机械硬盘——电子计算时代的机电遗风
每当我们的计算机结束了每秒数十亿心率的高强度劳作，它把自己的思想和知识安顿到一个狭小的盒子——硬盘。这里是机器的卧室，它的完好，保着计算机的灵魂不死。
说起硬盘，我们常会听到另一种说法——外存，也就是与内存相对的外存储器（external memory）。其实硬盘只是外存的一种，00后从没见过的软盘、用于服务器数据备份的磁带、差不多已被淘汰干净的光盘、经常用来传递资料和病毒的U盘等等都属于外存。这些不与CPU直接交互的存储器也称为辅助存储器（auxiliary storage）或二级存储器（secondary storage）。
原本「硬盘」一词只有一个所指，结果技术的革新带来了混淆视听的固态硬盘SSD，为做区分，传统硬盘被套了个前缀，称为「机械硬盘」，而「硬盘」则成了机械硬盘和固态硬盘的统称。其实固态硬盘根本不是「硬」盘，其英文为solid-state drive/disk，直译过来就是「固态驱动器」或「固态盘」，哪有「硬」（hard）字可言呢？不过这一叫法早已约定俗成，也挺容易被人接受。后文如非特殊指明，「硬盘」便指机械硬盘。
图片来自维基「Hard disk drive」词条
硬盘其实是对硬盘驱动器（hard disk drive）的简称，光有「盘」可不够，还需要一个能驱动它运作的驱动器嘛。严格地讲，硬盘只是硬盘驱动器中的盘片，但通常不做这一区分，本文亦然。
硬盘的名字来自于软盘（floppy disk），两者的原理类似，但盘片材质的软硬不同。摸过软盘的朋友肯定知道，掰开塑料外壳，里面的盘片像塑料纸一样柔软。
8英寸、5.5英寸、3.5英寸软盘（图片来自维基「Floppy disk」词条）
有趣的是，软盘与软盘驱动器（floppy disk drive）是分离的，硬盘却被终生囚禁在驱动器里，在它还活着的时候可千万别放它出来。它就像薛定谔的猫一样永远不见天日，不论你是出于同情心还是好奇心打开了盒子，相信我，它立马死给你看。
内部结构及工作形态
刨去精密的控制电路，硬盘内部并不复杂，最关键的两个部件是存放数据的盘片（platter）和读写数据的读写头或磁头（read-and-write head）。
原图来自维基「Disk read-and-write head」词条
读写头位于执行臂（actuator arm）的末端，执行臂在执行器（actuator）的驱动下来回摆动，配合盘片的旋转，读写头可以近距离「接触」（并不真的碰到）到盘片的每一寸肌肤。相比CPU、主板等其他令人费解的计算机部件，这是一种肉眼就能看懂的机电（electromechanical）结构。
乍看之下，硬盘的工作形态和留声机有点类似，「唱头」在「唱片」上飞快地读写着数据。这还有点像你伸长着胳膊在转动的圆桌上夹菜。（原视频来自维基「Hard disk drive」词条）
盘片的转速通常在4200~15000rpm（revolutions per minute 转/秒）之间，目前个人计算机中硬盘的主流转速是5400rpm和7200rpm。执行臂也不示弱，其摆动的加速度竟能达到550个G（重力加速度），这是什么概念，人体通常能在承受几个到30几个G的加速度，世界纪录是46.2G，呃，如果你是读写头，大概会被甩成肉酱。
存储原理
盘片光滑如镜，看似简单却内有乾坤。它通常由铝（合金）、玻璃或陶瓷制成，表面像传统漆艺那样刷了很多层材料，像一个怕冷的人身上套着一件又一件衣服：贴身的是一件由多种合金混合而成的非磁性打底衫，接着是一件背负着数据存储使命的磁性（氧化铁、钴合金等）毛衣（这件毛衣只有10~20纳米的厚度，相当于一张纸的几千~几万分之一），再套上起着保护作用的碳质卫衣，最后再披上一件名叫聚四氟乙烯（PTFE）的纳米外套，既能润滑又抗酸抗碱。
众所周知，磁性物质都具有南北两个磁极，放到二进制的计算机中就可以用来表示0和1了。盘片中的磁性涂层就是靠这一原理具备了数据存储能力，因此盘片也被称为磁盘（magnetic disk），软盘过时之后，磁盘也成了硬盘的代名词。
别看这盘片小巧，在微观尺度上其实异常广袤。其正反两面均可存储数据，也都配有相应的读写头。从中心转轴到外边缘，盘片的表面在逻辑上划分出许多个同心圆，这些同心圆称为磁道（track），每个磁道又划分成一段段小圆弧，称为扇区（sector），每个扇区继续划分出4096个比微米还小的磁区（magnetic region），每个磁区中横七竖八地躺着数百颗最基本的磁粒（magnetic grain），每颗磁粒有着自己的南北极，当它们朝向一致，这一磁区作为一个整体就具有了表示0或1特质。别问为什么不用单颗磁粒作为1bit，我们的技术水平还没这么任性。
原图来自《计算机文化（原书第15版）》P53
越是外圈的磁道有着越多的扇区，同样旋转一圈，读写头掠过的范围也就越大。最外圈的磁道也就是我们常说的0磁道，从这里开始依次往里排布C盘、D盘、E盘等等，这也是为什么我们把操作系统放在C盘，也建议把常用软件装在C盘，因为C盘的访问速度最快。（图片来自维基「Zone bit recording」词条）
