优点
1、垂直记录技术,大容量优势。
2、性能出色。
3、新型磁头及一系列特别技术,提高了可靠性。
缺点
1、价格略高。
【IT168评测中心】HGST——Hitachi Global Storage Technologies——日立环球储存科技公司,在笔记本硬盘市场占有巨大的份额,前不久日立发布了其第一款大容量垂直记录笔记本硬盘产品——Travelstar 5K160,我们北京的同事已经第一时间出了一篇简短的评测——高速高容 日立5K160 2.5'硬盘评测,现在我们稍微深入一点来看看这款硬盘——160G 5K160硬盘。
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Hitachi HTS541616J9AT00 SB4OA70H | |
---|---|
厂商 |
Hitachi(日立) |
系列 |
Travelstar 5K160 |
型号 |
HTS541616J9AT00 |
韧件版本 |
SB4OA70H |
外形因子 |
2.5" |
接口 |
PATA 100 |
标称容量 |
160GB |
未格式化容量 |
152628MB(149.1GB,1G=1024M) |
最大纪录密度 Max Recording density |
902 KBPI 35.5 Kbit/mm2 |
道密度 Track density |
5.7 Ktrack/mm 146 KTPI |
最大区域密度 Max Areal density |
92.1 Gbits/in2 203.8 Kbit/mm2 |
物理尺寸 |
100 x 70 x 9.5 mm |
重量(最大) |
102 g |
标称转速 |
5400 RPM |
马达 |
Fluid Dynamic Bearing Motor |
平均潜伏期 |
5.5 ms |
标称寻道时间(Read/Write) |
11 ms /13 ms |
标称内部传输传率 |
540 Mbit/s |
缓存 |
8MB(Dual Ported, Read Ahead (About 445KB for Firmware) |
盘片 |
2 |
纪录面(磁头数) |
4 |
每面纪录区数 Number of zones |
24 |
每磁道扇区数 Sectors per Track |
480-1272 |
每扇区字节数 |
512 |
不可恢复错误率 |
1/1013(Read) |
启停次数 |
600,000 Normal Load/Unload 20,000 Emergency Unload |
噪声(空闲/工作, A加权) |
25 dB / 27 dB |
启动电流(最大) |
1 A(+5V) |
工作电流(峰值) |
0.36 A(+5V) (随机读写) |
平均功率(空闲/随机寻道) |
0.8 W(Active Idle) / 2.0 W |
工作震动(1 ms/2 ms) |
160 G / 325 G |
非工作震动(1 ms/2 ms) |
1000 G / 150G |
ATA设备特性 |
ATA-7 Compliant |
其他特性 |
Perpendicular Magnetic Recording(PMR) |
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背部没有外露的芯片。
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我们知道目前硬盘一直使用磁极方向与盘片表面平行的水平记录技术,随着硬盘记录密度的提高,存储数据的磁单元体积不断缩小,相邻磁单元的互相干扰越来越严重,产生了所谓的“超顺磁效应”,一度阻碍了记录密度的进一步提升。
AFC——Antiferromagnetic Coupling
反铁磁体耦合
IBM在2001推出了一个具有优美中文名字的技术——仙尘Pixie Dust,通过在原记录层上(其实是在下方)再增加一个记录层,并在它们之间加入一个只有三个原子厚度的金属Ru(Ruthenium,钌)层,通过这个无磁性的钌层,引入一个AFC(Antiferromagnetic Coupling,反铁磁体耦合,一些人也将其写为Anti Ferromagnetic Coupling、Anti-Ferromagnetic Coupling)效应。
我们知道按照磁化现象来区分,介质可分为抗磁体、顺磁体、铁磁体、反铁磁体和亚铁磁体。反铁磁体效应的存在制造了两个磁极方向相反的磁记录层,这样数据便由以往的一个磁场来记录变为由两个磁场来记录,大大提升了抗干扰能力,记录稳定性大大提高。凭着AFC技术人们得以突破超顺磁效应,继续提升磁盘记录密度。
