談硬碟的原理以及選購時的注意事項

硬碟選購需要注意什麼? 從選購到分割區規劃(Partition)為你深入解析！

• 硬碟如何運作？內部主要元件隱藏著精密高科技

        ＞磁片是高容量硬碟重要關鍵
        ＞以奈米nm高度漂浮的讀寫磁頭
        ＞伺服馬達(液態馬達)帶動磁片高轉速讀寫資料
        ＞硬碟控制電路板，SAS介面比SATA介面更適用企業級

• 硬碟容量如何選購？高容量CP值越高？
• 硬碟需要分割並格式化 Format 才能使用
• 個人、企業使用戶分別該如何分割硬碟、規劃檔案存放？
• 如何格式化硬碟機？

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大部分人在選購電腦時，對於CPU、顯示卡、DRAM的規格效能很在意、講究。但硬碟的選購大多只以容量做為考量點。然而，我們所需用到的檔案、圖片、影音、作業系統、操作程式…等非常重要的資料，都是儲存在硬碟內，對於需要使用大量檔案的工作者來說，硬碟效能更是重要。
 

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硬碟如何運作?內部主要元件隱藏著精密高科技
市售硬碟尺寸有2.5吋和3.5吋。2.5吋主要為筆記型電腦用硬碟，3.5吋則為桌上型電腦、企業級伺服器使用。現今硬碟的研發，一直朝著「高容量」、「體積小」、「讀寫速度快」升級，因此硬碟的各元件，也不斷朝『輕、薄、短、小』方向研發。
而究竟硬碟是如何「紀錄」我們所儲存的檔案資料？了解硬碟的儲存原理前，首先，為各位說明電腦的「二進位演算法(Binary)」。

所謂的『電腦』二進位就是『＋or ㄧ, 0 or 1』兩種狀態，而電腦的資料就是大量的 01010101101100…….運算。硬碟機是磁性儲存設備( Magnetic storage )，也是以二進位方式儲存，將 01010101101100… 以二進位方式儲存的『磁性設備』。利用『磁性』隨意改變極性『＋or ㄧ, 0 or 1』將資料寫入硬碟磁片表面記錄資料，能夠「重複讀寫」並能永久保存，早期『錄音帶』『錄影帶』產品也都是 Magnetic Recording ，屬於『永久記憶體』。註：有『類比』『數位』區分，硬碟是『數位』。

磁片是高容量硬碟重要關鍵
硬碟要追求高容量，最關鍵元件就在於『磁片』(Disk or Platter)，我們所存放在硬碟的資料，就儲存在磁片表面一層極薄的磁性介面 Magnetic。
磁片是磁性紀錄元件，表面濺鍍一層極薄數量龐大的『磁粒子』界面，將電腦運算所產生的0101010010…...以二進位原理將『磁粒子』磁化，每一『磁粒子』紀錄『＋or ㄧ, 0 or 1』（註：磁粒子事實上並非『顆粒』，但儲存單位相同，為了讓人容易理解而用『磁粒』一詞） 而究竟一顆高容量硬碟上需要多少磁粒子記錄? 我們來換算一下單位，了解硬碟的磁粒子龐大數量：
1Byte = 8 Bit =ABCDEF abcdef 01234 @#=+-…….. 
1KB = 1,024 Byte x 8bit = 8,192 bit
1MB = 1024x1024=1,048,576 Byte x 8 bit = 8,388,608 bit
1GB= 1024x1024x1024=1,073,741,824 Byte x 8Bit = 8,589,934,592 Bit
1TB= 1024x1024x1024x1024=1,099,511,627,776 Byte x 8 Bit = 8,796,093,022,208 Bit。共 8兆...數量夠驚人吧！


硬碟磁片上的磁粉粒子數量，肉眼不可視。

磁片科技為了追求高容量，必須將磁粒子愈做愈細小，磁粒體積愈小磁片表面就可以濺鍍更多數量磁粒子，容量相對也提高。體積的縮小，通常都是以1/2做切割，當磁粒子體積縮小1/2，也就是可以濺鍍兩倍數量的磁粒子在相同半徑的磁片表面，容量便增加一倍，從1 TB提升至2 TB。
而為了追求「讀寫速度快」甚至磁片也必須愈做愈小，磁片半徑愈小，讀寫磁頭來回移動距離縮短，便能提升讀寫速度。但當磁片半徑從3.5吋縮小成 2.5吋，為了提高容量，磁片表面就必須塗佈更多數量的磁粒。
如此精密的硬碟，生產過程中絕對不能有任何污染，一點「雜質 Particle」都不能有，全程需在台積電晶圓廠等級的『高潔淨度無塵室』內。濺鍍在磁片表面上的作業，也是全程在高潔淨度無塵室。

(註：檢視『Particle 雜質』是用『高倍數顯微鏡＋雷射儀器』檢視。肉眼可視的灰塵，已超過容許的標準數千倍。)
(註：在10幾年前，磁片因為物理極限，已更改為更高科技的『薄膜磁片』而非磁粒子，精密度更加提升！）














