SiS001! Board - [第一会所关闭注册]

标题: [交流] 15年增长7876倍！论硬盘的容量与性能 [打印本页]

作者: s1005t 时间: 2007-4-30 16:57 标题: 15年增长7876倍！论硬盘的容量与性能

对储存装置的产业而言，现在的景况是令人兴奋却也是痛苦的时候，随着高清晰多媒体内容的逐步演进，大大的改善我们的视听效果，同时也带来数倍成长的储存容量需求，由数量庞大的数位音效、相片和视讯影片所产生出水涨船高的需求，让单颗3.5吋的硬盘容量一路成长到750GB，甚至时现在的1TB硬盘。可惜的是，效能始终无法拥有相同的成长速率。
早期整个业界充斥着大的起落，几年前Maxtor买下了Quantum，又马上和希捷(Seagate)合并，其它的桌上型硬盘机的主要玩家就剩下只日立(Hitachi)、三星(Samsung)和西部数据(WesternDigital)。

希捷用Barracuda7200.10产品夺下每颗3.5吋硬盘机拥有750GB最大容量的后冠，三星则推出经济实惠的单位储存容量，而西数的10，000转Raptor硬盘机已经多年荣获入门等级储存装置最佳效能宝座。目前日立则推出1TB硬盘，看起来，三星并不占什么优势，但它是唯一一家兼具磁盘和快闪记忆体储存装置的制造大厂，因此再今后混合硬盘上应该会有些优势。

今天对与容量的增长，其效能会是怎样的情况呢。目前3.5吋硬盘拥有最大读取传输速度，至少可达55MB/s，而存取时间只有15ms或更少。最快的硬盘最大读取速度超过70MB/s，而平均存取时间只有13ms。西数的Raptor硬盘传输超过85MB/s的资料，而存取时间更快为8ms，对于想要增加应用软件执行效能，或仅仅只是想要视窗作业系统能够在启动时加快一点的使用者是有帮助的，但是价格较高，而且容量也比不上慢速的硬盘机。
以上数据可能使用者会问这些数字代表什么意义？如果和电脑内部其它的零组件的效能相比，差异何在？今天的硬盘机和昔日的产品，相距多远？今天的硬盘机一定胜过昨日的吗？
在此我们重新审视实验室中的老旧硬盘机，从古董中找寻垂垂老矣的装置盒子，结果还真的发现许多不错的宝贝，首先我们在意的是这些当年纵横于MSDOS5.0和Windows3.1时代的产品，是不是还能老当益壮地运行不怠。
让我们回溯15年前，从早期的IDE硬盘开始，容量只有40MB，然后跳到90年代中期(容量为3.2GB)，接着到达两位数字的GB容量硬盘(10GB)，再升到比较现代化的60GB硬盘，最后我们来看看今日最大和最快的硬盘，包括容量为750GB由希捷出品的Barracuda7200.10硬盘，150GB和10，000转由西数制造的RD1500Raptor硬盘机，以及刚上市的日立1TB硬盘。

点击可以放大

IDE老前辈：Maxtor7040A，40MB(1991)

这款产品时40MB(不要看错，是megabyte)硬盘，内有三片磁盘，每分钟3，500转，使用简单的IDE接口，是1991年产品最能反应出那个时代的机型，最顶级的机型是Maxtor的7000系列硬盘机，有130MB容量，分别由八片磁盘所组成，缓存容量有32或64KB，因不同机种而定，现在你仍可以从网路上找到这些资料。
在那个时代属于高级机种的130MB容量，忠实反应出当时的极限，随后在很短的时间里，容量马上窜升到170MB和240MB，但是价值不斐，会花上数百块美元，今天你可以用远低于这些价格买到容量差异达数千倍之多的硬盘机。

