硬碟是什麼？從發展史到現代儲存技術的演變

Shares20Facebook LinkedIn Tweet

更新日期： 2025 年 3 月 4 日

本文為 NoSQL 基本介紹系列文，第 3 篇：

在現代電腦中，硬碟（Hard Disk Drive, HDD） 是一個不可或缺的儲存裝置，負責存放作業系統、應用程式、文件、照片、影片等各種數據。

但你是否想過，硬碟的名稱從何而來？它的前身是什麼？現在常見的 固態硬碟（SSD, Solid State Drive） 又是如何發展而來的？

這篇文章將帶你回顧電腦儲存技術的演變，從早期的 軟碟（Floppy Disk） 到傳統 硬碟（HDD），再到現代的 固態硬碟（SSD）。

並說明它們之間的差異與命名原因，幫助初學者更深入了解這項關鍵技術。

磁鼓與穿孔卡時代（1940s – 1950s）

在電腦發展的早期，儲存技術遠比現代原始且效率低落。

當時的電腦主要依賴穿孔卡（Punch Card）和磁鼓（Magnetic Drum）來存儲與處理數據。

這些裝置的儲存容量極為有限，讀寫速度也相對緩慢，但它們為後來的儲存技術奠定了基礎。

穿孔卡（Punch Card）——最早的「數據儲存」方式

穿孔卡的概念最早可以追溯到 1801 年，當時法國發明家 約瑟夫·雅卡爾（Joseph Marie Jacquard） 發明了一種以穿孔卡控制織布機的技術。

而這項技術後來被應用到數據儲存與程式設計中。

工作原理：

穿孔卡是一張硬紙卡，上面打有小孔，每個孔代表不同的數據或指令。

電腦透過機械讀卡機掃描這些孔，來解讀卡片上的資訊。這種方式雖然簡單，但存取速度極慢，而且一次只能讀取固定的數據量。

穿孔卡的特點：

✅ 標準化的輸入方式：可用來輸入程式與資料。
✅ 不需要電力存儲：穿孔卡本身是物理存儲設備，不會因斷電而遺失數據。
❌ 存取速度極慢：電腦需要透過機械讀卡機依序讀取卡片上的數據。
❌ 容量受限：一張卡片最多只能存約 80 個字符，需要大量卡片才能存儲完整的程式或數據。
❌ 不易修改：如果數據輸入錯誤，必須重新製作新的卡片。

由於穿孔卡的效率低落，後來被更高效的磁性儲存技術所取代。

磁鼓（Magnetic Drum）——硬碟的前身

磁鼓記憶體 是一種早期的磁性儲存裝置，最早由奧地利工程師 古斯塔夫·陶契克（Gustav Tauschek） 在 1932 年 發明，並於 1950 年代被廣泛應用於計算機系統。

磁鼓技術後來成為現代硬碟（HDD）的雛形。

工作原理：

磁鼓的外觀像一個金屬圓柱，表面塗有磁性材料，並搭配多個固定的讀寫磁頭來存儲數據。

磁鼓旋轉時，磁頭可以存取不同的數據區塊。

磁鼓的特點：

✅ 存取速度比穿孔卡快：可隨機存取不同區塊的數據，而不需要按順序讀取。
✅ 存儲容量較大：比穿孔卡和早期的記憶體技術提供更大的存儲空間。
❌ 體積龐大：磁鼓通常與電腦主機一樣大，無法攜帶或替換。
❌ 造價昂貴：當時的磁鼓成本極高，只有大型電腦才能使用。

