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大容量、小体积是移动存储设备发展的必然趋势，在此背景下，微硬盘应运而生，带来了移动存储的技术革新。本文中，我们将从技术层面对微硬盘进行一次深入的解析，认识它小小身躯内的海量世界。
一、初识微硬盘
微硬盘(Microdrive)，最初是由IBM以CF标准为平台研制，是以磁记录为原理的移动存储介质产品。现在的微硬盘几乎都是采用的CFⅡ接口标准，在CF的基础上扩大了存储空间，并且改善了电气性能。
只要碟片尺寸在1.8英寸以内，采用标准硬盘结构的存储设备，我们都可以称之为微硬盘。与CF卡相比，Microdrive的最大优势是单位存储容量的价格更低。Microdrive采用的硬盘技术具有低成本高容量的特点，使其有足够的理由成为采用固态存储技术的存储设备(如闪存、CF卡、SONY记忆棒等)的替代品。
图1： IBM的微硬盘
图2： 东芝最早推出的0.85英寸硬盘，获得了吉尼斯世界纪录“世界最小的硬盘”称号。
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二、微硬盘与传统硬盘的结构区分
传统硬盘相对微硬盘而言，马达转速更高，这在很大程度上决定了硬盘的最终速度。目前主流硬盘的转速为7200rpm。为了控制高速带来的磨损加剧、温度升高以及噪声增大等负面问题，采用了液态轴承马达(Fluid Dynamic Bearing Motors)来提高抗震能力、减小摩擦以及降低温升和噪音。
其次，传统硬盘盘片面积大，结合多碟片结构，可以大幅度提升硬盘容量。对微硬盘而言，碟片面积越来越小，采用多碟片结构的可能性不大。提高硬盘容量的很重要的一个方面，就只有从磁盘密度入手。
第三，传统硬盘盘体厚，便于一次铸造成型，强化散热性能的同时又增强了盘体强度。其磁头组件如图4所示。
从图4可以看出，传统硬盘的磁头组件最明显的就是采用了多磁头组合，这样可以同时读取多个盘片。而微硬盘受限于体积，采用多磁头结构显然不太可行。
图3： IDE硬盘结构
图4： IDE硬盘磁头组件
微硬盘虽然体积小，但从内部结构来说，其复杂程度丝毫不逊色于普通桌面硬盘和笔记本电脑硬盘。结合以上普通硬盘的结构特点，我们再来看看微硬盘的内部结构。
图5： 微硬盘的内部结构
可以看出，在微硬盘小小的腔体内同样设置了完备的硬盘部件：磁盘片、巨磁阻磁头(GMR)、控制电路、主轴电机和接口电路。早期的微硬盘产品，盘片记录密度为15.2GB/平方英寸，转速为3600rpm或4500rpm，标准工作电压为3.3V或5V。经过后续发展，在图5中我们看到的日立公司的这款1英寸的微硬盘产品，其容量已经达到了4GB。这个高容量的微硬盘，采用了日立从IBM继承来的Pixie Dust(仙尘)技术，并采用了尺寸仅0.85mm×0.70mm×0.23mm的“飞米级滑行读写磁头(femto slider)”，对提高记录密度起到了至关重要的作用。
与原来的微硬盘采用的1.25mm×1.0mm×0.3mm的“皮米级滑行读写头”相比，该技术缩小了磁头尺寸，将磁头浮起量减少了40％，提高了数据记录密度，扩大了记录区域，同时也提高了抗冲击能力。使用飞米级磁头可增加盘片外围的记录区域，从而增加了10％的记录区域。同时，抗冲击性也由原产品的1500G提高到了2000G。在微硬盘内部也采用了防冲击结构，避免了外力冲击对内部结构的破坏，重量仅为16克。可见，微硬盘在桌面硬盘结构的基础上对个部件进行了全方位的改进。虽然体积小，但结构复杂程度丝毫不减。
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三、微硬盘技术揭秘
了解了微硬盘内部结构，我们将继续深入地对微硬盘的相关技术进行分析。
首先，微硬盘依然采用的是温彻斯特(Winchester)架构。温氏硬盘的结构，简单来说就是“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片、磁头沿盘片径向移动”。
温氏硬盘是一种可移动磁头＋固定盘片的磁盘存储器，磁头定位的驱动方式主要有步进电机驱动(已淘汰)和音圈(Voice Coil)电机驱动两种，其盘片及磁头均密封在金属盒中。金属盒内是高纯度气体，以保证硬盘工作期间磁头是悬浮在盘片上。目前微硬盘依然采用的是这种结构。当然，作为“迷你化”的硬盘，微硬盘也具有其自身的一些特色。
