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硬盤未來增容的動力與磁錄密度的歷史發展趨勢 |
IDC預測，主流硬盤在2009年的容量將達到目前的5~10倍。到底采用什么技術可以打破現有硬盤記錄容量的極限？又有哪些即將實用化的新技術能確保硬盤容量的持續增長呢？
1956年，世界上第一個磁盤系統在加利福尼亞的實驗室里被研制成功，它的體積同普通沙發相差無幾，而存儲容量僅僅為5MB。時至今日，硬盤小型化已經成為現實，而容量的變化更是著實讓人吃驚，市場上已經出現了硬盤容量為500GB的成熟產品，TB級的存儲容量也不再是遙不可及的事。
增大容量遭遇瓶頸
從第一塊硬盤誕生以來，如何提高它的存儲容量就成為了最基本的問題。很顯然，要想增大存儲容量，從提高存儲密度著手是最根本的解決辦法。
我們先來看看磁盤的構造，在硬盤的眾多零件當中，盤片和磁頭是最為關鍵的兩個部件，分別發揮著數據存儲和數據讀寫的作用。這里主要來談談與新一代存儲技術關系緊密的盤片。硬盤盤片的單面由多個層復合而成，最上面是潤滑劑涂層，保證磁頭的平穩運行；緊接著的是保護層，保護數據層不受損壞；再下來是磁記錄層和鉻底層，然后才是盤片的基體材料，也就是我們常說的“玻璃盤片”或者“鋁盤片”。
磁記錄介質是由很多微小的磁粒構成的，每個比特信息的存儲大約需要100個這樣的磁粒。為了提高磁錄密度，磁粒本身必須很小，磁粒體積縮小，數據比特才會變小，硬盤才能夠存儲更多數據。不過，在減小磁粒尺寸的過程當中出現了一個問題，研究發現，磁粒尺寸越小，能使它進行極性翻轉所需要的能量也就越小，磁粒在足夠小時甚至會在室溫下就能吸收熱能而自動反轉磁路，形成破壞數據的“逆轉比特”，最終導致整個硬盤數據的丟失。這就是超順磁效應(熱穩定性)帶來的挑戰?D?D磁粒不可能無限制地縮小，因此也就大大限制了磁盤存儲密度的進一步提高。
再從記錄技術的角度來看，傳統的記錄方式是縱向記錄模式，在這種模式下，磁場的磁化方向與盤片的表面方向是平行的，由磁粒組成的磁單元也是以水平方式在盤片的表面首尾相接，沿著盤片的旋轉方向進行排列。讓我們看看磁頭寫入信息的情況：磁單元在磁力作用下會在平面內進行180度的翻轉，這樣的相鄰磁單元的連接方式就是N-N和S-S兩種，根據我們的磁場知識很容易理解，這種同極鄰接產生的斥力將導致狀態十分不穩定，顯然，這對于超順磁效應帶來的影響會更加敏感。
有沒有辦法能強行對抗順磁效應呢？嘗試使用高矯頑力的材料是一個辦法，可是從材料名稱上就可以自然地想到，這勢必會導致磁頭在寫入信息時更加困難。在此看來，硬盤容量的進一步增大似乎在超順磁效應面前顯得困難重重。
這一問題的解決在2001年有了轉機，AFC(反鐵磁性耦合)介質在那一年步入了實用化階段。這種介質感覺上很象“漢堡包”，是在兩層特別的磁記錄介質層(鈷-鉑-鉻-硼合金)當中夾進一層金屬釕。通過釕層把上下兩個磁介質層進行分隔，這樣就出現了方向不同的磁場，而且上下磁記錄層的極性是相反的，這樣的鄰接方式產生的引力使狀態穩定起來。
然而，這種方式雖然在一定程度上解決了順磁效應的問題，但在硬盤的容量超過100GB的時候仍然遭遇了瓶頸。
垂直記錄破解困局
垂直記錄是相對于傳統技術的縱向記錄而言的，這項技術早在19世紀就已經被提出了，并在1976年形成了系統理論。上個世紀末，垂直記錄模式在實驗室當中逐漸走向了成熟，但真正“落地”，并在市場中形成實用產品則是今年的事。理論證明，垂直記錄模式能夠大幅度提高存儲密度，可以達到500Gbit/平方英寸，如果與磁頭發展等其他技術進行有效結合，硬盤存儲容量有望在未來的10年內有10倍的增長。
讓我們來看看垂直記錄技術是如何在避免超順磁效應的前提下，還能減小比特體積的。從概念上來理解垂直記錄一點都不難，就是讓磁粒從“躺”著到“站”起來，即排列方式由沿著磁盤面的端對端水平排列改為垂直擺放。