如后面所言,Pixie Dust技术到了垂直记录时代仍具有其独特作用,虽然其作用与水平记录时代并不太一样。
First-Generation Perpendicular Magnetic Recording(PMR) Technology
第一代垂直磁记录技术
时间到了2006年,尽管不同的改进技术不断出现,水平记录技术的发展似乎已经到了尽头,硬盘巨头们开始寻求革命性的新型记录技术,这就是垂直记录方式。
先来看看日立谓之的其它厂商的第一代垂直记录技术:
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这个第一代垂直记录与水平记录技术的比较,上图是水平记录,下图是垂直记录。
传统的水平记录技术,两个磁极都处在记录层表面,磁头通过一个缝隙,与记录层形成一个磁回路(确实,超弦理论揭示了磁单极子的存在,那样磁力线可以以线段的形式存在。然而我们目前的理论和技术中,磁场都是必须形成一个回路)。
垂直记录技术,记录磁极只有一个处于记录层表面,磁头通过与记录层、一个附加的SUL(Soft Underlayer,软衬层)形成一个磁回路,由于记录表面只需要有单个磁极的位置,因此大大提升了记录的密度。观看示意图,可以发现两种记录技术的记录面具有明显的不同:垂直记录写入磁头的写入磁尖非常细小,这也是为了跟记录密度的提升作为对应;因为要形成一个回路,因此加入一个SUL作为回路的水平磁介质,同时这个SUL也可以强化读取的信号以及降低邻近磁道的干扰;磁力线通过附近区域的记录面返回写入磁头,为了防止返回回路的磁场将这些记录面造成影响,因此采用了加大返回磁头面积、加大返回回路经过记录面的面积,从而降低回路磁场强度的做法,可以看到垂直记录技术的磁头确实是由一个“胖”部件和一个“瘦”部件组合而成。
第一代垂直记录技术的读取磁头部分则没有什么变化。
Hitachi Second-Generation Perpendicular Magnetic Recording(PMR) Technology
日立第二代垂直磁记录技术
Writing Head
写入磁头
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为什么不在磁头另一边加入这样的设计呢?这是一个值得思考的问题,或许以后版本的垂直记录技术可以达到相应的复杂度要求。
5K160搭载的磁头材质也有革命性的变化,这一点留待下一页后面解说。
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上方是一个传统矩形磁头,下方是日立采用的梯形磁头,由于装载磁头的磁臂是通过音圈电机在硬盘记录面上方作圆周运动的,因此磁头从盘片内圈移动到盘片外圈,磁头方向跟磁道方向之间的夹角就在不停地变化,在这种情况下,在盘片内圈及外圈的时候传统矩形磁头便会由于角度的原因覆盖到邻近的磁道,在进行写入操作时便有可能得到非预期的结果。人们只能降低磁道密度来避免改写邻近磁道数据,日立采用的梯形磁头便没有这种问题。
同时垂直记录技术还有与生俱来的Pole Erasure(磁极擦除)和Stray Field Erasure(杂散场擦除)问题,前者是由于写入磁头的剩磁现象所导致,后者则是由于垂直记录相关介质越来越高的磁化系数导致对外来磁场越来越敏感的现象所导致,日立也对磁头做了不少的工作来解决这些问题,下一页中将会提到日立采取了新的磁头材料和新的磁头装配技术。
Recording Media
记录介质
记录介质可说是垂直记录技术的核心部分,自从水平记录介质接近热稳定位大小界限之后,工业界便开始寻求相关解决方法。
2006年,日立研究出了一种颗粒式的记录介质,它的颗粒是由Co(Cobalt,钴)、Cr(Chromium,铬)、Pt(Platinum,铂)金属成分组成的磁性合金,再加上氧化物包裹隔离层组合而成,即下图的Oxide-segregated magnetic layers氧化物隔离磁层:
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最底部的Substrate就是盘片,可以使用玻璃或者金属(通常是铝),主要的记录层Oxide-segregated magnetic layers的上方还具有一层Carbon overcoat碳保护层。
通过日立的合金技术和积层工艺,整整8层不同的材料组成了整个记录介质,这种介质具有出色的记录性能,并具有非凡的抗腐蚀能力。
如前方所言,日立的垂直记录技术里面出现了Anti-ferromagnetic coupling层,这层非常薄的Ru金属层可以产生一个Antiferromagnetic Coupling现象,在以往的IBM/Hitachi硬盘中,这个技术用于提升磁盘记录稳定性,提升磁盘记录密度的,那么在垂直记录技术中它还是不是这样呢?
