硬盘新变革开始 详解西部数据4KB扇区技术

  本月早些时候,我们已经报道过西部数据将引入“先进格式化”(Advanced Format)技术,把硬盘行业期待已久的4KB扇区技术引入实用。日前,我们又得到了关于该技术的更多详细信息。由于这样一项技术既牵扯到硬盘固件、分区格式,也影响到操作系统,西部数据希望在低调推出产品前,首先进行一番普及教育,让用户更多的了解该技术,避免今后的使用问题。这或许也就是我们目前还没有在市场上见到新款绿盘的原因吧。

  硬盘行业实际上早在十多年前就开始计划4KB扇区技术。在硬盘容量以MB计的年代,每扇区512byte显得非常合适。但随着技术的进步,硬盘容量的增大,依旧保持512byte的扇区尺寸已经越来越不合时宜。具体来看,随着存储密度(Areal Density)的增大,磁头读取磁盘时的信噪比(SNR)会出现明显的下降,也就是说读取时会更容易出现错误。因此必须加入ECC校验码来保证数据可靠性,但ECC数据实际上消耗了磁盘上可用的存储空间,有时甚至可能把存储密度上升带来的多余空间完全抵消掉了。

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  更关键的问题在于,ECC校验实际上在更大数据量的扇区尺寸下效率更高。比如,512byte的一个扇区需要40byte的ECC校验区,而4KB扇区只需要100byte,直接节省了40×8-100=220byte的存储空间。另外,更大的扇区还能让纠错时一次性更改更大量的数据,让“突发纠错”(burst error correction)效率更高。

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  为什么选用4KB而不是2KB、8KB来替代512byte扇区?这是因为4KB在计算机系统中的特殊地位。在x86架构中,通常情况下内存的分页(Page)容量即为4KB,而在磁盘文件系统中,包括NTFS、EXT3和HFS+格式的簇(cluster)容量也同样是4KB。这样一来,用4KB的磁盘扇区中读取的数据可以正好装满一个内存页,也映射着磁盘分区中的一个簇,自然是最佳选择。

  对于消费者来说,4KB扇区技术的最大裨益就是更大的格式化容量。西部数据称,“先进格式化”可以让磁盘格式化效率(格式化后容量)提升7%到11%,同时ECC校验效率提升50%,整体容错能力提升两个数量级。因此,新技术还会让磁盘的可靠性明显提升。

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  不过,为了保证512byte扇区到4KB扇区的平稳过渡,目前西数使用了一种模拟技术,将一个4KB的逻辑扇区在固件中模拟为8个512byte的逻辑扇区,保证操作系统兼容性。但这样依然存在问题,即扇区和簇的“校准”。

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  如果文件系统的4KB簇正好对应了一个4KB扇区,则一切正常。但如果簇对应的8个512byte逻辑扇区横跨在两个4KB物理扇区中,此时读写一个簇就需要操作两个扇区,带来明显的转换延迟。根据硬盘行业组织IEDMA(国际磁盘驱动器设备与材料协会)的测试,这种情况尤其会严重影响磁盘的随机写入性能。

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  问题具体来看,虽然推动4KB扇区的工作从1998年就已经开始,但直到近些年来才有了实质进展。导致在此之前推出的Windows 5.x系统中(Windows 2000/XP/2003等),第一个分区是从LBA 63(第63个512byte扇区)开始的。很明显,63不能整除8,因此只要是在4KB扇区硬盘上使用Windows XP系统就会出现上述的校准问题。而Windows 6.x(Windows 7/Vista/Server 2008)则已经提供了对4KB扇区的支持,只是在使用磁盘镜像工具(如Ghost、Acronis Disk Director Suite等)进行分区恢复、拷贝等操作时容易出现问题。另外,根据西部数据的测试,Linux和Mac OS X系统不会出现这种分区校准问题,甚至SuperDuper这类磁盘镜像工具也可直接使用。

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  Windows XP分区表

  为解决这一问题,西部数据提供了两种方案。首先,只要在硬盘上短接7号和8号跳线,硬盘控制器芯片即可提供一个逻辑分区的偏移量,使LBA63变成LBA64,解决校准问题。不过这种方案仅能针对全盘只有一个分区的情况。

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  解决方案

  第二种方案,则是一款名为WD Align的工具软件。该工具可以移动分区和数据,“对齐”文件系统簇与4KB扇区。推荐使用Windows 5.x操作系统,或是需要磁盘镜像软件的用户使用该工具。由于WD Align需要移动全盘数据,因此最好在分区或操作系统安装完毕后即使用该工具进行迁移。

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  WD Align命令行界面

  西部数据表示,首批使用“先进格式化”技术的硬盘为Caviar Green绿盘系列的单碟500GB型号,型号标识为EARS。除了查看型号外,由于目前还没有软件能够分辨磁盘的原生扇区尺寸,WD Align也是唯一的识别工具。

  最后需要指出的是,4KB扇区技术并非西部数据的专利。该计划由IDEMA(国际磁盘驱动器设备与材料协会)推动,预计在2011年之前,各大硬盘厂商都会推出自己的4KB扇区硬盘,只是可能在操作系统兼容性上的解决方案略有不同。至于何时才能够直接使用原生4KB扇区,结束模拟512byte扇区的“过渡期”,目前的预计是在彻底淘汰Windows 5.x系统的2014年(WinXP技术支持终止)左右。

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