隨著內建高容量儲存裝置的可攜式消費性電子（CE）產品愈來愈受歡迎，從手機、影音播放裝置到數位相機，促使硬碟機產業必須開發各種獨特解決方案以滿足快速攀升的應用需求。如何使微型硬碟的成本更低、容量更大、電池續航力更佳以及可靠度更高，這些都是硬碟機研發業者致力發展的功能。為運用更彈性化的設計因應上述市場的需求，硬碟機製造商要求矽元件供應商提供理想的解決方案，支援架構方面的創新設計。

消費性電子產品對於省電功能的需求主要源自於持續成長的可攜式產品，以及提高可靠度與降低故障率的要求。對於硬碟機（HDD）而言，一方面須增加筆記型電腦與掌上型消費性裝置的儲存容量，另一方面又得降低功耗以延長電池續航力並提昇產品的可靠度，但這兩種需求通常無法兼顧。在運算領域，愈來愈多筆記型電腦被用來取代住家與辦公室的桌上型電腦，因此需要更長的電池續航力、更高的傳輸速度以及更大的容量，以維持與桌上型機種相同的水準。在掌上型消費性電子方面，硬碟機必須具備更長的電池續航力以及堅固的設計，以因應意外掉落的風險。

針對省電性能量身設計

對於掌上型消費性電子裝置而言，耗電率尤其重要。隨著高頻寬影音傳輸成為現今媒體播放裝置與手機的必備功能，消費性產品製造商要求小型化（SFF）硬碟機（1.8吋以下機種）不僅可儲存更多音樂，也須提供高速讀/寫功能，以支援影片播放與其他功能，這又對耗電率帶來另一層壓力。

可攜式消費性電子裝置持續擴展至更先進、儲存更多資料的應用，而具有高普及率與高成長率的行動電話，正是各種功能集大成之平台。新款手機設計結合媒體播放功能與其他用途，卻只分配約10％的耗電配額供儲存功能所需；然而在不同電池技術中，裝置的平均耗電率則須維持在100 mW的水準。

鋰電池是現今掌上型裝置最理想的電池技術。硬碟機的運作電壓已降低到2.7伏特的最低值，使電池如(圖一)所示，得以達到最長的播放時間。

《圖一　典型的鋰電池》

(圖二)顯示在傳送串流音樂檔案時，典型的電流週期圖。一般而言，在沒有傳輸資料時，主控端會將硬碟機設定為低耗電狀態或關閉電源模式，而需要傳輸資料時，硬碟機才會開始運轉，以高速傳輸率將大量資料送到主控端緩衝記憶體，並立即切換至低耗電模式。接著，主控端會以較低的傳輸率從緩衝區中讀取資料。此舉使得硬碟機能採用極低的工作週期，平均耗電率因此降低，進而延長電池續航力。但是當硬碟機在傳送資料時，仍會採用各種電源管理技術來降低耗電量。例如，當讀取磁區資料時耗電量會達到最高，但當主控端為忙碌狀態時，硬碟機便切換至耗電率較低的模式。

《圖二　MP3播放裝置的電流消耗》

緩衝區的功能是作為主控端的速度匹配元件。主控端緩衝區的容量會影響耗電量;緩衝區越大，表示高耗電硬碟機運轉/停止程序越少，進而降低平均耗電量。在緩衝區容量、電源、以及成本之間取得最理想的平衡點，將協助主控端元件製造商選擇適合的緩衝區元件，不僅能達到應用的功耗目標，且還能降低成本。典型的音樂播放裝置緩衝區容量約在8至16MB之間，價格的壓力促使硬碟機製造商致力於降低耗電率。

如(圖三)所示，硬碟機電子元件包括一個前置放大器（PA）IC、馬達控制器（MC）IC以及一個整合型系統單晶片（SoC），內建讀取通道與硬碟機控制器技術，並整合所需的I/O元件與記憶體於其中。分析微型硬碟機的耗電預算(圖四)，顯示儲存電子元件佔去約一半的總耗電量，其餘則是各種機械與電子零件（大多數是在主軸馬達啟動與關閉時所消耗）。由於SoC的主要功能是管理與讀寫儲存在硬碟機磁盤上的資料，所以會消耗大部份的電力。這項耗電分析包含瞬間耗電，且會比典型的主控端應用的平均值要來得低。

《圖三　硬碟機電子元件》

儲存IC消耗約50％的硬碟機耗電量，因此矽元件供應商有絕佳機會來提升系統層面的省電效率。其中包括電壓調整、磁碟分割、介面、耗電管理機制以及半導體製程技術等方面的創新設計。

