2009年12月21日

硬盤新變革開始 詳解西部數據4KB扇區技術

本月早些時候,我們已經報導過西部數據將引入「先進格式化」(Advanced Format)技術,把硬盤行業期待已久的4KB扇區技術引入實用。 日前,我們又得到了關於該技術的更多詳細信息。由於這樣一項技術既牽扯到硬盤固件、分區格式,也影響到操作系統,西部數據希望在低調推出產品前,首先進行 一番普及教育,讓用戶更多的瞭解該技術,避免今後的使用問題。這或許也就是我們目前還沒有在市場上見到新款綠盤的原因吧。

硬盤行業實際上早在十多年前就開始計劃4KB扇區技術。在硬盤容量以MB計的年代,每扇區512byte顯得非常合適。但隨著技術的進步,硬盤容 量的增大,依舊保持512byte的扇區尺寸已經越來越不合時宜。具體來看,隨著存儲密度(Areal Density)的增大,磁頭讀取磁盤時的信噪比(SNR)會出現明顯的下降,也就是說讀取時會更容易出現錯誤。因此必須加入ECC校驗碼來保證數據可靠 性,但ECC數據實際上消耗了磁盤上可用的存儲空間,有時甚至可能把存儲密度上升帶來的多餘空間完全抵消掉了。

硬盘新变革开始 详解西部数据4KB扇区技术

更關鍵的問題在於,ECC校驗實際上在更大數據量的扇區尺寸下效率更高。比如,512byte的一個扇區需要40byte的ECC校驗區,而4KB扇區只需要100byte,直接節省了40x8-100=220byte的存儲空間。另外,更大的扇區還能讓糾錯時一次性更改更大量的數據,讓「突發糾錯」(burst error correction)效率更高。

硬盘新变革开始 详解西部数据4KB扇区技术

為什麼選用4KB而不是2KB、8KB來替代512byte扇區?這是因為4KB在計算機系統中的特殊地位。在x86架構中,通常情況下內存的分頁(Page)容量即為4KB,而在磁盤文件系統中,包括NTFS、EXT3和HFS+格式的簇(cluster)容量也同樣是4KB。這樣一來,用4KB的磁盤扇區中讀取的數據可以正好裝滿一個內存頁,也映射著磁盤分區中的一個簇,自然是最佳選擇。
對於消費者來說,4KB扇區技術的最大裨益就是更大的格式化容量。西部數據稱,「先進格式化」可以讓磁盤格式化效率(格式化後容量)提升7%到11%,同時ECC校驗效率提升50%,整體容錯能力提升兩個數量級。因此,新技術還會讓磁盤的可靠性明顯提升。

硬盘新变革开始 详解西部数据4KB扇区技术

不過,為了保證512byte扇區到4KB扇區的平穩過渡,目前西數使用了一種模擬技術,將一個4KB的邏輯扇區在固件中模擬為8個512byte的邏輯扇區,保證操作系統兼容性。但這樣依然存在問題,即扇區和簇的「校準」。

硬盘新变革开始 详解西部数据4KB扇区技术

如果文件系統的4KB簇正好對應了一個4KB扇區,則一切正常。但如果簇對應的8個512byte邏輯扇區橫跨在兩個4KB物理扇區中,此時讀寫一 個簇就需要操作兩個扇區,帶來明顯的轉換延遲。根據硬盤行業組織IEDMA(國際磁盤驅動器設備與材料協會)的測試,這種情況尤其會嚴重影響磁盤的隨機寫入性能

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問題具體來看,雖然推動4KB扇區的工作從1998年就已經開始,但直到近些年來才有了實質進展。導致在此之前推出的Windows 5.x系統中(Windows 2000/XP/2003等),第一個分區是從LBA 63(第63個512byte扇區)開始的。很明顯,63不能整除8,因此只要是在4KB扇區硬盤上使用Windows XP系統就會出現上述的校準問題。而Windows 6.xWindows 7/Vista/Server 2008)則已經提供了對4KB扇區的支持,只是在使用磁盤鏡像工具(如Ghost、Acronis Disk Director Suite等)進行分區恢復、拷貝等操作時容易出現問題。另外,根據西部數據的測試,Linux和Mac OS X系統不會出現這種分區校準問題,甚至SuperDuper這類磁盤鏡像工具也可直接使用。

硬盘新变革开始 详解西部数据4KB扇区技术
Windows XP分區表

為解決這一問題,西部數據提供了兩種方案。首先,只要在硬盤上短接7號和8號跳線,硬盤控制器芯片即可提供一個邏輯分區的偏移量,使LBA63變成LBA64,解決校準問題。不過這種方案僅能針對全盤只有一個分區的情況。

硬盘新变革开始 详解西部数据4KB扇区技术
解決方案

第二種方案,則是一款名為WD Align的工具軟件。該工具可以移動分區和數據,「對齊」文件系統簇與4KB扇區。推薦使用Windows 5.x操作系統,或是需要磁盤鏡像軟件的用戶使用該工具。由於WD Align需要移動全盤數據,因此最好在分區或操作系統安裝完畢後即使用該工具進行遷移。

硬盘新变革开始 详解西部数据4KB扇区技术
WD Align命令行界面

西部數據表示,首批使用「先進格式化」技術的硬盤為Caviar Green綠盤系列的單碟500GB型號,型號標識為EARS。除了查看型號外,由於目前還沒有軟件能夠分辨磁盤的原生扇區尺寸,WD Align也是唯一的識別工具

最後需要指出的是,4KB扇區技術並非西部數據的專利。該計劃由IDEMA(國際磁盤驅動器設備與材料協會)推動,預計在2011年之前,各大硬盤廠商都會推出自己的4KB扇區硬盤,只是可能在操作系統兼容性上的解決方案略有不同。至於何時才能夠直接使用原生4KB扇區,結束模擬512byte扇區的「過渡期」,目前的預計是在徹底淘汰Windows 5.x系統的2014年(WinXP技術支持終止)左右。

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