儘管磁鼓技術比穿孔卡先進，但仍有許多限制，直到更精密的磁碟技術（如軟碟與硬碟）問世後，才逐漸被淘汰。

軟碟（Floppy Disk）：可攜式儲存的先驅（1960s – 1990s）

軟碟的誕生

1967 年，IBM 研發了軟碟（Floppy Disk），這是一種可攜式磁性儲存裝置，最初的目的是作為大型電腦的程式與數據載入媒介。

最早的軟碟尺寸為 8 吋（1971 年），後來縮小為 5.25 吋（1976 年），最終演變為 3.5 吋（1980 年代） 的標準設計。

為何叫「軟碟」？

軟碟的名稱來自於它的材質。早期的 8 吋與 5.25 吋軟碟，內部磁盤是由柔軟的塑膠片製成，外部則有一層薄薄的保護殼，因此稱為 「Floppy Disk」（Floppy 意為「軟的」）。

雖然 3.5 吋軟碟的外殼變成了硬塑膠，但仍沿用了「軟碟」這個名稱。

軟碟的特點

✅ 可攜帶：相較於磁鼓或穿孔卡，軟碟體積小且可輕鬆攜帶。
✅ 可重複使用：使用者可以刪除舊資料，重新寫入新資料。
❌ 容量有限：初期的 3.5 吋軟碟只有 1.44MB 儲存空間，遠遠無法滿足現代需求。
❌ 讀寫速度慢：受限於磁性技術，讀寫速度低，且磁片容易因摩擦而損壞。

雖然軟碟在 1980 至 1990 年代非常流行，但隨著數據需求增加，它的容量限制成為瓶頸，最終被硬碟（HDD）與USB 隨身碟取代。

硬碟（HDD）：高容量儲存的革命（1956 – 至今）

1956 年，IBM 發明了世界上第一台硬碟（Hard Disk Drive, HDD），名為 IBM 305 RAMAC。

這台硬碟體積巨大，與一個冰箱相當，重量超過一噸，但儲存容量僅 5MB。

雖然當時 HDD 的儲存量遠超穿孔卡與磁鼓，但它的成本極高，僅限於企業和軍事用途。

到了 1970 年代，硬碟技術逐漸進步，尺寸縮小，價格降低，使個人電腦開始採用 HDD 作為主要存儲設備。

1980 年代，Seagate 推出了 5.25 吋 HDD，進一步推動了硬碟的普及，而 1990 年代的 3.5 吋與 2.5 吋標準 HDD 則成為桌上型與筆記型電腦的主要存儲裝置。

為何稱為「硬碟」？

硬碟的名稱來自於其內部的存儲介質。與 軟碟（Floppy Disk） 的柔軟塑膠磁片不同，HDD 使用的是堅硬的金屬或玻璃基板磁盤，因此被稱為「硬碟」。

這種材質不僅更堅固，還能提供更高的數據密度，使 HDD 具有更大的儲存容量。

硬碟的運作原理

HDD 的核心組件包括：

磁盤（Platter）：一片或多片高速旋轉的圓形磁盤，表面塗有磁性材料。
磁頭（Read/Write Head）：負責讀取和寫入數據，位於磁盤的上方。
驅動軸與馬達：讓磁盤以每分鐘 5,400 至 15,000 RPM 的速度旋轉。
控制器（Controller）：管理磁頭運動，負責數據傳輸與磁盤尋找（Seek Time）。

當電腦需要讀取或寫入數據時：

硬碟的磁頭會懸浮在高速旋轉的磁盤表面上方（距離僅幾奈米）。
磁頭透過電磁原理，將資料寫入磁盤表面，或讀取儲存的數據。
控制器確保數據能快速存取，並減少磁頭移動的延遲。

