多獨立磁頭硬盤技術，突破硬盤瓶頸

　　文/于君 (轉載于新浪网）

關鍵字：多獨立磁頭，數据恢复,上海數据恢复,硬盤數据恢复

　　“硬盤技術瓶頸可望獲得重大突破” 一文在新浪网上發表以來，我收到了很多熱心朋友的電話和來信，而且在論壇里也有許多网友在熱切關心著此事。其中，除了表示鼓勵和支持之外，更有不少朋友對該發明的技術上的可行性、新穎性提出了各种各樣的質疑。為此，我撰寫了本文，希望能更詳細地闡明我的一些想法和判斷，愿与各位朋友探討交流。同時就一些朋友關心的問題做出說明。

　　1、關于多獨立磁頭方案的技術上和商業上的可行性

　　多獨立磁頭方案本身具有多种不同的應用目的和相應的實施方式。不同的實施方式的難度也不同。其中最容易實現的一种實施方式如下圖所示。

　　這是采用具有四個獨立磁頭的硬盤的電腦系統示意圖。每個獨立磁頭分別具有完全獨立的完整的子硬盤控制電路。每套子硬盤控制電路和相應的獨立磁頭均与中央的公用主軸和盤片單獨构成完整和獨立的子硬盤系統。中央的公用主軸和盤片是四個子硬盤的共用的數据存儲盤片。公用主軸的電机由單獨的電路控制。四個子硬盤分別連接不同的電腦主机，并成為對應主机的副硬盤。四個主机的內部還分別包括各自的主硬盤，該主硬盤是普通硬盤。不難理解，對于各個主机來說，其他主机的副硬盤(也就是四獨立磁頭硬盤的某個子硬盤)上的獨立磁頭的運行与否和運行狀態与自己并不相干，也不會產生任何直接的干扰。顯然，四獨立磁頭硬盤中的各個獨立磁頭之間不存在也不需要任何協調工作，完全獨立運行。甚至，部份主机可以處于關机狀態。請注意，子硬盤的磁頭及其獨立的控制電路与現有的普通硬盤的磁頭和控制電路除了安裝位置有所差別之外其余完全相同，無需進行額外的研發工作。

　　這种最簡單的四獨立磁頭硬盤顯然能夠依賴現有的精密机械加工和封裝技術輕易地實施，而且不需要進行軟件上的改進，可以直接沿用現有軟件。其可正常運行的原理性樣机甚至可以通過如下方式在一般實驗室內輕易地做出來：把四個同型號的普通硬盤的机殼打開(當然是在超淨環境)，把其中三個硬盤的磁頭部件(包括磁頭驅動電机)完整取出來(但要保持与原有控制電路的連接)，并精确和牢固地安裝到第四個硬盤的主軸和盤片周圍(事先對第四個硬盤的殼体和支撐架結构進行适當的擴展和改造)，然后在超淨環境下將移植過來的三個磁頭与第四個硬盤的主軸盤片以及原有磁頭一同密封在一個較大的殼体中，构成一個形式上的四獨立磁頭硬盤。其實，它實質上只是個“松散聯合体”，它包括的四個子硬盤之間除了共用主軸和盤片之外，并沒有任何其他聯系。除了公用主軸的啟動和運轉需要第四個硬盤單獨控制之外，各子硬盤仍然完全受其原來的控制電路的控制，并且完全使用其原來的數据線接口和電源接口。此時的各個子硬盤原來的主軸和盤片處于無效的空轉狀態，甚至完全不必密封。但那三個子硬盤啟動運行并自檢時卻無法發現自己的原有盤片其實已經丟失了，磁頭所掃描的盤片已經被偷梁換柱了，也無法發現自己的磁頭正在和其他三個 陌生磁頭共享一個中央盤片。當然，為了各個子硬盤能夠正常工作，需要將第四個子硬盤的主軸設置為始終旋轉狀態。

