机械硬盘避坑大法一文搞懂PMR和SMR有什么区别

　　存储市场上一直存在固态硬盘（SSD）和机械硬盘（HDD）的竞争。论综合性能，SSD远高于HDD，是大家选购存储设备时的理想选择。早期消费级SSD存储容量一般不高，并且价格昂贵，让很多消费者望而却步。不过这两年，消费级SSD的存储容量不断提高，目前市场上也有4TB的产品可选；同时SSD的价格也在不断下跌，眼下采用原厂TLC颗粒的500GB固态硬盘售价也降到了300多元。SSD的这些进步令HDD的处境越来越尴尬。
　　不过，尽管SSD取代HDD的声音越来越大，但在存储容量以及价格上的客观优势，HDD还是有的，并且它越来越偏向于被网友当做长期备份和存储数据资料的数据仓库来使用。在今天数据信息爆炸的年代，相信很多人都有大量可能不经常使用但又舍不得删除的资料需要长期保存，这些资料需要单独的硬盘来存储，机械硬盘，目前来讲是存放这些资料的最合适的选择。 在这种场景下，硬盘容量的重要性很高，而在给HDD扩容的道路上，厂商们做过很多尝试，其中有PMR和SMR的区别。或许很多小伙伴对此并不了解，今天IT之家就为大家介绍一下机械硬盘PMR和SMR两种技术的区别。
　　1、机械硬盘运行的原理
　　目前很少有厂家会在机械硬盘的产品包装中注明该产品采用的是PMR还是SMR技术，对于HDD来说，这是一项比较深的技术参数，但是如果消费者购买不当的话，在一些使用场景下还是会比较坑的。而如果想更清楚地了解PMR以及SMR的区别，还是要从机械硬盘基本的结构原理说起。
　　如图，是一个机械硬盘的内部结构示意图，它的主要部件包括主轴、磁盘、磁头，其他部件包括空气过滤片、音圈马达、永磁铁等。
　　其中，主轴下方包含马达电机以及轴承；
　　磁盘又被称作盘片，多采用铝合金材料，被固定在主轴电机的转轴上，工作的时候磁盘会随着主轴进行高速旋转，并且通常硬盘内的盘片数量都不止一片，当然，也不会很多。磁盘是用来存储数据的，具体如何存储数据，是我们后文要说的重点。
　　磁头和磁头臂是是一个整体，磁头主要负责读写数据，在硬盘驱动器的控制下，磁头工作时会在盘面上快速移动，准确定位到指令要求定位的磁盘磁道上。
　　这三者是硬盘能够读取、存储数据的关键，而其中关键中的关键，就是磁盘。 磁盘的外观和我们见过的光盘类似，是数据的载体，因此我们有必要了解其内部数据的组织和管理结构。
　　我们以单一的磁盘来看，它被划分为由一圈一圈同心圆组成的磁道，当然，这些磁道窄而密集，通常一个盘面就有上千条磁道。这些磁道肉眼显然是看不到的，但我们可以脑补它确实可以在盘面上看到：
　　我们用简单的图例来表示，在下面这张图中，两个同心圆中空白的部分就是磁道，你可以理解为学校操场上的跑道。磁盘最外围的磁道我们称为0磁道，硬盘数据的存放就是从最外围的0磁道开始的；由此向内数，下一个磁道就是1磁道，然后是2磁道……
　　同时，这些由同心圆组成的磁道并不是连续的， 它们被横向地划分成了一道一道的圆弧，每一段磁道形成的圆弧，就叫做扇区，而在同一个圆心角范围内的扇区组成了一个扇面。具体在上面的图片中可以清楚看到。
　　扇区是操作系统在硬盘上存储信息的具体形式，一个扇区包括512个字节的数据和其他的标记信息，例如标记扇区三维地址的信息方便寻址，还有＂不良扇区＂的标志等等。
　　这里还有一个概念，就是柱面。我们刚才说过，一个硬盘中的磁盘通常不止一个，并且这些磁盘规格以及磁道分布都是一样的，所以，不同盘面上的同一磁道，可以构成一个圆柱，这个柱体就叫做柱面。IT之家这里就不针对柱面展开细说了，大家只需要知道，数据的读取和写入都是按柱面的顺序进行的，而不是按照盘面顺序就行了。
　　接下来就是磁头了，它是硬盘读写信息的关键部件，主要作用，就是将存储在硬盘盘片上的磁信息转化为电信号向外传输。
　　磁盘，也就是盘片，为什么能够存储信息？这其实和磁带的原理比较相似，在磁盘的表面，涂有一层薄薄的磁性材料，磁盘本身是铝合金材质，也有企业尝试过玻璃材质，磁性材料在磁盘表面可以涂敷得非常平整。而磁头，通俗来讲是用线圈缠绕在磁芯上制成的，写入数据的时候，磁头上的线圈通电，在周围产生磁场。高中物理中学过，改变电流的方向，磁场的方向也会改变，而磁场会磁化磁盘表面的磁性物质，使它们按照磁场的方向排列。切换不同的磁场方向，不同的磁性微粒也会有不同的方向，就可以用来表示＂0＂和＂1＂， 我们知道，计算机中的数据都是以二进制的形式存在的，恰好，可以用这个方法来写入二进制的原始数据。