1.磁头组件
微硬盘的磁头组件在现有的GMR(巨磁阻)磁头的基础上进行了更深入的改进。整个磁头组件由读写磁头、传动手臂和传动轴三部分组成。微型传动臂采用了悬浮结构，加电后悬浮在盘片表面，支撑磁头对盘片进行数据操作。读写磁头则采用了新型的技术，其结构如图6。
图6： 微硬盘磁头组件
图7： 读写磁头
图7中的标识1为早期微硬盘使用的nano ABS(毫微米)结构模型，标识2和标识3为pico ABS(皮米)结构模型。磁头从毫米结构发展到皮米结构，实现了微硬盘容量从340MB到1GB的跨越。现在的微硬盘采用的飞米级滑行读写头更是将微硬盘的容量提高到了4GB。可以预料，以后随着微型磁头的发展，将更大程度地提高读写密度和精度，从而更进一步的提高微硬盘的容量，比如未来可能出现的60GB的微硬盘。
磁头组件驱动机构由音圈电机和磁头驱动小车组成，并具防震结构。高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并在很短的时间内精确定位到系统指令指定的磁道上，保证数据读写的可靠性。
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2.马达
微硬盘的马达在硬盘性能中非常关键。我们可以简单地将微硬盘马达的性能概括为低噪、低热、节能、高速以及稳定。
图8： 马达
从图8中可看到标准微硬盘的马达结构，包括定子，转子和滚珠轴承，这是滚珠轴承马达结构。现在微硬盘多采用液态轴承(Fluid Dynamic Bearing)，可进一步减小摩擦和发热，同时降低噪音，也具备更好的抗震性能。
注：关于滚珠轴承和液态轴承的特性比较，可参看本刊2004年第8期技术广角的相关文章。
3.盘片
微硬盘的盘片是其存储数据的载体，现在的盘片大多采用金属薄膜磁盘，其不连续颗粒载体具有更高的记录密度。为了提高存储密度，越来越多的微硬盘采用了IBM的Pixie Dust(仙尘)技术。
图9：
如图9所示，传统的磁介质中只有一层有效磁层，且磁颗粒较大，存储密度低；而Pixie Dust技术就是通过一种名为AFC的抗铁磁耦合介质，在硬盘内部存储数据的盘面上加上薄薄的一层钌元素，它能够克服当存储设备的存储密度到达一定限度的时候所出现的超磁效应。这样磁盘的存储密度就能进一步上升，能使磁盘存储更多的数据。
小知识：超磁效应(Superparamagnetic Effect)
首先要明确一个概念：硬盘盘片上的磁介质密度并不是可以无限制提高的。随着磁介质密度的进一步提升，受环境的影响就越来越显著。当介质密度达到某一个极限，甚至是温度的改变就可以改变这个磁化区域所记录的信息。这种影响是具有破坏性的，会严重影响硬盘存储信息的稳定性和安全性，这就是超磁效应。
4.电路控制
图10：F 微硬盘控制电路
微硬盘的电路控制部分也包括硬盘接口部分。由主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路以及控制与接口电路等组成，同时还集成着RAM芯片等缓存芯片。
控制电路还包括前置控制电路。前置电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等。由于磁头读取的信号微弱，将放大电路密封在盘体内，可有效减少外部信号干扰，提高精度。
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四、微硬盘 vs. 闪存(flashmemory)
同为面向移动设备的存储器，大容量的flashmemory存储卡(主要是SD卡和CF卡)和微硬盘在目前高端移动存储领域已经被广为接受。那么微硬盘和各种存储卡相比，它们的主要区别在什么地方呢？在应用方向上又各自有什么不同？
1.结构
SD(Secure Digital)卡, 尺寸为32mm×24mm×2.1mm，仅重约1.6克。由于SD卡是由MMC发展而来，可以很好的兼容MMC卡。SD卡体积可以做的非常小巧，在数据保护方面安全级别非常高：可以通过加密功能保证数据资料的安全，还具备版权保护的CPRM技术(可刻录介质内容保护)，这一点是其他移动存储介质所不具备的。