　　這种最簡單的四獨立磁頭硬盤實施方案的合适的應用場合之一是數据更新非常頻繁的大型數据庫的服務器系統。在這种場合，可以通過負載均衡系統向四台具有相同的操作系統的主机分別發出不同的讀寫命令，而各個主机可以完全獨立并且最大權限地充分調動自己控制的獨立磁頭對“各自的”副硬盤進行讀寫操作。任何一台主机對其副硬盤所進行的寫入操作都將對公用盤片上的數据造成變更，也就是絕對實時地更新了其他三台主机的副硬盤中的數据。其他主机可以無需任何額外操作便可以實時地享用這种更新結果。顯然，這种共用中央盤片的多獨立磁頭硬盤的運行效率是使用普通硬盤或者普通的鏡像磁盤陣列所無法達到的。

　　這种四獨立磁頭硬盤在网站服務器應用方面還有一個特殊的方式：使這四台主机中的三台[主机1、主机2、主机3]接入互聯网中，并且，將這三台對外聯网主机的副硬盤的磁頭制成只讀結构。主机4的副硬盤磁頭仍然具有讀和寫的功能，但該主机未聯入互聯网，或者僅聯入絕對封閉的局域网。主机1、2、3可以接受互聯网上的訪問請求，但主机4卻只能由网管或者网站內部人員使用，并且不与主机1、2、3連接。网站的所有容許訪問的靜態頁面都存放在副硬盤盤片(也就是四獨立磁頭硬盤的中央共用盤片)上。這樣，任何黑客高手不論采用任何手段都將絕對無法篡改該网站的包括首頁在內的所有容許訪問的靜態頁面(直接破門闖入网站机房者除外)。當然，動態頁面和動態數据庫仍然需要存放在其他普通硬盤中。

　　由于上述的這种多獨立磁頭硬盤實施方案不會遇到軟件上的難題，机電結构的變更設計和加工也容易實現，磁頭、盤片和控制電路可以沿用現有技術，因而，在實施上不存在難以克服的技術困難。從成本上看，由于外殼体以及昂貴的主軸和盤片是共用的，所以，整体成本不應高于四個同類指標的普通硬盤成本之和。當然，該硬盤的体積會超標，但肯定不會占用大于四個普通硬盤的空間之和。

　　多獨立磁頭硬盤在未來的主要應用方式當然應該是采用具有相互協調功能的多獨立磁頭的高級應用方式，而且，也會由于應用目的和要求上的差异而有多种不同的具体實施方案。并且遇到各种不同的實施上的難度。其研發和最終應用的過程會更大些。而且，最終肯定會導致其它硬件和軟件(包括操作系統)的相應變更。在達到真正成熟的產業化階段之前，還必須做很多相關的工作。

　　然而，任何高新技術都不可能等到很成熟之后再去申請專利。任何國家的專利法都不要求也不可能要求專利申請方案必須產業化、實用化，也不需要發明人提供樣机。專利授權的對象基本上都是方案和构想。只要這种构想和方案在提交該專利申請的當時的世界范圍內已知的最好的制造條件下可以實現該發明的至少一种最基本的實施方案，并且不存在依靠當時的已有技術無法解決的技術上的困難，審查員就將會認為該發明具有專利法所要求的實用性，哪怕這种最基本的實施在當時將需要很高的代价和成本也無妨。如果該發明還同時具有創造性和新穎性，就能夠被批准為專利。

　　為了進一步說明多獨立磁頭硬盤的必要性和積极效果，讓我們從用戶的角度再具体分析一下目前的硬盤內部數据傳輸率的瓶頸問題。

　　既然是數据傳輸的瓶頸，顯然應該是當CPU要求硬盤執行的瞬間數据傳輸總量大于硬盤輸出能力時才突現。此時，用戶需要較長時間等待硬盤的動作。這類情況大致包括以下兩种：1、突發性的連續讀取或者寫入大量數据時；比如拷貝/移動大文件、連續讀寫數量很大的文件列表。2、需要耗費很長時間的連續讀取或者寫入；比如格式化硬盤、大范圍的數据搜索、磁盤掃描、硬盤碎片的整理等。而在其他情況下，硬盤的數据傳輸瓶頸問題對于用戶來說几乎不會顯現。比如，我現在正在起草本文時，雖然我的電腦的CPU和內存正在忙碌著，但我的主机硬盤的磁頭卻在睡大覺，沒發現什么硬盤瓶頸現象。當硬盤接受指令進行瞬間的少量的數据傳輸時，硬盤的瓶頸問題也几乎不存在。比如，我此刻將本文保存一次時，硬盤的動作干淨利索，指示燈僅僅閃了一下便OK了。

