氦气硬盘是什么，和普通硬盘的区别在哪儿

氦气硬盘这项新技术要点并不在于改变硬盘的机械结构，而是将内部填充的普通空气换成了氦气，从而大大缩短了碟片之间的距离，使彼此靠得更近。目前3.5寸硬盘最多只能塞进去五张碟片，充氦之后能够增加到八张。这样一来，假如单碟容量达到1.5TB，整块硬盘的理论容量就可达到12TB之多。
 

后SSD时代，机械硬盘陷入前所未有的困境，500GB/1TB硬盘遭受128GB SSD的侵蚀，机械硬盘的江湖老大地位岌岌可危。硬盘厂商浴血奋战，推出具有划时代意义的氦气硬盘，沉寂多年的机械硬盘市场发出怒吼：“SSD别想取代机械硬盘！”

机械硬盘的底气来自两项关键的革新技术。2014年，机械硬盘行业迎来纵横三年有余的单碟1TB技术转折点－－氦气硬盘和叠瓦式磁记录技术，从而改写机械硬盘的命运。

氦气硬盘是什么？

氦气硬盘是完全封闭，里面充填的是氦气，它能比普通硬盘多2张碟片，瞬间容量增大40%。它有什么功效？将硬盘里传统的空气换成了氦气，允许碟片彼此靠的更近，从而能在不提升单碟容量的情况下塞入更多碟片，提升整体容量。当希捷推出6TB硬盘的时候，HGST推出8TB氦气硬盘；当希捷推出8TB硬盘的时候，HGST推出10TB氦气硬盘。

因为采用氦气填充硬盘，利于磁头读写，减少摩擦避免空气中不同成分分子大小影响读写稳定性，也可以降低整体电力消耗。

这年头硬盘厂商为氦气硬盘主打的卖点是耐用和可靠性，这就好比轮胎店老板极力建议你给轮胎充氮气一样听上去非常有道理，通常来说氦气硬盘要比同容量的普通硬盘价格要贵不少而且主要定位是大容量企业级硬盘。

以希捷企业级氦气硬盘为例

尽管单个SSD的最大容量已经超过了硬盘（HDD），但是那种容量点的SSD在价格上明显超出大多数用户的接受能力。所以在大容量市场，3.5英寸硬盘仍具有明显的优势，例如在去年的“数字中国万里行”活动中，多个超大规模数据中心里的服务器都配置了10TB级别的硬盘。

01、随机读挺好，随机写更好

在超大规模数据中心，3.5英寸硬盘的数量可以百万片计，如果每个硬盘的功耗可以降低1瓦（W），一年节省的耗电量就可以达到上百万度。为了降低能耗，有些大容量硬盘会采用5400RPM或者5900RPM的转速。然而，降低转速是以性能为代价的，譬如5900RPM硬盘的平均延迟比7200RPM慢1ms左右，配套的平均寻道时间则可以慢3ms以上。

高性能与低功耗如何可以兼得呢？氦气密封硬盘就是答案。因为氦气比空气密度低，盘片旋转时遇到的阻力较小，可以保持较高的转速；阻力较小的另一个好处是盘片转动平稳，从而可以在相同空间内塞入更多的盘片，也意味着获得更大的容量。所以Exos X16的转速为7200RPM，相比Exos E系列硬盘（同样7200RPM），容量更大，而功耗更低。

希捷Exos X16系列16TB氦气硬盘4K随机读性能，在队列深度为16时，获得174 IOPS，平均访问延迟约为92ms。在队列深度为1时，其最佳延迟为12ms，与其标称指标（平均延迟+平均寻道时间）相吻合

硬盘的访问时间=盘片旋转到指定位置的时间（延迟）+磁头移动到指定磁道的时间（寻道时间），平均访问时间即为平均延迟与平均寻道时间之和。7200RPM硬盘的平均延迟为4.16ms，虽然现在的硬盘大多不再标明平均寻道时间，但从E企研究院以往的经验来看，7200RPM磁盘的平均寻道时间通常在8.5～9ms，这意味着硬盘的平均访问时间约为13ms，而我们测得Exos X16访问延迟为12ms，意味着超出预期的性能，例如在队列深度为16时，Exos X16的随机读IOPS指标为170，而我们的测试结果是174。

尽管现在硬盘主要面向大容量存储市场，小块数据的随机读写性能已基本不作为其考量因素，但我们还是测试了4K数据块的随机写性能，其结果如下：

希捷Exos X16氦气硬盘4K随机写性能——440 IOPS左右，且最佳延迟极低，仅为2ms。相比随机读性能，高出数倍

为什么随机写性能是随机读性能的数倍？测试后期，E企研究院就这一问题咨询了希捷工程师，主要原因在于其内的高级写缓存，用于加速随机写，即将随机写数据先写入到高级写缓存之中，然后再择机写入到盘片之中，这显然有助于随机写性能，延迟当然也就低得多。

虽然我们的测试是在关闭写缓存（Write Cache Disable，WCD）的情况下进行，Exos X16的随机写性能依然保持在较高水平（大约是随机读性能的2.5倍），因为此时高速写缓存功能会利用盘片上的特定区域作为写入log，将随机写转为顺序写，然后在相对空闲时，再将此区域的数据写入到盘片相应区域。这有些类似数据库中的对应功能。现在，这一技术已广泛集成在近几代的希捷硬盘产品之中。

02、均衡的顺序读写性能

顺序读写性能是衡量大容量硬盘产品性能的两个关键因素。在测试硬盘的顺序读写性能时，所采用的数据块大小会影响其顺序读写性能。并且，在实际应用中，应用所产生的数据块大小尺寸并不一定严格相同，同时也受文件系统尺寸的影响。在E企研究院的测试中，我们常用Windows系统中NTFS的常用尺寸——64KB，即在本次顺序读写测试中，数据块尺寸均为64KB。