CF(Compact Flash)卡，是由Compact Flash协会提出的一种与PC机ATA接口标准兼容的技术。内部结构也为闪寸芯片，由于容量较大、速度快以及价格相对便宜等特点而被广泛使用。
不同于SD卡和CF卡内部的采用的闪存芯片结构，而是采用和普通硬盘一样的结构，有小的机械转动装置、磁头、盘片等设备。在抗震性方面相对存储卡要差一些，而且发热量和耗电量都较大。
2.传输速度
SD卡由于采用的闪存芯片，速度也可以达到很高。现在工业级的SD卡由于采用了先进的90nm记忆技术，可提供最高20MB/s读写速度。并且结合了先进控制器技术、精密的侦错管理以及有效的改错编码，可以保证长时间稳定的工作。
CF卡的读写速度一般用倍速表示，这和光驱的倍速定义近似的。一倍速为150KB/s，目前高端CF卡一般为80倍速，即12MB/s。倍速越高，数据传输速度越快，性能越好，自然价格也越高。
Sandisk推出的SanDisk ExtremeⅢ传输速度为133倍速，即20MB/s，这是一个相当惊人的数字。相对微硬盘来说，CF卡更容易实现高速传输。以SanDisk ExtremeⅢ来分析，它采用了ESP(Enhanced Super-Parallel Processing，增强超平行处理)技术，即成倍的设置数据传输通道，ESP架构技术可以通过硬件自动精简数据读写的运作，可以极大的提高传输速度。同时采用32-bit RISC控制器代替以前的16-bit技术，能轻松实现更快的处理速度。采用ESP技术的CF卡，传输速度可以达到25MB/s。
再看微硬盘，以3600rpm的4GB微硬盘来说，其内部传输速率为4.3～7.2MB/s，相当于微硬盘实际传输速率为7.2MB/s左右。相对于CF卡的25MB/s而言，差距就很明显了。但随着硬盘传输速率的提升，满足微型移动存储系统的需要，还是没有问题的。现在主流微硬盘产品为4200rpm，内部最大传速度12.5MB/s，已经可以满足移动设备的基本读写需要了。
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3.容量
SD卡和CF卡使用的是闪存芯片，主要特点就是小型化，主要针对手机、掌上电脑以及PDA等小型移动设备。受限于技术和体积，我们常见的SD卡容量一般在32MB～1GB，而CF卡的容量也一般在4GB以下，很难做到超大容量。
相反，容量是微硬盘的最大优势，而且领先的优势会越来越大。微硬盘由于采用的盘片记录数据，容量很容易提高，现在已经有研发出了60GB的产品，超过100GB的产品也指日可待，这远不是存储卡所能比拟的。微硬盘单位容量的成本非常低廉，可以预计它将成为市场主流是一个必然的趋势。
4.接口
SD卡采用的9针接口，专用接口，没有通用性；大容量的CF卡和微硬盘目前大都采用的是CF卡的TypeⅡ型接口标准。CF卡有TypeⅠ和TypeⅡ两种类型，TypeⅡ型厚度比TypeⅠ型厚。大容量的CF卡和微硬盘采用TypeⅡ型接口，这样内部可以有更大的空间方便做更大的容量。
通过以上比较分析可以看出，SD卡适用于体积小、对容量要求不大，同时对数据安全性要求高的领域；而大容量CF卡可以在一定程度上满足对容量的需求，同时可以提供高速的传输速率。由于采用的闪存芯片结构，二者受外界影响小，可以稳定的工作，易于维护。
微硬盘容量提升非常容易，其容量的优势轻易把对手甩在身后。但由于内部采用的是硬盘结构，内部机械结构精密复杂，稳定性和易用性不如存储卡。所以在使用过程中，需特别注意保养和维护。
五、展望未来——微硬盘的应用
毫无疑问，微硬盘将是未来嵌入式移动存储的主流。随着尺寸越来越小，重量也将越来越轻，这对于PC、MP3播放器、智能手机、掌上电脑、便携式视频播放器以及数码相机/数码摄像机而言，其优势是相当明显的。
图11： 微硬盘在创新MuVo2播放器上的应用
诚然，微硬盘相对于闪存在耗电量、抗震性和发热量上有所逊色，但是其更低的成本和更大的容量却让闪存难望其项背。小体积、大容量的微硬盘为移动播放设备实现强大的功能提供了最基础的存储保证，随着技术的进步，相信微硬盘也必将为移动设备和CE(消费类电子)产品带来更为精彩的应用！
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