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硬盘未来增容的动力与磁录密度的历史发展趋势

  佚名丨2006-01-17 16:05 标签:硬盘/SSD 硬盘 

IDC预测,主流硬盘在2009年的容量将达到目前的5~10倍。到底采用什么技术可以打破现有硬盘记录容量的极限?又有哪些即将实用化的新技术能确保硬盘容量的持续增长呢? 

1956年,世界上第一个磁盘系统在加利福尼亚的实验室里被研制成功,它的体积同普通沙发相差无几,而存储容量仅仅为5MB。时至今日,硬盘小型化已经成为现实,而容量的变化更是着实让人吃惊,市场上已经出现了硬盘容量为500GB的成熟产品,TB级的存储容量也不再是遥不可及的事。 

增大容量遭遇瓶颈 

从第一块硬盘诞生以来,如何提高它的存储容量就成为了最基本的问题。很显然,要想增大存储容量,从提高存储密度着手是最根本的解决办法。 

我们先来看看磁盘的构造,在硬盘的众多零件当中,盘片和磁头是最为关键的两个部件,分别发挥着数据存储和数据读写的作用。这里主要来谈谈与新一代存储技术关系紧密的盘片。硬盘盘片的单面由多个层复合而成,最上面是润滑剂涂层,保证磁头的平稳运行;紧接着的是保护层,保护数据层不受损坏;再下来是磁记录层和铬底层,然后才是盘片的基体材料,也就是我们常说的“玻璃盘片”或者“铝盘片”。 

磁记录介质是由很多微小的磁粒构成的,每个比特信息的存储大约需要100个这样的磁粒。为了提高磁录密度,磁粒本身必须很小,磁粒体积缩小,数据比特才会变小,硬盘才能够存储更多数据。不过,在减小磁粒尺寸的过程当中出现了一个问题,研究发现,磁粒尺寸越小,能使它进行极性翻转所需要的能量也就越小,磁粒在足够小时甚至会在室温下就能吸收热能而自动反转磁路,形成破坏数据的“逆转比特”,最终导致整个硬盘数据的丢失。这就是超顺磁效应(热稳定性)带来的挑战?D?D磁粒不可能无限制地缩小,因此也就大大限制了磁盘存储密度的进一步提高。 

再从记录技术的角度来看,传统的记录方式是纵向记录模式,在这种模式下,磁场的磁化方向与盘片的表面方向是平行的,由磁粒组成的磁单元也是以水平方式在盘片的表面首尾相接,沿着盘片的旋转方向进行排列。让我们看看磁头写入信息的情况:磁单元在磁力作用下会在平面内进行180度的翻转,这样的相邻磁单元的连接方式就是N-N和S-S两种,根据我们的磁场知识很容易理解,这种同极邻接产生的斥力将导致状态十分不稳定,显然,这对于超顺磁效应带来的影响会更加敏感。 

有没有办法能强行对抗顺磁效应呢?尝试使用高矫顽力的材料是一个办法,可是从材料名称上就可以自然地想到,这势必会导致磁头在写入信息时更加困难。在此看来,硬盘容量的进一步增大似乎在超顺磁效应面前显得困难重重。 

这一问题的解决在2001年有了转机,AFC(反铁磁性耦合)介质在那一年步入了实用化阶段。这种介质感觉上很象“汉堡包”,是在两层特别的磁记录介质层(钴-铂-铬-硼合金)当中夹进一层金属钌。通过钌层把上下两个磁介质层进行分隔,这样就出现了方向不同的磁场,而且上下磁记录层的极性是相反的,这样的邻接方式产生的引力使状态稳定起来。 

然而,这种方式虽然在一定程度上解决了顺磁效应的问题,但在硬盘的容量超过100GB的时候仍然遭遇了瓶颈。 

垂直记录破解困局 

垂直记录是相对于传统技术的纵向记录而言的,这项技术早在19世纪就已经被提出了,并在1976年形成了系统理论。上个世纪末,垂直记录模式在实验室当中逐渐走向了成熟,但真正“落地”,并在市场中形成实用产品则是今年的事。理论证明,垂直记录模式能够大幅度提高存储密度,可以达到500Gbit/平方英寸,如果与磁头发展等其他技术进行有效结合,硬盘存储容量有望在未来的10年内有10倍的增长。 

让我们来看看垂直记录技术是如何在避免超顺磁效应的前提下,还能减小比特体积的。从概念上来理解垂直记录一点都不难,就是让磁粒从“躺”着到“站”起来,即排列方式由沿着磁盘面的端对端水平排列改为垂直摆放。

