HDD磁盘，非4K无以致远

机械硬盘的未来要靠高容量作为依托，在财报中，希捷表示未来18个月内它们将推出14和16TB机械硬盘，而2020年20TB机械硬盘就将诞生。也有资料显示，3.5英寸100TB硬盘大概在2025年就能面世。因此，机械硬盘与固态硬盘的拉锯战恐怕还会继续打下去。

3.5寸6TB以上容量等大容量磁盘，都采用4K扇区磁盘，所以4K扇区磁盘技术是大容量磁盘的技术载体。前一段时间，分享过一篇文章vSAN 6.5解耦vSphere让存储更任性，里面提到4K磁盘，很多读者问我关于4K磁盘的问题，今天花时间跟大家分享下这方面的知识。

什么是4K扇区

在硬盘碟片上，扇区（sector）是寻址、存放数据的最小单位，是扇区的基本组成。

用户数据区是存储用户数据的区域，ECC随用户数据生成并一起写入碟片，用于修复受损的数据，格式化开销包含同步字段、DAM(数据地址标记)、扇区间隔，这些信息在格式化时生成。

扇区的大小分类

• 512扇区：每扇区可存储512字节用户数据，硬盘诞生50多年来一直采用512扇区，正逐渐被4K扇区所取代。

• 4K扇区：每扇区可存储4KB用户数据，相当于把8个512合并为一个大扇区。2010年各厂家开始推出4K扇区的硬盘，目前已逐渐成为主流。

为什么会出现4K扇区硬盘

4K扇区技术有助于提升硬盘容量，同时改善数据完整性

• 格式化开销降低10%~15%，可用较少的物理空间存储相同的用户数据量，有利于厂家制造出容量更大的硬盘。

• 4K扇区的ECC更长。随着硬盘记录密度的攀升，512 扇区在碟片上占用的空间越来越小，同样大小的介质缺陷对总体数据负载损害的百分比越来越高，错误修复变的越来越困难。扩大扇区，同时用更长的ECC来提高纠错能力是解决之道。

机械硬盘的主要优势在于容量，4K扇区技术是提升硬盘容量的有效手段，迁移到4K扇区是大势所趋。桌面级硬盘自2011年开始迅速往4K扇区迁移，企业级硬盘的迁移启动相对较晚。

4K扇区硬盘的分类

• 在接口层面，主机通过逻辑块地址（LBA）访问硬盘扇区。在512扇区时代，LBA与物理扇区一一对应，这类硬盘又称512N盘，在4K扇区出现之前，只有512N盘，因此操作系统访问硬盘时默认以 512字节/LBA 收发数据。

• 4K扇区技术出现后，为保证兼容性，厂家在接口上提供了512字节/LBA的模拟，这类硬盘被称为512E硬盘。

• 512E是过渡方案，厂家期望尽快把物理扇区和LBA都统一到4KB，即4KN硬盘。针对4KN盘，操作系统必须做调整适配，访问硬盘时以4KB/LBA收发数据。

4K扇区硬盘对磁盘性能提升

4K扇区硬盘的顺序读写带宽比同代次的512扇区硬盘高10%~15%，512E硬盘的随机读性能与512N、4KN相差不大，但小数据块随机写性能难以保证。

物理扇区是硬盘内部寻址、读写的基本单元，理想情况下，要保证512E盘的写性能，须确保4K对齐。

• 写IO的起点落在4K边界

• 写入数据长度是4KB的整数倍

• 非4K对齐的写IO，硬盘内部操作变成“读-改-写”，需要碟片旋转多圈，IOPS比4K对齐时有大幅跌落。

4K扇区硬盘兼容性

4KN盘的LBA和物理扇区一一对应，没有随机写性能差的风险，但需要存储厂商主动解决兼容性问题。

综合考虑兼容性和性能，最佳应对策略是主动优化系统软件，抢在4KN硬盘正式出货前就能够支持4KN硬盘，考虑512E是过度产品，尽量直接从512N转到使用4KN，避免使用512E。

4K扇区技术应用现状

当前企业级硬盘的物理扇区大小正在从512B往4K过渡，除了HGST氦气盘外，希捷和HGST的最新代次都提供了512B和4K两种物理扇区，最高容量点都只有4K扇区硬盘可选，例如：2.5寸1.8TB容量点，3.5寸6TB容量点。

希捷和HGST两家供应商都计划把下一代盘全部切到4K物理扇区，不再生产512N盘。

对于技术储备不足，尚未支持4KN盘的小厂商，很可能将使用512E硬盘，面临随机写性能难以保证的困扰。

影响HDD硬盘寿命的因素

• 硬盘温度规格是5-60度，为什么建议运行在40度以下

硬盘温度规格5-60度是指能够正常运行的温度，如果要保障硬盘更长的使用寿命和更低的故障率，40度以下是比较合适的。由于硬盘内部的一些非金属材料具有挥发性，如密封胶、粘接胶、润滑材料等，挥发物直接影响硬盘内部的洁净度，如果温度过高，材料会加速挥发，进而导致硬盘失效。

• 硬盘为什么要求湿度5-90%

硬盘由电路板和机械部件组成，如果湿度过高，容易形成凝露，造成电路板短路和硬盘内部磁头、碟片污染，导致硬盘失效。

• 为什么硬盘要求运行海拔-304.8m to 3048m

硬盘运行主要依靠的是空气动力学，碟片高速旋转，带动空气旋转，磁头则依靠空气旋转产生的浮力停靠在碟片的上方。空气浮力的大小和密度有很直接的关系，而海拔又是影响空气密度的重要因素。过高的海拔会导致空气密度偏低，使得浮力偏小，磁头飞行高度下降，容易撞击碟片；过低的海拔则会导致空气密度偏高，浮力偏大，磁头飞行高度升高，磁头无法读取碟片上的数据。

• 操作硬盘为什么要很小心

硬盘属于精密的机械部件，运行时磁头距离碟片只有几纳米左右，如果操作时不小心，容易造成磁头移位，碟片移位或倾斜，轴承移动，这些都会导致运行时磁头无法准确读写碟片，严重的会直接导致磁头和碟片损坏。

• 为什么设备运行时不宜对硬盘大吼大叫

声波是一种机械波，可以通过空气传递给硬盘形成震动，而声波的频率范围在20-20000Hz，硬盘运行时在500-4000Hz容易受到干扰。

如果干扰的时间过长或过于频繁，容易形成读写错误，错误过多时，主机就会将硬盘隔离。

• 硬盘为什么要运行在相对洁净的环境中

硬盘内部的洁净度要求非常高，一旦有微米级别的颗粒，就会造成磁头损伤。虽然硬盘内部有相关措施能够一定程度上防止和清洁颗粒污染，但仅限于轻度的。因而要求环境要相对洁净，一般要求达到办公环境即可。

• 硬盘为什么不宜长时间存放或长期下电不使用

硬盘有些部件使用的是非金属材料，这些材料具有挥发特性。挥发形成的气固胶体在空气中，会沾污磁头和碟片，当达到一定程度时，就使得硬盘无法启动。