機械HDD（英文名稱Hard Disc Drive，簡稱HDD），驅(qū)動固定安裝在主軸上的硬磁盤并實施數(shù)據(jù)存取的設(shè)備，又稱硬盤驅(qū)動器，是一種計算機硬盤。
機械硬盤由磁頭與碟片、電動機、主控芯片與排線等部件組成。當(dāng)主電動機帶動碟片旋轉(zhuǎn)時，副電動機帶動一組碰頭到相對應(yīng)的碟片上并確定讀取正面或反面的碟面，磁頭懸浮在碟面上畫出一個與碟片同心的圓形軌道(磁軌或稱柱面)，這時由磁頭的磁感線圈感應(yīng)碟面上的磁性與使用硬盤廠商指定的讀取時間或數(shù)據(jù)間隔定位扇區(qū)，從而得到該扇區(qū)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。
機械硬盤成本低、容量大、可靠性高，主要用于數(shù)據(jù)備份、高性能計算、企業(yè)級存儲、低成本存儲與嵌入式系統(tǒng)。
發(fā)展歷史
1956年，美國IBM公司制造出世界上第一塊容量為5MB的硬盤，在此后的40多年里HDD技術(shù)一直在不斷地發(fā)展。
1956年9月，當(dāng)時IBM公司的一個工程小組向全世界展示了第一臺磁盤存儲系統(tǒng)---IBM 350 RAMAC(Random Access Method of Accounting and Control)，它的磁頭可以直接移動到盤片上的任何一塊存儲區(qū)城，從而成功地實現(xiàn)了隨機存儲。這套系統(tǒng)的總?cè)萘恐挥?MB，共使用了50個直徑為24英寸的磁盤，這些盤片表面涂有一層磁性物質(zhì)。它們被疊起來固定在一起，繞著同一個軸旋轉(zhuǎn)。這款RAMAC 當(dāng)時主要應(yīng)用于飛機預(yù)約、自動銀行、醫(yī)學(xué)診斷及太空領(lǐng)城內(nèi)。
由于RAMAC體積龐大，性能不高，使用和制造都非不方便，因此在1968 年IBM公司又提出了溫徹斯特(Winchester)技術(shù)。溫徹斯特技術(shù)的精髓是“密封、固定并高速旋轉(zhuǎn)的鍍磁盤片，磁頭沿盤片徑向移動，并且是懸浮在高速轉(zhuǎn)動的盤片上方，而不與盤片直接接觸”，這也是現(xiàn)代絕大多數(shù)HDD的原型。5后，即1973 年，IBM公司制出了第一臺采用溫徹斯特技術(shù)的硬盤，從此硬盤技術(shù)的發(fā)展有了正確的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，現(xiàn)在使用的硬盤大多是此技術(shù)的延伸。
1979年IBM公司發(fā)明了薄膜磁頭，為進一步減小硬盤體積、增大容量、提高讀寫速度提供了可能。
20 世紀(jì) 80年代末期，IBM公司發(fā)明了 MR(Magneto Resistive)磁阻。這種磁頭在讀取數(shù)據(jù)時對信號變化相當(dāng)敏感，使得盤片的存儲密度比以往提高了數(shù)十倍。
1991 年 IBM公司生產(chǎn)的3.5英寸的硬盤用了MR磁頭，使硬盤的容量首次達到了 1GB，從此HDD容量開始進入了 GB 數(shù)量級。
1999年9月7日，邁拓公司 公司宣布了首塊單碟容量高達10.2GB的ATA硬盤，樹立了硬盤容量的新里程碑。
2000年2月23日，希捷公司發(fā)布了轉(zhuǎn)速高達15000rpm(rpm，轉(zhuǎn)/分)的Cheetah X15系列硬盤，其平均尋道時間只有3.9ms。此系列產(chǎn)品的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率高達48MB/s，數(shù)據(jù)緩存為4-16MB，支持U1tra 160/m SCSI及Fibre Channel(光纖通道)，這將HDD外部數(shù)據(jù)傳輸率提高到了160-200MB/s。希捷的CheetahX15系列將硬盤的性能提高到了一個新階段。
2000年3月16日，硬盤領(lǐng)域首款玻璃硬盤問世，IBM推出的Deskstar 75GXP及Deskstar 40GV。這兩款硬盤均使用玻璃材質(zhì)取代傳統(tǒng)的鋁作為盤片，這能為硬盤帶來更大的平滑性及更高的堅固性。另外，璃材材料在高轉(zhuǎn)速時具有更高的穩(wěn)定性。
2000年9月，邁拓公司 公司5400轉(zhuǎn)的80GB星鉆一代硬盤，又成為IDEHDD市場的劃時代容量領(lǐng)先者。它采用4碟片設(shè)計，每張碟片提供20GB 的儲存容量，以100Mbit/s速率進行資料傳輸，配備2MB快取緩沖內(nèi)存。
