成本VS性能——企业级硬盘与个人硬盘的对比
- 作者：Zer4tul
- 原载：电脑报 2004年第11期
- 版权：本文版权归Zer4tul及电脑报所有
我们通常以硬盘的接口（如PATA和SCSI）来划分硬盘的类型，长久以来大家普遍有了这样一种意识，SCSI意味着高端产品、企业级用户采用；而PATA则意味着低端，个人用户采用。其实这种认识有些片面，SCSI硬盘也有低端产品用于个人电脑中（其实就是定位于高端PC和工作站的低端SCSI产品）。如果对硬盘本身有更多的了解，就会发现，接口的不同只是表象，是一种销售手段而已。硬盘产品如果分类，可以根据不同的销售对象进行，分为企业级存储设备（Enterprise Storage，以下简称ES，以SCSI产品为代表）和个人存储设备（Personal Storage，简称PS，以PATA产品为代表），它们的本质区别在于内部，从设计理念到用料，都有本质上的不同。而接口的不同只是这些差别的外部表现而已。了解这些区别，可以使我们更好地理解这些产品的定位，从而更加客观地评判这些产品的价值。在这里，我们并不是讨论谁优谁劣的问题，毕竟定位不同的产品是完全无法比较的。对于用户来说，适用于自己的就是最好的。希望通过这些分析能对大家购买硬盘提供一个参考。
历史原因
首先，有必要介绍一下ES和PS的历史。
早期的PC机，甚至小型机，由于成本限制，是没有硬盘的。硬盘只存在于位于中心机房的大型机甚至巨型机中，这些巨大的计算机是整个公司或者机构的计算机系统的中枢，因此它们规模巨大，价格十分昂贵。考虑到这些原因，它们通常被用于同时为多位用户（甚至是整个公司的计算机用户）服务。因此，诞生在这种背景下的ES硬盘的特性也就随之产生：价格不是最敏感因素，对稳定性要求苛刻，要求24小时×365天运行；对寻道时间要求高；可以进行组合配置（最常见的就是通常所说的“磁盘阵列”，其中包括RAID）等。其中，稳定性和寻道时间是最重要的因素，几乎是ES硬盘的生命线，在计算机系统高度集中的年代，一旦作为主机的大型机硬盘出现故障，将会导致大量工作无法进行，效率自然下降。而在现在这个高度依赖计算机的时代，一旦企业的硬盘出现故障，数据丢失所造成的损失肯定是硬盘本身价格的N倍……至于寻道时间，一块硬盘的寻道时间越短，它能服务的用户也就越多，其使用成本也就越低。
而作为针对个人用户的PS硬盘，由于面向一个对价格敏感的市场，设计中考虑的主要问题是如何降低成本，其次才是稳定、性能等因素。最明显的例子是，当初某品牌的PS硬盘的“8小时工作制”引发了用户对其使用寿命的质疑。但事实上，几乎所有PS硬盘都是按照每天工作8小时设计的，这与SCSI硬盘的24小时×365天形成了鲜明对比。可以说，PS硬盘是以价格因素为主导的折衷产品。下面来讨论ES硬盘与PS硬盘具体区别。
机械构造
硬盘的基本构件包括：顶盖，磁头/磁盘组合件（HAD），磁头小车（控制磁头运动的设备），主轴，柔性电路板等。
- 磁头/磁盘组合件：
这一部分不仅仅包括磁头和盘片，而是容纳磁盘和磁头以及磁头小车的容器及其内部设备的集合体。它包括底座、磁头、主轴、盘片、气流处理系统和顶盖。在这一部分的设计和用料上，可以体现ES硬盘和PS硬盘的区别。
一个物体运动速度越高，紊流的负面影响就越明显。而ES硬盘15000RPM的转速相比PS硬盘7200RPM来说，对空气的流动要求高得多，因此对盘体内部的气流处理系统要求十分高。同时，对盘体本身的密闭性能要求更高。大家都知道，震动是硬盘的大敌，其实，不仅仅是震动，热量也是硬盘的大敌。而转速高的硬盘通过发热，震动等方式将更多的能量释放到机箱，产生更大的干扰，使外界工作环境更加恶劣。特别是多个硬盘组合使用时，问题更加复杂。但往往转速越高的硬盘越要求受到更小的外界影响，为解决这一矛盾，必须使ES硬盘的机械结构刚度更高，质量更大，有时甚至要求要有特殊的支持电路以抵消可能降低磁盘性能的负面影响。