在水平记录技术中,Ru层上下是用来记录数据的Hard Magnetic Layer,而在日立的垂直记录技术中,Ru层上下是两层Soft Underlayer,是用来形成磁回路的一种介质层,并不是用来记录数据的数据层,垂直记录使用这个技术主要是用来获得更低的读取写入噪声、获得更好的记录信噪比。
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资料来源:《Transition Noise Characteristics of PMR Media with the Synthetic Antiferromagnetic Coupled Soft Underlayer》,Y. W. Tahk等
如记录媒体纵切面图所示,上方是Antiferromagnetic Coupled Soft Underlayer,下方是传统单层Soft Underlayer,可见传统单层SUL具有很多磁涡流,排布很混乱,相比之下Antiferromagnetic Coupled Soft Underlayer就显得整齐多了。
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资料来源:《Transition Noise Characteristics of PMR Media with the Synthetic Antiferromagnetic Coupled Soft Underlayer》,Y. W. Tahk等
Antiferromagnetic Coupled Soft Underlayer的记录过程,Conventional SUL即为传统的单层Soft Underlayer,SAFC-SUL确实具有其优势,日立通过革命性的记录介质技术和积层技术,并克服了众多的困难,最终获得了高记录密度、高性能、高稳定性的硬盘产品。
Read/Write Electronics
读写电学
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由于记录角度偏转了90度角,因此垂直记录技术的磁头信号波形就有很大的不同,同时垂直记录技术的读写频率响应差别也很明显,垂直记录技术在低频率区具有更强的信号,同时也更容易受到干扰,因此相应方面的电路等就要做出很多考虑。
随着记录密度的不断提升,磁头的面积也越来越小,不断提升的磁头磁化系数也让磁头对外界干扰更加敏感,对磁头的机械性能提出了越来越高的要求。
日立在06年5月15日宣布研制出全球最稳定可靠的硬盘读取感应器技术,使读取数据的敏感度和精确度倍增。这种成功,应该归功于使用了崭新的IrMnCr(铱锰铬)合金磁头技术,以及Pinning Field(固定场)磁头技术。
IrMnCr(铱锰铬)合金磁头技术
日立使用IrMnCr合金技术代替了以往的PtMn合金作为读取磁头的材质,Cr的加入让磁头具有了出色的抗腐蚀能力。
新材料的让磁头的机械强度更高、灵敏度更强、寿命更长。
Pinning Field(固定场)磁头技术
日立还在磁头上搭载了一项革命性的技术:Pinning Field(固定场)技术,为磁头提供了强劲的稳定性。
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AFC/仙尘无处不在
日立GMR读取磁头结构,Pinned Layer就是用来提供磁头机械强度的固定层,这一层稳定性越好,读取性能就越佳,硬盘可靠性越高。日立通过在Pinned Layer之间加入了一层Ru,制造了一个AFC效应结构,通过给Pinned Layer预置一个磁场,使整个Pinned Layer获得了出色的鲁棒性(Robust),图上下方示意Pinned Layer受到环境的热震动、机械、磁场等影响时两个Pinned Layer产生两个相反方向的力而互相抵消,这大大提升了读取磁头的机械稳定度,从而提升了硬盘的可靠性。
很明显,这个Ru层和记录介质里使用的Ru层是一样的,都是仙尘技术的特别应用。
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日立的数据显示读取新型磁头的固定强度获得了成倍的提升。
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返修率大大降低的同时和硬盘的产量也得到了指大大的提升,当然,这个是日立自己给出的数据。
通过对AFC效应的出色应用和新材料的研发,日立创造了划时代的Travel 5K160硬盘产品。
Thermal Fly-height Control(TFC) Technology
热感飞行高度控制技术