隨著垂直存儲技術(shù)(perpendicular recording)的出現(xiàn)，將平行于盤片的磁場方向改變?yōu)榇怪狈较?翻轉(zhuǎn) 90度)，充分利用存儲空間，以便提高存儲容量。2005 年，日立制作所環(huán)儲和希捷都宣布了開始采用磁盤垂直存儲技術(shù)。
20世紀(jì)90年代伴隨Flash SSD的誕生，固態(tài)硬盤 SSD 逐漸成為機械硬盤 HDD 的主要競爭對手，機械硬盤技術(shù)發(fā)展慢慢陷入停滯狀態(tài)。
組成結(jié)構(gòu)
機械硬盤的基本物理結(jié)構(gòu)主要包括磁頭、磁道、扇區(qū)、柱面。
磁頭
磁頭是硬盤中最昂貴的部件，也是硬盤技術(shù)中最重要和最關(guān)鍵的一環(huán)。傳統(tǒng)的磁頭是讀寫合一的電磁感應(yīng)式磁頭，但硬盤的讀、寫卻是兩種截然不同的操作。為此，這種二合一磁頭在設(shè)計時必須要同時兼顧到讀、寫兩種特性，從而造成了硬盤設(shè)計上的局限。而磁阻磁頭(magnetoresistive heads，MR heads) 采用的是分離式的磁頭結(jié)構(gòu)，即寫入磁頭仍采用傳統(tǒng)的磁感應(yīng)磁頭(MR磁頭不能進行寫操作)，讀取磁頭則采用新型的MR磁頭，即所的感應(yīng)寫、磁阻讀。這樣，在設(shè)計時就可以針對兩者的不同特性分別進行優(yōu)化，以得到最好的讀寫性能。
磁道
當(dāng)磁盤旋轉(zhuǎn)時，磁頭若保持在一個位置上，則每個磁頭都會在磁盤表面劃出一個圓形軌跡，這些圓形軌跡就叫作磁道，磁盤上的信息便是沿著這樣的軌道存放的。相鄰磁道之間并不是緊挨著的，這是因為磁化單元相隔太近時磁性會相互產(chǎn)生影響，同時也為磁頭的讀寫帶來困難。磁道的磁化方式一般由磁頭迅速切換正負極改變磁道所代表的0和1來實現(xiàn)。
扇區(qū)
磁盤上的每個磁道被等分為若干個孤段，這些弧段便是磁盤的扇區(qū)，每個扇區(qū)可以存放512個字節(jié)的信息，磁盤驅(qū)動器在向磁盤讀取和寫入數(shù)據(jù)時，以扇區(qū)為單位。
柱面
硬盤通常由重疊的一組盤片構(gòu)成，每個盤面都被劃分為數(shù)目相等的磁道，并從外緣的0開始編號，具有相同編號的磁道形成一個圓柱，稱之為磁盤的柱面，磁盤的柱面數(shù)與一個盤單面上的磁道數(shù)是相等的。無論是雙盤面還是單盤面，由于每個盤面都只有自己獨一無二的磁頭，因此，盤面數(shù)等于總的磁頭數(shù)。
工作原理
硬盤驅(qū)動器是通過高新技術(shù)集成的高精度的機電一體化產(chǎn)品，主要由磁頭、盤片組、主軸系統(tǒng)、磁頭定位系統(tǒng)、讀/寫電路及控制電路等部分組成。其中，磁頭、盤片組、主軸系統(tǒng)等與鋁合金底座、頂蓋等組成一個密封的整體結(jié)構(gòu)。其中主軸驅(qū)動電機采用直流無刷電機，它直接帶動主軸及連在主軸上的盤片做等速旋轉(zhuǎn)。步進電機帶動安裝有磁頭組件的磁頭管沿導(dǎo)軌在磁盤的半徑方向?qū)さ溃⑦M行讀寫操作。空氣過濾器可使盤腔內(nèi)部獲得100級的潔凈度，從而保證長時間、高可靠性的操作。
HDD驅(qū)動器工作時，控制電路驅(qū)動步進馬達來執(zhí)行磁盤定位，由主軸馬達直接驅(qū)動磁盤高速旋轉(zhuǎn)，利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空氣懸浮力使磁頭“飛行”在盤表面(與盤的距離以微米計)，磁盤信息的讀寫操作由讀寫控制電路控制完成。數(shù)據(jù)通過盤片表面的磁化方向差異實現(xiàn)記錄。
機械硬盤性能指標(biāo)
機械硬盤的主要性能指標(biāo)包括：
1.容量
硬盤容量的單位為 GB 或TB。目前，硬盤容量一般為 250GB~5TB，多數(shù)硬盤由1~5 張碟片組成，所以又可以分為硬盤總?cè)萘亢陀脖P單碟容量。從數(shù)量上說，每張碟片的存儲容量越高，達到相同容量所用的碟片數(shù)量就越少，系統(tǒng)的可靠性也就越高。同時，高密度盤片可使HDD在讀取相同數(shù)據(jù)量時，磁頭的尋道動作和移動距離減少，從而使平均尋道時間減少，加快硬盤的讀寫速度。因此，單碟容量成了減少碟片數(shù)量最直接的辦法。目前，臺式機硬盤的單碟容量有 250GB、500GB、1TB 等。
2.轉(zhuǎn)速
