氦氣硬盤這項新技術要點并不在于改變硬盤的機械結構，而是將內部填充的普通空氣換成了氦氣，從而大大縮短了碟片之間的距離，使彼此靠得更近。目前3.5寸硬盤最多只能塞進去五張碟片，充氦之后能夠增加到八張。這樣一來，假如單碟容量達到1.5TB，整塊硬盤的理論容量就可達到12TB之多。
 

后SSD時代，機械硬盤陷入前所未有的困境，500GB/1TB硬盤遭受128GB SSD的侵蝕，機械硬盤的江湖老大地位岌岌可危。硬盤廠商浴血奮戰，推出具有劃時代意義的氦氣硬盤，沉寂多年的機械硬盤市場發出怒吼：“SSD別想取代機械硬盤！”

機械硬盤的底氣來自兩項關鍵的革新技術。2014年，機械硬盤行業迎來縱橫三年有余的單碟1TB技術轉折點－－氦氣硬盤和疊瓦式磁記錄技術，從而改寫機械硬盤的命運。

氦氣硬盤是什么？

氦氣硬盤是完全封閉，里面充填的是氦氣，它能比普通硬盤多2張碟片，瞬間容量增大40%。它有什么功效？將硬盤里傳統的空氣換成了氦氣，允許碟片彼此靠的更近，從而能在不提升單碟容量的情況下塞入更多碟片，提升整體容量。當希捷推出6TB硬盤的時候，HGST推出8TB氦氣硬盤；當希捷推出8TB硬盤的時候，HGST推出10TB氦氣硬盤。

因為采用氦氣填充硬盤，利于磁頭讀寫，減少摩擦避免空氣中不同成分分子大小影響讀寫穩定性，也可以降低整體電力消耗。

這年頭硬盤廠商為氦氣硬盤主打的賣點是耐用和可靠性，這就好比輪胎店老板極力建議你給輪胎充氮氣一樣聽上去非常有道理，通常來說氦氣硬盤要比同容量的普通硬盤價格要貴不少而且主要定位是大容量企業級硬盤。

以希捷企業級氦氣硬盤為例

盡管單個SSD的最大容量已經超過了硬盤（HDD），但是那種容量點的SSD在價格上明顯超出大多數用戶的接受能力。所以在大容量市場，3.5英寸硬盤仍具有明顯的優勢，例如在去年的“數字中國萬里行”活動中，多個超大規模數據中心里的服務器都配置了10TB級別的硬盤。

01、隨機讀挺好，隨機寫更好

在超大規模數據中心，3.5英寸硬盤的數量可以百萬片計，如果每個硬盤的功耗可以降低1瓦（W），一年節省的耗電量就可以達到上百萬度。為了降低能耗，有些大容量硬盤會采用5400RPM或者5900RPM的轉速。然而，降低轉速是以性能為代價的，譬如5900RPM硬盤的平均延遲比7200RPM慢1ms左右，配套的平均尋道時間則可以慢3ms以上。

高性能與低功耗如何可以兼得呢？氦氣密封硬盤就是答案。因為氦氣比空氣密度低，盤片旋轉時遇到的阻力較小，可以保持較高的轉速；阻力較小的另一個好處是盤片轉動平穩，從而可以在相同空間內塞入更多的盤片，也意味著獲得更大的容量。所以Exos X16的轉速為7200RPM，相比Exos E系列硬盤（同樣7200RPM），容量更大，而功耗更低。

希捷Exos X16系列16TB氦氣硬盤4K隨機讀性能，在隊列深度為16時，獲得174 IOPS，平均訪問延遲約為92ms。在隊列深度為1時，其最佳延遲為12ms，與其標稱指標（平均延遲+平均尋道時間）相吻合