日立在Travelstar 5K160上引入了一项新技术:Thermal Fly-height Control(TFC) Technology(热感飞行高度控制技术),这项技术是干什么的呢?我们来看看。
物体尺度随温度而变化的原理大家都知道了,对于硬盘而言,在不同的环境温度下工作、不同的读取/写入状态,都会引起温度的变化,这一点点变化对磁臂等对位置要求很严格的元件影响就很大,这可以带来不少的问题,TFC技术就是用来解决这个问题的技术:TFC元件可以主动控制磁头元件的飞行高度。
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加热元件配合相关线路实现了磁头飞行高度的调节。
按照日立给出的数据,TFC技术可以提升40%的SER(Soft Error Rate)指标,并提高了硬盘的Overwrite(O/W)能力,同时ATI(Adjacent Track Interference,邻近磁道干扰)也明显有了降低,从而提升硬盘的性能和可靠性。
Ramp Load/Unload Technology
坡道装载技术
就是磁头装载技术,见快速稳健 日立T7K250硬盘详细评测。
Enhanced Adaptive Battery Life Extender(ABLE)
增强型适应性电池扩展
通过优化电源管理策略,降低耗电量。
Reliability
可靠性
不可恢复错误率 |
1/1013(Read) |
启停次数 |
600,000 Normal Load/Unload 20,000 Emergency Unload |
笔记本还有一个特别的启停指标:Emergency Unload紧急停载,当出现突然掉电或者震动过大的时候就会引起这种操作,这种操作下为了保护硬盘,将会使用到机械措施,这时未写到盘片上的数据将会丢失。过多的Emergency Unload对硬盘也有影响,Travelstar 5K160给出了高达2万次的紧急停载指标。
硬件环境 | |
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CPU |
Intel Pentium 4 660 ES(LGA 775 Prescott , 90nm , 200*18=3.6G , 2MB L2) @ 3612.8MHz |
主板 |
ASUS P5WD2(Intel i955X + ICH7R) |
内存 |
Kingxbox DDR2 800 1GB(2 Physical Banks, 4 Logical Banks) x 2 @ Dual Channel 334.2MHz 5-5-5-16 |
系统硬盘 |
Seagate Barracuda 7200.10 ST3320620AS 320G 16M SATA 3Gb/s(Firmware 02.01C03) @ SATA 3Gb/s AHCI Mode w/ NCQ |
测试硬盘 |
Hitachi Travelstar 5K160 160G 8M PATA 100(Firmware SB4OA70H) @ PATA 100 w/ HDD Changer Gender |
显卡 |
XFX GF7600GS 256MB 128bit DDR3(NVIDIA GeForce 7600GS, PCI Express x16 , 500MHz/700MHz) |
声卡 |
Intel HD Audio , Realtek ALC882 Codec |
电源 |
Goldenfield ATX-S500(ATX12V 1.3 350W) |
软件环境 | |
操作系统 |
Windows XP Professional 2600 ENG SP2 + DirectX 9.0c 2006.02.07 |
主板驱动 |
Intel Chipset Installation Software 8.0.1.1002 WHQL |
磁盘驱动 |
Intel Matrix Storage Manager 6.0.0.1022 |
显卡驱动 |
nVIDIA Forceware 91.31 WHQL |
测试项目 | |
内存性能测试 |
PCMark05 1.0.1 |
SiSoftware Sandra 2007 | |
ATTO Disk Benchmark 2.02 | |
HD Tach 2.61 | |
HD Tach RW 3.0.1.0 | |
IOMeter 2007.07.30 |
我们使用了台式机测试环境,以测试这个硬盘的实际性能,虽然这通常跟笔记本上的环境不太一样。笔记本环境的测试,可以参阅高速高容 日立5K160 2.5'硬盘评测。
