高解析时代视频监控硬盘储存系统再进化

    如果你曾看过影片时空线索，你或许会有印象，丹佐华盛顿饰演的F B I鉴识调查组探员非常心急的要求影片技术员，回放监控影片中的一个关键片段，但影片却无法倒带。因为技术专家已发现一种利用「时空之窗」建立过去影像的方法，而并非将影像储存在硬件储存装置中。

　　今天，大众所期待的硬盘机设计主要是为了储存庞大的数据量，但这些系统是否能满足视讯监控产业不断攀升的储存需求?

　　监视质量提升 带动储存需求

　　根据摄影机出货的历史记录和这些设备装置的预测使用期限，估计目前约有2亿1千万台监控摄影机部署于全球数字系统。

　　假设每一台摄影机都采用最基本的分辨率、质量和画面张数(Frame-rate)收录像像，全球监控摄影机还需要超过184亿gigabytes的储存空间，才能储存2个星期的影像。

　　这些储存容量所支持的硬盘机数量，如果一台接一台排列的话，预估将可达到沿着公路环绕台湾10周的距离，可见，监控所需的储存设备量，是很惊人的!

　　这些统计突显监控摄影和储存技术在过去15年来的急速成长。现今监控系统短短2个星期的储存需求，是1995年整体制造容量的880倍以上。主要原因可归咎于便宜的储存方案不断增加供应。

　　储存容量增加了，但价格则戏剧性的下滑。1995年，1 GB储存成本约995美元，时至今日，相同的设备仅需0.08美元。

　　研究机构In-Stat先前预测2011年，全球监视摄影机出货量超过4,100万台，到了2014年将达到5,100万台以上。而网络摄影机在未来3年则会出现13.7%复合年成长率。

　　同时，In-Stat也预估较高百万画素分辨率的需求有明显成长。更多摄影机加上更高分辨率，这显示储存需求也会相对增加。

　　储存技术　不断精进

　　为了满足安控市场对储存依赖度不断提高的需求，硬盘制造商利用极小分子的磁性涂层技术，克服硬碟机维护数据完整性的挑战。

　　磁录密度

　　最近硬盘机技术已将重心放在提高储存媒体磁录密度(A r e a lDensity)，磁录密度是用于计量数位数据之个别位(记录在磁性分子上)在硬盘机的密集度。这些位元群组越密集，则磁录密度越高。磁录密度的计量单位是每吋位数(Bits Per Inch，BPI)。若能提高一台储存装置的BPI值，相对就可以增加它的容量。

　　垂直录写技术(PerpendicularRecording)的开创，让专家们能够实现最大化的BPI，其方法是将位垂直排列而非水平排列，以达到较高BPI。这项技术是过去5年来储存容量能不断提升的最主要原因，不过垂直录写也已接近其最大密度，预估它的极限每平方吋约达到1~1.5TB。

　　增加硬盘机媒体基本扇区尺寸

　　人们越来越难以在维持每一位相互区别前提下，继续朝更小型化技术发展。因为不但要建立更小的磁性分子，同时还必须维护数据完整性，这二者之间如何取得平衡，渐渐成为硬盘机产业的新挑战。

　　那么， 还有什么方法可以增加储存容量呢?硬盘机制造商也正绞尽脑汁，希望能开发出新一代的储存技术。国际磁盘驱动器设备与材料协会(The International Disk DriveEquipment and Materials Association，IDEMA)，已于近期提出增加硬盘机媒体基本扇区尺寸的指令。

　　新的4K扇区先进格式(AdvancedFormat)技术，能将硬盘机的扇区尺寸从512 Bytes变更为4096(4K)Bytes。这项技术获得包括希捷及其他IDEMA会员的支持与采纳，并认为此技术将促成未来更高容量和更强韧的储存错误修正能力。

　　增加磁道密度

　　另一可能增加储存容量的关键为磁道密度，通常是以每吋磁道数(Tracks Per Inch，TPI)计量。硬盘机是将数据储存在硬盘机盘片的同心圆。当磁道紧密排列在一起，TPI和容量都将达到最大化。

