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Smart Align技术,让您迈进稳定高效的4K扇区时代


CBSi中国·ZOL 2010年12月02日 00:55 评论

     伴随着希捷Barracuda® Green环保硬盘上市,不仅为用户提供了又一款SATA 6Gb/秒接口、64MB 缓存的产品,更带来了希捷的一项新技术——Smart Align,该技术是业界首款帮助用户向高级格式(AF)4K标准硬盘转化,而不依赖于软件程序的技术解决方案。

    到目前为止,向高级格式硬盘的转换不平顺,是因为高级格式硬盘仍然需要向使用512字节扇区标准的主机系统传送指令,所以必须管理4KB物理扇区和512字节逻辑扇区之间的转换。这个过程,就叫做512字节模拟。如果硬盘分区和电脑操作系统配合不好,就会导致性能下降。在Smart Align技术被研发之前,处理这种转化情况以及避免性能缓慢都是采取软件实用程序的方法来分析和重新划分硬盘分区。这种方法需要更多的步骤来整合硬盘,更多的时间来完善过程,与此同时也会给用户带来一些困惑。

    希捷配备Smart Align技术的高级格式硬盘,可以智能地实时自动处理硬盘内部分区不一致的问题。既不需要软件程序,也不需要额外的设置步骤,硬盘就可以保持卓越性能。

高级格式进化史
     首先,让我们从简单的介绍开始,让大家了解什么是所谓的“高级格式”。简要来说,高级格式是一项界定4K扇区硬盘格式的全新标准,传统的硬盘在格式化后,每一个扇区的大小都是512B字节,而4K扇区硬盘的高级格式就是将其扇区划分为4KB。这也是今后所有硬盘厂商都将采用的标准,IDEMA(国际磁盘驱动器设备与材料协会)的各主要硬盘制造商已经达成一致:2011年1月1日起,出货的所有台式机笔记本新产品硬盘都将采用这种高级格式标准。

     那这种4K扇区技术是如何演化而来的呢?在现代硬盘的设计制造中,有许多开发人员需要克服的问题。往往硬盘厂商都会在硬盘的容量与速度上,寻找一些平衡点。磁盘密度,这个很好理解,就是硬盘碟片所能存储数据的最大容量与碟片面积之比。磁介质密度越大,那么就意味着磁盘的容量越大。

     SNR信号信噪比,从硬盘驱动器中读取的数据,肯定会有一些错误。通常我们都使用ECC奇偶校验来查找和纠正任何偶发的错误。不过由于磁盘存储密度的增加,扇区变得越来越小,其信号信噪比也越来越低。为了弥补这个问题,硬盘存储数据的结构必须发生革新,ECC奇偶校验位的长度被拓宽。使用更多的奇偶校验位,可以保证硬盘在读取时,有更多的数据被校验,保证数据的可靠性。因此对于硬盘制造而言,他们想要提高硬盘的纠错能力,就需要更多的ECC数据存放空间。

     在这一过程当中,驱动器制造商必须尽可能的获得更多的地址空间。也就是说他们必须添加足够多的ECC数据才能获得以前存储密度时的信噪比。不过沿用这种方法和思想也就限制了大容量驱动器的发展。对于硬盘厂商来说,ECC是一把双刃剑。一方面他们可以简单的通过增加ECC位的方式来推出新的硬盘。另一方面,这样做就像是毒药一样,让整个硬盘存储行业难有飞跃。这对于普通消费者来说也不划算。硬盘中实际能存储数据的空间变少了,而多出了许多无用的ECC奇偶校验位。由此,驱动器制造商要想构建更大容量的硬盘,他们就要尽可能的减小这些额外空间的花销。

     问题就出在这里,通常情况下ECC纠正错误会在512B的扇区中进行,而在更大的扇区中校验数据才能让ECC更有效的工作。就拿NTFS系统文件格式来说,一般一个簇是由8个扇区组成,一个簇的容量应该是4096B,即4KB。但是在硬盘中存储一个簇的数据,需要使用更多的ECC位来纠错。