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将近50MB/s的最高传输速率,非常快,19.2ms的随机存取时间符合这款硬盘的定位。
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HD Tach RW 3.0.1.0测试界面。
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平均读取37.8MB/s,平均写入36.3MB/s,外圈最高达到约48MB/s,平均存取时间17.1ms。
IOMeter是业界广泛使用的IO性能测试软件,我们使用了2004.07.30.win32.i386版本来完成磁盘子系统性能的测试,并使用定制的Excel宏来完成数据分析。
通过使用不同的IOMeter设定值来呈现文件服务器(选择范围为512Bytes到64KB)和网站服务器(选择512Bytes到512KB作为I/O范围)的相应负载,文件服务器和网站服务器的脚本都按照于StorageReview.com的脚本来进行,StorageReview.com通过对各种文件服务器和网站服务器的实际运行进行统计分析制定了业界广泛使用的测试脚本。连续性操作的设值为64KB,因为这是NT核心操作系统所使用的限定数值,更大的数据包将会被操作系统分割为64KB执行。
最后,我们实际测试使用的IOMeter策略如下:
Max IO:
为了得到完整的磁盘性能数据,我们测试了从512Bytes到64KBytes的8种数据块大小,并分别测试了100%读取操作以及100%写入操作下的表现,测试随机率为0%,即为100%连续读取,用于检测磁盘子系统的最大输入输出能力。从所有的数据中,可以分别得到的数据指IOps(每秒操作数)以及MBps(传输速率)。
File Server:
文件服务器应用在一个多用户或网络化的环境中专门用于文件的储存,恢复和管理。不同用户的访问形成了多线程,因此,其工作负载是随机性的。输入输出大小是可变的,取决于所操作的文件大小。读/写分布也是变化的。总的来说,一个频繁使用的多用户服务器应该采用较高的队列深度来模拟。
最后,测试读取尺寸从512Bytes到64KB不等,80%读取操作,随机率为100%,用于模拟文件服务器的性能。笔记本通常不会用作服务器用途,因此我们仅仅给出IOps曲线图作为参考。
Web Server:
网站服务器应用于处理多用户通过Internet或Intranet进行的访问。这些请求具有典型的随机性,并且在用户访问不同页面或视频应用时大量偏向于读请求。同样,一个访问频繁网站服务器也应该采用较高的队列深度来模拟。最后,测试读取尺寸从512Bytes到512KB不等,100%读取操作,随机率为100%,用于模拟Web服务器的性能。
在实际的桌面环境中,小于4KB的块访问数量不少,但是由于操作系统的缓存的存在而具有一定的降低,主要的块大小基于4KB。在文件服务器环境中,512B、4KB、64KB的块都比较多,其中4KB的占了绝大部分,而在网站服务器环境则主要是8K以下的块大小。
笔记本通常不会用作服务器用途,因此我们仅仅给出IOps曲线图作为参考。
SCSI标准中的TCQ(Tagged Command Queuing)支持高达256的Queue Depth(队列深度),按照企业级硬盘的标准IOMeter测试的Queue Depth一般都用128或者256,但是在桌面应用中,Queue Depth通常不会大于128,通常为64左右;作为SCSI TCQ技术的一个简化的版本,SATA的NCQ(Native Command Queuing,本地指令队列)支持32的Queue Depth,因此我们测试时,队列深度从1到128。我们仅仅使用了一个Worker。
收集完所有数据之后,可以很容易地做出一个三维曲面图,如下列图表所示,X坐标为Queue Depth队列深度,从左到右为从128到1;Y坐标为测试块大小,在IOps图像中,由近到远为从64KB大小到512B大小,在MBps图像中则刚好相反;Z坐标则为最终数据:IOps或者MBps。IOps为每秒操作数,MBps为每秒传输数。
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总而言之,PATA接口没有NCQ功能(的确,PATA有一个叫做TCQ的类似功能,然而功能却相当之弱),因此并不像以往一些支持NCQ功能的硬盘那样,随着队列深度的加深而性能变强,亦即是可伸缩性不强。
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在块大小超过4KB的时候,读取和写入速度达到最大,其中读取速度仍然略高于写入速度,最大读取/写入速度约为43.82MB。