硬盤的轉(zhuǎn)速是指硬盤內(nèi)電動機主軸的旋轉(zhuǎn)速度，也就是硬盤盤片在一分鐘內(nèi)所能完成的最大轉(zhuǎn)數(shù)，單位為 r/min。硬盤的轉(zhuǎn)速越高，硬盤的尋道時間就越短，內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速率就越高，硬盤的性能就越好，轉(zhuǎn)速的快慢是HDD檔次的重要參數(shù)之一。
硬盤的轉(zhuǎn)速與硬盤性能關(guān)系非常大，硬盤的主軸轉(zhuǎn)速一般為 5400~10000r/min，主流硬盤的轉(zhuǎn)速為 7200/min。由于受到制造技術(shù)的限制，硬盤轉(zhuǎn)速的提升非常緩慢，這也是新的硬盤接口出現(xiàn)后性能仍不能提升的主要原因。另外，高轉(zhuǎn)速也帶來了高熱量。
3.硬盤緩存
硬盤緩存是指硬盤控制器上的一塊存取速度極快的內(nèi)存芯片，是硬盤與外部數(shù)據(jù)總線交換數(shù)據(jù)的場所，其容量通常用 KB 或 MB 來表示。硬緩存可以加快硬盤的讀寫速度，同時也可以在一定程度上保護硬盤。硬盤的緩存主要起三種作用:預(yù)讀取、對寫入動作進行緩存、臨時存儲最后訪問過的數(shù)據(jù)，目的是解決硬盤與計算機其他部件速度不匹配的問題。目前，硬盤緩存的容量為 2MB、8MB、16MB、32MB、64MB 或更大。理論上，硬盤的緩存容量越大越好。
4.接口
HDD的數(shù)據(jù)接口主要有 ATA 和 SATA 兩種標(biāo)準(zhǔn)。ATA-5 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸速率為66.67MB/s;SATA1.0標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸速率的有效帶寬峰值為 150MB/s，SATA2.0 或2.5 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸速率為300MB/s，SATA3.0標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸速率為600MB/s。
平均尋道時間指硬盤磁頭移動到數(shù)據(jù)所在磁道時所用的時間，單位為 ms。注意它與平均訪問時間的差別，平均尋道時間越小越好，現(xiàn)在選購HDD時應(yīng)該選擇平均尋道時間低于9ms的產(chǎn)品。
6.平均潛伏期 (Average Latency)
平均潛伏期指當(dāng)碰頭移動到數(shù)據(jù)所在的磁道后，等待所要的數(shù)據(jù)塊繼續(xù)轉(zhuǎn)動(半圈或多些、少些)到磁頭下的時間，單位為 ms。
7.單磁道時間(Single Track Seek)
單磁道時間指磁頭從一磁道轉(zhuǎn)移至另一磁道的時間，單位為 ms。
8.全程訪問時間(Max Full Seek)
全程訪問時間指磁頭開始移動直到最后找到所需要的數(shù)據(jù)塊所用的全部時間，單位為mm。
9.平均訪問時間 (Average Access)
平均訪問時間指磁頭找到指定數(shù)據(jù)的平均時間，通常是平均尋道時間和平均潛伏期之和，單位為 ms。注意，現(xiàn)在一些HDD廣告中所說的平均訪問時間大部分都是用平均尋道時間來代替的。
10.最大內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速率(Maximum internal Data Transfer Rate)
最大內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速率也叫持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速率(Sustained Transfer Rate)，單位為 Mbit/s。它指磁頭至硬盤緩存間的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，一般取決于硬盤的盤片轉(zhuǎn)速和盤片數(shù)據(jù)線密度(指同一磁道上的數(shù)據(jù)間隔度)。
11.外部數(shù)據(jù)傳輸速率(External Transfer Rate)
通常稱為突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸速率(Burst Data Transfer Rate)，指從硬盤緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的速率。在廣告或硬盤特性表中常以數(shù)據(jù)接口速率代替，單位為 MB/s。