为增加硬盘的可靠性，硬盘设计者在HAD上也下足了功夫。对可靠性有严格要求的ES硬盘的要求尤其严格，要求避免透孔，同时对环境控制和封装等都有特殊要求。在这里，最重要的一点就是硬盘内部环境控制。ES硬盘一般都配备了微粒过滤器、干燥剂、活性炭吸收剂。另外，根据资料显示，ES硬盘的主轴马达使用了O形密封圈，并且其顶盖垫圈（其实就是一层胶质物）具有更高的密封性。这些都将增加成本，但提高了可靠性。通过对这些材料的控制，可以减少很多故障的发生几率。
作为硬盘关键的部件之一，磁头小车担负了定位磁头的重任。在硬盘读写过程中，磁头小车是在不断移动中的。冷却磁头小车就成为了一个不可避免的问题，这一问题在为24小时×365天工作而设计的ES硬盘中就显得更为重要。因此，设计者使用特殊优化的冷却系统将气流引导至磁头小车对它进行冷却。为了得到更少的寻道时间，必须使用更大的磁体，这也要求磁头小车的线圈阻抗更低（因为功耗不能太离谱），在有限的空间中获取更低的阻抗，最可行的办法就是使用更粗的导线，同时减少匝数。
此外就是有关锁存器（Latch）的问题，锁存器是用于在断电情况下控制磁头小车的设备（否则断电的时候，一有震动，磁头小车就到处乱跑该有多恐怖……）.由于是在断电情况下，因此锁定磁头小车的可行方法就是使用磁场。但是这样也带来一个问题，在读写操作时，磁头小车如果在锁存器附近，将会受到磁场的影响，这将导致寻道时间的增加。在追求寻道能力的ES硬盘中，使用了昂贵的设备来解决这个问题。而在 PS硬盘中，由于寻道性能并非最重要因素，这个问题就被“忽略”了。当然，还有其他一些问题，比如线圈和轴承盒与磁臂的连接方式，以及磁头小车的抗震动设计问题，ES硬盘的设计都尽量不影响性能，或者通过某种解决方案以获取更高的可靠性，而PS硬盘由于成本限制，在这方面做的工作要薄弱很多。
- 主轴/马达：
在这一点上，大家的认识可能会比较多。因为大多数人在提到ES硬盘（以SCSI硬盘为例）的时候，都会说：“SCSI硬盘的转速比PATA硬盘高。”为了获取更高的转速（主要目的也是为了减少数据访问时间），ES硬盘的主轴和马达与PS硬盘相比，简直不在一个档次。首先，提高转速是对硬盘主轴的刚性和马达的功率的一个巨大挑战。曾经有超过15年的时间，硬盘的转速都在3000RPM-4000RPM间徘徊，其原因就是主轴和马达的技术所限。在提高转速这一点上，高转速的ES硬盘设计所花的功夫和成本远超过PS硬盘，这也是SCSI硬盘能达到15000RPM的重要原因之一。并且设计的时候必须考虑硬盘和磁臂之间的空气流动所带来的影响，以及马达转动所带来的无法避免的震动。这些问题的解决成本随转速的上升而迅速上升。当然，除了单纯提高转速之外，更严峻的挑战在于，进行读写操作的时候，磁头必须位于指定磁道的正上方。转速比较低的PS硬盘采用了传统的悬臂马达设计，将马达轴心附着在底端；而ES硬盘则将马达轴心同时附着到底端和顶盖。这样一来，马达旋转所造成的偏转和声强都明显下降（毕竟两端固定更为牢固）。但是成本却明显上升。
电子元件
由于最初设计的不同所导致的工作环境不同，必然要求ES硬盘与PS硬盘采用不同的电子元件以适应其定位。
- 伺服处理器：