这款硬盘老到连PCMark05测试软件都跑不动，不过还是找到c’tmagazine杂志的h2benchw3.6硬盘测试工具程序来执行，这颗Maxtor7040A硬盘平均的存取时间约27ms，和今天动则8~15ms存取时间的3.5吋硬盘来比，真是够慢的了，而接口频宽约只有800KB/s(0.8MB/s)，和今天的80~200MB/s相比，也是小巫见大巫。真正传输效能通过h2benchw的量测，约等同于600~700KB/s而已，是四倍数光盘机的传输速度，你今天所买得到的任何储存装置当然都比这颗1991年的老古董要快。

FAT32和UltraATA/33时代的来临：QuantumFireballST3.2A(1996)

Quantum的Fireball硬盘在上述40MB的Maxtor硬盘出现后的五年问世，容量上从1.6GB到6.4GB，你可以想象得到，一堆推陈出新的功能在这些世代中浮现，其中FireballST3.2A打出双倍缓存容量(128KB)和较高速的5，400RPM的规格，这颗硬盘也是第一颗用上了33MB/s的UltraATA接口，而且还首次应用磁阻读写头的技术(magneto-resistiveread/writehead)。

测试到界面频宽达到了31.3MB/s，已经非常接近理论值的上限，而硬盘内部的资料传输率设定也到达132Mbit/s(大约16MB/s)，实际资料传输率平均到达10MB/s，算起来，这颗硬盘比前述的Maxtor老古董的储存容量成长了80倍，若以6.4GBFireball也比当年顶级130MB的Maxtor7130A硬盘多了50倍容量，而有效资料传输效能成长约13倍。

也是大约在这个时期，使用者被强迫放弃老旧的16位FAT格式的档案系统，采行新的Windows95时代的FAT32格式，以及WindowsNT的NTFS格式，还有OS/2作业系统下的HPFS和Linux下的ext2档案格式，FAT16架构是基于16位的档案丛集(clusters)技术，也就是由控制器所分配的储存区域是用丛集数目代表，单一的FAT16丛集只有32KB大小，当你乘上65，536个可能的16位寻址数目时，结果得到总数的储存容量只不过2，097，152位或2GB容量而已。
当然你可以借着切割多重磁区(partitions)的方式回避这个限制，但是好一点的做法还是转成FAT32，可以让丛集数目由16位增加到28位，一举增加数百万个丛集数目，而每一个丛集可在4KB~32KB之间调配，端赖每一个磁区大小而定，FAT32理论上可以处理高达每磁区2TB(terabyte)的容量，但是大容量也膨胀了储存空间所需的参照表，以2，048GB容量的磁区而言，会需要多达256MB的空间来做为参照表，所以大的磁区最好还是用较为先进的档案系统，举凡WindowsXP的NTFS或Linux的ext3格式。

512KB缓存的来临：IBMDTTA-351010(1998)

在DeskStar16GP系列机种诞生时，IBM推出巨磁阻(GMR：GiantMagneto-Resistive)磁头的技术，一个单颗硬盘超越10GB容量的重要里程，事实上，这个更加灵敏的磁头为IBM产品线带进了单颗硬盘从9GB~16.8GB容量的机种。

这个系列的硬盘种类繁多，一路从3.2、4.3、6.4、8.4、10.1、12.9到16.8GB容量都有，内含最多三片储存磁盘的设计，这些硬盘机配置512KB缓存，以及UltraATA/33接口，其中的DTTA-351010机种达到最大资料传输率为12.4MB/s，是有能力完全使用31.4MB/s的接口速率。

安静又快速的时代：SeagateBarracudaATAIV(2003)
希捷的Barracuda硬盘涵盖从6.8GB~26GB容量的ATA硬盘，是第一颗转速到达7，200RPM的桌上型硬盘，其第一代产品刚问世时，在运转中又吵又烫，一直到第二和第三代出现时，才有大幅度的改善，而且一举将容量推向40GB的关卡，到了第四代之后，7，200RPM的桌上型硬盘变得快又容易操作。