12.單碟容量
HDD中的存儲盤片一般有 1~4 片。每張片的存儲密度越高，其達到相同容量所用的盤片就越少，其系統(tǒng)可靠性也就越好。同時，高密度片可使硬盤在讀取相同數(shù)據(jù)量時，磁頭的尋道動作和移動距離減少，從而使平均尋道時間減少，加快硬盤讀寫速度。
13.數(shù)據(jù)保護技術(shù)
數(shù)據(jù)保護技術(shù)是硬盤的一項重要附加技術(shù)指標(biāo)，現(xiàn)在的硬盤除了有自監(jiān)測、分析和報告技術(shù)(Self-Monitoring、Analysis and Reporting Technology，S.MART)外，一般還擁有各自的一套數(shù)據(jù)保護系統(tǒng)，如邁拓公司 (Maxtor)公司的 ShockBlock 防振保護和 MaxSafe 技術(shù)，威騰電子公司的數(shù)據(jù)衛(wèi)士，希捷的 3D Defense 等。
14.NCQ 技術(shù)
從英特爾 ICH6R南橋芯片開始，引入了本機命令排序(Native Command Queuing，NCQ)技術(shù)。這些技術(shù)的引入使HDD工作提速，并提高了硬盤工作時的可靠性。SCSI技術(shù)超越普通硬盤及SATA 硬盤的一個重要原因就是 NCQ。通過NCQ 技術(shù)，尋道順序可以被有效地重新排列，將位于外圍的全部需求數(shù)據(jù)塊讀取完畢之后，再讀取內(nèi)部磁道的數(shù)據(jù)，通過這種方式可以大大提高尋道的速度。目前，硬盤廠商都已開始在其生產(chǎn)的硬盤中加入對NCQ 技術(shù)的支持。
15.Green Power 技術(shù)
Green Power 技術(shù)是西部數(shù)據(jù)硬盤的一項技術(shù)，具有3 大特色功能：優(yōu)化降低尋道功耗(IntelliSeek)、閑置時將磁頭撤出降低功耗 (IntelliPark)和工作負裁、智能調(diào)節(jié)硬盤轉(zhuǎn)速(IntelliPower)。這種技術(shù)被稱為綠色環(huán)保節(jié)能技術(shù)，有這種技術(shù)的硬盤被稱為綠盤。
16.功耗
部分企業(yè)級機械硬盤（如希捷30TB銀河M）的平均閑置功率約為6.9W，隨機讀取時的最大運行功耗為9.5W。
以上參考來源：
常見分類
特色功能
機械硬盤 HDD 與固態(tài)硬盤 SSD 相比，有以下顯著特點：
以上參考資料來源：
應(yīng)用場景
根據(jù)機械硬盤較高的存儲容量和成本效益，常常被用作以下場景:
1.數(shù)據(jù)備份：機械硬盤可用于存儲大量數(shù)據(jù)，如備份、數(shù)據(jù)倉庫等。
2.高性能計算(HPC)：機械硬盤可以作為高性能計算集群的存儲設(shè)備，為大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和分析提供支持。
3.企業(yè)級存儲：企業(yè)級存儲系統(tǒng)通常需要較大的存儲容量和較低的成本，機械硬盤能夠滿足這些需求。
4.低成本存儲：對于預(yù)算有限的用戶，機械硬盤可以提供較大的存儲容量，同時價格相對較低。
5.嵌入式系統(tǒng)：機械硬盤在嵌入式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，如汽車電子、工業(yè)控制等。
發(fā)展趨勢
隨著固態(tài)硬盤技術(shù)的不斷迭代發(fā)展，固態(tài)硬盤的制造成本逐漸下降，性能已經(jīng)被固態(tài)硬盤超越的機械硬盤，銷售量處于不斷萎縮中。2022年第三季度全球機械硬盤出貨量為3839萬塊，環(huán)比下降14.0%。2023年二季度機械硬盤銷售報告，當(dāng)季總量為3080萬~3220萬塊之間，比去年同期下滑了20.2%。
參考資料 >
機械硬盤.中國大百科全書.2024-01-11
機械硬盤銷量慘淡還要漲價？這事不是沒可能.微信公眾平臺.2024-01-12
硬磁盤驅(qū)動器.中國大百科全書.2024-01-12
基于 HAMR 平臺，希捷推出 30/32TB 容量 Exos M 系列機械硬盤.IT之家百家號.2025-11-21
機械硬盤銷量“塌方”:面對SSD只差繳械了.騰訊網(wǎng).2024-01-12
2022年第三季度全球機械硬盤行業(yè)統(tǒng)計信息.國家發(fā)展和改革委員會網(wǎng)站.2024-01-12