它也是硬盘的重要部件之一。如果没有集成在硬盘PCB板上的伺眼处理器控制硬盘操作，CPU将会忙于处理各种硬盘读写请求而无法处理正常的任务。伺服处理器的主要任务便是处理磁盘读写操作，控制磁头小车寻道。这一点看起来并不难。但是由于硬盘的马达转动所产生的震动、空气流动造成的干扰以及其他一些原因，盘体上的磁道并非规则的、理想的环形（这是由于偏转造成的）。
所谓“偏转”是指磁道半径或周长发生变化。偏转是无法避免的，因为马达的运动必然产生震动，而硬盘中空气的存在必然对盘体转动产生消极影响（抽真空是不可行的，因为那样的话，磁头小车等设备将无法有效散热）。偏转分为两类，一类是磁道所固有的，每次都有相同的偏转；另外一类是由于震动等因素影响所产生的，每次的偏转并不相同。前者易于处理，而后者则需要伺服处理器进行更多的处理以确保磁头始终跟得上磁道的变化。这样的后果就是导致硬盘指令集的庞大，对伺服处理器的处理能力要求必然提高。很明显，成本就自然上升了……此外，由于ES硬盘要应付大量而繁琐的小文件读取工作，同时，也由于高转速所带来的更严重的偏转，它的伺服处理器负担相当繁重。所以ES硬盘通常都是配备两颗处理器，一颗专门用于控制伺服系统，另外一颗专门负责接口控制，也就是与计算机其他部件的信息交换。而在PS硬盘中，这两项任务通常是由同一颗处理器完成的——这样做显然可以明显降低成本。
- 缓存：
刚才提到，ES硬盘由于种种原因，其指令集与PS硬盘相比要庞大不少，而且复杂得多。因此，这也要求ES硬盘拥有更多的缓存以满足代码存储和运行的需要。
- PCB板：
这个看似并不起眼的东西，却也是ES硬盘与PS硬盘的不同之处。由于ES硬盘硬件电路的复杂程度（对比一下SCSI硬盘和IDE硬盘的PCB板上集成的元件数量就可以知道其差别所在），其电气性能的要求也就更高，因此，要求使用更昂贵的PCB板来承载这些元件（这一点倒是与主板，内存和显卡有些类似）。
- 磁头技术：
相信一些比熟悉电脑的用户都听说过IBM的巨阻磁头技术，这项技术极大提高了硬盘的存储密度。磁头技术的重要程度由此可见一斑。但是，硬盘在提高转速而提升硬盘性能的同时，高转速产生的负面影响——磁头的读写准确度却变得更加困难了。也就是说，高转速的ES硬盘的磁头进行读取操作时的磁场环境更为恶劣。为了实现可靠读写，ES硬盘不得不采用更为昂贵的器件来解决这一问题。
- 接口：
这也是ES硬盘与PS硬盘最为明显的区别之一。并且，接口在一定程度上，影响着硬盘的性能。当PS硬盘还在为SATA带来的150MB/s外部传输速度而欢欣鼓舞的时候，SCSI接口的速度已经达到了320MB/s。但是，接口的发展是以硬盘内部结构的发展为前提的。因此，在主流PS硬盘上使用SCSI接口并不能带来多大的性能增益，甚至会有所降低。
性能差异
一．容量
当主流IDE硬盘已经上百GB的时候，主流SCSI硬盘才72GB。为什么？PS硬盘在新容量产品推出方面与ES硬盘也有很大不同。我们看到的ES硬盘容量通常是成倍增长的，从9GB到18GB，36GB，73GB，一直到146GB。而PS硬盘只要容量比前一代高，就可以推出新品，因此从20GB开始，后面就是30GB，40GB，60GB……其实容量和盘片尺寸以及盘片数量密切相关。我们可以这样来看。
- 盘片尺寸：
由于ES硬盘和PS硬盘都在尽量追求单位存储密度的最大化，因此，二者使用的介质实际上是差不多的（不考虑极端情况的前提下）。而ES硬盘由于转速极高，导致其耗电量居高不下，如果使用与PS硬盘相同的3.5英寸盘片（目前多为2.8/2.5英寸），那么，其功耗将更夸张。同时，带动小盘片进行高速运转比带动大盘片进行高速运转更容易实现和控制。此外，小盘片带来的性能也会好一些——因为磁道少一些，所以平均寻道时间会有所下降。尽管小盘片有这些优势，但小盘片的劣势就是——容量偏少，和PS硬盘相比更加明显。
