高级格式化系列硬盘的“免费大餐”

lianguio · 发表于 2010-2-1 14:23:01


	高级格式化技术解析　宽带的普及和高清影音的流行，使得人们对硬盘容量的需求也水涨船高。虽然如今硬盘的最大存储容量已经达到了2TB，但是对于那些高清爱好者来说依然是杯水车薪。此外，由于操作系统和硬盘厂商对于硬盘存储容量的计算方法有着不同的标准，例如操作系统认为1KB=1024byte，1MB=1024KB=1048576byte，而硬盘厂商却认为1KB=1000byte，1MB=1000KB=1000000byte，所以用户在买回硬盘之后，总是会发现系统认出的容量要比硬盘的标称容量少一些。而且容量越大的硬盘，“缩水”的空间也越多，这也让不少用户感到心里不舒服。　　不过就在2009年步入尾声之时，西部数据推出了采用高级格式化（Advanced Format）技术的新型硬盘产品。西部数据声称，与之前的硬盘相比，新型硬盘将可以节省下7%～11%的存储空间，板载缓存的容量也从32MB扩大到了64MB，价格却与老产品完全一样。这等于为用户献上了一道免费的大餐，同时也勾起了许多玩家的好奇心：高级格式化技术究竟使用的是什么魔法呢？采用高级格式化技术的WD10EARS硬盘已经上市了解高级格式化　　在硬盘容量还在以MB计算的年代，机械硬盘在读取和写入数据时，都是以512byte大小的扇区（Sector）为单位进行划分。然而在硬盘容量飞速提升、各种操作系统和应用软件占用的空间动辄达到几百MB甚至是几GB的今天，这种传统的512byte扇区分配标准已经显得老态龙钟。　　为了解决这一问题，硬盘行业早在1998年就开始了将扇区容量扩大到4KB的研究工作，这一技术就被称为“高级格式化”（Advanced Format）。为什么选择4KB来替代512byte，而不是2KB或8KB等其他标准？这是因为4KB在计算机系统中有着极为特殊的地位。在x86架构中，内存的分页（Page）容量就是4KB；在磁盘文件系统中，NTFS、EXT3、HFS+格式的簇（Cluster）容量同样也是4KB。这样4KB扇区不仅正好可以装满一个内存页，而且刚好映射着磁盘分区中的一个簇，理所当然成为了高级格式化技术的最佳选择。　　随着技术的进步，硬盘的单碟容量和存储密度也在不断增大。但是这也会使磁头读取磁盘时的信噪比（SNR）出现明显下降，也就是说读取数据时会更加容易出现错误。为了提高数据读取的可靠性，硬盘厂商必须为其加入ECC校验码，但问题在于，增加的ECC校验码也需要占用一定的存储空间，也就消耗了部分存储密度上升所带来的多余空间。因此虽然4KB扇区的研究工作很早就已经开始，但是相关的产品却迟迟未能面世。　　不过对4KB扇区支持良好的Windows 7的上市，给高级格式化技术的推广带来了新的契机。按照传统的硬盘扇区分割机制，每两个512byte扇区的数据之间，都需要间隔一个同步/分隔（Sync/DAM）区域和一个ECC错误校验区域。而在高级格式化模式下，单个扇区容量达到了4KB，相当于将之前的8个512byte扇区合而为一，而以前的8个同步/分隔区域和8个ECC校验区也都浓缩到只有1个。换句话说，高级格式化技术可以让新硬盘的扇区“一个顶八个”，同步/分隔区域与ECC检验区域对空间的占用也能大大减少，显然这就为硬盘节省出了更多的可用空间。扇区划分单位从512byte增加为4KB之后，可以节省更多空间高级格式化的优点　　明白了高级格式化技术的原理之后，我们再来看看这项技术理论上可以为硬盘节省下多少存储容量。　　在扇区容量更大的情况下，ECC错误校验的效率也更高。例如1个512byte扇区需要40byte的ECC校验区域，这样8个512byte扇区的ECC校验区域就需要占用40×8=320byte的存储空间。而4KB扇区的ECC校验区域只需要占用100byte，这就为硬盘节省下了320-100=220byte的存储空间。　　如果仅仅从ECC校验区的空间占用来看，4KB扇区较512byte扇区节约的空间大致为220byte/4096byte≈5%，为什么西部数据却声称可以节省7%～11%？西部数据的解释是，根据碟片密度的不同，扇区之间还存在有一定的间隙“Sector Gap”。而采用高级格式化技术不仅可以节省7个同步/分隔区域和7个ECC检验区域，而且还能省下一定的Sector Gap间隙空间，因此一共可以为硬盘节省下7%～11%的容量。　　