希捷Exos X16系列16TB容量氦气硬盘顺序读性能，每秒的读带宽约为230MiB/s，且在队列深度为1时，就获得最大带宽，最佳平均延迟为0.27ms

希捷Exos X16氦气硬盘顺序写性能，每秒的写带宽约为230MiB/s，且在队列深度为1时，就获得最大带宽，最佳平均延迟为0.27ms

从测试结果可以看出，希捷Exos X16氦气硬盘具有均衡的吞吐能力，即在64KB尺寸数据块下，其读写性能均能接近230MB/s，且延迟约为0.27ms。与SATA SSD相比，约为其顺序读写性能的40%，相对于3.5英寸7200RPM的大容量硬盘而言，是一个不错的性能。

需要注意的是，通常硬盘的读写性能有“外圈”和“内圈”之分。这是因为在相同转速下相同时间内，盘片外圈移动的速度是要大于内圈的，这也意味着其性能要优于内圈。而在E企研究院的测试结果中，采用的综合性能，即外圈与内圈性能相综合后的平均性能。这也是实测性能与官方最大性能出现一定差距的原因。

此外，影响硬盘顺序读写性能的影响因素还有测试所用的数据块尺寸，例如本次所使用的是64KB大小数据块。一般而言，测试所用数据块尺寸越大，意味着更好数值的顺序读写性能。我们测试所获得的228MiB/s的顺序读写性能，与希捷官网公布的249MiB/s顺序读写性能尚有一定的差距，其原因极有可能是希捷官方指标基于更大尺寸的数据块，如256KB或者512KB。

03、更高性能，更低功耗

相比于非氦气密封硬盘，在相同转速下，Exos X16的功耗更低；而相似功耗条件下，Exos X16的性能又更好。具体对比如下表所示：

Exos X16氦气硬盘与非氦气硬盘的Exos 7E8、早期的Terascale系列硬盘对比

从上表的对比可以看出，同样都是7200RPM规格，Exos X16的容量要大得多，是Exos 7E8的两倍（Exos E系列最大容量8TB）。不仅容量大，性能还更好一些，且功耗更低。相比于Exos 7E8，Exos X16不管是在闲置功耗还是运行功耗上，都要低2W以上。

每个硬盘低2W，可能对于大多数用户而言，并没有太大的区别。但是，Exos X16主要面向的是云计算等拥有大规模数据中心的用户市场。在一个动辄数万台服务器的数据中心内，功耗每低一度都意味着巨大的成本节省。举例来说，一台标准2U服务器可部署8个3.5英寸硬盘，以拥有3万台服务器规模的数据中心计算，每小时就能节省480度电，每年能节省超过420万度电。

同时，更低的功耗还意味着更低的散热成本。出于对数据中心低PUE的追求，以及用户的绿色环保等社会责任感，越来越多的数据中心用户开始不断探索新的节能方法。比如阿里巴巴在张北数据中心内开始探索实践浸没式液冷等技术，以最大化利用自然冷源进行散热，降低在散热方面的能耗。

阿里巴巴在OCP China Day上展出的浸没式液冷方案，整台服务器都放置在定制的密封机柜中，一个机柜可容纳数台服务器

浸没式液冷意味着所有服务器组件都浸泡在散热液体内，以Exos X16为代表的氦气密封硬盘具有天然的优势，可直接用于浸没式液冷。

关于氦气硬盘的几个知识点：

第一、  目前业界最高容量硬盘为12TB，是HGST刚刚推出的氦气密封式硬盘 Ultrastar He12。

第二、  氦气密封式硬盘全球出货量已达1200万片。

第三、  氦气密封式硬盘，顾名思义硬盘为全密封结构，内部填充氦气。

第四、  应用场景：大规模数据中心、海量数据存储、云服务、视频监控、互联网行等行业。

第五、  氦气硬盘较传统硬盘的优势在于：超低功耗（降低54%）和其所带来整体TCO优势。

第六、  氦气密封式硬盘因为采用密闭封装结构，灰尘杂质无法进入硬盘内部，故其平均无故障时间可达250万小时。

第七、  相对于普通硬盘来讲，耗电量大约为同容量空气硬盘的2/3,而且噪音和运行温度更低。

第八、  氦气盘优势---容量大，可以减少硬盘、机器机房占用空间，而且硬盘故障率更低，系统更稳定。

第九、  氦气硬盘的TB/$价格还是比闪存低很多，而且在数据长时间的记录及故障后数据恢复都有优势。 劣势主要是性能差闪存很多。

第十、  氦气硬盘毕竟还是机械硬盘，为精密设备，要注意轻拿轻放。

十一、 HGST目前有机械硬盘HDD，包括10000/15000 转高转速、性能型硬盘，及7200转容量型硬盘，以及固态硬盘SSD / JBOD 存储设备/Active Archive对象存储系统等全面存储解决方案

十二、 HGST氦气密封式硬盘目前已到第4代技术，并将通过使用新的磁记录技术进一步提升硬盘容量。

十三、 目前，12TB硬盘产品已在大型OEM客户中开始测试，Ultrastar He10/He8在全球各大存储、服务器厂商测试已开始大规模投入使用。

十四、 HGST Ultrastar He12定位为企业级超大容量存储应用，目前WDC(HGST)为全球唯一拥有12TB HDD产品的厂商。

十五、 氦气硬盘正常读写情况下即使出现坏少量坏扇区，硬盘固件也能自动修复，保证用户数据的完整性。

十六、 氦气硬盘支持热插拔。支持标准SATA/SAS 协议。