机械硬盘闪存心 西部数据亮出革命性技术

信息爆炸时代，什么增长最快？几何级数增长的海量数据当仁不让，也带动着相关存储容量的持续增长。IDC 称，2020年，全世界创建或复制了约64ZB数据；未来五年所新生产的数据量，将是数字技术诞生以来，所有数据量的两倍多。高效、低成本的数据存储方式非常重要。得益于智能移动终端普及和PC小型化趋势，非易失性（NVM）存储产品在个人消费端市场占比快速提升，其容量需求在云存储等技术的平抑下，增长并不显著。而在企业及存储方面，面对持续快速增长的数据存储需求，哪怕到2025年，机械硬盘（HDD）仍将负责存储82%的数据，HDD产品的复合增长率也将高达25%。对于 HDD 技术的投资，仍是不断满足全球数据增长需求的关键。

市场需求旺盛，是推动HDD单盘容量不断增长的外因，而其内在原动力，则是来在原厂技术升级。如今，HDD封装的碟片数量已经达到9张，继续增加困难重重，如此一来提升单碟容量提升，更具体的是提高磁道密度是直接可行的方式。

西部数据新近公布的OptiNAND技术，是其HDD技术与闪存技术的集大成者，将此前已经在HDD上得以应用的HelioSeal（氦气封装）技术、三阶寻轨定位系统（Triple Stage Actuator，TSA）、ePMR（能量辅助垂直磁记录）等技术，与上百层堆叠的3D TLC、嵌入式闪存等闪存技术纵向集成在一起，在不改变现有物理、电气及存储架构基础上，推出的全新HDD产品。

西部数据公司HDD业务部首席技术官车晓东博士透露，西部数据已经开始向部分用户提供采用ePMR OptiNAND技术的20TB HDD产品，而采用这两项技术的HDD有望在未来5年达到50TB单碟容量，大大延长了PMR技术的生命周期，能够与SMR（叠瓦式）技术的产品形成更好的性能与容量差异化。

西部数据公司HDD业务部首席技术官车晓东博士

将NAND存储介质与机械硬盘相结合，同时获得SSD的速度与HDD的容量，SSHD产品是这一技术方向的早期尝试。这样新型的存储架构，对操作系统的运作是非常大的挑战，数据如何在两种存储介质之间“搬运”，又向谁发出、发出什么样的读写指令，依赖第三方驱动程序与新款OS配合的模式，严重影像了HDD产品的兼容性。

OptiNAND的运作机制则完全不同，首先是它不存储“数据”。严格意义上来说，OptiNAND的嵌入式闪存iNAND不是数据存储装置，不存储任何用户数据。它存储的是硬盘操作的所谓元数据，是介质、操作、信号、数据甚至更多元素的混合体。

随着硬盘容量的不断增加，一方面逻辑扇区的数量线性增加，另一方面TPI（磁轨密度）与BPI（位线密度）增长实现了单碟容量增加，物理扇区寻址及读写稳定所依赖的数据量几何级数增长，传统HDD中Firmware（固件）所能存储的信息非常有限，相关数据早已转向存储于磁介质的特殊区域（类似于0磁道），操作延迟和性能水平可想而知。

例如可重复偏转（RRO），是位置误差信号中随着主轴旋转会重复出现的部分。RRO元数据在工厂的制造过程中产生，传统HDD将这些数据存储在碟片上，而OptiNAND技术则将它们存储在iNAND中，从而为用户释放磁盘空间并实现更快的数据访问速度。

而昂贵的DRAM，为数据提供缓冲（Buffer）都还不够，哪有闲心存储这些元数据；同时，DRAM断电即丢失的易失性，也不能用来存储元数据。

在OptiNAND架构中，iNAND（嵌入式闪存盘，EFD）很好地平衡了容量/成本与非易失性之间的矛盾，转向存储于闪存介质上后，读写性能、延迟、容量都不再是问题。更理想的是，这样还带来了更好的OS透明特性，外部数据读写需求，无关硬盘内部运作方式，从OS到应用软件，均无需调整HDD运行机制，甚至连驱动程序都不用额外加载。

OptiNAND的架构，不禁让我们联想到多年前的Hybrid Drive及三星硬盘的OneNAND（NV Cache）设想：DRAM做数据传冲，NAND做操作缓冲，高可靠性、长寿命甚至低功耗也是其主要特性。OptiNAND还提供了SLC（重写负载）与TLC（重读负载）的混合架构，可分别存储不同类型数据，并保持DRAM运作机制不变。技术领域殊途同归，如今三星硬盘最终出师未捷身先死、英特尔也出售了闪存业务，而西部数据的OptiNAND产品已箭在弦上。

除了取代碟片上的专门区域，成为元数据的存储介质，OptiNAND的加入还带来了诸多“意想不到”的技能二次加成：

iNAND的加入，在一定程度上简化了磁盘控制SoC的复杂度，数据与元数据分别置于碟片与NAND中，无需复杂的混合控制逻辑，SoC也能更专心地提升性能和优化控制；

加电后，NAND数据加载速度远高于HDD加速再读取相关信息，大幅减小了硬盘延迟；

NAND容量远高于DRAM，且具有非易失性，在紧急断电（EPO）情况下，元数据写回的时长更短，或可写回量更大，初期可保留的用户数据增加了近50倍；

更大容量的元数据可包括更高的磁数据记录的位置与精度信息，如三阶寻轨定位系统（Triple Stage Actuator，TSA）的三个Actuator独立控制信息，甚至可针对不同扇区的物理位置、磁头飞行高度、磁介质性能，逐一保存磁头读写信号强度；

更高精度的定位及读写控制，又进一步推进存储密度提升与介质层面的性能提升；

通过优化固件缩短时延，主要在减少相邻磁道干扰（ATI）刷新次数，并减少写缓存启用模式下对写缓存刷写的需求。

OptiNAND技术的出现，在很大程度上改变了HDD产品的容量/时间发展趋势，另外，在EAMR（（能量辅助存储，如HAMR热辅助、MAMR磁辅助存储）技术成熟前，保持HDD容量及性能持续增长。某种意义上说，使HDD拉开了与SSD的容量差异、缩小了性能差异，用更好的容量性能比、容量价格比，持续满足不断增长的数据存储需求。

西部数据公司副总裁兼中国区业务总经理刘钢

西部数据公司副总裁兼中国区业务总经理刘钢在最后也补充道：“OptiNAND技术未来将全面覆盖西部数据主流的大容量HDD，凡是使用大容量HDD的客户，包括云服务商、OEM厂商、企业级用户等，都将进一步受益于搭载了OptiNAND技术HDD的大容量、高性能和高可靠性。”