統介面），經歷多代的發展，從早期的 SCSI-II，到目前的 Ultra320 SCSI 以及 Fiber-Channel（光纖通道），介面型式也多種多樣。SCSI 硬碟廣為工作站級個人電腦以及伺服器所使用，因此會使用較為先進的技術，如碟片轉速 15000rpm 的高轉速，且資料傳輸時 CPU 占用率較低，但是單價也比相同容量的 ATA 及 SATA 硬碟更加昂貴。

#### SAS

全稱 **S**erial **A**ttached **S**CSI，是新一代的 SCSI 技術，可相容 SATA 硬碟，同樣支援熱插拔，採用序列式技術以獲得更高的傳輸速度，可達到 12Gb/s，碟片轉速也較快。而較小的連接線，可改善系統內部空間空氣流通。通常應用於伺服器等企業級產品。

此外，由於 SAS 硬碟可以與 SATA 硬碟共享同樣的背板，因此在同一個 SAS 儲存系統中，可以用 SATA 硬碟來取代部分昂貴的 SAS 硬碟，節省整體的儲存成本。但 SATA 儲存系統並不能連接 SAS 硬碟。

#### FC

全稱 **F**ibre **C**hannel（光纖通道介面），擁有此介面的硬碟在使用光纖聯接時具有熱插拔性、高速頻寬（4Gb/s 或 10Gb/s）、遠端連接等特點；內部傳輸速率也比普通硬碟更高。但其價格高昂，因此 FC 介面通常只用於高端伺服器領域。

### 電源介面

3.5 寸桌上型電腦硬碟：ATA 介面的硬碟一般使用 D 形 4 針電源介面（俗稱「大 4pin」），由 Molex 公司設計並持有專利；SATA 硬碟則使用 SATA 電源線。

2.5 寸的筆記型電腦硬碟，可直接由資料介面供電，不需要額外的電源介面。在插上外接的可攜式硬碟盒之後，由電腦外部的 USB 介面提供電力來源，而單個 USB 介面供電約為 4~5V 500mA，若行動硬碟盒用電需求較高，有時需要接上兩個 USB 介面才能使用，否則，需要外接電源供電。但如今多數新型硬碟盒（使用 2.5 寸或以下硬碟）已可方便地使用單個 USB 口供電。

## 結構

### 物理結構

硬碟的物理結構一般由磁頭與碟片、馬達、主控晶片與排線等零件組成；當主馬達帶動碟片旋轉時，副馬達帶動一組（**磁頭**）到相對應的碟片上並確定讀取正面還是反面的碟面，磁頭懸浮在碟面上畫出一個與碟片同心的圓形軌道（**磁軌**或稱**柱面**），這時由磁頭的磁感線圈感應碟面上的磁性與使用硬碟廠商指定的讀取時間或資料間隔定位**磁區**，從而得到該磁區的資料內容；

* 磁軌

當磁盤旋轉時，磁頭若保持在一個位置上，則每個磁頭都會在磁盤表面劃出一個圓形軌跡，這些圓形軌跡就叫做磁軌（Track）。資料儲存手段從 LMR 進展到 PMR 這中又有 CMR、SMR 等技術。

* 柱面

在有多個碟片構成的盤組中，由不同碟片的面，但處於同一半徑圓的多個磁軌組成的一個圓柱面（Cylinder）。

* 磁區

磁盤上的每個磁軌被等分為若干個弧段，這些弧段便是硬碟的磁區（Sector）。硬碟的第一個磁區，叫做開機磁區。

#### 避免故障

硬碟碟片轉速極快，與碟片的距離極小；因此硬碟內部是無塵狀態，硬碟有過濾器過濾進入硬碟的空氣。為了避免磁頭碰撞碟片，廠商設計出各種保護方法；目前硬碟對於地震有很好的防護力（1990 年代的一些硬碟，若在使用中碰到略大的地震，就很可能損壞），防摔能力也大幅進步，電源關閉及遇到較大震動時磁頭會立刻移到安全區（近期的硬碟也開始防範突然斷電的情況）；而許多筆記型電腦廠商也開發出各種筆記型電腦結構來加強硬碟的防摔性。但硬碟在通電時耐摔度會降低（旋轉逆動性）、也只能溫和的移動，許多人也已經養成在關閉硬碟後 30 秒至一分鐘內、不會移動硬碟（及筆記型電腦）的習慣。

2010 年後氦氣封裝技術量產，以往的硬碟填充介質為空氣，不過容易受到空氣影響，因此碟片之間距離不能進一步縮小，而氦氣的密度比起空氣小上許多，而且性質穩定，使用它來當介質，使盤體和磁頭的阻力和震動相對變小，因此碟片之間的距離能進一步縮小，所以同樣的空間下能夠裝下更多的碟片，採用氦氣封裝的好處除了容量變大外，溫度和耗電能夠再降低，因此耐用度和穩定效能夠再提升。但如果內部氣體發生泄漏，會導致磁碟更容易地損壞和難以常規性的修復（非原廠的資料恢復無法提供氦氣的重新封裝及組件修復）。