以奈米nm高度漂浮的讀寫磁頭
硬碟的讀寫磁頭(Read/Write Heads)運作原理，是利用磁片在硬碟內部密封空間高速旋轉時，產生的強大氣流，只要將氣流控制穩定，即可利用『氣流』將讀寫磁頭撐起漂浮在磁片表面快速來回讀取。

如同『磁浮列車』的概念，磁頭是漂浮在磁片表面並不接觸，所以能夠快速來回移動。讀寫磁頭的漂浮高度若飄太高，會導致訊號太弱；飄太低又會磨損磁片表面。我們最常以飛機飛行高度來比喻，一架 747 飛機貼著地面高速飛行，其飛行高度約只有1英吋(2.5 公分)，隨便一顆小石頭就會擦撞到飛機機腹，導致整架飛機墜毀。而磁頭的『飛行高度 Flying High』是以奈米nm單位來計，以肉眼看來說幾乎是貼著磁片了！

磁片表面因無任何東西接觸，基本上是永遠不會有磨損，資料得以永久保存。但在使用硬碟時，磁頭奈米單位的飄浮高度，很容易因硬碟有輕微碰撞、抖動，使磁頭擦傷磁片表面，導致資料被破壞，這也就是硬碟非常怕碰撞原因。因此，這邊也建議各位在安裝硬碟時，一定要確實將硬碟固定，並減少硬碟運作時產生的震動，更是要避免碰撞而導致硬碟損毀。





伺服馬達(液態馬達)帶動高轉速讀寫硬碟
硬碟馬達(Spindle motor)技術則相對單純，磁片安裝在硬碟馬達上，帶動磁片高速旋轉，使磁頭讀寫使用的檔案資料。這樣的運作，大致上可以理解當轉速越快，讀寫的時間也就越短。市售的硬碟每分鐘平均轉速有5,400rpm、7,200rpm，是目前筆記型電腦和桌上型電腦最常見的轉速，又以7,000rpm為主流，為了保持高轉速讀寫快速和穩定無抖動，長年高速旋轉機件不耗損，已由早期的軸承馬達進步成液態馬達。

硬碟控制電路板，SAS介面比SATA介面更適用企業級
硬碟的背部有一片控制電路板(PCBA)，主要功能是硬碟的電源以及讀寫控制。控制電路板上有許多電子元件，然而如今的技術已非常成熟，不容易故障。電路板主要以SAS、SATA介面區分，而SAS會比SATA更適用企業級。
SAS硬碟 (早期是SCSI）是設計給 Server 使用，能夠負荷Sever 24小時不關機運轉的使用狀態，SAS硬碟的品質都相當高；SATA硬碟(早期是 IDE）則是一般 User 使用，不建議用在 Server。（後續會有更深入說明關於SAS、SATA硬碟文章）

透過硬碟元件的解析，我們了解到硬碟的內部機件非常精密，是非常高科技的產業技術，在台灣， IT 高科技目前只有『 硬碟』 還無法自行研發製造（CPU 台積電已有能力開發，只是不和大客戶 AMD, Intel 搶生意）。IT 產業已發展 40 年，硬碟科技目前還是由兩大美商公司Seagate, WD掌握。
 

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硬碟容量如何選購?大容量CP值越高？
多數人對於硬碟容量選購，有購買越高容量的硬碟性價比越高的迷思。這邊想跟各位建議「硬碟容量夠用就好」，不必追求一輩子都用不完的高容量硬碟。 硬碟容量愈高愈精密愈易故障。以筆者自身的經驗，多年前購買的500GB硬碟至今還可正常使用，反而近期購賣的 1TB，2TB硬碟較不穩定。

然而，如果你有高容量儲存的需求，建議在選購硬碟時以分散風險的概念來購買。假設你有8TB的資料儲存需求，比起直接買一台 8TB硬碟，買 4台2TB的硬碟是更理想的。雖然這樣會讓預算提高，但以長遠來看，畢竟硬碟內儲存的都是非常重要的資料，如遇到硬碟損壞的情況， 一台 8TB硬碟內的資料都會全部損毀；硬碟在製作過程都需經過嚴格品管，都有一定的穩定度，若是選購4台2TB的硬碟，要遇到4台硬碟同時損壞的機率是非常低的。只用一台 8T硬碟，故障時 8T資料都損毀，改用4台2T硬碟，故障時只 2TB資料損毀。建議分散風險。
 

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硬碟需要分割並格式化才能使用
選購一台全新硬碟後，不論是使用在Windows、Mac還是Linux作業系統，都需要先『分割 Partition 』再『格式化 Format 』才能開始寫入檔案，無法只分割不格式化，未分割的硬碟也無法格式化。所有作業系統都有內建『磁碟分割』、『磁碟格式化』工具 (如Windows 磁碟管理員、Mac 磁碟工具程式、Linux gdisk ,fdisk)，雖然網路上也有許多分割、格式化工具，但如果沒有其它特殊功能需求，建議還是直接用自己電腦作業系統內建的工具，因為一定和作業系統的檔案管理 File manage 100%相容。

