世界上第一塊硬盤，是1956年由IBM發(fā)明的RAMAC 350，這個(gè)家伙個(gè)頭比冰箱大，容量卻只有5MB。

IBM發(fā)明的RAMAC 350

而2007年日立環(huán)球存儲科技宣布將會發(fā)售全球首只1Terabyte的硬盤也就巴掌大小。

日立單碟1TB硬盤編號為HDS721010DLE630

那么縮小了這么多的體積的硬盤，存儲能力到底差多少呢？下面我們來計(jì)算一下：

1TB = 1,000 (103)GB

1TB = 1,000,000 (106)MB

也就是說現(xiàn)在的一塊1T的硬盤存儲能力等于之第一代RAMAC 350的200000（2X105）倍，這簡直不敢想象。

硬盤英文名又叫Hard Disk Drive英文縮寫是HDD。其實(shí)硬盤和傳統(tǒng)的磁帶工作的基本的原理是一樣的（但是磁帶記錄的模擬信號，硬盤記錄的數(shù)字信號）。

磁帶

但是硬盤要比以前的磁帶精密得多，數(shù)據(jù)量也會大很多。

到磁盤上，數(shù)據(jù)可以通過盤片被讀取，原理是磁頭經(jīng)過盤片的上方時(shí)盤片本身的磁場導(dǎo)致讀取線圈中電氣信號改變。硬盤的讀寫是采用隨機(jī)存取的方式，因此可以以任意順序讀取硬盤中的數(shù)據(jù)[2]。

錄音磁頭（實(shí)際上是個(gè)蹄形電磁鐵），兩極相距很近，中間只留個(gè)狹縫。整個(gè)磁頭封在金屬殼內(nèi)。錄音磁帶的帶基上涂著一層磁粉（實(shí)際上就是許多鐵磁性小顆粒。）

磁錄音和磁放音過程

帶緊貼著錄音磁頭走過，音頻電流使得錄音頭縫隙處磁場的強(qiáng)弱、方向不斷變化，磁帶上的磁粉也就被磁化成一個(gè)個(gè)磁極方向和磁性強(qiáng)弱各不相同的“小磁鐵”，聲音信號就這樣記錄在磁帶上了。

放音頭的結(jié)構(gòu)和錄音頭相似。當(dāng)磁帶從放音頭的狹縫前走過時(shí)，磁帶上“小磁鐵”產(chǎn)生的磁場穿過放音頭的線圈。由于“小磁鐵”的極性和磁性強(qiáng)弱各不相同，它在線圈內(nèi)產(chǎn)生的磁通量也在不斷變化，于是在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，放大后就可以在揚(yáng)聲器中發(fā)出聲音。

計(jì)算機(jī)上使用堅(jiān)硬的旋轉(zhuǎn)盤片為基礎(chǔ)的非易失性存儲器，它在平整的磁性表面存儲和檢索數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過離磁性表面很近的磁頭由電磁流來改變極性的方式被寫入到磁盤上，數(shù)據(jù)可以通過盤片被讀取。

硬盤讀取狀態(tài)

圖為硬盤內(nèi)部的碟片在通電后開始高速轉(zhuǎn)動

硬盤的工作原理是磁頭經(jīng)過盤片的上方時(shí)盤片本身的磁場導(dǎo)致讀取線圈中電氣信號改變。硬盤的讀寫是采用隨機(jī)存取的方式，因此可以以任意順序讀取硬盤中的數(shù)據(jù)。

磁道（Track）柱面（Cylinder）扇區(qū)（Sector）磁頭（Heads）盤片（Platters）每個(gè)碟片都有兩面，因此也會相對應(yīng)每碟片有2個(gè)磁頭

硬盤的物理結(jié)構(gòu)一般由磁頭與碟片、電動機(jī)、主控芯片與排線等部件組

成；當(dāng)主電動機(jī)帶動碟片旋轉(zhuǎn)時(shí)，副電動機(jī)帶動一組（磁頭）到相對應(yīng)的碟片上并確定讀取正面還是反面的碟面，磁頭懸浮在碟面上畫出一個(gè)與碟片同心的圓形軌道（磁軌或稱柱面），這時(shí)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(shí)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。

