蔡逸竹

昔日風華不再了嗎？


對儲存裝置的產業而言，現在的景況是令人興奮卻也是痛苦的時候，隨著高傳真多媒體內容的逐步演進，大大的改善我們的視聽經驗，同時也帶來數倍成長的儲存容量需求，由數量龐大的數位音效、相片和視訊影片所產生出水漲船高的需求，讓單顆3.5吋的硬碟機容量一路成長到750 GB，可惜的是，效能始終無法擁有相同的成長速率。

整個業界也充斥著大的起落，幾年前Maxtor買下了Quantum，一旋踵又馬上和希捷(Seagate)合併，其他的桌上型硬碟機的主要玩家就剩下只日立(Hitachi)、三星(Samsung)和Western Digital。

Seagate用Barracuda 7200.10產品奪下每顆3.5吋硬碟機擁有750 GB最大容量的后冠，三星以鴨子划水之姿揚名於最經濟實惠的單位儲存容量，而Western Digital的10，000轉Raptor硬碟機已經多年榮獲入門等級儲存裝置最佳效能寶座，看起來，三星終究還是能夠在未來以混合硬碟機技術，拿下有效的優勢，畢竟它還是唯一一家兼具磁片和快閃記憶體儲存裝置的製造大廠。

今天的3.5吋硬碟機擁有最大讀取傳輸速度，至少可達55 MB/s，而存取時間只有15 ms或更少，最快的硬碟機最大讀取速度超過70 MB/s，而平均存取時間只有13 ms，Western Digital的Raptor硬碟機傳輸超過85 MB/s的資料，而存取時間更快到8 ms之譜，對於想要增加應用軟體執行效能，或僅僅只是想要視窗作業系統能夠在啟動時加快一點的使用者是有幫助的，但是價格較高，而且容量也比不上慢速的硬碟機，如果你對效能和前一世代硬碟機議題有興趣，可以上我們的英文網站查詢硬碟機比較表。

當然，使用者會問這些數字代表什麼意義？如果和電腦內部其他的零組件的效能相比，差異何在？今天的硬碟機和昔日的產品，相距多遠？今天的硬碟機一定勝過昨日的嗎？

我們重新審視實驗室中的老舊硬碟機，從古董中找尋垂垂老矣的裝置盒子，結果還真的發現許多不錯的寶貝，首先我們在意的是這些當年縱橫於MS DOS 5.0和Windows 3.1時代的產品，是不是還能老當益壯地運行不怠。

蔡逸竹

硬碟機歷史：從40 MB~750 GB，從3，500~10，000轉

讓我們回溯15年前，從早期的IDE硬碟機開起，容量只有40 MB，然後跳到90年代中期(容量為3.2 GB)，接著到達兩位數字的GB容量硬碟機(10 GB)，再昇到比較現代化的60 GB硬碟機，最後我們來看看今日最大和最快的硬碟機，包括容量為750 GB 由Seagate出品的Barracuda 7200.10硬碟機，以及150 GB和10，000轉由Western Digital製造的RD1500 Raptor硬碟機。

製造商	Maxtor	Quantum	IBM	Seagate	Seagate	Western Digital
產品名稱	7000 Series IDE 3524	Fireball ST	Deskstar 16GP	Barracuda IV	Barracuda	WD Raptor
型號	7040A	ST3.2A	DTTA-351010	ST360021A	7200.10	WD1500ADFD
容量	40 MB	3.2 GB	10.1 GB	60 GB	750 GB	150 GB
轉速	3524 RPM	5400 RPM	5400 RPM	7200 RPM	7200 RPM	10，000 RPM
其他姊妹機種的容量	60 – 130 MB	1.6， 2.1， 3.2， 4.3， 6.4 GB	3.2， 4.3， 6.4， 8.4， 10.1， 12.9， 16.8 GB	20， 40， 60， 80 GB	500， 400， 320， 300， 250， 200 GB	74， 36 GB
磁碟數	3	2	3	2	1 to 4	1 to 4
讀寫頭數	5	4	6	3	8	8
每片磁碟容量	26 MB	1.6 GB	5.6 GB	40 GB	200 GB	37.5 GB
快取容量	32 – 64 KB	128 KB	512 KB	2 MB	16 MB	16 MB
介面	IDE	UltraATA/33	UltraATA/33	UltraATA/100	SATA/300	SATA/150
製造日期	1991年	1996年	1998年七月	2003年	2006年	2006年