- 盘片数量：
2000年至2001年的时候，硬盘的盘片数量是很高的（不少产品是4碟设计），这样的好处是，在盘片单位存储密度没有明显增加的情况下可以获得更高的容量。但是，其弱点也很明显，那就是，对马达的要求高（高转速的情况下尤为明显），其次，磁头数量增加（盘片的每一面都必须有对应的磁头才能进行读写操作）。而这两点对设计ES硬盘来说却要慎重考虑，因为这涉及到硬盘的稳定性和速度。最近，由于单位存储密度的不断上升，获取大容量并不那么困难，因此各个厂商的产品都“不约而同”的减少了盘片数量。这样做的好处，最明显的一点就是寻道时间减少。由于磁头减少，磁头小车的总质量就减轻，这样可以在不增加功耗的情况下，加快磁头小车的移动速度——虽然只有零点几毫秒，但对于以毫秒为单位的寻道时间来说，这个数字并不算小。相信追求性能的用户在选购硬盘的时候都喜欢用多个硬盘组成阵列，其好处除了两块在不同通道（特指IDE接口）的硬盘可以同时进行读写操作带来性能提升以外，这零点几毫秒也能够造成足够大的影响。当然，还有一个好处是，可以均衡负载，但这并不在本文讨论之列。
二．传输速率
ES硬盘的传输速度比PS硬盘要高，纵观硬盘的发展，ES硬盘总是比同时代的PS硬盘传输速率要高。数据传输速度与盘片半径r，存储密度与转速成正比。在这一点上，我们可以看到，盘片较小的ES硬盘将会受到小盘片对传输速度的负面影响。而PS硬盘由于盘片较大，因此占有一定的优势。但是ES硬盘转速高的特性弥补了它的这一劣势。同时，由于ES硬盘对成本不敏感，对新技术的使用十分迅速，因此，当有高密度盘片出现的时候，通常是首先应用于ES硬盘。这样一来，ES硬盘就明显占优了。但是从以上分析可见，ES硬盘的最大优势并非在传输速度上。
三．随机性能
随机性能是指硬盘在读写大量小文件的时候所体现出来的性能。在随机性能上，ES硬盘与PS硬盘的差距十分明显。这也是ES硬盘比PS硬盘“快”的真实原因。因为多数情况下，硬盘都是在读写小文件（特别是作为文件服务器的时候）。
- 寻道时间：
在这一点上，ES硬盘具有十分明显的优势：现在的PS硬盘，其寻道时间为4毫秒至5毫秒，而ES硬盘则普遍降到了2毫秒左右。作为影响随机性能的重要因素，ES硬盘在这一点上拥有绝对优势（当然，这是以牺牲成本为代价的）。
- 寻道调度：
这项技术曾经一度是ES硬盘的“专利”。而PS硬盘由于成本限制，并不主动对寻道进行调度，并且采用了较短的请求队列。而ES硬盘，由于采用了高级调度技术，随着队列长度的增加，其性能优势也越发明显，并且读取性能一直保持在PS硬盘的2倍以上，而写入性能也有明显增强。与此相对，PS硬盘的读取性能增幅只有55％，而写入性能根本没有提高。当然，随着某些高级调度技术实现成本的降低，PS硬盘也开始引用这些技术，比如最近十分热门的NCQ（本地指令序列）。当然，要实现这些技术，必然增加电子线路的复杂程度，成本就……
四．旋转震动