《圖四　硬碟機耗電預算》

電壓調整

典型的硬碟機需要兩種電壓──供邏輯元件使用的數位核心電壓，與供馬達、類比數位轉換器（ADC）以及介面元件使用的類比電壓。類比電壓以往都是由主系統供應，並調整到最高值。核心電壓以往都是透過硬碟機馬達控制IC內的線性調整器，如(圖五)所示，將主系統的電壓調整至1.2伏特。現今的硬碟機使用3.3伏特的電力，線性調整器將3.3伏特轉換成1.2伏特/200毫安培（mA）供儲存IC使用。如(圖六)所示，線性調整器耗用200毫安培的電流，轉換效率僅有36%。

《圖五　傳統線性調整器的設計》

SFF硬碟機提升省電效率最有可能的方法，就是以交換式調整取代馬達控制器的線性調整器，負責產生核心電壓。這種元件亦能將3.3伏特轉換成1.2伏特，僅耗用90毫安培的電流，轉換效率高達80％。交換式調整器的雜訊，可使用低成本的元件控制，以維持一定的訊號完整性。利用交換式（300毫瓦）取代線性

660毫瓦）調整器，可節省55％的總耗電量。此外，使用交換式調整器能把數位核心電壓從1.2伏特降到1.0伏特，因此能節省更多的電力。

另一個改進方法就是降低電源電壓、數位核心電壓以及類比電壓。改採集積度更高的製程能進一步降低核心電壓，帶來驚人的省電效益。但降低的幅度會因漏電量的增加而減少，使得在65奈米製程技術環境中衍生出更多有待克服的問題，削弱了降低類比電壓原本可觀的省電效益。藉由採用類比電壓則有機會帶來省電效益。一般的主控端電壓最高值為3.3伏特，但若採用混合訊號電路，能將電壓的額定值壓低到2.5伏特。2.5伏特可透過降低主控端電壓或是由硬碟機內建的調整器轉換。若使用後者，由於調整器會損耗極微的效率（即使使用交換式調整），故降低耗電量的幅度是最低的。這種方法較適用於採用較低的主控端電壓。

《圖六　電壓調整區塊圖》

主控端/硬碟機分割

另一種節省電力的方法就是有效的硬碟機／主控端分割，也就是把功能從主控端轉移到硬碟機，或是從硬碟機轉移到主控端。現今各種多媒體功能紛紛被整合至媒體播放裝置與手機等可攜式產品中，透過磁碟的重新分割不僅能降低整體耗電量，亦能讓空間有限的掌上型裝置多出寶貴的可用空間。許多這類的裝置都內含獨立、可移動的元件，因此使用嵌入式硬碟機設計有助於節省耗電量、尺寸以及成本。(圖七)提供這種整合策略的兩個極端例子：

《圖七　重新分割主控端/硬碟機的功能》

這兩種設計各有優缺點，然而功能的整合的確能減少重複性以及多餘的線路，並減少互連元件的數量，進而降低可攜式裝置的耗電率。

介面

像CE-ATA 與MultiMedia Card（MMC）等新介面都正在發展專門支援消費性電子應用的規格。這些介面標準提供更小的尺寸以及使用相同的實體介面，但在通訊協定不同之時，解決方案是採用較低的介面電壓來降低耗電率。現今的Compact Flash介面使用3.3伏特的訊號與驅動電壓；CE-ATA／MMC介面規格使用1.8伏特的訊號電壓，並區隔類比電源，藉以提高硬碟機的省電效率。

功耗管理

功耗管理讓主控端能有效地控制硬碟機的耗電量。儲存單晶片通常內含一個多重狀態的排序器，使系統能透過韌體控制以支援各種自主管理的耗電管理功能。這些功能可根據硬碟機的設定來調整耗電量，並可選擇關閉電路、啟動/關閉所有功能區塊，以及針對無法關閉時脈的功能區塊加以區隔。其他功耗管理技術包括選擇正確的系統時脈頻率，通常是選擇適合的處理器時脈速度來提高硬碟機的效率，而這些功能都有助於提高整體省電效率。

半導體製程

業者應根據硬碟機的傳輸速度來選擇元件的製程技術。為在低耗電情況下，晶片研發業者應選擇低漏電、高起始電壓值（high threshold）的製程，能在待機模式下限制漏電情形，且仍能提供所需的系統效能。掌上型裝置所使用的SFF硬碟機傳輸速度較低，因此使用較慢的元件可達到較低的耗電量。

