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1、硬盘工业新主宰：垂直记录技术2005-08-01 16:01作者：李琪出处：IT168责任编辑： 吴伟文章导读面临极限的磁记录技术经历了 50 年的发展，硬盘具可靠性、存储速度、存储容量、性价比都处于非常理想的水平，使得硬盘经成为了计算机设备中的主流存储器。图 1-1上图所示的是过去50 年以及未来5 年左右时间的硬盘的发展曲线图。IBM 于 1957 年推出的第一款硬盘驱动器 RAMAC 的容量只有5MB ，却有 50 个直径为 24 英吋的盘片组成，转速为1200RPM ，磁记录密度只有几十kbit/in2 左右。现在的盘片直径只有3.5 英吋，单碟容量已经达到了100GB ，磁记录密度在
2、100Mbit/in2以上，记录密度增长了3500 万倍以上。图 1-3: 磁记录密度的增长从 70年代到90 年代初，硬盘的体积快速的缩小， 使得硬盘的区域密度在近20 年的时间里保持着30%的增长率。随后至今的十几年中，在新的磁头技术的推进下，硬盘区域密度的增长率达到了60%! 不过，由于现有的硬盘区域密度达到了相当高的水平，进一步的发展受到了超顺磁效应限制，要继续推动硬盘技术的发展，需要引入新的技术。图1-4:最近，日立公司 行了一次小型技 解会，会 邀 了国内的主流媒体参加。在会 上，日立公司 解了其最新的垂直 技 (Perpendicular Magnetic Recording,
3、PMR)， 技 可以使得磁 密度达到 230GB/in2, 把 有的磁 密度提高了一倍。 意味着不 的将来， 我 可以 到容量 20GB的 Microdrive 微硬 或者容量 1TB 的 3.5 英吋硬 。日立 PMR 技 将会在2007 年 用到各种硬 品中，而且在未来的5-7 年 ， 会 一步推 密度的提升，1 英吋硬 的容量届 也会达到60GB左右。最新一份的IDC 告 (2005 年硬 市 :零件技 与 模式IDC #33466 ) 也 垂直 技 将会成 未来几年硬 展的 。在 份 告中分析了硬 在及未来的三种关 零件 性臂、磁 和磁碟，其相关技 的 展方向、以及了解其替代品技 的成
4、本和利弊等。它 2005 年年底垂直 技 将会开始 用于磁 和 片中，到2007 年年底将会被广泛使用。IDC 到 2009 年的 候，将会有六 三千万 硬 投入市 超 磁效 要了解 什么需要新的硬 技 ，首先需要了解我 在使用的硬 技 。下 所示的是我 在所使用的硬 的 构，主要包括 : 写磁 / 挂装置、 片、 达、外壳和 路板。 路板上的控制器接收并且解 算机磁 控制器 ( 于 PC 来 ，就是主板南 中的硬 控制器 )的指令，然后根据指令通 达和磁 在 片上 行 写。图 2-1:现代硬盘构成盘片是在铝制合金或者玻璃基层的超平滑表面上依次涂敷薄磁涂层、 保护涂层和表面润滑剂等形成的。盘片
5、以 5400RPM-15000RPM 的转速转动， 磁头则做往复的直线运动， 而可以在盘片上的任何位置读取或者写入信息。微观的来看，盘片上的薄磁涂层是由数量众多的、体积极为细小的磁颗粒组成。多个磁颗粒(约100 个左右 )组成一个记录单元来记录1bit 的信息 0 或者 1。图 2-2: 水平记录技术示意图这些微小的磁颗粒极性可以被磁头快速的改变，而且一旦改变之后可以较为稳定的保持，磁记录单元间的磁通量或者磁阻的变化来分别代表二进制中的 0 或者 1。磁颗粒的单轴异向性和体积会明显的磁颗粒的热稳定性，而热稳定性的高低则决定了磁颗粒状态的稳定性，也就是决定了所储存数据的正确性和稳定性。但是，磁颗
6、粒的单轴异向性和体积也不能一味的提高，它们受限于磁头能提供的写入场以及介质信噪比 (SNR) 的限制。图 2-3: 磁头的信噪比、热稳定性及写入能力三权制衡现在对于磁记录设备的要求是体积越来越小，容量越来越大，也就是区域密度越来越高，这样磁颗粒当然也就越来越小，比如当区域密度为20 Gbpsi 时，磁颗粒直径约为13 纳米，而当达到100 Gbpsi 时，直径缩小到了9.5 纳米。当磁颗粒的体积太小的时候，能影响其磁滞的因素就不仅仅是外部磁场了，些许的热量就会影响磁颗粒的磁滞，从而导致磁记录设备上的数据丢失，这种现象就是“超顺磁效应 ”。为了尽可能的降低“超顺磁效应 ”，业界通过提高磁颗粒异向