所谓旋转震动，是指硬盘、光驱等设备的马达旋转所产生的震动。在PS硬盘系统中，由于用户通常只使用一个或两个硬盘，因此旋转震动所产生的影响并不太大。但对于组合使用的ES硬盘来说，大量的硬盘在一起协同工作所产生的旋转震动对于磁头定位是一个严峻的考验。因为旋转震动能够对盘片的转动产生消极影响，使其发生偏转，如果这种偏转超出了硬盘自身的处理能力，那么，将导致磁头无法保持在指定磁道的上方，造成读写操作中断，要等到盘片再旋转一周之后才能进行重试。这将导致性能的下降，同时也增加了硬盘的忙闲度（关于忙闲度，将在后面有讨论），极端情况下甚至将使硬盘无法工作。同时，随着存储密度的增加，磁道的密度增加也使这一问题更加严峻。因此在ES硬盘上，出现了诸如旋转震动传感器之类的设备来解决这一问题。而PS硬盘中，由于旋转震动并不足以造成严重的问题，因此通常没有这类解决方案。当然，选择硬盘架刚性更高的机箱也可以在一定程度上降低旋转震动所造成的影响。（所以选择好的机箱很重要啊！）此外，加装硬盘风扇也会导致旋转震动的增加，这也是为什么有人说加装硬盘风扇会影响硬盘寿命。
五．可靠性
我们曾说某硬盘厂商被指责PS系列有“设计缺陷”的事。其实，这不能完全责怪厂商，是由于ES硬盘与PS硬盘不同的定位造成的。衡量硬盘可靠性有以下几个方面。
- 预期通电小时数（POH）：
由于不同的定位，ES硬盘与PS硬盘的POH是不同的。这在前面也已经说过，ES硬盘的POH是24小时×365天，而PS硬盘则是8小时×300天。在硬盘没有相关补偿措施的情况下，其POH相差越高，年故障率（AFR）也就越高。
如果将硬盘的通电时间由4192小时提高到8760小时，其AFR几乎提高了三倍。当然，前提是硬盘本身没有进行补偿的话。因此，ES硬盘的定位要求是采取相应的补偿措施。而PS硬盘，由于定位和成本等原因，在这方面做得要薄弱得多。
- 忙闲度：
所谓忙闲度是指硬盘寻道和牵引机械元件的总时间。AFR与硬盘的忙闲度成正比。在这里，有必要重提寻道调度，适当的寻道调度将会有效降低硬盘的忙闲度。有研究表明，处理相同请求的情况下，ES硬盘的忙闲度为40％，而PS硬盘的忙闲度则为75％。
- 温度：
高温是所有电子器件的大敌，特别是对于硬盘这样的精密设备。硬盘的AFR与硬盘所处工作环境及其内部环境的温度成正比。因此，保持硬盘工作环境的凉爽是十分重要的——但是加装硬盘风扇绝对不是一个好办法，至少在温度不是主要问题的情况下是这样（其实，当温度成为主要问题时，风冷又无法满足降温的要求了）。
总结
ES硬盘和PS硬盘的定位不同决定了它们之间存在着巨大的差别。对于成本并不是最敏感因素的ES硬盘来说，所有能够增加性能和可靠性的新技术都将会迅速采用；而对于PS硬盘来说，价格因素限制了它对新技术的采用，只有当一项技术足够成熟，成本足够低的情况下，才会考虑采用，因此，相较ES硬盘，它更具有价格优势。但是，不管使用何种硬盘，至少有几点是十分重要，并且是共通的：
- 尽量选用优质的机箱，这样可以有效降低旋转震动所产生的影响，特别是在双硬盘甚至多硬盘的系统中。
- 最好不要使用硬盘风扇，它所产生的旋转震动对硬盘的影响将远高于其他设备，甚至会直接影响硬盘的寿命。
- 千万不要以为机箱内部的走线是不重要的，好的走线可以增加空气流动速度并有效减少紊流，使硬盘拥有更好的工作环境。
- 如果有多块硬盘，一定要尽量增大每块硬盘之间的距离，这样可以有效加快空气流动，使硬盘的工作环境更好。即使只有一块硬盘，也不要随便放置，最好是位于机箱的前进气口处（如果有的话）。
此外，对于SCSI硬盘速度快的说法，通过上面对于性能的分析，我们也有了一个更明确的认识——在传输速度方面，SCSI硬盘并没有十分明显的优势，随机读取才是其强项。当然，由于SCSI的特性，以及ES硬盘本身的设计，使得这类硬盘的系统资源占有率较低，在读写大量数据的时候不会对系统运行速度造成太大影响。
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