IDE老前輩：Maxtor 7040A，40 MB (1991)


這是一顆40 MB(不要看錯，是megabyte)硬碟機，內有三片磁盤，每分鐘3，500轉，使用簡單的IDE介面，是1991年產品，是相當能反應出那個時代的機型，最頂級的機型是Maxtor的7000系列硬碟機，有130 MB容量，分別由八片磁盤所組成，快取記憶體有32或64 KB，因不同機種而定，你仍可以從訪客無法瀏覽此圖片或連結，請先 註冊 或 登入會員 。找到這些資料。

在那個時代屬於高級機種的130 MB容量，忠實反應出當時的極限，隨後在很短的時間裏，容量馬上竄升到170 MB和240 MB，但是價值不斐，會花上數百塊美元，今天你可以用遠低於這些價格買到容量差異達數千倍之多的硬碟機。

這顆硬碟老到連PCMark05測試軟體都跑不動，不過我們還是找到c’t magazine雜誌的h2benchw 3.6硬碟測試工具程式來執行，這顆Maxtor 7040A硬碟平均的存取時間約27 ms，和今天動則8~15 ms存取時間的3.5吋硬碟機來比，真是夠慢的了，而介面頻寬約只有800 KB/s(0.8 MB/s)，和今天的80~200 MB/s相比，也是小巫見大巫，真正傳輸效能透過h2benchw的量測，約等同於600~700 KB/s而已，是四倍數光碟機的傳輸速度，你今天所買得到的任何儲存裝置當然都比這顆1991年的老古董要快。

蔡逸竹

FAT32和UltraATA/33時代的來臨：Quantum Fireball ST3.2A (1996)



Quantum的Fireball硬碟機在上述40 MB的Maxtor硬碟機出現後的五年問世，容量上從1.6 GB到6.4 GB，你可以想像得到，一堆推陳出新的功能在這些世代中浮現，其中Fireball ST 3.2A打出雙倍快取記憶體容量(128 KB)和較高速的5，400 RPM的規格，這顆硬碟也是第一顆用上了33 MB/s的UltraATA介面，而且還首次應用磁阻讀寫頭的技術(magneto-resistive read/write head)。

我們量到介面頻寬達到了31.3 MB/s，已經非常接近理論值的上限，而硬碟內部的資料傳輸率設定也到達132 Mbit/s(大約16 MB/s)，實際資料傳輸率平均到達10 MB/s，算起來，這顆硬碟比前述的Maxtor老古董的儲存容量成長了80倍，若以6.4 GB Fireball也比當年頂級130 MB的Maxtor 7130A硬碟多了50倍容量，而有效資料傳輸效能成長約13倍。

也是大約在這個時期，使用者被強迫放棄老舊的16位元FAT格式的檔案系統，採行新的Windows 95時代的FAT32格式，以及Windows NT的NTFS格式，還有OS/2作業系統下的HPFS和Linux下的ext2檔案格式，FAT16架構是基於16位元的檔案叢集(clusters)技術，也就是由控制器所分配的儲存區域是用叢集數目代表，單一的FAT16叢集只有32 KB大小，當你乘上65，536個可能的16位元定址數目時，結果得到總數的儲存容量只不過2，097，152位元或2 GB容量而已。

當然你可以藉著切割多重磁區(partitions)的方式迴避這個限制，但是好一點的做法還是轉成FAT32，可以讓叢集數目由16位元增加到28位元，一舉增加數百萬個叢集數目，而每一個叢集可在4 KB~32 KB之間調配，端賴每一個磁區大小而定，FAT32理論上可以處理高達每磁區2 TB(terabyte)的容量，但是大容量也膨脹了儲存空間所需的參照表，以2，048 GB容量的磁區而言，會需要多達256 MB的空間來做為參照表，所以大的磁區最好還是用較為先進的檔案系統，舉凡Windows XP的NTFS或Linux的ext3格式。

蔡逸竹

512 KB快取容量的來臨：IBM DTTA-351010 (1998)



在DeskStar 16GP系列機種誕生時，IBM推出巨磁阻(GMR：Giant Magneto-Resistive)磁頭的技術，一個單顆硬碟超越10 GB容量的重要里程，事實上，這個更加靈敏的磁頭為IBM產品線帶進了單顆硬碟從9 GB~16.8 GB容量的機種。

