数字影院存储的选择

现代数字影院

数字影院已逐渐取代旧有的胶片放映成为全球影院主要的放映技术。大部分现在发布的媒体内容均以数字格式制作，内容首先载入到数字影院的服务器系统，然后分发给每个投影机所嵌入的独立媒体模块（IMBs），再由独立媒体模块把加密的高分辨率内容转化成投影机可展示的格式。独立媒体模块安装在投影机里，可防止高分辨率的原始内容被轻易获取和复制，投影机其他的安全措施，进一步提高原始内容的安全度。

独立媒体模块或使用内置数字存储（见图1），或使用外置存储装置（见图2）来储存播放内容。图一展示内容直接由独立媒体模块的内置存储模块提供，图二展示外置存储模块内的加密内容通过eSATA （直连式存储，DAS）或以太网络（网络连接存储，NAS）传送至独立媒体模块。这两种结构均可以通过影院网络的以太网进行控制。

由于现代影院播放的媒体档案大小一般为90GB至300GB，硬盘驱动器（简称为硬盘）是最常用的存储技术。硬盘可提供视频应用中非常重要的快速连续的数据流，相对于其他技术（如闪存）更具成本效益。

数字影院使用的硬盘

由于数字电影的档案可能很大，因此把电影内容储存在硬盘（相较于固态存储）更具成本效益。硬盘最常见的外型大小有2.5英寸和3.5英寸，除了外形尺寸不同之外，两者使用的数据接口以及其他特性如每分钟转数（RPM）也有所不同。硬盘的一般接口为SATA（串行ATA）和SAS（串行连接SCSI）。

硬盘使用不锈钢悬浮体上的磁头，在高速旋转磁盘上的同心磁轨内写入和读取信息。旋转马达驱动电子模块上的悬浮体控制磁头在磁盘表面做径向移动，在每面磁盘上形成记录磁轨。这些磁轨被分割成称为扇区的环形区域。磁头经过磁盘表面时可以检测到写在扇区标头的伺服信息。

硬盘控制电路根据伺服信息，利用寻道伺服电机将磁头引导到适当位置，以写入或读取信息。由于磁盘对即使极少量的污染物都非常敏感，需要非常洁净的空间，因此将其置入密闭的硬盘壳内以防止微粒和其他污染物进入。

图3硬盘的内部结构和主要组件示意图

3.5英寸硬盘内的磁盘盘片较2.5英寸的大。一般来说，3.5英寸硬盘内用作储存数据的盘片表面较2.5英寸的大，所以3.5英寸硬盘的容量也相对较大。此外，3.5英寸硬盘的外壳一般较2.5英寸的高，所以3.5英寸硬盘可置入更多盘片。

3.5英寸硬盘用作储存数据的磁盘盘片表面较大并置入较多磁盘，因此3.5英寸硬盘的存储容量较2.5英寸的大。基于这个原因，3.5英寸硬盘的数字存储成本（以$/TB存储容量计算）比2.5英寸约低2倍，即2.5英寸硬盘的存储成本（以$/TB存储容量计算）比3.5英寸的高50%以上。

硬盘属于机电设备，硬盘内的组件会因使用时间而耗损或失效。硬盘一般有5年的设计寿命（即便其保修期较短），这是基于硬盘在假定的应用环境和使用情况下，因此大部分硬盘的寿命不足5年。

用于企业级存储系统的硬盘是为高使用率和长时间运行而设计的，HGST（西部数据分公司的其中一个分部）的Cinemastar系列产品和希捷公司的企业级高性能硬盘便是其中例子。企业级存储系统把若干硬盘组成一个阵列，用于频繁地读写数据和不间断的运行。

其他为个人电脑应用而设计的硬盘每天只使用一点时间（如每日约8小时），使用时间远少于企业应用。此外，个人电脑较少频繁读写信息，因为这些设备提供给个人用户而不是企业存储阵列的多用户并发使用。市面上还有为特定用途而设计的专用硬盘，例如供家庭数字视频录像机和视频监控录像使用的硬盘。

独立媒体模块内置或外置存储

用于数字投影机光源的氙灯温度非常高，因为其功率有900W至15KW。虽然投影机采用了液冷或风冷来控制温度，但投影机内的温度还是很容易超过100oC ，这种高温对投影机内的组件是一种考验。而独立媒体模块安装在投影机内，其温度也相当高，这对内置硬盘的独立媒体模块具有重要影响。