　　那么，既然增加獨立磁頭的目的是為了緩解現有硬盤的內部數据傳輸瓶頸問題，新增加的磁頭當然應該在如上所述情況下發揮作用。當硬盤接受指令進行瞬間的少量數据傳輸時，新增加的磁頭其實不必參与操作。用一個就足夠了。只有當一個磁頭難以滿足指令所需的效率時，才需要其他獨立磁頭參与讀寫工作。

　　當需要讀取或者寫入一個几百兆的大文件或者大文件列表時，可以控制多個磁頭分別讀寫該文件或者文件組的不同的起始段，每個磁頭負責讀寫几十兆或者上百兆數据。此時，所有磁頭完全沒有必要同時掃描同一條磁道，也沒有必要保持同樣的讀寫速率。所有磁頭輸出或者輸入的數据都經過緩存負責整合拼接。顯然，這里不存在如何使兩磁頭進行精确的同徑運行的問題。

　　當需要在同一硬盤中复制或者移動大文件或者大文件列表時，不同的磁頭可以分別承擔讀取和寫入的工作。也就是說，負責讀取數据的磁頭可以通過緩存几乎實時地向負責寫入的磁頭提供數据流。此時，相關磁頭在同時工作，而且，磁頭的尋址過程顯著降低。由于磁頭讀取和寫入相同數据所需的時間也基本相同，因此，在這种多獨立磁頭硬盤內進行复制或者移動數据所需的總時間僅由讀取(或者寫入)該數据的時間+最少次數的磁頭尋址時間构成。而普通硬盤進行复制和移動數据時，由于只有一個磁頭，無法同時在不同位置進行讀寫操作，因此，其進行复制和移動數据所需的總時間將包括讀取數据的時間+寫入數据的時間+很多次數的磁頭尋址時間。也就是說，當進行大數据的复制和移動時，多獨立磁頭硬盤可以比普通硬盤快一倍。

　　為了感受這种差別，有興趣的朋友可以在自己的電腦上做一個簡單的試驗(如果你的電腦上有兩塊性能相當硬盤的話)：將一個大文件(比如100M)拷貝到同一個硬盤中的另一個分區中。此時，由于該硬盤只有一個磁頭，無法同時進行讀取和寫入操作，因而花費的時間較長，大約需要18秒[7200轉硬盤]，而且，通過聲音和指示燈的狀態，你會感到硬盤磁頭在不同目標區之間不停地來回擺動。然后，你再試試把這個大文件從一個硬盤复制到另一個硬盤中。怎么樣？只需要大約8秒鐘！而且只有极少次數的磁頭擺動過程！這就是說，其中一個硬盤的磁頭連續讀取數据時，通過緩存的作用，另一個硬盤的磁頭几乎實時地連續寫入數据，所用的時間剛好重疊，而且磁頭不需要在源文件地址和目標地址之間頻繁地往复移動和尋址。

　　多獨立磁頭的運行方式和效果顯然与上述試驗時在不同硬盤中复制文件時兩個磁頭的運行方式和效果很相似。所以說，多獨立磁頭所能提高的數据傳輸效率是顯著的，而且是用戶需要的。可以預見，雙獨立磁頭硬盤可以比普通硬盤的內部數据傳輸率在總体上提高一倍。當然，并非在任何情況下都是如此。比如，由于用一個磁頭瞬間讀寫小量數据所需的時間极短，沒有必要同時啟動兩個磁頭，因此，這時的內部數据傳輸率与普通硬盤相同。