　　有业者产品的TPI值，每吋可达到340,000轨，每条磁道仅75奈米宽，比一个单一孢子还要小100倍，密度可说是非常高。

　　SMR技术　让TPI更上层楼

　　随着垂直录写技术与磁道密度发展到一个极限，目前似乎已无法制造出一个可以写入更小磁道的读写头，因此，新的迭瓦式录写(Shingled Magnetic Recording，SMR)技术应运而生。SMR技术预计近期将推出市场，并进一步达到优化的TPI效果。这项技术可以让磁道像屋顶的瓦片形成部分重迭，以增加磁道密度。在SMR之下，每当一个新的磁道进行录写时，先前的磁轨会被削减而其后的磁道则会被覆写。这可以增加40%的储存容量，并且能延伸垂直录写技术的利用。尽管SMR并不是最理想的数据储存技术，不过对视讯监控而言，监控数据通常会在一段设定的时间之后被覆盖，SMR就显得相当实用。

　　未来几年，新技术将陆续出现，以强化BPI和TPI，并尽量提升储存装置的磁录密度。这些技术的累积效应，将让监控系统高解析影像的收录功能，达到最高的成本效益。

　　客制化储存方案,满足多元环境需求

　　视讯监控对储存的需求，将强化容量技术的发展。虽然容量是一个关键的因素，但是在寻找储存方案时，仍有一些必须考虑的重点。

　　首先， 使用者须选择一个针对特定工作负荷与数据类型设计的产品，这是强化效能、确保可靠性和节省成本的关键。

　　如图一所示，各市场区隔的储存需求差异极大。PC运算相关数据，需要的是重视读取能力，并且特别针对小区块随机数据传输设计的产品。消费性电子市场区隔所需的硬碟设计必须针对大区块的循序资料传输提供流畅的读取能力。

　　相反的，视讯监控的储存负荷特别重视写入能力，这项功能约占硬盘机作业的95%。此种大量的资料写入，结合了来自多重数据串流(摄影机)的循序数据区块，亦即全天候监控环境的一般作业模式。

　　其次，一种单一方案可能无法满足所有监控应用的需求。因此，重要的是要了解客户的监控组态，以及何种硬盘机最能符合客户的需要。以下简单提供选择监控储存方案时，必须考虑的几个重要因素：

　　• 摄影机数量、分辨率、储存期间;

　　• 组态类型(JBOD或RAID);

　　• 硬盘机数量;

　　• 工作负荷内容;

　　• 机箱设计。

　　提供适当的硬盘机，是供货商展现监控系统整合的表现，能充分说明产品的可靠度、运作效能与经济价值。如图二所示，硬盘机能使用的领域很广，有些人讲求功率效益和低温作业，有些人可能需要为多机监控录像(Surveillance DVR，SDVR)提供高速视讯写入和串流技术，也有些人会要求针对典型I P和LAN环境，实施优化设计的集中化储存。

　　应用面面观

　　低功耗和低温作业的硬盘机，会比较适合小型的嵌入式系统，但效能的牺牲，也是不可避免的。

　　比较传统的SVDR组态，通常支持许多监控摄影机的讯号输入，因此需要较高效能的专业用途硬盘机。诸如具备全天候作业能力和高效能、具有大区块循序传输微调等硬碟机，很适合处理HD DVR、SDVR、NVR以及混合DVR/NVR系统。

　　集中化储存架构常见的是，机架挂载式储存和搭载较多硬盘机的储存机箱，这类储存方式将因为网络为中心拓朴组态技术的成熟，而更普及。近线(Nearline)级硬盘机融合了全天候高速写入功能、强化RAID效益以及高耐震性，是这种架构较理想的储存方案。近线硬盘机也允许结合更先进的储存技术，利用SAS接口提供较高效能，以提升资料可靠性。

    安控储存相辅相成，圆「超越时空」之美梦

　　监控系统或许还要一段时日，才可能开发出「时空之窗」。但相信硬盘机制造商继续探究新技术，以提升数据容量的同时，监控系统设计者，也能找出最好的方式来满足大量的储存需求。