7、性、增加热稳定性来解决。磁颗粒异向性的提高固然使得磁记录介质更加稳定，但是必需同时提高写入磁头的写入能力。另外，磁颗粒体积的缩小，也需要进一步提高读取磁头的灵敏度，于是MR( 磁阻磁头 )和 GMR( 巨磁阻磁头 )相继应运而生，GMR 磁头技术的帮助下，水平记录区域密度已经达到了100Gbpsi 以上。不过，磁记录业界公认水平记录技术已经达到了极限，再通过开发不同的磁性材料、磁头技术来提升区域记录密度已经不再是经济、有效、可行的途径了。垂直记录技术磁垂直记录技术并非近年才出现，早在 1977 年被誉为现代垂直录写技术之父的日本东北工业大学校长及首席总监岩崎俊一(Shun-ichi Iwasa
8、ki) 教授率先投入了这项技术的研究。岩崎俊一博士称: “我在过去的四十八年中一直从事磁性录写技术方面的研究工作，研究发现该技术的成功在于其录写密度。直至 1975 年，我才发现垂直录写是走向高密度录写的不二法门，之后我不断提倡把垂直技术引入现实科技中。我很高兴这项科技将不久得以实现。”图 3-1: 垂直记录技术示意图应用了垂直记录计数的硬盘在结构上不会有什么明显的变化，依然是由磁盘 (超平滑表面、薄磁涂层、保护涂层、表面润滑剂 ) 、传导写入元件 ( 软磁极、铜写入线圈、用于写入磁变换的交流线圈电流 ) 和磁阻读出元件 (检测磁变换的 GMR 传感器或磁盘者新型传感器设计 )组成。图 3-2
9、微观上看，磁记录单元的排列方式有了变化，从原来的“首尾相接 ”的水平排列，变为了直排列。磁头的构造也有了改进，并且增加了软磁底层。这样做的好处是:“肩并肩 ”的垂1、磁盘材料可以增厚，让小型磁粒更能抵御超顺磁现象的不利影响；2、软磁底层让磁头可以提供更强的磁场，让其能够以更高的稳定性将数据写入介质；3、相邻的垂直比特可以互相稳定。目前，日立、希捷、东芝等公司的都已经演示了其开发的基于垂直记录技术的硬盘样品，其中东芝的1.8 英寸垂直记录硬盘样品区域密度达到了133 Gbpsi，希捷的垂直记录硬盘样品的区域密度达到了170Gbpsi ，日立公司也展示了区域密度达到了230 Gbpsi 垂直记录硬
10、盘 ! 这意味着我们将在不远的未来看到容量为 20GB 的微硬盘和容量为1TB 的 3.5 英寸硬盘面市。图 3-3:日立垂直记录技术硬盘上图是日立展示的应用了垂直记录技术的2.5 英寸硬盘，这款硬盘的容量为100GB ，转速为 4200RPM，标准 ATA 接口 (2 个磁盘， 50GB/片，最大区域密度88 Gbit/ 平方英寸 )。目前日立正逐步推行全面的试验计划及长期的可靠性测试，若干的机构、企业参与到这个测试中，他们用不同厂商生产的手提电脑系统，配合日立进行试验。为这款产品在近年上市做最后的准备。理论分析预测，垂直记录技术可以使得区域记录密度超过1Tbpsi ，因此这项技术的成功普及
11、将会延缓超顺磁极限至更高的记录密度。垂直记录技术: 磁记录市场的新契机DISK/TREND总裁、硬盘业分析员及历史研究学家Jim Porter 认为 : “垂直录写技术的成功应用及过渡，是硬盘业未来五至十年发展的关健。日立正致力于通过全面的试验计划，使这项科技继续稳步向前发展。”图 4-1:未来诸如手机这样的消费电子产品也会有以GB 为单位的存储空间从日立于 2004 年 12 月开始的大规模现场测试的结果来看，应用了垂直记录技术的硬盘在实际应用中表现值得期待，日立宣布:1、硬盘性能高于预期2、性能数据类似于我们通过一个成熟硬盘得到的测试结果3、没有硬错误(例如没有数据丢失)4、极少的软错误(