這個系列家族的硬碟種類繁多，一路從3.2、4.3、6.4、8.4、10.1、12.9到16.8 GB容量都有，內含最多三片儲存磁盤的設計，這些硬碟機配置512 KB快取記憶體，以及UltraATA/33介面，其中的DTTA-351010機種達到最大資料傳輸率為12.4 MB/s，是有能力完全使用31.4 MB/s的介面頻寬。

蔡逸竹

安靜又快速的時代：Seagate Barracuda ATA IV (2003)



Seagate的Barracuda機種涵蓋從6.8 GB~26 GB容量的ATA硬碟機，是第一顆轉速到達7，200 RPM的桌上型硬碟，其第一代產品剛問世時，在運轉中又吵又燙，一直到第二和第三代出現時，才有大幅度的改善，而且一舉將容量推向40 GB的關卡，到了第四代之後，7，200 RPM的桌上型硬碟變得快又容易操作。

Barracuda ATA第四代硬碟有較佳的資料密度，讓Seagate的硬碟最大容量進步到80 GB，而且只使用了兩片磁盤的設計，尤其是在底部採用金屬薄層保護的特殊功能，讓硬碟機的電子線路有了更好的保護，Seagate於是改稱此為「Seashield」技術，一改過去用塑膠保護層封裝的「Seashell」技術，但是，好景不常，為了保持產品的價格競爭性，「Seashield」不久就遭到淘汰。

型號為「Cuda ATA IV」的硬碟是最後一代只有ATA並行介面機種之一，2003年年底，因為Serial ATA介面在Barracuda ATA 第五世代產品中嶄露頭角，容量也晉昇到120 GB，所有Barracuda硬碟從第五世代以降，不是Serial ATA就是UltraATA/100介面，就像下圖這一個。




Seagate Barracuda 7200.10的750 GB和WD Raptor WD1500的150 GB硬碟競逐的時代(2006)

這兩顆新的硬碟上陣，與其讓我們持續述說規格功能的細節，不如改以一些實際的測試結果來呈現。

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蔡逸竹

Areal的儲存密度分析



從硬碟的容量增加趨勢來看，是頗令人驚訝的，才15年而已，儲存密度增加最高有10，000倍之多。



儲存裝置產業仍汲汲於找尋儲存密度增加的方法，最新的技術稱為垂直磁性紀錄技術(PMR：Perpendicular Magnetic Recording)，讓分子的磁區可以由水平改成垂直排列，因而在同一區間可以儲存更多的位元。



如果你拿1991年最大容量130 MB硬碟來與今日的每顆750 GB硬碟相比，儲存容量在過去15年中成長了5，700倍，拿每一磁盤容量相比，則成長差距會更加拉大。

蔡逸竹

效能分析

在儲存容量上明顯進展的事實，剛好讓硬碟效能成長的成績，相形見拙。



從1991年的Maxtor到Barracuda 7200.10的750 GB硬碟實際效能增加的比較，剛好從0.7 MB/s成長到64 MB/s，充其量也只有91倍的差距而已，如果改和10，000 RPM、85 MB/s的WD Raptor硬碟相比，一新一舊之間差了121倍。

雖然上面的成績聽起來頗為失望，但是我們應該連同平均檔案大小的演進一併考慮，早期Microsoft Word的執行程式充其量只不過用掉幾個megabytes的硬碟空間，而主記憶體上佔用的空間甚至更小，今天的應用程式啟動時，就會吃掉數十個megabytes的硬碟空間，而更多的程式碼是用plugins和延伸模組的方式被呼叫運作，舉例來說，Adobe Photoshop CS2會耗掉60 MB的主記憶體空間，而大多數的程式都是由硬碟機中讀進來，另外一個例子，想想開啟一張相片檔案，幾年前我們用的是kilobyte大小，解析度為640x480的JPEG檔案，但今日動輒3872x2592解析度和數個megabyte的影像檔，早已司空見慣。

Areal的儲存密度VS.效能的高低

如果比較areal的儲存密度和效能增加的差異，你會發現有相當大的不一致，幾乎有6，000倍的高容量成長，而效能只有100倍的進帳，換句話說，容量成長的效益，比效能成長多出了60倍，還有沒有其他的比較結果可以呼應這個事實呢？