Smart Align技术,让您迈进稳定高效的4K扇区时代

Smart Align技术,让您迈进稳定高效的4K扇区时代


 
 
     很多人会问,为什么以前的硬盘不采用4K扇区技术呢?其实那属于一个历史遗留问题。如上文所述,4K的扇区容量要远远大于512B扇区,这也就意味着需要更长且连续的ECC位。处理这些较长的ECC讯息会对性能造成不小影响。所以传统硬盘厂商会将扇区的容量控制在1KB以下,但是现在随着半导体技术的革新,硬件的ECC纠错性能已经今非昔比。

     虽然4K扇区的硬盘雏形早在1998年就已经出现了,但是直到Window XP发布之后,它才慢慢被业界所关注。因此,Windows 5.x版本的操作系统都不支持4KB扇区的概念,这也就包含了2K、XP、2K3等诸多视窗系统。这样,Windows 5.x成了主要受害者,其他版本Windows也会受到波及和影响。随着4K系统文件慢慢开始流行起来的时候,应用软件的作者也要对4K扇区有足够的重视,否则,软件可能不小心错位读取了硬盘的扇区。

     针对数据错位问题,其他硬盘厂商也做了许多尝试。比如西部数据提供了2种解决方案:

     一种是专门为Windows 5.x操作系统准备的。硬盘有一个跳线可以自动矫正Windows 5.x系统的扇区,将硬盘跳到7和8针脚的位置,高级格式就会启用。硬盘驱动器将使用x + 1的工作模式,硬盘的各种读写和分区工作都会在LBA 63之后的,第LBA 64开始。但是这样做还有一个弊端,你只能将硬盘划分为一个磁盘分区。如果需要将硬盘分成多个分区的话,那么分区起始的一部分空间也不能被使用。偏移错位的区域只能在硬盘分区表中被标记为坏分区将其屏蔽。这也就是说你分的区越多,你的硬盘空间浪费的越多。

     第二种是利用西部数据提供的对齐实用工具。将错位的分区移动归位。这样错位和偏移的扇区就会对齐到一起。这个方案更适合在Windows 5.5下要建立多个分区的供用户使用。这些分区都是由Windows系统支持的默认格式所建立。不幸的是,这个工具在系统兼容性上也出现了硬盘无法读取、读取缓慢等诟病,消费者深受困扰。

好东西:4K扇区的优势
     4K也是一个非常神奇的数字,它在计算机系统中有很多独到的应用。例如,x86处理器处理数据时,一个内存页的容量为4K。这是x86架构根深蒂固的数据格式。反过来x86页的容量大小,也决定了文件系统中簇的大小,是最小的系统文件存储单位。由此内存的页与硬盘的簇会一一对应。这可以有效的保证硬盘空间的利用效率,同时也能兼顾系统的处理速度。当系统要存放小于4k容量的文件时,一部分空间就会被浪费。如果当簇的容量被分的再小时,系统的性能就会有较大的下降。在现代各种文件系统中,NTFS、EXT3和HFS+这些系统文件格式默认的簇大小都是4KB。因此4KB物理扇区会非常完美的对应一个簇的容量大小,也会非常完美的对应4KB的内存页。

 

旧扇区

新扇区

x86 内存页

NTFS

HFS+

尺寸

512B

4K

4K

4K

4K


     上面说了这么多理论知识,那么4K的扇区对于消费者来说,都能带来哪些直观的好处?从理论上来说,4K扇区技术会带来7%-11%的效率提升,ECC突发纠错性能会有50%的提高,而总体的纠错能力会有2位数增长,这会显著增加系统的可靠性。而希捷Smart Align技术简化了过渡到使用高级格式(4K)的过程,不需要繁琐设置和附加工具,就能让您轻松迈进稳定高效的4K扇区时代!

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