與縱向記錄方式進行一下比較：采用縱向記錄技術時，假想1和0相間的最高密度比特樣式，相鄰磁粒會以頭對頭、尾對尾的形式排列，在這種情況下，每個磁塊互相排斥，遇到高溫波動時，磁粒就會變得很不穩定；但在垂直記錄技術中，磁粒一上一下垂直擺放，這時磁粒的極性方向就垂直于磁盤表面，采用了這種巧妙的方式，磁單元在磁盤表面上占的面積就減小了，在單位面積上的磁粒也就更多，等同于可以進一步提高存儲容量；更重要的是，當磁單元被寫入信息后，它將做180度的反轉，這樣就與相鄰的磁單元變成了S-N的鄰接方式，這種相鄰的垂直比特(數據)就起到了互相穩定的作用，磁粒排列更加緊密，因此數據丟失的可能性就大大減小了。
為了滿足垂直記錄的要求，在整個垂直記錄方式的硬盤盤面上，磁盤的記錄層需要比縱向記錄層的厚度要厚，這樣每個微粒需要更大能量才能改變它的不同方向，小型磁粒也就更能抵御超順磁現象的不利影響；而在硬記錄層下面，還要加上一層軟磁底層，這樣做的目的就是讓磁頭可以提供更強的磁場，從而能夠以更高的穩定性將數據寫入介質當中。
目前，各大硬盤廠商紛紛看好這一技術并進行大力投入，日立存儲宣布，他們采用這項技術已經實現了存儲密度達到230Gbit/平方英寸，希捷、東芝、富士通、TDK等廠商也實現了100Gbit/平方英寸以上的存儲密度。
這項技術雖然已經實用化，但一些技術難題仍然在探索當中。例如，試圖發明新的讀寫磁頭、試驗一些具有更高磁化特性和表面經過改良的新材料、根據日益微小的磁化比特和信號維持噪音比率等等。
下一代記錄技術展望
晶格介質記錄
磁頭的寫入單位是由磁粒組成的磁單元，在同一磁道上極性相反的相鄰磁單元之間的邊界稱為磁變換，通過比特單元是否包括磁變換來進行數據記錄。既要準確探測到磁變換，又要避免超順磁效應的影響，減小寫入單位的尺寸是實現提高存儲密度的方式之一，這就是晶格介質技術。
其基本原理就是，生成小尺寸、有序排列的“單疇磁島”作為寫入單位，通過這種技術的存儲密度可以達到傳統垂直記錄的大約兩倍。而且由于每個島都是一個單磁疇，所以晶格介質的熱穩定性也很好，幾乎不會受到超順磁效應的影響。
現在的光刻技術已經能夠實現制造磁島，這其中需要用到電子束刻蝕技術和納米刻印復制技術，前者用于制造后者的模板，后者則將圖樣翻版到硬盤盤片的基板之上。在磁變換的過程當中，當被寫入數據以后，磁島必須保持單疇，這樣數據才不會丟失，因此，除了制造工藝要取得突破以外，還需要磁頭技術的配合。晶格介質記錄這項技術目前還需要進行大量的實用化研究。
熱輔助磁記錄
前文提到過高矯頑力磁介質的使用，可以進一步減小磁粒尺寸。之所以過去的技術推廣程度不高，是因為使用這種介質時，磁頭寫入需要極強的磁場，不僅使得磁頭制造困難，而且也會對相鄰區域的數據穩定性有一定影響。
現在，一種全新的記錄方式可以有效解決這個問題----熱輔助磁記錄。其原理就是采用激光作為輔助，在寫入介質時，使用激光照射寫入點，這樣磁頭就可以利用熱能，從而在磁場強度小的情況下也能順利進行寫入操作。難點就在于需要采用極細的激光束，普通激光不能滿足需求，實驗室當中流行的辦法是采用近場光。
這項技術理論上可以將存儲密度提高到5Tbit/平方英寸，即傳統垂直記錄技術的存儲密度極限的10倍，目前還處在基礎研究階段。
垂直/縱向技術對比
磁錄密度的歷史發展趨勢
鏈接：IDC關于垂直記錄的預測
2009年使用垂直記錄技術的硬盤將達到六億三千萬部，成為雄霸市場的新技術。
到2008年，小型硬盤(2.5 英寸以下)將占據硬盤產量的46% 以上，其中大多數會利用垂直記錄技術來滿足容量需求。
對整個硬盤行業的發展進行預測，垂直記錄將成為2004至2008 年達到IDC 預測的15.5% 年復合成長率的主要推動因素。v
在5年內，產品磁盤密度將會達到目前技術下磁盤密度的4至5倍；在10年內，垂直記錄(包括混合方法)會使磁盤密度達到目前技術下磁盤密度的10倍。