放著不動,光碟和硬碟那個比較可靠? - 儲存設備

光碟的部分我不懂 僅關於硬碟的部分就原理上提供一些知識
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硬碟的碟片表面基本上會有一層濺鍍上去的磁性層(上面還有多層coating就不講了)
忘記是04還05年後主要都是PMR垂直紀錄
PMR的意思是 利用磁性(北極方向)向上或向下來當作位元0、1
相較傳統式水平磁紀錄的磁性是在碟片方向上的
垂直式顯然具有能在單位面積中塞入更多記憶單元的優點 這很早就被想到
但因為幾何的因素 要在奈(微)米級薄膜上把磁性單元做在垂直方向有天生的困難
所以直到這個decade才出現PMR
(注意 PMR可以想像其中磁區的磁性方向只能在垂直方向而不能躺到碟片平面上
真的要說就是在domain wall才可能躺到碟片平面
但真正紀錄位元的磁區磁化方向在水平方向上真的很少很少)

一個位元的儲存 他的磁力方向不是上就是下 他只有兩個穩定態(state)
要想像它在不同狀態下的位能圖 你可以伸出你左手的食指中指無名指比"3"
兩個指縫間的低谷處就是磁力方向上、下
用一般的重力位能來想像這個磁力位能
假設有一台車停在你食指這座山的左坡半山腰
它會自然地滑落到食指和中指間的山谷
也就是說
假設某時候某個磁區的磁力方向剛好不是上或下
那它會自然地滑落到離他最近的山谷去變成指向上或下 並穩定在那裏

現在保持左手比著"3" 注意你的中指 (不是"凸"喔)
它是兩個平衡態中間的能量障礙(barrier)
用位能來說 就是要從一個山谷到達另一個山谷的過程中要克服的障礙
這個障礙越高越寬 那被它分割的兩個山谷就越"穩定"
一個自以為還不錯的比喻是
在空的製冰盒其中一個小方格注入一些水然後稍微搖晃
如果分隔相鄰兩個格子間的障礙越高越寬 那水就越不容易跑到附近的格子 這就是穩定
這個"穩定"就傳統物理(也就是日常生活經驗)的角度來說
就是晃動的能量要大於能量障礙才能打破能障跑到另一邊
不夠大的晃動會被這個能量障礙擋回來
不過 實際上磁性的主要貢獻來自於電子的運動和自旋
它是非常"量子"的行為 (也就是說 非常不傳統 不直覺)
鼎鼎大名的"穿隧效應" 就是其中一種很不直覺很不傳統 但百分之百可能的量子現象
在量子的世界中 不用打破或超越能障就可能突破能障到達另一邊(假設能障不是無限大)
(所以用"打穿一個隧道通過能障"來命名穿隧效應)
我不講太多量子物理 就講簡單的真實例子說明這兩者的差別 (物理上也真的是)
就像對著窗子丟球 若不夠用力就彈回來 夠用力就破窗而出 這是傳統物理
對著窗子照一道光 就算這道光的能量很弱它還是有部分穿出去了!!!
當然 能量障礙相對於擾動越大 則能"穿隧"過去的機率越低 就越穩定

在真實硬碟的碟片上 主要的晃動擾動是磁頭的讀寫、飛掠還有溫度效應
現在考慮一塊不通電的硬碟 那就沒有磁頭的問題 就只考慮溫度
有一點熱力學概念就知道 溫度可以想像成原子分子無規則的振動 越高溫振越大
可以簡單的想像 高溫的碟片就是在給予每個磁區較大的擾動
每個紀錄位元的"態"就有較高的機率"穿隧"到另一個相反的"態"
也就是一個紀錄失敗的發生
注意到在量子力學中有"零點位能"的存在 降到絕對零度仍然還有溫度造成的擾動
也就是說 就算再怎麼降溫 光是溫度的擾動都"可能"改變把碟片上的某個位元
這個機率是絕對避免不了的

據我所知 真實磁紀錄碟片的設計 是把0、1兩個狀態間的能障設計成:
在室溫下整顆硬碟平均十年出現一個穿隧現象
(當然電子儲存還有很多糾錯的設計在其中 這是另話)
除了因應量子力學的設計 整個硬碟各部分的耐用性都值得疑慮
事實上硬碟是非常非常精密的東西
你們知道碟片在旋轉時讀取頭在表面飛掠的高度離碟片只有幾個到十幾個奈米嗎?
然後還要每秒讀寫幾十到一百出頭MB的資料
這就像是開著一架波音747客機以N倍音速在離地不到一公尺飛行
還要每秒中數清楚地上的幾億顆雜草各是多少有多少片葉子
馬達軸心的狀態還好嗎? 是否軸承還哪裡潤滑失效或氧化什麼的多了點震動磁頭就撞山了
(其實也沒這麼嚴重 因為磁頭在碟片表面是靠氣墊效應貼地飛行的)
電路板各處的氧化是不是還可接受? 等等等問題
總之 個人認為 期待一顆硬碟放著不動完整保存資料十年是不切實際的想法

不知道光碟片紀錄反光與否(打洞凹凸)的詳細原理是如何
個人猜測是跟材料耐久性質還有密封品質有關係
看有沒有其他大大補充說明了

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其實兩態中間的能障也不是越大越好
大能障也代表寫入困難 也就是要在讀寫頭的電磁鐵加大電流 且讀寫要久一點
大電流代表高溫其實也不利 寫入又慢
而且硬磁(磁性方向較難翻轉)物質通常飽和磁化量較小 也就是磁性較難讀取
在可讀性、可寫姓、穩定性這三者間取得適當合理的平衡
是碟片上磁性層設計的基本矛盾

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