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响应时间几乎一致,读取稍占优势。
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总体而言,作为一款5400RPM的笔记本硬盘,其IOps和MBps让人满意。
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笔记本硬盘表现一般。
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IT168评测室观点
【IT168评测中心】Hitachi Travelstar 5K160是日立的第一款垂直记录笔记本硬盘,跟先推出市场的其他前辈相比,Hitachi做了不少的改进,并称自己的技术为第二代垂直记录技术。
日立的第二代垂直记录技术,包括了加入了Trailing Shield结构的梯形写入磁头,采用了新型IrMnCr合金材质并加入基于AFC效应的Pinning Field(固定场)磁头技术;由Co、Cr、Pt金属成分及氧化物隔离物组合而成颗粒式的记录介质、再采用积层技术制作、融合AFC Double Soft Underlayer的多层垂直记录盘片,再加上特别为了5K160研发的Thermal Fly-height Control(TFC) Technology热感飞行高度控制技术,大大提升了硬盘的可靠性、容量以及读取性能,在每一方面,5K160都取得了不小的进步。
防震方面,5K160工作震动160G(1ms)/325G(2ms)、非工作震动1000G(1ms)/150G(2ms)的指标也相当之高。
作为日立当前的旗舰笔记本硬盘,Travelstar 5K160集Hitachi技术之大成,除了价格稍高之外,实在难以找出什么其它的缺点了。消费者最好选用SATA的版本,PATA版本性能也不错,然而PATA的机制始终已经不合现下发展的潮流。
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Hitachi HTS541616J9AT00 SB4OA70H | |
---|---|
厂商 |
Hitachi(日立) |
系列 |
Travelstar 5K160 |
型号 |
HTS541616J9AT00 |
韧件版本 |
SB4OA70H |
外形因子 |
2.5" |
接口 |
PATA 100 |
标称容量 |
160GB |
未格式化容量 |
152628MB(149.1GB,1G=1024M) |
最大纪录密度 Max Recording density |
902 KBPI 35.5 Kbit/mm2 |
道密度 Track density |
5.7 Ktrack/mm 146 KTPI |
最大区域密度 Max Areal density |
92.1 Gbits/in2 203.8 Kbit/mm2 |
物理尺寸 |
100 x 70 x 9.5 mm |
重量(最大) |
102 g |
标称转速 |
5400 RPM |
马达 |
Fluid Dynamic Bearing Motor |
平均潜伏期 |
5.5 ms |
标称寻道时间(Read/Write) |
11 ms /13 ms |
标称内部传输传率 |
540 Mbit/s |
缓存 |
8MB(Dual Ported, Read Ahead (About 445KB for Firmware) |
盘片 |
2 |
纪录面(磁头数) |
4 |
每面纪录区数 Number of zones |
24 |
每磁道扇区数 Sectors per Track |
480-1272 |
每扇区字节数 |
512 |
不可恢复错误率 |
1/1013(Read) |
启停次数 |
600,000 Normal Load/Unload 20,000 Emergency Unload |
噪声(空闲/工作, A加权) |
25 dB / 27 dB |
启动电流(最大) |
1 A(+5V) |
工作电流(峰值) |
0.36 A(+5V) (随机读写) |
平均功率(空闲/随机寻道) |
0.8 W(Active Idle) / 2.0 W |
工作震动(1 ms/2 ms) |
160 G / 325 G |
非工作震动(1 ms/2 ms) |
1000 G / 150G |
ATA设备特性 |
ATA-7 Compliant |
其他特性 |
Perpendicular Magnetic Recording(PMR) |