硬盘是怎么存数据的
上一篇讲的寄存器、缓存、内存，都有一个共同的毛病：一断电，里面存的东西就全没了。但你存进硬盘的照片，放十年再打开还在啊，这是怎么做到的？靠的是另外一套完全不同的物理。准确说是两套——机械硬盘用的是磁，固态硬盘用的是电子，原理天差地别，我们一个一个看。
机械硬盘是怎么用磁存数据的
把一块机械硬盘拆开，最关键的零件就两个：盘片和摆臂。盘片表面镀了一层磁性材料，分成一小块一小块，每一小块朝哪个方向磁化，就代表存的是 0 还是 1。盘片由电机带着转，我们平时说的 5400 转、7200 转，就是它一分钟转多少圈。
摆臂末端有个磁头，读和写都靠它。这里有个事情挺离谱的：磁头干活的时候并不碰盘片，它悬在盘片上方大概 15 纳米的地方掠过去。15 纳米是个什么概念？大概相当于一架客机贴着地面几毫米高速巡航，还不能蹭到地。
写数据好理解：磁头上有个电磁铁，给底下那一小块磁化，电流方向一换，磁化的方向就跟着换。早年间磁化方向是平躺在盘片上的（LMR），太占地方，早就淘汰了；现在都是立起来的（PMR），密度高得多。
读数据就讲究多了，它靠的是一个物理现象：有些材料放在不同的磁场里，电阻会跟着变。1988 年有人发现，把磁性和非磁性的薄膜一层一层叠起来，像肉夹馍那样，这个结构对磁场敏感得吓人，一点点磁场变化就能让电阻剧烈波动——这个效应叫巨磁电阻，发现它的两位科学家 2007 年还拿了诺贝尔物理学奖。
巨磁电阻让读取头可以做得又小又灵敏，磁道就能挨得更密，容量跟着往上走。但写入头偏偏缩不小——磁力不够，就磁化不动盘片。那怎么办呢？
厂商想出了一个损招，Redknot 管它叫「卧龙凤雏」：磁道照样做窄，宽写入头硬往里写。写这一条的时候会顺手把隔壁那条盖掉，那就先把隔壁读出来，写完这条再给它补回去。一条压着一条，像房顶上的瓦，所以叫叠瓦盘（SMR）。容量确实上去了，但写入速度稀烂，只适合干写得少、读得多的活。所以买盘的时候得留个心眼：商家只标 PMR 的话，你得多问一句，是正经的 CMR 还是叠瓦的 SMR，别被文字游戏坑了。
叠瓦盘：磁道故意做窄、宽写入头硬写，像屋顶瓦片一条压一条，写前先把隔壁磁道读出来、写完再补回去
再往后还有热辅助——拿激光把要写的那一小块先加热到 400 到 700 度，退了磁再写——还有微波辅助这些花活。靠着这些，单盘容量已经能捅破 18TB。
固态硬盘干脆把电子关起来
固态硬盘里没有任何会动的零件，它的思路是把电子直接锁起来。
一颗电子面前立着一堵绝缘的墙，按常理它是过不去的。但在足够强的电场下，它有一定概率直接「穿墙」过去，这个现象叫量子隧穿。利用这一点，可以造一个被绝缘层整个包住的导体，叫浮栅：加上强电场，电子隧穿进去；电场一撤，电子就被关在里面出不来了，断电放十年也跑不掉。把这个浮栅塞进 MOS 管的栅极底下，就是浮栅晶体管——浮栅里有没有电子，就是 1 和 0。
浮栅晶体管：电子在强电场下量子隧穿穿过绝缘墙，被整个包住的浮栅锁在里面，断电放十年也跑不掉
一个浮栅只存 1 比特的叫 SLC，又快又耐用，就是贵。往里硬塞 2 比特叫 MLC，3 比特叫 TLC，4 比特叫 QLC，塞得越多成本越低，但读写越慢，也越娇气。这些浮栅晶体管串起来组成阵列，因为串联的接法跟与非门（NAND）一模一样，所以叫 NAND 闪存。名字里那个 Flash 是当年东芝的舛冈富士雄起的，他觉得这东西快得像闪电。后来 NAND 从平面的 2D 卷到往上叠的 3D，又是好一场厮杀，这段更细的NAND 演化、3D 堆叠和厂商厮杀，我在「存储为什么是门好生意」系列里专门拆过，这里就不重复了。