蔡逸竹

寫滿一片儲存磁盤花費的時間變長了



如果光看這些測試結果，會發現硬碟機的效能的確成長不少，但是把儲存容量也一起放上來看，就會發現它們之間的關係反而是負成長，從這個理論來看，今天的硬碟機並不像舊的跑得那樣快。看看下面的比較：

1991年，40 MB的硬碟機花了37秒才可以讀完一片有26 MB容量的磁盤(platter)。

1998年，3.2 GB的硬碟機花了3分31秒才可以讀完一片有1.6 GB容量的磁盤。

1999年，10 GB的硬碟機花了5分37秒才可以讀完一片有3.2 GB容量的磁盤。

2004年，60 GB的硬碟機花了18分34秒才可以讀完一片有40 GB容量的磁盤。

2006年，750 GB的硬碟機花了52分才可以讀完一片有200 GB容量的磁盤。

當然，這個比較多少流於過分簡化，較少考量其他諸如磁盤總數、磁盤直徑、轉速和平均檔案大小等造成的因素，而且拿不同硬碟機與不同的儲存容量來比，結果也會互異，不過反應的訊息都維持一致，那就是寫入或讀出整個硬碟機資料所花費的時間，在過去十五年當中的確增加了許多。



硬碟機製造商之間的購併行為也影響了整個市場，幾年前Maxtor買下了Quantum，最後在2006年底時，Seagate也將Maxtor加以合併。

蔡逸竹

為什麼硬碟機效能會這麼難以突破？

每一個使用者都可以簡單的找到答案，因為只需要打開你的桌上型電腦或筆記型電腦，你會發現大部份等待的時間都花在啟動視窗或其他作業系統上，急急忙忙將硬碟機上的資料擠進主記憶體之中，雖然在過去幾年裡，需要啟動作業系統的時間有相當的節省，尤其是BIOS最佳化的工作居功厥偉，讓有些作業系統的啟動只需15~20秒，但是論起行雲流水般的順暢使用經驗來說，瓶頸仍然存在。

我們不希望等上30秒以上才能讓你的電腦就位，也不願意花20秒才能啟動應用軟體，甚至是要花幾秒鐘來關閉應用軟體也不想要吧！

另外一個重點是資料備份，如果讀取或寫入硬碟機要如此曠日費時，那花在每日資料備份或複製的時間，也就可想而知，但還是有可能花上幾分鐘拷貝整顆850 MB硬碟機到另一個儲存系統，但是如果要保存今日的影音視訊和照片等資料，那鐵定得多花些時間。

測試設定

系統硬體
處理器	2x英特爾 Xeon Processor (Nocona core) 3.6 GHz， FSB800， 1 MB L2 cache
系統晶片平台	華碩（Asus）NCL-DS (Socket 604)主機板 英特爾 E7520晶片組 Chipset， BIOS 1005
記憶體	Corsair CM72DD512AR-400 (DDR2-400 ECC， reg.) 2x 512 MB， CL3-3-3-10 Timings
系統硬碟機	Western Digital Caviar WD1200JB 120 GB， 7，200 RPM， 8 MB Cache， UltraATA/100
大量儲存裝置控制器	英特爾82801EB UltraATA/100 Controller (ICH5) Silicon Image Sil3124， PCI-X
網路	Broadcom BCM5721 On-Board Gigabit Ethernet NIC
顯示卡	On-Board Graphics ATI RageXL， 8 MB
系統效能測試
效能測量	c’t h2benchw 3.6
讀寫輸出入效能	IOMeter 2003.05.10 Fileserver-Benchmark Webserver-Benchmark Database-Benchmark Workstation-Benchmark
系統軟體及驅動程式
作業系統	Microsoft Windows Server 2003 Enterprise Edition， Service Pack 1
系統平台驅動程式	Intel英特爾Chipset Installation Utility 7.0.0.1025
顯示卡驅動程式	Default Windows Graphics Driver原定視窗作業系統驅動程式

蔡逸竹

測試結果

存取時間


介面頻寬


讀寫資料傳輸率



PCMark05量測：Windows XP啟動效能


PCMark05量測：檔案寫入效能