磁碟分割是一種『虛擬化』觀念，一台2TB硬碟可以分割成500GB + 500GB + 1,000GB 分割區，隨時也可改成分割為300GB + 400GB + 600GB + 700GB 分割區。也就是說，可以拿在手上的2TB硬碟，無論如何都還是2TB硬碟，是不變動的實體硬碟，而2TB 硬碟隨時可以分割成1至數個不同容量的『分割區』，屬隨時可變動的虛擬概念。簡單形容，就如同有一間 200 坪房子，可隔間成1至數個大小不同坪數的區域。200坪的房子是已固定無法改變的『實體』空間，可隨時變更的各區域隔間則是『虛擬』空間。
 

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個人、企業該如何分割硬碟、規劃檔案存放？分散風險？
『分割』作業對於未來檔案的存放、管理、使用，非常重要。磁碟分割若規劃錯誤，會造成很多不便；若規劃的好，在使用上會相對輕鬆很多。建議各位，開機系統 Windows 、MacOS、Linux Boot 如單獨安裝一台 SSD開機速度較快速，然而電腦若只安裝一台傳統硬碟時，建議先分割成3個 Partition，並預設安裝在第一個Partition（本章以主要實用的狀況來說明，其它技巧改成第2、第3個Partition這邊先不討論）。

對於『個人End User』來說，使用的檔案至少會分類成『作業系統檔案』、『資料檔案』，也就是大部分人使用的 C: D:。然而，資料檔案又可能有不同需求分類，像是「工作資料夾」、「照片」、「影片」…等，
大部分使用者都是直接在D:內做資料夾分類，這樣的方式對使用者本身來說確實有分類歸納，但對硬碟來說，這些檔案資料仍是放在同一區域Partition。建議各位將硬碟分成多個分割區(C: D: E: F: G:...等)，分割成『開機系統 Windows Boot』、『資料區 Data』、『其它』。將磁碟分割多個Partition的好處，除了檔案不雜亂、方便管理，更重要的是能風險分散。如果遇到硬碟受損需要救援資料的狀況，其中一Partition受損，只會影響此 Partition 內檔案，其它 Partition 檔案不受連累，未來資料救援上也會比較容易。

如果是『企業使用戶』，檔案存放規劃就會更複雜、更龐大，因企業多數是「多人多工」作業，檔案都是『共用』需要更仔細規劃，建議企業使用戶以下列方式規劃檔案的存放：

1. SSD 磁碟--安裝開機系統(Windows、Mac或是Linux)單獨一台硬碟 or SSD
開機系統單獨一台 SSD，和後面 SQL， File Server 分開存放，通常企業級 Server 都是24小時全年不關機，且 OS Boot 後，即將 Controller 交給 File manage，加上開機系統的硬碟是獨立的，如有故障狀況也不連累後面其它硬碟。

2. SAS 硬碟--SQL Database 獨立一台專用 SAS 硬碟(建議不要用SSD)
SQL Database 建議也單獨一台硬碟存放，是因為SQL檔案隨著企業成長，Mdf size也會一直成長，甚至達數拾GB，因此SQL database engineer 讀寫會非常忙碌，建議讓這台硬碟只負責 SQL。

3. 高容量 RAID--當成 File Server 且依部門「業務」、「財務」、「管理部」、「研發」分割數個Partition，各部門單獨一個Partition存放資料檔案。








 

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如何格式化硬碟機？
當分割區建立完成後，接下來工作就是『格式化 Format』，這也是『虛擬化』過程。格式化的最主要用意是選用哪一種『檔案系統 File system』。每一種 File System 都有其用途，這部分較艱深難懂，建議各位使用『預設值』即可。所有作業系統內也都有內建格式化工具，Windows磁碟管理，可選用 FAT32, NTFS；Mac磁碟工具程式，應該都是APFS, HFS；Linux\mkfs，有ext3,4 XFS……。

跟各位說明重要觀念「格式化是對單一分割區做 Format，不是整台硬碟」。所以執行格式化時，是先選出一個『分割區 Partition』後再『格式化』(不過現在 Windows Mac 都已將『分割＋格式化』結合一起完成)。格式化時會顯示數個欄位值供選擇，這部份可以不用花太多心力暸解，建議各位都選用預設值即可，也較安全。當格式化成功後，就可開始寫入檔案。
 

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透過本章了解硬碟原理，為各位總結在選購、使用硬碟時須注意事項：
1.硬碟構造精密，須注意確實安裝，並避免使用時有任何的碰撞、摔落。
2.依照使用需求選擇硬碟介面，SAS介面比SATA介面更適用企業級。
3.硬碟容量夠用就好，如有高容量需求，推薦你以分散風險原則選購硬碟(以多台小容量替代一台大容量)。
4.依照使用對象，檔案種類規劃硬碟分割區，確實分配檔案存放，使檔案不雜亂、方便管理，並能確保未來如遇到硬碟損壞，資料救援也會比較容易。

硬碟內儲存了我們重要的資料，然而這幾年可能因市場低價競爭，加上容量太大精密度更高，硬碟狀況似乎也變多了。提醒各位『務必勤做資料備份』。
後續文章會再與各位談資料備份、硬碟常見故障以及自我檢測初步排除故障方法，讓各位能了解如何解決在日常使用中的常遇到的硬碟故障狀況。