年故障率（AFR）指一定数量级的硬盘在一年使用中可能发生故障的比率，经常用以讨论硬盘的长期可靠性。年故障率旨在明确硬盘在设定的运行条件下，在设计的使用寿命期和保修期内所允许的极少故障率。

如果硬盘受到额外的负担，硬盘的年故障率会有所提高。这些负担包括每年额外的开机时间（与每天使用硬盘的时间有关）、硬盘的内部温度（与硬盘外部的热负荷以及硬盘自身产生的热量有关）。其他因素如物理撞击和剧烈振动，也可能导致硬盘产生问题。为了尽量延长存储系统内硬盘的寿命，我们应了解和管理这些造成额外负担的因素。

由于现在数字影院投影机的温度非常高，甚至超过100oC，我们将探讨温度（以及开机时间）对硬盘年故障率的影响。图四是根据希捷科技的数据展示希捷视频监控硬盘的年故障率与其硬盘外壳温度之间的函数图表 。这种硬盘用于密集写入并偶尔读取的视频图像。

虽然视频监控不像数字影院放映般频繁地读取数据，但年故障率也同样随着温度上升而上升。如果我们使用较低的开机时间曲线（开机时间2400小时），相当于每周开机约5天，每天约8小时。当硬盘外壳的温度由30oC（接近室温）上升至70oC时，年故障率上升至约3.4 倍（由0.21%上升至0.71%）。较早前有关硬盘年故障率与温度关系的研究也在类似的温度范围 内记录到类似的年故障率。此外，我们可以从数据中看到，年故障率会随着年度开机时间的增加而上升（开机时间8760小时，相当于每天24小时运行），即使硬盘外壳温度同是30oC时，长开机时间的年故障率会是短开机时间的3倍。

由于投影机及独立媒体模块的温度可能超过100oC（并且大部分时间超过50oC），相对于安装在较低环境温度下的硬盘来说，这种热负荷加上独立媒体模块内置硬盘自身产生的热量，更容易增加硬盘的年故障率。例如，一个散热控制良好的外置存储系统，其内部温度可保持在30oC至50oC之间，在这种较低的温度下运行，年故障率将会较低。此外，相对于集成在独立媒体模块上的硬盘，外置存储系统硬盘的使用寿命也更长。

外置存储系统中的硬盘使用寿命更长，意味着这些硬盘的更换频率会比独立媒体模块内置的低，投影机维护次数的减少将延长其所属投影机的运行时间。此外，在设计合理的外置存储系统上更换硬盘，也会比在数字投影机里更换硬盘更容易，升级外置存储系统的存储容量也更简单。

数字影院与硬盘的未来

硬盘的未来

IBM公司在1956年推出首个硬盘。自此，硬盘的存储容量增加超过十亿倍，而外型缩小至今天的2.5英寸，甚至更小。硬盘技术不断发展，不论是磁头、介质（磁盘）、马达、伺服系统、驱动电路、外壳还是防污染技术，都得到显著提升，为包括视频内容在内的各种资料的存储提供可靠的低成本数字存储技术。

硬盘磁录密度（每一磁盘表面积可储存的信息字节数）愈高，每一磁盘提供的数字存储容量便愈多，硬盘的存储容量也愈大。因此，在数字存储成本（以$/TB计算）方面领先其他存储技术（如闪存）的主要方法是增加硬盘磁录密度。需要注意的是，硬盘的磁盘数量也是硬盘总存储容量的关键。

目前硬盘磁录密度以每年约15%的速度增长（每平方英寸千兆位或称Gbpsi），然而根据下方图五显示的每季最高硬盘磁录密度的记录，硬盘磁录密度的实际增长趋势并没有任何固定规律可循，而是时断时续，并在多个季度保持不变。我们可以建立某种形式的整体平均增长趋势，需要注意的是，平稳的理论增长趋势预测在某个特定的时间点很可能是错误的。

2015年将推出存储容量高达10TB的3.5英寸硬盘。新研制的8TB和10TB的3.5英寸硬盘引入了几项新技术，包括叠瓦式磁记录（SMR）和氦气充填式密封硬盘。叠瓦式磁记录通过对现有硬盘磁道进行部分重叠覆盖而减小磁道宽度来提高记录密度。在叠瓦式磁记录技术下，我们以低于直接覆写先前数据的成本来增加硬盘的有效磁轨密度。另外，以氦气取代空气充填密封的硬盘，有助硬盘置入更多磁盘，从而增加硬盘的存储容量。