　　同理，读取数据的时候，磁头线圈切割磁场线产生感应电流，磁性材料的磁场方向不同，所以产生的感应电流方向也不同，磁头就可以通过感应旋转的盘片上磁场的变化来读取数据。
　　基本的原理很简单，但实际操作起来当然要求是需要很高的。首先，磁头需要采用特别的材料制作，因为它需要对磁感应非常敏感，并且要求极高的精密度，因此磁头的制造工艺和材料都不能随意；其次，硬盘工作时，磁头是不与高速旋转的磁盘表面接触的，而是以非常微小的距离飞行在磁盘表面，这样一来可以不让磁头擦伤盘面的磁性涂层，同时也不让磁性涂层损伤磁头；还有就是，在这种高速、精密的运转状态下，必须保证高度无尘，一旦进入灰尘，就有可能碰伤磁头或者划伤磁盘表面的磁性涂层，导致硬盘数据丢失甚至损坏。
　　所以通常硬盘的内部都是密封的，在前面硬盘结构的图示中，我们也看到其外围还有一层空气过滤片。
　　2、PMR和SMR技术的区别
　　对于机械硬盘而言，容量的需求很高，怎样提高硬盘的容量呢？这就要回到机械硬盘存储数据的原理了。IT之家在上一部分已经讲过，数据是存放在硬盘内部一张一张磁盘盘片上的，具体是存储在盘片磁道上的扇区中。所以提升硬盘的整体容量有三个方法：第一是增加磁盘的数量，第二是增加磁盘的面积，第三是增加每个磁盘上存储数据的密度。
　　前面两种方法势必会令硬盘整体体积增加，现代计算机硬盘的标准规格是3.5英寸，还有2.5英寸笔记本硬盘也比较普遍，另外还有用于超薄笔记本电脑的1.8英寸微型硬盘、1.3英寸微型硬盘等等，硬盘的尺寸规格是标准化的，随意增大或减小都可能带来不利影响。再进一步，硬盘内的盘片也不是越大越好，越大的磁盘，高速旋转时惯性越大，稳定性越低， 所以转速上不去。
　　所以，增加硬盘容量，最好的方法似乎是提升单个磁盘数据存储的密度。为了实现这个目的，硬盘厂商工程师们想了很多办法。
　　我们已经知道，磁头通过感应盘片上磁场的变化来读取数据；通过改变盘片上的磁场来写入数据，以磁场方向的不同来记录0和1。在早期，磁盘上每个存储位的磁性粒子是平铺在盘面上的，磁感应的方向也是水平的。这种感应记录方式被称为LMR（Longitudinal magnetic recording），也就是水平磁性记录， 这种方式有一个缺点，就是比较占面积，另外当磁粒过小，相互靠得太近，磁性就很容易受到热能的干扰，令方向发生混乱。所以，LMR的时代，单个磁盘能够存储的数据有限，整个硬盘的容量也就存在瓶颈。
　　为了解决这个问题，后来人们想了一个办法，原来磁感应的方向不是水平的吗？如果让磁性粒子和磁感应的方向相对盘片垂直，这样不就能腾出很多空间了？于是人们发明了这种垂直磁性记录的方法，叫做PMR（Perpendicular Magnetic Recording）， 在此基础上，科学家还利用了热辅助磁记录技术，来提高在高密度下的信息写入能力。这种技术采用了一种热稳定记录介质，通过在局部进行激光加热，来短暂减小磁阻力，从而有效提高磁头在微场强条件下的高密度信息写入能力。
　　▲gif来源：Youtube视频博主TED-Ed
　　在PMR技术的帮助下，硬盘的存储容量得到了很大的提升，3.5英寸的硬盘，单碟磁盘的容量高可达1TB左右，这本质上是磁盘内信息存储的密度大大提升。
　　不过随着互联网信息技术的飞速发展，信息数量爆炸式增长，人们要存储的东西也越来越多，渐渐的，PMR技术的硬盘，容量也不大够用了。
　　怎么办呢？
　　还有没有办法进一步提高磁盘信息记录的密度？
　　有。
　　不过这次科学家们想出来的办法有些奇特，并且也不像PMR那样完美，就是Shingled Magneting Recording（SMR）技术，又叫叠瓦式磁记录技术。
　　这项技术是怎么做的呢？前面我们说到，磁盘是被划分为一圈一圈微小的磁道来记录数据的，这些磁道之间并不是连续的，而是磁道与磁道之间存在一个保护距离，从而不让不同磁道的数据产生干扰。