此外，縮小製程的尺寸可降低產品的耗電量。降低的幅度大致呈線性比例，但因為65奈米所製造的元件中，漏電是一項相當顯著的問題，因此在65奈米製程中耗電降低的幅度就開始縮小。

堅固耐用的設計

隨著高容量裝置在可攜式消費性電子產品中日趨普及，硬碟機的動態保護機制也就相形重要。要提高這些裝置的堅固性，必須能可靠地偵測出「墜落」的狀況，並且必須在撞擊之前將讀寫頭歸至停止位置。這是相當困難的目標，因為從一公尺墜落到地面所經過的時間不到半秒。

在半導體元件方面，小型化硬碟機須針對馬達控制晶片、儲存系統單晶片（或讀取通道）、前置放大器以及用來偵測墜落事故的感測器，如(圖八)所示，等元件的設計加以整合協調。現今的微型硬碟機採用兩種感測器中的其中一種──撞擊感測器或加速度計，並搭配相關演算法。

《圖八　硬碟機墜落時元件反應的流程圖》

在磁碟機墜落時，馬達控制晶片會收到感測器傳來的訊號；而內建撞擊感測器的硬碟機中，會把類比訊號放大後再轉換成數位訊號。馬達控制器會將訊號與參考值進行比對，研判訊號是否「異常」。消費者不能容忍經常發生誤報情況 ，例如在非必要時關閉硬碟機，或在真正發生墜落時卻沒有啟動保護機制（在撞擊地面之前沒有保護硬碟機）因此系統會妥善處理訊號，將讀取的數據與參考值進行比對。若訊號落在參考範圍之外，馬達控制器就會警告SoC硬碟機正在墜落。

SoC會先檢查硬碟機的狀態，判斷其正處於搜尋作業或待機模式。有別於桌上型PC專用硬碟機，即使在沒有進行讀寫的狀態下，仍舊會把磁頭置於旋轉中磁盤的上方，對於微型硬碟機而言，電池電力的重要性遠超過資料傳輸速度，因此在待機模式時會關閉主軸馬達，並將Head Stack Assembly（HSA）磁頭組件置於磁盤以外的區域。若硬碟機處在寫入模式，SoC會透過前置放大IC關閉寫入電流，並由馬達控制器關閉主軸馬達，並將HSA磁頭組件停在待機區。

對SFF硬碟機而言，改進可靠度與管理電源損耗是同樣重要的考量因素，因為像是拔下電池造成電力忽然中斷等類似事件，與撞擊一樣經常會發生。這種事件與裝置墜落的情況十分類似：馬達控制器感測到電力中斷後，會立即將HSA組件置於待機區。SoC在確認電源中斷後，在正常控制的狀態下立刻關閉硬碟機中其他電子元件。所有種類的硬碟機在執行這項程序時的模式都相當類似，較大的（2.5至3.5吋）硬碟機可利用主軸馬達的反電動勢提供足夠的能源來收回磁頭。SFF硬碟機中的小型磁盤則沒有足夠的旋轉動能來產生必要的能源，因此必須利用電容，在硬碟機運轉時對電容充電，在電力中斷時就使用電容中的電力來收回磁頭。

新型SFF硬碟機的設計愈來愈依賴晶片與韌體的通訊效率，藉以縮短反應時間。在改進可靠度方面，元件的整合度是另一項重要的考量因素。由於消費性電子裝置的可攜性增加機械或電子故障的機率，而增加一個電容或電阻，則會使硬碟機故障的機率大幅提升，因此，新型硬碟機必須透過馬達控制器來整合許多獨立型元件，藉以改進可靠度與降低整體成本。

結語

現今許多小型化硬碟機採用最佳化的設計，能整合在各種須大量運用SSF的裝置中，例如像手機與未來的多媒體掌上型裝置。硬碟機製造商與矽元件供應商持續致力於發展出更高的容量、更長的電池續航力以及更堅固的機種；而他們的努力也造就了創新的產品，比如，於2006年問市的1.0吋硬碟機，其容量較前一年機種高出一倍以上，提供12至15GB的儲存容量，增加的幅度是自1999年以來最大的一年。1.0吋硬碟機的空間密度已達到1.8吋機種的水準，有效擴展此機種的市場版圖至包括像高階筆記型電腦的市場。（作者為Agere Systems傑爾系統儲存部門資深技術經理）

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