　　容易理解，當進行格式化硬盤、大范圍的數据搜索、硬盤碎片的掃描和整理時，多個磁頭在不同區段同時進行讀寫操作，當然可以顯著提高整体效率。

　　讓我們設想一下，如果硬盤在未來一兩年內真的實現了單碟容量800G，并且不采用多獨立磁頭方案，其格式化硬盤、大范圍的數据搜索、硬盤碎片的掃描和整理所需的時間將會何等漫長！如果您發現在這個超級硬盤中搜索一個字符串需要若干小時，您還會為擁有800G空間而感到驕傲嗎？如果硬盤存儲密度更進一步提高10倍(并非不可能)，出現了8000G的硬盤，卻仍然只有一個磁頭時，您又將有怎樣的感受？如果在那樣的硬盤中安排8個獨立磁頭，您會覺得太多太沒有必要嗎？當硬盤容量進一步激增后，您難道不覺得多獨立磁頭方案非用不可嗎？還有更好的方案嗎？

　　至于未來的全靜態硬盤，要想在容量、价格、速度上全面打敗机械硬盤，恐怕需要很長時間，至少長過20年的專利有效期。

　　許多朋友提出質疑的另一個問題是如何協調各個獨立磁頭的運行。首先，我認為，獨立磁頭之間的協調技術將是多獨立磁頭硬盤產業化后進一步發展、性能逐步改善的最重要的研發對象之一，并且將產生更多更具体的專利發明。第一個多獨立磁頭硬盤專利提出之后，必然會有更多的有關多獨立磁頭硬盤的后續專利不斷出現。就像噴墨打印机的最原始的發明專利提交后，不僅不能終結此類發明的后續改進申請，反而引發了不斷的改進發明接連申請專利。比如，作為噴墨打印机鼻祖的EPSON公司每年在噴墨頭方面的新的專利申請達數百件，而且還在不斷提交新的申請。所以，作為一個獨立發明人，我沒有能力也不需要將多獨立磁頭協調技術的實現方案現在就做得很完善并公布于眾。不過，可以透露的是，我還有一系列關于多獨立磁頭存儲器方面的新的發明方案正在研究和進行專利申報之中。而且，可以預計，國內外的眾多發明人還將陸續提出更多的有關多獨立磁頭存儲器的相關技術的各种拓展和改進的專利申請。

　　其次，根据上面的描述，各獨立磁頭事實上并不需要始終同時運轉。當硬盤沒有收到讀寫指令時，所有獨立磁頭都處于休息狀態；當硬盤接到少量數据傳輸指令時，也僅需要一個磁頭運行，其他磁頭不必參与；只有當硬盤必須連續讀寫大量數据時，才需要根据不同情況調用其他磁頭參与運行。而且，多獨立磁頭的相互協調歸根到底是從軟件上實現的。与磁盤陣列的控制軟件相比，多獨立磁頭硬盤的軟件開發可能要更容易些。當然，為了支持多獨立磁頭硬盤，相關的主板、操作系統最終都需要進行相應的配套改進。可以預計，未來的多獨立磁頭硬盤產品在性能上的差別將很大程度上体現在多獨立磁頭之間的配合效率上。

　　關于多獨立磁頭硬盤在可靠性方面的問題，許多朋友也提出了擔心和質疑。我認為，這個問題除了研發机构的优化設計之外，最終是厂商內部的制造工藝問題。而且，即使性能和效率上的提高最終使可靠性有所降低，也并非不可接受。比如，現在的7200轉硬盤，其可靠性就比5400要低。万轉以上更是如此。硬盤單碟存儲密度的激增也帶來可靠性的降低。但這些都沒有阻止相關技術的更新換代。自行車比摩托車可靠性高，但無法阻止摩托車上市。