　　硬盘工作的过程也就是磁头在磁道上读取和写入数据的过程。
　　不过，现实中有一个情况，就是硬盘信息的读取和写入是两种不同的操作，所以读取磁头和写入磁头也是不一样的。现代硬盘主要采用的是分离式磁头结构，写入磁头仍是传统的磁感应磁头，比较宽，读取磁头则是新型的MR磁头（磁阻磁头），比较窄，磁道在划分的时候，当然要满足最宽的标准。但是写入磁头在工作的时候，实际上对于每个磁道，其写入信息的宽度是和读取的宽度一样的，这样，磁道的空间就存在浪费的情况。
　　怎么解决这个问题呢？
　　科学家们想到了一个＂极限操作＂，他们将磁道＂被浪费＂的一小部分重叠起来，就像咱们屋顶上叠加的瓦片一样。写入的时候沿着每条磁道上方进行写入，中间留下一小段保护距离（保护距离其实也缩小了），再写下一条磁道。如此一来，磁盘上磁道的密度大大增加，可以存储的信息量自然也比PMR硬盘明显更多。
　　当然，极限操作毕竟不像常规操作那样稳妥，SMR技术下，磁盘可以存储的信息量大大增加了，但是缺点也很明显。首先是磁盘上的信息变得如此高密度，转速自然也不宜太快。所以SMR硬盘的转速一般都不快。
　　其次就是，对于SMR硬盘而言，单纯的读写看起来很OK，但是如果想要修改某个磁道上的数据就比较麻烦了，因为磁道间隙比较小，而磁头比较宽，这样例如修改2磁道的数据，就必然会影响相邻的3磁道的数据。
　　解决这个问题有两个途径，一个是每重叠一部分磁道时，隔开一些距离，另一个就是设置一些专用的缓冲区，当修改2磁道的数据时，先把3磁道的数据取出来放到缓冲区中，等2磁道的数据改完了，再将3磁道的数据放回去。
　　看起来是一个很复杂的过程，所以SMR硬盘通常都具有一个特点：大缓存， 一般能达到256MB的缓存，而普通PMR硬盘的缓存通常只有64MB。也正是由于这个过程比较复杂，所以在修改处理大量数据的时候会比较慢，时间久了对硬盘的读写性能会造成影响，甚至影响硬盘的寿命，造成数据损坏丢失等问题。
　　所以，相较于PMR的硬盘，SMR硬盘是不适合用来当做系统盘或者需要频繁读写的硬盘来用的，它更适合当做小编在开头所说的仓储盘来使用，用来备份、留存一些数据。尽管现在硬盘的整体寿命已经有了很大的提升，但是当你要选购硬盘作为计算机主力硬盘时，还是应该尽可能避免买到SMR硬盘。
　　3、如何区分自己的硬盘是PMR还是SMR？
　　不过，比较尴尬的是，目前硬盘企业在产品包装上基本上是不会告诉你这块硬盘采用的是PMR还是SMR技术的，这就需要我们自己去辨别。网上很多小伙伴根据自己的自身经历以及经验常识，整理了一些方法来帮助大家辨别，这些方法只能作为参考，并不能百分百确定硬盘是PMR还是SMR技术。IT之家小编认为，最好的方法还是尽可能联系硬盘所属品牌的官方客服进行询问，这样得到的答案更为准确。 当然如果你实在联系不上客服，那么小编也将网友整理的方法列在下方，供大家参考。
　　1、看容量。SMR是为了追求硬盘容量而产生的方案，所以SMR硬盘的容量一般是比较大的。通常来说，3.5寸硬盘大于1TB，或者2.5寸硬盘大于500GB的，就有可能是SMR硬盘了。
　　2、看缓存。刚才我们说到，SMR的技术特点导致它的缓存通常比较大，通常是128MB起步的。不过这个也不是定数，也有些SMR硬盘产品缓存比较小，只有64MB，但很少见，当然也有一些高端的PMR硬盘容量很大，缓存也能达到256MB。
　　3、还有一个办法是根据硬盘的总容量计算每片磁盘的容量，硬盘的磁盘片数大家需要到对应品牌官网上去查找技术文档，如果这个品牌的产品没有提供技术文档，也可以寻找官方的客服解决。当然，如果你联系上了客服，或许可以直接询问该产品是PMR还是SMR盘了。
　　当你了解了每碟磁盘的容量时，可以大概估摸硬盘是SMR还是PMR了。通常2.5寸一般每碟是500G左右，大的也能到1TB，而3.5寸一般是1TB左右，大的话有1.5TB。
　　4、最后，Chiphell论坛有网友整理了市售3.5英寸SATA HDD的技术参数（点此前往），涵盖了目前市面上绝大部分的3.5英寸机械硬盘，其中就有硬盘是采用PMR技术还是SMR技术的信息，这份列表也可供大家参考。