与纵向记录方式进行一下比较:采用纵向记录技术时,假想1和0相间的最高密度比特样式,相邻磁粒会以头对头、尾对尾的形式排列,在这种情况下,每个磁块互相排斥,遇到高温波动时,磁粒就会变得很不稳定;但在垂直记录技术中,磁粒一上一下垂直摆放,这时磁粒的极性方向就垂直于磁盘表面,采用了这种巧妙的方式,磁单元在磁盘表面上占的面积就减小了,在单位面积上的磁粒也就更多,等同于可以进一步提高存储容量;更重要的是,当磁单元被写入信息后,它将做180度的反转,这样就与相邻的磁单元变成了S-N的邻接方式,这种相邻的垂直比特(数据)就起到了互相稳定的作用,磁粒排列更加紧密,因此数据丢失的可能性就大大减小了。

为了满足垂直记录的要求,在整个垂直记录方式的硬盘盘面上,磁盘的记录层需要比纵向记录层的厚度要厚,这样每个微粒需要更大能量才能改变它的不同方向,小型磁粒也就更能抵御超顺磁现象的不利影响;而在硬记录层下面,还要加上一层软磁底层,这样做的目的就是让磁头可以提供更强的磁场,从而能够以更高的稳定性将数据写入介质当中。 

目前,各大硬盘厂商纷纷看好这一技术并进行大力投入,日立存储宣布,他们采用这项技术已经实现了存储密度达到230Gbit/平方英寸,希捷、东芝、富士通、TDK等厂商也实现了100Gbit/平方英寸以上的存储密度。 

这项技术虽然已经实用化,但一些技术难题仍然在探索当中。例如,试图发明新的读写磁头、试验一些具有更高磁化特性和表面经过改良的新材料、根据日益微小的磁化比特和信号维持噪音比率等等。 

下一代记录技术展望

  • 晶格介质记录

磁头的写入单位是由磁粒组成的磁单元,在同一磁道上极性相反的相邻磁单元之间的边界称为磁变换,通过比特单元是否包括磁变换来进行数据记录。既要准确探测到磁变换,又要避免超顺磁效应的影响,减小写入单位的尺寸是实现提高存储密度的方式之一,这就是晶格介质技术。 

其基本原理就是,生成小尺寸、有序排列的“单畴磁岛”作为写入单位,通过这种技术的存储密度可以达到传统垂直记录的大约两倍。而且由于每个岛都是一个单磁畴,所以晶格介质的热稳定性也很好,几乎不会受到超顺磁效应的影响。 

现在的光刻技术已经能够实现制造磁岛,这其中需要用到电子束刻蚀技术和纳米刻印复制技术,前者用于制造后者的模板,后者则将图样翻版到硬盘盘片的基板之上。在磁变换的过程当中,当被写入数据以后,磁岛必须保持单畴,这样数据才不会丢失,因此,除了制造工艺要取得突破以外,还需要磁头技术的配合。晶格介质记录这项技术目前还需要进行大量的实用化研究。

  • 热辅助磁记录

前文提到过高矫顽力磁介质的使用,可以进一步减小磁粒尺寸。之所以过去的技术推广程度不高,是因为使用这种介质时,磁头写入需要极强的磁场,不仅使得磁头制造困难,而且也会对相邻区域的数据稳定性有一定影响。 

现在,一种全新的记录方式可以有效解决这个问题----热辅助磁记录。其原理就是采用激光作为辅助,在写入介质时,使用激光照射写入点,这样磁头就可以利用热能,从而在磁场强度小的情况下也能顺利进行写入操作。难点就在于需要采用极细的激光束,普通激光不能满足需求,实验室当中流行的办法是采用近场光。 

这项技术理论上可以将存储密度提高到5Tbit/平方英寸,即传统垂直记录技术的存储密度极限的10倍,目前还处在基础研究阶段。 

垂直/纵向技术对比

  • 磁录密度的历史发展趋势

链接:IDC关于垂直记录的预测 

2009年使用垂直记录技术的硬盘将达到六亿三千万部,成为雄霸市场的新技术。 

到2008年,小型硬盘(2.5 英寸以下)将占据硬盘产量的46% 以上,其中大多数会利用垂直记录技术来满足容量需求。 

对整个硬盘行业的发展进行预测,垂直记录将成为2004至2008 年达到IDC 预测的15.5% 年复合成长率的主要推动因素。 

在5年内,产品磁盘密度将会达到目前技术下磁盘密度的4至5倍;在10年内,垂直记录(包括混合方法)会使磁盘密度达到目前技术下磁盘密度的10倍。


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