2.5英寸和3.5英寸硬盘均受益于日益增强地磁录密度技术。最近发布的3TB 2.5英寸硬盘，说明该尺寸的硬盘同样在扩充存储容量。

叠瓦式磁记录技术难以再进一步大幅提高磁录密度，氦充填技术也只允许增加一定的磁盘。因此，更高的存储容量必须引入全新的数字存储技术。领导硬盘业界的高级存储技术联盟（ASTC）在2014年发表了硬盘磁录密度（在限定硬盘表面积可储存的数字存储量）路线图。

根据ASTC的路线图（见图6）所示，将在2017年将热辅助存储技术（HAMR）引入硬盘制造上，让磁录密度年增长率提高至30%（目前约为15%）。

有趣的是，路线图显示在2021年将应用一种称为「位元规则介质」（在磁盘表面把磁介质分割成细小区域）结合叠瓦式磁记录的技术或「二维磁记录」（TDMR）的扩展叠瓦式磁记录的技术。到2025年，这种技术再结合热辅助磁记录技术，将把磁录密度增加至高达每平方英寸10Tb。目前出售的硬盘磁录密度为每平方英寸0.86Tb，换句话说，在2025年由此技术制成的3.5英寸硬盘，其存储容量将达到100 TB，约是现在的10倍。

数字影院存储的未来

由于数字影院对存储的需求不断增加，数字存储设备的存储容量至关重要。目前数字影院播放2K和4K的内容，甚至是3D的内容，未来的分辨率可能会更高。表一对分辨率为2K、4K和潜在的8K内容的像素数及帧率进行对比。分辨率（即像素数量）、帧率和色彩深度都会影响到数字电影档案文件的总大小。业界正在推动的8K×4K的视频，可能在2020年后进入影院。

毫无投影机内部空间的限制，外置存储系统允许使用更多的高容量的3.5英寸硬盘而非容量较小的2.5英寸硬盘，以提供更大的存储容量。由于数字投影机的空间限制，所有独立媒体模块的内置存储系统均采用2.5英寸硬盘。

如前所述，3.5英寸硬盘比2.5英寸硬盘的存储容量更大，存储成本（以$/TB计算）更低。因此，相对于独立媒体模块集成的内置存储，使用3.5英寸硬盘的外置存储系统更具高可靠性、易升级、高成本效益的优势。

更高的分辨率和更高的帧率造成数字电影档案文件的不断增大，低成本大容量将是不得不考虑的因素。

除了高分辨率和高帧率造成的文件更大之外，对数据传输速率的要求更高。外置存储系统所使用的3.5英寸硬盘，其数据传输速率比独立媒体模块内置的2.5英寸硬盘高（与2.5英寸硬盘约500 Mbps速率相比，3.5英寸硬盘的数据传输速率超过1 Gbps）。这是由于3.5英寸硬盘转速（7，200RPM）比2.5英寸硬盘转速（5，400RPM）高，半径比2.5英寸硬盘大，其线速度更快而决定的。

3.5英寸硬盘与2.5英寸硬盘的平均数据传输速率比约为2：1。数字电影档案文件的大小因不同分辨率及2D或3D的不同而不同，一般为100至500 GB之间。虽然数字电影目前的数据传输速率高达500 Mbps（只计算视频传输），但DCI档案由多个数据块重建而成，需要合并计算额外的带宽。

此外，如果同一存储系统同时输出多个视频流，所需的带宽将会倍增。因此，就存储高分辨率的多媒体内容来说，特别是影片分辨率的不断增长或不可避免输出多个视频流的时候，3.5英寸硬盘将是更好的选择。

总结

更大的硬盘存储容量对数字电影来说非常重要，因为使用较少的硬盘即可达到既定的存储容量。此外，如表一所示，随着数字电影的分辨率、帧率和色彩深度的不断提高的趋势，其档案文件的整体大小也不断增大。如使用3.5英寸硬盘这样既符合成本效益，又拥有高存储性能和高数据传输速率的存储设备，将是储存和播放高分辨率的大视频内容的关键。

使用外置存储系统代替独立媒体模块的内置硬盘，让硬盘在较低温度下运行，从而提高硬盘的可靠性和使用寿命。此外，外置存储可使用具备更高容量和数据传输速率的3.5英寸硬盘而非2.5英寸硬盘，更适合传输分辨率较高的视频？容。随着硬盘技术的不断发展，能够支持未来更高的分辨率、更高的帧率和更高色彩深度的视频内容。