在盘片微米级的尺度上和每秒数千乃至上万圈的转度下，绕着线圈的读写头将电磁学发挥到了极致。当线圈通电，读写头产生的磁场将下方的磁区迅速磁化，电流方向不同，磁化的方向也就不同；当线圈无电，读写头在掠过朝向相反的磁区时，由电磁感应而产生的电压脉冲（voltage spike）被识别为1，无脉冲的地方则被认为是0。
原视频来自维基「Hard disk drive」词条
为了提高盘片的存储容量（也就是单位面积内的磁区数量），工程师不断缩小磁区和读写头尺寸，磁区的排布也从横向变成了纵向。
2005~2006年，水平存储被垂直存储取代。相比水平存储，垂直存储有着更高的存储密度。（图片来自维基「Hard disk drive」词条）
车祸现场
同时，读写头和盘片的距离越凑越近，近到了只有几纳米，由盘片飞速旋转产生的气压升力将读写头稳稳托起——这真是一项令人心惊胆战的极限运动。
因此，你也许听到过一些专业人士的忠告：主机或笔记本在开机时最好不要去碰它，更不要随便移动。外界的震动搞不好会导致读写头一个猛子栽到盘片上，后果有多严重？不妨想象一下盘片的转速有多快。打个比方，如果7200rpm的盘片上停着一辆微型汽车，它便相当于在以超过120公里的时速飞驰，一旦发生车祸，其景象将何其壮观！读写头陡然化身耕犁，将下面的磁道连根刨起，材料碎粒四处飞溅，散落到盘片表面，坐等读写头划过造成二次损伤。
图片来自维基「Head crash」词条，下同。
多么惨烈的车祸现场，虽然没有人员伤亡，对你来说却是无法估量的数据丢失。这一切就发生在你几乎注意不到的刺啦一声之间。
这也是盘片见不得光的原因，如果没有专业的技术手段处理，连空气中的灰尘都是致命的。
好在最外面的聚四氟乙烯层和碳层能将盘片从大部分的意外磕碰中保护下来，硬盘盒外侧的橡胶垫也具有一定的缓冲作用，现在的一些硬盘还加装了一种叫做加速计（accelerometer）的传感器，可以监测突发性震动，在必要时将读写头迅速停泊。
发展历程及主要参数
1956年9月14日，IBM推出了世界上第一块硬盘IBM 350，它是IBM最后一台电子管计算机IBM 305 RAMAC的外存部件。这台计算机重达1吨，需要放在长15米、宽9米的大房间里，每月租金高达3200美元，相当于现在的28546美元，贵skr人。
IBM 305 RAMAC，靠近镜头的正是两个350硬盘机柜。（图片来自维基「IBM 305 RAMAC」词条，下同。）
IBM 350硬盘也是个大家伙，约长152cm、宽74cm、高172cm，足有两个中型冰箱那么大。74cm的高度中堆叠着50块24英寸的盘片，24英寸是什么概念，已经接近10个现在的2.5英寸笔记本硬盘，它的容量却只有3.75MB，不过这在当时已经绰绰有余了，因为它能代替64000张穿孔卡片。有趣的是，以当时的技术可以做到5MB以上，IBM的市场部门却坚决反对，因为他们不知道该如何营销这么大容量的机器。
一张350盘片
IBM的工程师只为这50个盘片安装了一对磁头，读写数据时先要上下移动选择盘片，然后伸进去寻道。在盘片1200rpm的转速下，数据访问的平均延迟时间为600ms，读写速度是每秒8800个字，对比当时主流的穿孔卡片已经快到了不知哪里去。到了60年代初，IBM陆续推出的硬盘为每个盘片都安装了一对磁头，这一结构沿用至今。
从发明到现在短短60余年，硬盘的各项参数沿着指数曲线飞跃发展，堪称人类现代技术爆炸的典型。它的尺寸从一台冰箱的大小减小到可以揣进裤兜的3.5英寸（台式机硬盘）和2.5英寸（笔记本硬盘和移动硬盘），容量从一首mp3暴增至TB级的天文数字，价格从贵得离谱跌到几毛钱1GB，重量从几百公斤减至几百乃至几十克，数据访问时间从600ms缩短至10ms以内，使用寿命（平均故障间隔时间）从2000小时延长至近300年。倒是转速发展得最慢，从最初的1200rpm到如今消费级主流的5400和7200rpm甚至连量级变化都没有，即便是企业级硬盘也只有10000和15000rpm，这是机械结构的局限所在。
8英寸→5.25英寸→3.5英寸→2.5英寸→1.8英寸→1英寸，2009年起所有厂商停产了2.5英寸以下的小硬盘，固态硬盘性价比的提升使得继续缩小机械硬盘的尺寸已经没有意义。（图片来自维基「Hard disk drive」词条）
史上总共出现过200多家硬盘厂商，一轮轮的商业并购下来，成就了如今希捷、西数和东芝三足鼎立的局势，希捷和西数各占40~45%的市场份额，东芝则只占了13~17%。打开某宝不难发现，东芝的硬盘是最便宜的。
各大硬盘厂商的成立年份及并购过程（图片来自维基「Hard disk drive」词条，下同。）
作为普通消费者，我们最关心的要数硬盘的容量和速度了。
到2010年为止，硬盘容量的增速还基本遵循着摩尔定律（每两年翻一番），2010年之后价格的跌速和容量的涨速都开始疲软，这预示着磁盘存储技术的发展已经开始接近天花板了。
1956~2009年磁盘存储密度的增长趋势，与摩尔定律基本贴合。
至于读写速度，受限于执行臂摆动的速度、盘片的转速和盘片的存储密度，这样的机电结构已经很难有质的突破。相比纯电子结构的CPU和内存（这些部件中的电信号在以光速飞驰），硬盘仿佛被绑着双手在地面上狂拖，显得十分狼狈。
这时，有人斗胆动起了闪存的念头。