硬盤的訪問時間=盤片旋轉到指定位置的時間（延遲）+磁頭移動到指定磁道的時間（尋道時間），平均訪問時間即為平均延遲與平均尋道時間之和。7200RPM硬盤的平均延遲為4.16ms，雖然現在的硬盤大多不再標明平均尋道時間，但從E企研究院以往的經驗來看，7200RPM磁盤的平均尋道時間通常在8.5～9ms，這意味著硬盤的平均訪問時間約為13ms，而我們測得Exos X16訪問延遲為12ms，意味著超出預期的性能，例如在隊列深度為16時，Exos X16的隨機讀IOPS指標為170，而我們的測試結果是174。

盡管現在硬盤主要面向大容量存儲市場，小塊數據的隨機讀寫性能已基本不作為其考量因素，但我們還是測試了4K數據塊的隨機寫性能，其結果如下：

希捷Exos X16氦氣硬盤4K隨機寫性能——440 IOPS左右，且最佳延遲極低，僅為2ms。相比隨機讀性能，高出數倍

為什么隨機寫性能是隨機讀性能的數倍？測試后期，E企研究院就這一問題咨詢了希捷工程師，主要原因在于其內的高級寫緩存，用于加速隨機寫，即將隨機寫數據先寫入到高級寫緩存之中，然后再擇機寫入到盤片之中，這顯然有助于隨機寫性能，延遲當然也就低得多。

雖然我們的測試是在關閉寫緩存（Write Cache Disable，WCD）的情況下進行，Exos X16的隨機寫性能依然保持在較高水平（大約是隨機讀性能的2.5倍），因為此時高速寫緩存功能會利用盤片上的特定區域作為寫入log，將隨機寫轉為順序寫，然后在相對空閑時，再將此區域的數據寫入到盤片相應區域。這有些類似數據庫中的對應功能。現在，這一技術已廣泛集成在近幾代的希捷硬盤產品之中。

02、均衡的順序讀寫性能

順序讀寫性能是衡量大容量硬盤產品性能的兩個關鍵因素。在測試硬盤的順序讀寫性能時，所采用的數據塊大小會影響其順序讀寫性能。并且，在實際應用中，應用所產生的數據塊大小尺寸并不一定嚴格相同，同時也受文件系統尺寸的影響。在E企研究院的測試中，我們常用Windows系統中NTFS的常用尺寸——64KB，即在本次順序讀寫測試中，數據塊尺寸均為64KB。

希捷Exos X16系列16TB容量氦氣硬盤順序讀性能，每秒的讀帶寬約為230MiB/s，且在隊列深度為1時，就獲得最大帶寬，最佳平均延遲為0.27ms

希捷Exos X16氦氣硬盤順序寫性能，每秒的寫帶寬約為230MiB/s，且在隊列深度為1時，就獲得最大帶寬，最佳平均延遲為0.27ms

從測試結果可以看出，希捷Exos X16氦氣硬盤具有均衡的吞吐能力，即在64KB尺寸數據塊下，其讀寫性能均能接近230MB/s，且延遲約為0.27ms。與SATA SSD相比，約為其順序讀寫性能的40%，相對于3.5英寸7200RPM的大容量硬盤而言，是一個不錯的性能。

需要注意的是，通常硬盤的讀寫性能有“外圈”和“內圈”之分。這是因為在相同轉速下相同時間內，盤片外圈移動的速度是要大于內圈的，這也意味著其性能要優于內圈。而在E企研究院的測試結果中，采用的綜合性能，即外圈與內圈性能相綜合后的平均性能。這也是實測性能與官方最大性能出現一定差距的原因。

此外，影響硬盤順序讀寫性能的影響因素還有測試所用的數據塊尺寸，例如本次所使用的是64KB大小數據塊。一般而言，測試所用數據塊尺寸越大，意味著更好數值的順序讀寫性能。我們測試所獲得的228MiB/s的順序讀寫性能，與希捷官網公布的249MiB/s順序讀寫性能尚有一定的差距，其原因極有可能是希捷官方指標基于更大尺寸的數據塊，如256KB或者512KB。

