存儲小課堂之機械硬碟

機械硬碟是目前常見的硬碟，在存儲行業中應用的時間也較長，今天就帶大家來了解下機械硬碟。

機械硬碟主要功能部件有磁頭、碟片、主軸、傳動軸等組成。

機械硬碟的主控制器晶元負責與晶元組之間的通信並且控制硬碟內部的運轉，碟片是用磁性材料做成的，固定在硬碟中部的馬達上旋轉，磁頭則沿著碟片的徑向移動。

碟片上劃分為一圈一圈的同心圓環，每個圓環即一個磁軌，從外圈磁軌開始固定取一定長度進行扇區的編號。

機械硬碟要讀出數據，必須要磁頭找到對應的磁軌和扇區，這全部依靠磁頭的驅動馬達來驅動，會浪費大量的時間用於尋道操作，尤其是對於零碎的小文件讀寫來說，由於需要不斷地要進行尋道，性能影響會更大。

可以看出，磁碟的轉速越高，讀取數據的效率越高，性能也就越高，硬碟轉速以每分鐘多少轉來表示，單位表示為RPM，當前主流的的機械硬碟轉速有7200RPM、10000RPM、15000RPM三種。

IOPS是衡量機械硬碟的性能指標，IOPS (Input/Output Per Second)即每秒的輸入輸出量(或讀寫次數)，IOPS是指單位時間內系統能處理的I/O請求數量，一般以每秒處理的I/O請求數量為單位，I/O請求通常為讀或寫數據操作請求。

磁碟完成一個I/O請求所花費的時間，它由尋道時間、旋轉延遲和數據傳輸時間三部分構成。

尋道時間：Tseek是指將讀寫磁頭移動至正確的磁軌上所需要的時間。尋道時間越短，I/O操作越快，目前磁碟的平均尋道時間一般在3－15ms。

旋轉延遲：Trotation是指碟片旋轉將請求數據所在扇區移至讀寫磁頭下方所需要的時間。旋轉延遲取決於磁碟轉速，通常使用磁碟旋轉一周所需時間的1/2表示。比如，7200 rpm的磁碟平均旋轉延遲大約為60*1000/7200/2 = 4.17ms，而轉速為15000 rpm的磁碟其平均旋轉延遲為2ms。

數據傳輸時間 ：Ttransfer是指完成傳輸所請求的數據所需要的時間，它取決於數據傳輸率，其值等於數據大小除以數據傳輸率。

根據測試計算，三種常見機械硬碟的IOPS值如下：

7200 rpm的磁碟 IOPS = 1000 / (9 + 4.17) = 76 IOPS

10000 rpm的磁碟IOPS = 1000 / (6+ 3) = 111 IOPS

15000 rpm的磁碟IOPS = 1000 / (4 + 2) = 166 IOPS。

隨著現代計算技術的發展，對後端存儲的性能要求越來越高，傳統的機械硬碟由於本身技術特點，成為制約後端存儲性能的一大瓶頸。

機械硬碟本身的技術瓶頸：

a.轉速無法逾越，目前最高只有15k RPM，性能瓶頸明顯；

b.限制於磁碟密度和產品尺寸，容量提升緩慢，尤其是高速硬碟;

c.碟片、馬達均為機械部件，故障率高，數據丟失風險大。

如何解決機械硬碟導致的存儲性能瓶頸，常見有2種解決辦法：

在硬碟性能瓶頸下，靠數量的堆積來提高存儲的讀寫性能；

用SSD 快閃記憶體盤替代機械硬碟，單塊SSD 快閃記憶體盤可達20000多的寫IOPS性能，隨著單塊SSD 快閃記憶體盤的容量增大、成本下降，該方案已經逐漸成為當前存儲應用的主流。

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