自20世紀(jì)70年代起，硬盤碟片的存儲密度以每年25%~30%的速度增長；從1991年開始增長到60%～80%；至今，速度提升到100%甚至是200%。從1997年開始的驚人速度提升得益于IBM的GMR（Giant Magneto Resistive，巨磁阻）技術(shù)，它使磁頭靈敏度進(jìn)一步提升，進(jìn)而提高了存儲密度。

那么什么是巨磁阻呢？

那么我們要知道什么是“磁阻效應(yīng)”，物質(zhì)在一定磁場下電阻改變的現(xiàn)象，稱為“磁阻效應(yīng)”。

如上圖的圓盤。隨著磁場關(guān)閉，由于電池連接在（無限）電導(dǎo)率邊緣之間，徑向電流在導(dǎo)電環(huán)中流動。 當(dāng)沿著軸線的磁場接通時(shí)，洛倫茲力驅(qū)動電流的圓形分量，內(nèi)外邊緣之間的電阻上升。這種由于磁場引起的電阻的增加被稱為“磁阻”。

磁性金屬和合金材料一般都有這種磁電阻現(xiàn)象，通常情況下，物質(zhì)的電阻率在磁場中僅產(chǎn)生輕微的減??；在某種條件下，電阻率減小的幅度相當(dāng)大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約高10余倍，稱為“巨磁阻效應(yīng)”（GMR）。

巨磁阻效應(yīng)示意圖

FM（藍(lán)色）表示磁性材料，NM（橘色）表示非磁性材料，磁性材料中的箭頭表示磁化方向；Spin的箭頭表示通過電子的自旋方向

圖片來源：文獻(xiàn)(fr)Modèle électrique de lamagnétorésistance géante, effet "vanne despin" ouspin valve. FM =ferromagnétique, NM = non magnétique(en)Resistor model ofspin-valvegiant magnetoresistance effect. FM =ferromagnetic, NM = non-magnetic(es)Modelo eléctrico de una válvula deespín,magnetorresistencia gigante. FM =ferromagnético, NM = no magnético

如上圖所示，左面和右面的材料結(jié)構(gòu)相同，兩側(cè)是磁性材料薄膜層（藍(lán)色），中間是非磁性材料薄膜層（橘色）。

左面的結(jié)構(gòu)中，兩層磁性材料的磁化方向相同。

當(dāng)一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相同的電子通過時(shí)，電子較容易通過兩層磁性材料，都呈現(xiàn)小電阻。

當(dāng)一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相反的電子通過時(shí)，電子較難通過兩層磁性材料，都呈現(xiàn)大電阻。這是因?yàn)殡娮拥淖孕较蚺c材料的磁化方向相反，產(chǎn)生散射，通過的電子數(shù)減少，從而使得電流減小。

右面的結(jié)構(gòu)中，兩層磁性材料的磁化方向相反。

當(dāng)一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相同的電子通過時(shí)，電子較容易通過，呈現(xiàn)小電阻；但較難通過第二層磁化方向與電子自旋方向相反的磁性材料，呈現(xiàn)大電阻。

當(dāng)一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相反的電子通過時(shí)，電子較難通過，呈現(xiàn)大電阻；但較容易通過第二層磁化方向與電子自旋方向相同的磁性材料，呈現(xiàn)小電阻。

下面分享一個(gè)關(guān)于磁阻發(fā)現(xiàn)的動畫圖:

目前科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超巨磁阻效應(yīng)存在于具有鈣鈦礦（Perovskite）ABO3結(jié)構(gòu)的錳系陶瓷氧化物中，其磁阻變化隨著外加磁場變化而有數(shù)個(gè)數(shù)量級的變化。由于產(chǎn)生的機(jī)制與巨磁阻效應(yīng)（GMR）不同，而且往往大上許多，所以被稱為超巨磁阻效應(yīng)。

不過，由于其相變溫度較低，不像巨磁阻材料可在室溫下展現(xiàn)其特性，因此離實(shí)際應(yīng)用尚需一些努力。