Barracuda ATA第四代硬盘有较佳的资料密度，让希捷的硬盘最大容量进步到80GB，而且只使用了两片磁盘的设计，尤其是在底部采用金属薄层保护的特殊功能，让硬盘的电子线路有了更好的保护，希捷为其命名为Seashield技术，一改过去用塑胶保护层封装的Seashell技术，但是，好景不常，为了保持产品的价格竞争性，Seashield不久就遭到淘汰。

而型号为CudaATAIV的硬盘是最后一代只有ATA并行接口机种之一，2003年年底，因为SATA接口在BarracudaATA第五世代产品中崭露头角，容量也晋升到120GB，所有Barracuda硬盘从第五代开始，不是SATA就是UltraATA/100接口。

SeagateBarracuda7200.10的750GB和WDRaptorWD1500的150GB硬盘竞逐的时代(2006) ，这两款硬盘想必大家都比较熟习了，与其继续把规格说下去，不如快点进入我们的测试阶段。由于1TB硬盘是刚刚推出的新品因此没有纳入测试内容。

● 存储密度与效能分析

如果你拿1991年最大容量130MB硬盘来与每颗750GB硬盘相比，储存容量在过去15年中成长了5700倍，与1TB相比则有7876倍，如果拿每一磁盘容量相比，则成长差距会更加拉大。

在储存容量上明显进展的事实，刚好让硬盘效能成长的成绩，相形见拙。从1991年的Maxtor到Barracuda7200.10的750GB硬盘实际效能增加的比较，刚好从0.7MB/s成长到64MB/s，充其量也只有91倍的差距而已，如果改和10，000RPM、85MB/s的西数硬盘相比，一新一旧之间差了121倍。

虽然上面的成绩听起来颇为失望，但是我们应该连同平均档案大小的演化一并考虑，早期MicrosoftWord的执行程序充其量只不过用掉几个megabytes的硬盘空间，而主记忆体上占用的空间甚至更小。今天的应用程序启动时，就会吃掉数十个megabytes的硬盘空间，而更多的程序码是用plugins和延伸模组的方式被呼叫运作。举例来说，AdobePhotoshopCS2会耗掉60MB的主记忆体空间，而大多数的程序都是由硬盘中读进来。另外一个例子，想想开启一张相片档案，几年前我们用的是kilobyte大小，分辨率为640×480的JPEG档案，但今日动辄3872×2592分辨率和数个megabyte的影像档，早已司空见惯。

　　比较储存密度和效能增加的差异，你会发现有相当大的不一致，几乎有6000倍的高容量成长，而效能只有100倍的进帐，换句话说，容量成长的效益，比效能成长多出了60倍，还有没有其它的比较结果可以呼应这个事实呢？

● 写满储存磁盘花费的时间要多少

从硬盘的容量增加趋势来看，是颇令人惊讶的，才15年而已，储存密度增加最高有10000倍之多。

储存装置产业仍汲汲于找寻储存密度增加的方法，最新的技术称为垂直磁性纪录技术(PMR：PerpendicularMagneticRecording)，让分子的磁区可以由水平改成垂直排列，因而在同一区间可以储存更多的位。
如如果光看这些测试结果，会发现硬盘的效能的确成长不少，但是把储存容量也一起放上来看，就会发现它们之间的关系反而是负成长，从这个理论来看，今天的硬盘机并不像旧的跑得那样快。看看下面的比较：
1991年，40MB的硬盘机花了37秒才可以读完一片有26MB容量的磁盘(platter)。

1998年，3.2GB的硬盘机花了3分31秒才可以读完一片有1.6GB容量的磁盘。
1999年，10GB的硬盘机花了5分37秒才可以读完一片有3.2GB容量的磁盘。
2004年，60GB的硬盘机花了18分34秒才可以读完一片有40GB容量的磁盘。
2006年，750GB的硬盘机花了52分才可以读完一片有200GB容量的磁盘。当然，这个比较多少流于过分简化，较少考虑其它诸如磁盘总数、磁盘直径、转速和平均档案大小等造成的因素，而且拿不同硬盘机与不同的储存容量来比，结果也会互异，不过反应的讯息都维持一致，那就是写入或读出整个硬盘机资料所花费的时间，在过去十五年当中的确增加了许多。