由於 HDD 依賴機械運作，其存取數據的速度受到磁盤旋轉速率（RPM）與磁頭尋找時間（Seek Time） 影響，因此速度遠不及 SSD。

硬碟的優勢與缺點

✅ 高容量：
HDD 早期僅有幾 MB 容量，如今可達 數 TB（1TB = 1024GB），是目前最經濟的高容量存儲解決方案。

✅ 可重複讀寫：
不像 CD/DVD 只能一次性寫入，HDD 可無限次刪除與存儲數據，非常適合作為作業系統與大容量數據存放裝置。

❌ 機械結構限制：
HDD 依靠磁盤旋轉與磁頭運動來讀寫數據，因此容易受到物理震動影響，掉落或劇烈撞擊可能導致硬碟損壞，數據無法讀取。

❌ 讀寫速度較慢：
HDD 的存取速度受磁盤轉速（RPM）與磁頭移動速度影響，即使最快的 15,000 RPM 企業級硬碟，讀寫速度仍遠遜於 SSD。

❌ 耗電與噪音：
機械運作產生噪音，並且因為磁盤旋轉與磁頭移動需要額外電力，因此比 SSD 更耗能，特別是在筆記型電腦上，使用 HDD 可能導致電池續航力降低。

HDD 的發展與未來

儘管 SSD 逐漸成為主流，但 HDD 仍然在大容量儲存（如伺服器、監控錄影、備份存儲）等領域佔據重要地位。

未來的 HDD 可能會進一步提升儲存密度，使用 熱輔助磁性記錄技術（HAMR） 或 微波輔助磁性記錄技術（MAMR），將容量推向 數十 TB 級別。

然而，在一般消費市場，SSD 已逐步取代 HDD 成為主要存儲設備。

固態硬碟（SSD）：儲存技術的未來（2000s – 現在）

隨著快閃記憶體技術的發展，固態硬碟（Solid State Drive, SSD） 成為 HDD 的最佳替代方案。

SSD 不包含任何機械零件，採用 NAND Flash 快閃記憶體 儲存數據，因此讀寫速度比 HDD 快數十倍，也更耐用、節能。

SSD 的特點

✅ 超高速讀寫：
SSD 透過電子訊號存取數據，沒有機械延遲，速度可達 500MB/s（SATA SSD） 至 7,000MB/s（NVMe SSD），比 HDD 快 10~50 倍。

✅ 無機械零件：
沒有磁盤與磁頭，因此不會因物理震動而損壞，壽命更長，適合攜帶式裝置（筆電、外接硬碟）。

✅ 低功耗與無噪音：
SSD 省電，不會產生運作噪音，特別適合筆電與伺服器使用。

❌ 價格較高：
SSD 的每 GB 成本仍比 HDD 貴，但隨著技術進步，價格逐漸下降，現在 1TB SSD 已變得相對親民。

❌ 寫入壽命有限：
SSD 使用 NAND Flash 記憶體，儲存單元的寫入次數有限（TBW 參數）。不過，現代 SSD 的壽命已經足夠應付多年的正常使用。

SSD 取代 HDD 的趨勢

隨著 SSD 價格下降，消費級電腦（筆電、桌機）幾乎全面改用 SSD，HDD 主要應用於伺服器、備份存儲等領域。尤其是 M.2 NVMe SSD，更成為高效能電腦的標準配備，開機、載入遊戲、開啟應用程式的速度比 HDD 快數倍。

未來發展

未來的 SSD 技術將持續進步，例如：

3D NAND 技術：提升 SSD 容量與耐用度，降低成本。
PCIe 5.0/6.0 介面：將讀取速度提升至 14,000MB/s 以上。
Optane 及 MRAM 技術：可能成為更快的下一代存儲解決方案。

結論

從早期的軟碟（Floppy Disk），到硬碟（HDD），再到固態硬碟（SSD），儲存技術的發展帶動了電腦的進步。

軟碟：早期便攜式儲存，但容量小、速度慢。
硬碟（HDD）：高容量、可重複讀寫，但機械結構限制了速度與耐用度。
固態硬碟（SSD）：無機械結構、超高速存取，是現代最先進的儲存技術。

隨著科技發展，SSD 正逐漸取代 HDD，成為未來的主流儲存裝置。對於想提升電腦效能的使用者來說，升級到 SSD 是最明智的選擇！

硬碟是什麼？從發展史到現代儲存技術的演變