　　綜上所述，多獨立磁頭硬盤的應用方式多种多樣，其實現的難度也各有不同。但是，需要強調的是，我們只要首先認識到該發明的可以預見到的效果是用戶所需要的，并且在理論上是可行的，那么，不論該發明在實際的研發過程中還會遇到多大的實際障礙，成本會多么難以控制，生產工藝多么复雜，都不能成為終止將該發明提交國際申請的合理理由。就像當初申請了集成電路發明的人一樣，如果他畏懼于該發明的實現難度(當時的科技水平根本不可能實施)而放棄專利申請机會，那將令人非常遺憾。所以，不論怎樣，我認為已經可以得出這樣的判斷：該發明在技術上和實用性上都是可行的，是用戶所需要的，是硬盤厂商不可忽視和放棄的重要研發方向。其實施和推廣只是個時間遲早問題。因此，絕對不能輕易放棄該發明獲得國際專利保護的机會。要知道，如果該發明的專利申請被批准，那么，在未來20-30年的專利有效期內，硬盤相關技術會得到迅速發展，該發明在實施上的可以預見到的各种技術問題，肯定會得以解決并得到不斷完善。我相信，不久之后，當我們回過頭來看看現在的關于多獨立磁頭硬盤是否可行的爭論時，會啞然失笑。

　　2、關于新穎性

　　本文之所以將發明的名稱稱為多“獨立”磁頭硬盤，是因為，据我所知，早在几十年之前，就已經出現過多磁頭硬盤。只是，那种多磁頭硬盤的原理是多個磁頭共用一個移動架和机電系統，各個磁頭只能同步移動，沒有“獨立”性。其缺陷是顯而易見的，相當于為圖書館增加了多名圖書管理員，但卻把所有管理員捆綁在一起同步工作。其整体效率只能下降，談不上提高。因而，這种多磁頭硬盤因不具備實用性而不可能產業化。另外，現有的硬盤其實也是多磁頭的：在每個盤片的上下表面各有一個磁頭。但這兩個磁頭也是共用一個机電系統并同步運行(并不同步工作)。可以理解，這种“多磁頭”和本文所稱的“多獨立磁頭”完全不是一回事，也不可能產生相同效果。

　　當然，我現在并不能完全肯定是否有早于2001年4月23日以前的同類發明方案公開或者申報了專利或者形成了商品。雖然這兩天网上的朋友曾經提到過以前見過此類發明的某种文件，但并沒有告訴我其發現的确切途徑和文件出處在哪里？什么是侯公開的？如何証實？以及所說的“早已有的”技術与我目前申請的發明專利在是實質性上有多少相同之處？是否足以完全否定我的申請的“權利要求書”中的保護范圍？

　　我在2001年4月以來一直關注著相關技術的進展，至今沒有發現第三方的任何相關技術的公開報道或者產品面世。正如上面所述的，如果這么有潛力、符合需求并且容易實施的發明真的在業內早已公開的話，必然會引發國內外眾多研發机构和發明人的跟進，產生更多的后續專利申請并在硬盤業內形成一個研發焦點，同時產生大量的公開文件和新聞報道。怎么可能銷聲匿跡這么多年？連一片介紹性文章都難以找到？這些年來，我們都已經無數次感受到，現在的硬盤新技術研發和推廣速度何等之快，相關信息公開的速度何等之快！回首這些年，我們不難發現IT硬件方面的很多新技術僅僅在實驗室中獲得了初步成功便很快會有媒体上的相關報道迅速出籠。我想，無論如何，專家們都不可能將這樣的顯然具有開發价值和前景的硬盤技術方案在初步嘗試之后便止步后退、不再理會、束之高閣“好几年”而再無作為，以至于中國的許多硬盤方面的行家听都沒听說過。所以，到現在為止，我相信該發明可以初步認為具備國際新穎性。或者，我認為至少不應該僅僅根据該發明“可能不具備新穎性”這個推測而放棄該專利的國際申請的最后机會。另外，由于時間過于緊迫，已經來不及進行更深入的查新和求証工作。要知道，如果該發明果真具備國際新穎性， 并且在4月22日還不能申請國際專利，那么，該重要發明將很快在中國大陸范圍之外成為完全免費的“共享軟件”。那時，受到嘲笑的將是包括這几天爭論不休的网友在內的所有中國人。