### 邏輯結構

作業系統對硬碟進行讀寫時需要用到檔案系統把硬碟的磁區組合成叢集，並建立檔案和樹狀目錄制度，使作業系統對其存取和尋找變得容易，這是因為作業系統直接對數目眾多的磁區進行定址會十分麻煩。

### MBR 和 GPT

主開機紀錄（Master Boot Record，縮寫：MBR），又叫做主引導磁區，是電腦啟動後存取硬碟時所必須要讀取的首個磁區，主引導磁區記錄著硬碟本身的相關訊息以及硬碟各個分割的大小及位置訊息，是資料訊息的重要入口。如果它受到破壞，硬碟上的基本資料結構訊息將會遺失，需要用繁瑣的方式試探性的重建資料結構訊息後才可能重新存取原先的資料，對於那些磁區為 512 位元組的磁碟，MBR 分割表不支援容量大於 2.2TB（2.2×1012 位元組）的磁區。

全域唯一標識分割區表（GUID Partition Table，縮寫：GPT）是一個實體硬碟的分割區表的結構布局的標準。它是可延伸韌體介面（EFI）標準（被 Intel 用於替代個人電腦的 BIOS）的一部分。GPT 分配 64bits 給邏輯塊位址，因而使得最大分割區大小為 264-1 個磁區。對於每個磁區大小為 512 位元組的磁碟，相當於 9.4ZB（9.4 x 1021 位元組）或 8 ZiB-512 位元組（9,444,732,965,739,290,426,880 位元組或 18,446,744,073,709,551,615（264-1）個磁區 x 512（29）位元組每磁區）。

## 尺寸

硬碟機的尺寸和用途可分為：

* 0.85 英寸，多用於手機等可攜式裝置中，目前已停產。
* 1 英寸（微型硬碟，MicroDrive），多用於數位相機（CF type II 介面），目前已停產。
* 1.8 英寸，多用於筆記型電腦及外置硬碟盒中，目前已停產。
* 2.5 英寸，多用於筆記型電腦及外置硬碟盒中。採用 2.5 寸硬碟的外置硬碟盒一般不需外接電源。
* 3.5 英寸，多用於桌上型電腦中。但採用 3.5" 硬碟的外置硬碟盒一般都需外接電源，因為耗電量超過 USB 的供電上限，且 3.5 寸硬碟需要 12v 電壓。
* 5.25 英寸，多為早期桌上型電腦使用，已停產。
* 10.5 英寸。
* 14 英寸，如 NEC DKU800。

## 主要規格

除了介面和尺寸以外，硬碟還有以下規格：

除此之外還有電壓、電流等規格。固態硬碟還有主控、顆粒類型（SLC、MLC、TLC、QLC）等規格。

機械硬碟里一般 3.5 寸硬碟需要 5V 和 12V 電壓，2.5 寸硬碟只需 5V 電壓，但因為有機械結構，因此功耗通常比固態硬碟要高；固態硬碟的電壓一般則為 5V 或 3.3V，同時固態硬碟功耗通常較低（功耗 2.5W 左右，電流 500mA 左右），相比機械硬碟更節能。

## 發展史

## 現存主要硬碟製造商

* 威騰電子（Western Digital）
  * 日立環球儲存科技：2011 年被威騰電子收購，並改名為昱科環球儲存（HGST）。
    * IBM：2003 年硬碟部門被日立收購。
* 希捷（Seagate）
  * 康諾（Conner）：1996 年被希捷收購。
  * 邁拓（Maxtor）：2006 年被希捷收購。
    * 昆騰（Quantum）：2000 年硬碟部門被邁拓收購。
  * 三星電子（Samsung）：2013 年硬碟業務被希捷收購。
* 東芝（Toshiba）
  * 富士通（Fujitsu）：2009 年 2 月 18 日硬碟部門被東芝收購。

## 參考文獻

## 外部連結

* 硬碟的讀寫原理和磁碟碎片的產生 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 硬碟壞軌的原理 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

### 硬碟製造商

* Western Digital 威騰電子，提供桌上型電腦及筆記型電腦 IDE 介面硬碟 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 希捷，提供桌上型電腦及筆記型電腦 IDE 介面硬碟 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Toshiba，提供筆記型電腦 IDE 介面硬碟 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

## 參見

* 軟碟
* 光碟
* 磁碟快取（Buffer）
* 硬碟分割區
* 網路硬碟
* 固態硬碟
* 硬碟外接座
* 移動硬碟
* PATA
* SATA
* 磁頭劃碰
* 磁碟陣列（RAID）
* 數位視訊錄影機
* 無塵室
* 微型硬碟
* S.M.A.R.T.