12、磁头试图在首次失败之后再次读取数据)5、数据读写速率没有降低IDC 针对垂直记录技术进行全面了调查，他们公布了乐观的预期:1、 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。2、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的技术优势来满足容量需求。3、对整个硬盘行业的发展进行预测，可发现垂直记录将成为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。4、在 5 年内，产品磁盘密度将会达到目前技术下磁盘密度的四至五倍;在 10 年内，垂直记录( 包括混合方法 )会使磁盘密度
13、达到目前技术下磁盘密度的十倍的水平。5、垂直整合式公司将可较顺利地引入垂直记录及其它新技术， 其引进成本也较低， 不过却要自行承担研发支出。必需投资额的增长 (例如，研发开销、新生产能力 )将会引起更深入的业内合并。6、必要的投资额的增长(例如，研发开销、新生产能力)将会引起更进一步的业内合并。日立公司预计在近年的下半年到明年之间，会向市场推出首批采用垂直记录技术的硬盘产品，它们的磁录密度接近150 Gbpsi，届时我们的2.5 英寸硬盘的容量可以达到160GB，微硬盘的容量可以达到15GB;2007-2008年之前， 磁录密度为230Gbpsi 的产品将会从实验室中走出来，那时3.5 英寸硬
14、盘的容量可望达到1TB ，而微硬盘的容量也能达到 20GB; 目前的垂直记录技术理论上可以达到 500GB 的 2.5 英寸硬盘和 40GB 的微硬盘也会成为现实。500Gbpsi 的磁录密度，未来晶格介质和热辅助磁记录技术会进一步扩展垂直记录技术的潜力，把磁录密度提高到届时我们的笔记本硬盘也会达到TB 的容量，微硬盘容量也达到100GB!1Tbpsi 以上，未来的5-10年，垂直记录将会成为未来硬盘行业的主流技术，不同厂商过渡到这项新技术上顺利程度，将会决定未来10 年内硬盘业界的新格局。加速容量提升浅谈硬盘垂直记录技术更新日期：2008-02-25来源： 52 硬件作者： LoU当半导体厂
15、商终于逼近技术临界点的时候，他们选择了绕开。Intel 向来对自己的先进工艺一直抱有无比的信心，直到逼近90nm， 65nm 前后才发觉依靠更高集成度的方法来实现4GHz以上的处理器依旧会面临严重的热量问题。AMD也遇到同样的问题，他们也在3GHz以上频率遇到了麻烦。他们面对困难选择的是另外一条路，他们选择的是依靠多个核心来实现性能的提升。于是我们今天就听见充斥在身边的“双核 ”这个词汇。解决硬盘容量的继续提升问题，就必须继续提高单片盘片上能承载的容量，在受盘体物理尺寸及主轴马达寿命的限制下，无法以塞进更多盘片来实现容量提升，提高单碟容量/面密度成为多年来提升容量的唯一途径，而缩小盘片上的信息
16、记录单元所占的面积，则不可避免地遇到 “超顺磁 ”（ superparemagnetic）现象。超顺磁现象是指记录信息的单元小到某个程度，维持状态的能力就会减弱， 太细小的单元没有足够的磁力保持原本的状态，以至于常温下都会因为记录单元自己磁极性自己翻转，而导致记录数据丢失。磁记录科学家和工程师称这一现象为 “超顺磁 ”现象。半导体厂商采用绝缘硅、多核心来解决持续提升性能的问题，存储厂商用什么办法来解决他们遇到的问题呢？值得注意的是，1996 年以来，希捷公司在硬盘磁头方面的研发经费已增加了三倍； 磁盘盘片等方面则增加了将近五倍，这无疑让希捷的在硬盘业界的地位进一步巩固。首先推出运用垂直记录的M
17、omentus 5400.3 则是希捷再次表明技术实力的实际行动。两种记录方式的对比，垂直记录能比以往的水平分布方式容纳更多记录单元。两种记录方式原理对比什么是垂直记录：垂直记录是相对于之前的水平磁盘记录方式而言，如果每个记录单元的 SN 方向为水平于盘片， 则称为水平磁盘记录方式。传统的记录方式每个单元之间是扁平排列，就像按序列平铺放在桌面的骨牌。硬盘的容量是否有极限？希捷的高级产品经理Gianna DaGiau 曾表示 “总的来说，没有极限，而且实际上所有理论极限都非常难以估算出来。”DaGiau说： “达到每平方英寸100Gbit（ 100Gbit/sq.in ）的区域密度一度被认为是不