　　有許多朋友用“太簡單”的理由否定該發明的創造性，我對此不能認同。發明的价值不在于原理上是否簡單，而在于是否具有創造性、實用性和新穎性。在發明史上曾有許多极其簡單的“一層窗戶紙”式的大發明。例如，當無數專家們全力研究如何使電机的電极軸表面再光滑一些以便“增強”与電刷的接触可靠性時，有發明人提出“將電极軸變得粗糙些”的“一句話式”發明，獲得了意想不到的效果，改變了電机技術的研發方向。再看看論壇上的許多朋友在看過原文之后還是反复引用另一种不獨立的多磁頭硬盤方案來否定我所說的“多獨立磁頭硬盤”的現象，更能說明該“簡單”發明其實并非那樣“顯而易見”。

　　3、關于國際專利申請費用

　　据我咨詢上海的有關專利事務所得知，該發明專利的國際專利[PCT]申請費分為國際和國家兩部份，其中國際部份的費用大約需要一兩万元人民幣(國家指定的越多費用越高)，而且必須在4月17日之前支付給中國專利局指定的國際專利申請代辦机构(否則，他們來不及辦理相關手續)。上海有多家這樣的專利事務所。另一部分費用是國家部份，根据申請人希望申請的國家的不同，其數額有所不同。大約每個國家需要3万元人民幣。由于硬盤的生產基地主要在几個發達國家，因此，只需要向少數主要國家申請就可以了。這部份國家費用將在未來一年半之內逐步支付。也就是說，眼前最急迫的是在未來几天內支付的國際部份的一兩万元費用，而國家部份可以在几個月后或者一年后再決定是否支付。

　　4、關于風險

　　由于國際專利申請的初步費用只有一兩万元，國家部份的几十万元可以在未來的一年半內根据詳細的查新結果再決定是否繳納，因此，整個過程的風險其實只有一兩万元人民幣。假如真的由于新穎性問題喪失了專利申請的可能性，那么，只能造成一兩万元的損失。

　　5、關于該發明專利申請的法律狀態

　　該發明的中國專利申請提交于2001年4月23日。屬于發明專利申請。目前已經通過了中國專利局的初步審查。但還沒有進行實質性審查。我曾經將我的一項關于机械化停車場的發明專利申請提交了實質性審查請求，并且交納了費用。但直到一年之后我因其先進性較差(我有了更好的方案)而放棄該發明專利申請時，專利局仍然沒有給我一個實審結果。鑒于此，我對這項硬盤發明也沒有及早進行實質性審查請求。根据專利法的規定，發明專利申請通過了初步審查之后，將在申請日之后18個月內公布，在此之前，專利局是保密的。也就是說，目前通過任何公開的手段都不能在中國專利局查詢到該專利的全文或者文摘。這就是為什么有些网友說無法在网上查到該申請號[01112696.5]的專利原文的原因。事實上，由于現在的在線查新网站的數据庫更新很遲，一件專利經專利局公開后，往往需要將近一年時間才能從网上查到。

　　6、關于我本人

　　我是一名發明愛好者，早在1982年就開始搞發明。并從1985年4月1日[中國專利法正式實施的第一天]起開始申請專利。至今大約申請了70多項專利。雖然有一少部份得到了實施，但其中大部分都由于沒有及時交納申請費而被視為撤回。我在去年申請了22件專利(涉及電腦台、鼠標、鍵盤、光盤盒等電腦周邊設備，還有多層建筑施工技術)，其中，有14項已經被批准。遺憾的是，由于經濟拮据，其中8項專利權已經被視為撤回，如果在今年5月至6月間沒有補交証書費和滯納金，其中的部份專利權將最終被視為放棄。所以，在迫不得已的情況下，我想到了新浪网。

　　7、關于可能的合作方式

　　我的第一愿望是能夠在4月16日之前獲得該硬盤專利發明的國際專利申請的國際部份的費用借貸或者投資合作支持。其次，我愿意針對多獨立磁頭硬盤專利申請權或者我的其它專利權、專利申請權以各种可能的方式和條件尋求合作或投資。我本人并不追求太高的利益目標。只希望能夠在互惠互利的前提下与合作方共同開拓事業，以實現自己的抱負。

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