●为什么硬盘效能会这么难以突破
其实，每一个使用者都可以简单的找到答案，因为只需要打开你的桌上型电脑或笔记型电脑，你会发现大部份等待的时间都花在启动视窗或其它作业系统上，急急忙忙将硬盘机上的资料挤进主记忆体之中，虽然在过去几年里，需要启动作业系统的时间有相当的节省，尤其是BIOS最佳化的工作居功厥伟，让有些作业系统的启动只需15~20秒，但是论起行云流水般的顺畅使用经验来说，瓶颈仍然存在。我们不希望等上30秒以上才能让你的电脑就位，也不愿意花20秒才能启动应用软体，甚至是要花几秒钟来关闭应用软件也不想要吧。
另外一个重点是资料备份，如果读取或写入硬盘机要如此旷日费时，那花在每日资料备份或复制的时间，也就可想而知，但还是有可能花上几分钟拷贝整颗850MB硬盘机到另一个储存系统，但是如果要保存今日的影音视讯和照片等资料，那铁定得多花些时间。
● 测试平台
硬件系统配置
处理器
2x英特尔XeonProcessor(Noconacore)
3.6 GHz， FSB800， 1 MB L2 cache
主板
华硕（Asus）NCL-DS(Socket604)
英特尔E7520晶片组Chipset，BIOS1005
硬盘
WesternDigitalCaviarWD1200JB
120 GB， 7，200 RPM， 8 MB Cache， UltraATA/100
内存
CorsairCM72DD512AR-400(DDR2-400ECC，reg.)
2x 512 MB， CL3-3-3-10 Timings
存储装置控制器
英特尔82801EBUltraATA/100Controller(ICH5)
Silicon Image Sil3124， PCI-X
显卡
On-BoardGraphics
ATI RageXL， 8 MBATIRageXL，8MB
软件系统配置
操作系统
MicrosoftWindowsServer2003EnterpriseEdition ServicePack1
显卡驱动
DefaultWindowsGraphicsDriver原定视窗作业系统驱动程式
主板驱动
Intel英特尔ChipsetInstallationUtility7.0.0.1025

● 测试结果

◎ 存取时间

◎ 介面频宽

◎ 读写资料传输

◎ PCMark05测试：WindowsXP启动效能

◎ PCMark05测试：文件写入效能

结论：
任何一颗现代的硬盘都有掌握处理每日资料的良好能力，你每日所需多半也都可以由大部份硬盘机的表现所满足，如果你真的本来就没有耐心，金钱预算也不算太紧，需求就是要非常高的效能的话，那你随时可直接选择有10000RPM转速的西数公司Raptor硬盘机，其它的人，买一个不错的7200RPM转速的硬盘机，容量多元、价格合理，那也相当够用了。
无可厚非的，硬盘的储存容量跃进神速，远优于其效能成长，这也是今日电脑最为人诟病的瓶颈所在。只要是开机、关机、启动软体、读写档案或随时移动大量资料进出，你都会因为硬盘机的运作而多有等待，较快速的硬盘或输出入接口会减少你花费等待的时间，但是储存装置导向的延滞时间，自然无法与多硬盘高效能磁盘阵列系统（RAID）所能有的高速表现相比拟。
此外，我们无意在此吹毛求疵的妄加指责，事实上，我们也强调硬盘机制造商，在硬盘机发明的五十年中（IBM的305RAMAC是1956年上市的），除了汲汲于增加储存容量的努力中，仍不断地从新的储存技术中榨出更多效能。现在1TB容量已经上市，相信新的技术也将要出现。其实现在混合式（hybrids）硬盘就是个提升电脑效能的新技术，这个技术可以允许作业系统或使用者设定较重要的资料可以有储存的优先顺序，让延迟可以降低。

欢迎光临 SiS001! Board - [第一会所关闭注册] (http://154.84.5.198/bbs1/)