03、更高性能，更低功耗

相比于非氦氣密封硬盤，在相同轉速下，Exos X16的功耗更低；而相似功耗條件下，Exos X16的性能又更好。具體對比如下表所示：

Exos X16氦氣硬盤與非氦氣硬盤的Exos 7E8、早期的Terascale系列硬盤對比

從上表的對比可以看出，同樣都是7200RPM規格，Exos X16的容量要大得多，是Exos 7E8的兩倍（Exos E系列最大容量8TB）。不僅容量大，性能還更好一些，且功耗更低。相比于Exos 7E8，Exos X16不管是在閑置功耗還是運行功耗上，都要低2W以上。

每個硬盤低2W，可能對于大多數用戶而言，并沒有太大的區別。但是，Exos X16主要面向的是云計算等擁有大規模數據中心的用戶市場。在一個動輒數萬臺服務器的數據中心內，功耗每低一度都意味著巨大的成本節省。舉例來說，一臺標準2U服務器可部署8個3.5英寸硬盤，以擁有3萬臺服務器規模的數據中心計算，每小時就能節省480度電，每年能節省超過420萬度電。

同時，更低的功耗還意味著更低的散熱成本。出于對數據中心低PUE的追求，以及用戶的綠色環保等社會責任感，越來越多的數據中心用戶開始不斷探索新的節能方法。比如阿里巴巴在張北數據中心內開始探索實踐浸沒式液冷等技術，以最大化利用自然冷源進行散熱，降低在散熱方面的能耗。

阿里巴巴在OCP China Day上展出的浸沒式液冷方案，整臺服務器都放置在定制的密封機柜中，一個機柜可容納數臺服務器

浸沒式液冷意味著所有服務器組件都浸泡在散熱液體內，以Exos X16為代表的氦氣密封硬盤具有天然的優勢，可直接用于浸沒式液冷。

關于氦氣硬盤的幾個知識點：

第一、  目前業界最高容量硬盤為12TB，是HGST剛剛推出的氦氣密封式硬盤 Ultrastar He12。

第二、  氦氣密封式硬盤全球出貨量已達1200萬片。

第三、  氦氣密封式硬盤，顧名思義硬盤為全密封結構，內部填充氦氣。

第四、  應用場景：大規模數據中心、海量數據存儲、云服務、視頻監控、互聯網行等行業。

第五、  氦氣硬盤較傳統硬盤的優勢在于：超低功耗（降低54%）和其所帶來整體TCO優勢。

第六、  氦氣密封式硬盤因為采用密閉封裝結構，灰塵雜質無法進入硬盤內部，故其平均無故障時間可達250萬小時。

第七、  相對于普通硬盤來講，耗電量大約為同容量空氣硬盤的2/3,而且噪音和運行溫度更低。

第八、  氦氣盤優勢---容量大，可以減少硬盤、機器機房占用空間，而且硬盤故障率更低，系統更穩定。

第九、  氦氣硬盤的TB/$價格還是比閃存低很多，而且在數據長時間的記錄及故障后數據恢復都有優勢。 劣勢主要是性能差閃存很多。

第十、  氦氣硬盤畢竟還是機械硬盤，為精密設備，要注意輕拿輕放。

十一、 HGST目前有機械硬盤HDD，包括10000/15000 轉高轉速、性能型硬盤，及7200轉容量型硬盤，以及固態硬盤SSD / JBOD 存儲設備/Active Archive對象存儲系統等全面存儲解決方案

十二、 HGST氦氣密封式硬盤目前已到第4代技術，并將通過使用新的磁記錄技術進一步提升硬盤容量。

十三、 目前，12TB硬盤產品已在大型OEM客戶中開始測試，Ultrastar He10/He8在全球各大存儲、服務器廠商測試已開始大規模投入使用。

十四、 HGST Ultrastar He12定位為企業級超大容量存儲應用，目前WDC(HGST)為全球唯一擁有12TB HDD產品的廠商。

十五、 氦氣硬盤正常讀寫情況下即使出現壞少量壞扇區，硬盤固件也能自動修復，保證用戶數據的完整性。

十六、 氦氣硬盤支持熱插拔。支持標準SATA/SAS 協議。