高级格式化技术带来的好处还远远不止这些。因为扇区从512byte提升到4KB之后，还能够在纠错时一次性更改更多的数据，这样可以大大提升“突发纠错”（Burst Error Correction）的效率，而硬盘碟片的纠错性能也提高了50%，整体容错能力跃升了两个数量级。除此以外，高级格式化技术还可以提高硬盘碟片的格式化效率，包括硬盘的良品率、实用性和可靠性也都会有明显提升。高级格式化的问题　　由于采用高级格式化技术的新硬盘刚刚上市，并且只有Windows 7和Windows Vista等操作系统可以直接管理4KB扇区，所以为了保证与操作系统的兼容性，实现512byte扇区到4KB扇区的平稳过渡，西部数据采用一种模拟技术将4KB的逻辑扇区在硬盘固件中模拟为8个512byte的逻辑扇区。但是这种做法在硬盘扇区和簇的“校准”方面依然存在一个问题。如果用户电脑文件系统的4KB簇正好与硬盘中的4KB扇区完全对应，则不会产生任何问题。但是如果4KB簇所对应的8个512byte逻辑扇区横跨了2个4KB物理扇区，那么对1个簇的数据读写就需要同时对2个扇区进行操作。这样就会带来明显的转换延迟，尤其是会严重降低硬盘的随机写入性能。在我们所熟悉的Windows操作系统中，Windows 5.x系列（包括Windows 2000、XP、2003等）的第一个分区是从LBA 63，也就是第63个512byte扇区开始的。4KB扇区相当于以前的8个512byte扇区，而63又并非8的整数倍，因此如果在4KB扇区硬盘上使用Windows 5.x系统，必然会出现前面所说的校准问题。　　为了解决这一问题，西部数据提供了两种方案：一是短接硬盘的7号和8号跳线，这样硬盘控制器芯片就可以提供一个逻辑分区的偏移量，使LBA 63变成LBA 64从而解决校准问题。不过该方案只能适用于整个硬盘只有一个分区的情况；二是下载和安装一款免费的WD Align分区校准工具软件。该工具可以移动分区和数据，将文件系统簇与4KB扇区对齐。但是由于WD Align需要移动整个硬盘的数据，所以用户最好在分区或操作系统安装完毕后即使用该工具进行迁移。　　　因为当前不少硬件和软件都没有对高级格式化技术提供支持，所以即使用户电脑上的操作系统是支持4KB扇区的Windows 6.x系列（包括Windows 7、Vista、Server 2008等），在使用Ghost、Acronis Disk Director Suite等磁盘镜像工具时仍然可能会出现兼容问题。并未增大的容量　　　理论上来说，由于采用先进格式化技术，硬盘省下了7％～11％的空间，那么采用这种技术的硬盘产品格式化后容量应该相应地增大。可惜事实往往不像愿望那样美好。　　由于上市速度很快，市场上已经能看到WD10EARS和WD15EARS硬盘出售，笔者抢在第一时间购入了一块WD15EARS硬盘。然而在按照提示安装完新硬盘并运行WD Align软件之后，格式化后的新硬盘容量居然与普通的1.5TB硬盘一样，仍然是1.36TB，新型硬盘在格式化后的存储容量较老产品并无任何提升。　既然容量没有提升，那么难道是新硬盘上存储的数据可以占用更少空间？笔者将一块WD15EADS老硬盘与WD15EARS新硬盘同时接入系统，并将WD15EADS中的部分数据复制到WD15EARS中进行横向对比，结果不论是单个近10GB的大文件还是若干个小个头的零碎文件，在新老两块硬盘中占用的空间都完全相同。　　不论是大文件还是零碎的小文件，在新老两块硬盘上占用的空间完全相同　　在新硬盘拷入14.8GB数据并运行了长达一个小时的WD Align工具转换后，新硬盘容量比老硬盘增加了1500299390976－1500299264000=126976字节，完全可以忽略不计。将新硬盘格式化并删除分区，然后重新建立分区并格式化，容量又恢复到1500299264000字节。　　那么高级格式化技术节省下的空间究竟去哪了？西部数据给出的解释是，高级格式化技术能够让硬盘厂商在碟片上省下更多空间，对于降低产品的制造成本有所帮助。因此对于最终消费者来说，新产品只能带来更强的纠错性能、更高的格式化效率以及更好的可靠性，至于那10%的容量么，看来只是一块吃不到嘴的“馅饼”。当然，或许我们可以期待，采用先进格式化技术的硬盘价格会有一定程度的降低，毕竟先进格式化也是硬盘发展的趋势所在。