一块盘总会坏，那就多块盘组队
盘造得再好也会坏。那怎么办？把多块盘组成一个队，一块坏了别的顶上，这就是 RAID。
RAID 0 最莽：把数据切成块，轮流丢进几块盘，读写一起上，性能直接翻几倍。但任何一块盘挂掉，整组数据就全报废了，等于拿数据安全换速度。RAID 1 走的是反方向：同一份数据原样拷进每一块盘，坏一块，另一块上还有完整的一份。稳是稳，空间上很亏——两块 8TB 的盘只能当 8TB 用，一半纯粹在做备份。
争议最大的是 RAID 5，走的中间路线。它也把数据切块分散存，但每攒够一组，就用异或算出一个校验块一起存进去。异或是啥？你可以糙糙地理解成「不进位的加法」。这么干的好处是：任意坏掉一块盘，拿校验块加上其余盘上的数据，就能把丢的那一块反推出来，阵列照常跑，换上新盘还能整个重建回来。只牺牲一块盘的空间，就换来「容忍一块盘损坏」，听起来很划算吧？
RAID 5：数据切块分散存，每组算一个异或校验块；坏掉任意一块盘，用校验块加上其余盘就能反推出丢失那块，阵列照常跑
那个「重建失败率 99%」是怎么算出来的
RAID 5 有个流传很广的吓人说法：坏一块盘之后重建，失败率高达 99%。这个数不是瞎编的，是真能算出来的，咱先把账摆一遍。
硬盘读数据的时候，有极小的概率把某一个比特读错，这个事情有个名字，叫 URE，不可恢复读取错误。小到什么程度呢？某款盘的技术文档里写的是 10 的 14 次方分之一。听着确实很小，但换算一下，大概每读 12.5TB 数据就会摊上一次。而 RAID 5 重建的时候，幸存的几块盘要从头到尾完完整整读一遍。假设盘都是 12TB 的，这一路读下来，撞上至少一次 URE 的概率能飙到 96%。传统阵列一撞上 URE，重建就崩了。99% 的说法就是这么算出来的。
不过这笔账算得太狠了。一来，厂商文档里的 URE 是个很保守的最大值，实际没那么频繁——谷歌有篇论文统计过，硬盘五年之内最高的年故障率也就 8.6%。二来，这一点更关键：凭什么一个数据块出错，就要整块盘陪葬啊？问题出在阵列卡干活的那个 RAID 层，它只看得见数据块，看不见文件。撞上一个 URE，它根本不知道这块数据属于哪个文件、对你重不重要，所以企业级阵列卡的最优解就是一刀切：停下重建，喊你过来处理。严格说，URE 不是「让阵列崩溃」，是「让重建停下来等你救」，大部分数据其实都还在。像 ZFS 的 RAIDZ1 就更进一步，它能感知到文件这一层，撞上 URE 会直接告诉你哪个文件坏了，你按文件取舍就行。
真觉得不够保险，那就上 RAID 6：在 RAID 5 的基础上多算一组校验，能扛住两块盘同时挂，对 URE 的耐受也高一截。不过 RAID 换来的只是一层冗余，多花几块盘的钱，买一个「坏一两块盘不至于当场丢数据」——它替代不了真正的备份，该备份还是得备份。
数据存在哪儿，到这里就说完了。但数据要被 CPU 飞快地用起来，中间还隔着内存和显存这道关。这两个也是存数据的，不过取舍方向跟硬盘完全不一样，下一篇接着讲。
本文整理自 B 站 UP 主 Redknot-乔红 的硬件科普合集。叠瓦盘那个「卧龙凤雏」的吐槽、还有 RAID 5 那套 URE 算账，都来自他的原视频，讲得比我细。本系列只做主题重编与转写。