18、可能的。然而，希捷发现了达到乃至超越这个密度的办法。 ”于是，应用最新的垂直记录技术 (perpendicular recording) 硬盘来到我们面前。 虽然垂直记录已经被研究了很久， 但是技术研究成功不等于能把技术带到量产的硬盘产品上。 由于应用垂直记录需要对盘片记录媒介材料以及读写磁头两方面进行改动， 这样一来， 现存的数家硬盘厂商中采用 “垂直整合 ”业务模式的希捷、 日立两家则对什么时候量产这种更高容量性价比的硬盘产品起到决定性的影响。作为目前硬盘业界老大的希捷，在 2006 年初推出了首款应用垂直记录技术的 2.5 英寸硬盘 Momentus 5400.3 ，让笔记本电脑的用户首
19、先品尝到了先进技术带来的好处。虽然是首款 2.5 英寸硬盘应用垂直记录技术的产品，品的 5400rpm 下的性能已经让不少 7200rpm 转速的希捷 Momentus 5400.3 3.5 英寸产品感受到压力。让 2.5 英寸产接下来让我们了解一下硬盘的基础知识：传输速率：垂直记录使硬盘在不提高转速、功耗或热量产生的情况下，具有更大的容量和更高的性能。因为提升了单盘片上能存储的容量的同时，也让恒定7200rpm 转速下每秒钟越过的信息记录单元更多。这会让硬盘的内部数据传输速率得到明显的提升。譬如在单个磁道，磁头不移动的情况下，每圈磁道能存储数倍于旧型号的信息容量。假如存储一个650MB 的视
20、频文件， copy 到其他硬盘的话，更高密度的容量能让磁头尽可能减少移动的次数就能完成任务。寻道时间：在过往的单碟容量升级中， 玩家们曾经历过 7200.7、7200.8 、7200.9 的频繁几代升级， 通过对比用户纷纷发觉新型号获得显著的持续传输性能的提升， 但是更密集的磁道似乎让寻道性能有一定下降。而涉及多品牌型号的硬盘横评中，也发现希捷产品在同样等级的单碟容量产品中，寻道性能比对手同容量等级产品有一定的差距。安全性能：由于垂直记录仍属于一项新近才应用于硬盘的技术，应用它的安全性仍有待用户的实际使用考验。即便希捷拥有量产、研发两方面的优势，但先进的技术仍需要在用户的环境中接受检验。应用新
21、技术固然能带来性能或者成本优势上的改良，但大家对IBM 首先创新运用玻璃盘片、希捷首次将7200rpm 转速引入民用硬盘的创举也许还记忆犹新，前者伴生了不少数据损坏传闻，而后者则因为高热导致故障率高企的案例。故此，领先的新技术未必就是最好的技术。垂直记录技术简介与 CPU 制程的发展一样，存储工业的纵向记录技术也在开始接近其物理极限。虽然处境一样， 但两个行业面对问题的做法却截然不同。 CPU 巨头 Intel 在极限这个壁垒前选择绕路走，开始发展双核、多核处理器；而硬盘行业则选择了直面极限壁垒，用30 多年的技术储备硬是把这个极限壁垒再往后推移，这就是垂直记录技术。Seagate Momen
22、tus 5400.3是世上第一款成功量产，并采用垂直记录技术来存储数据的 2.5 英寸硬盘，【 HighDiy点评：详可参见本站文章：希捷垂直记录硬盘上市 】这项在硬盘工业研发了30 多年的技术，今天终于走进我们的生活，下面就先来看一下被Seagate率先用于量产的垂直记录技术。一般说来，提升硬盘容量目前有两种方法，一是提升磁道密度，二是提升数据存取单元密度。 不管是现在普遍采用的纵向记录技术还是垂直记录技术，都是依靠这两种方式去增大磁盘的容量。 而其中对我们读写速度最有帮助的是提升数据存取单元密度，因为这样可以让磁头在恒定速度下读取到更多的数据位。 纵向记录现在已经接近了超顺磁性限制的临界点
23、， 如果再使用纵向记录技术往前突进，那么过小的单元间隔将会使磁场失去稳定，南北极自然的发生逆转，导致数据损坏。而垂直记录则是把纵向记录的磁盘排列改变， 由以盘片表面平衡改为与盘片表面垂直，这样则可以在以前只能放一个磁场（则一个数据位）的空间内，放置更多的垂直磁场，可以在相同的单元间隔下轻而易举的把数据存取位元密度提高，将超顺磁性限制的来临再往后延迟。垂直记录技术的优势因为在相同的单元间隔下， 垂直记录硬盘可以存储更多的数位，因此在相同的硬盘转速下，采用垂直记录技术的硬盘可以拥有更快的连续读取优势。垂直记录技术在改善读取质量方面也同样效果显著， 垂直介质中的退磁磁场方向与磁化磁场方向相反，而且退
24、磁磁场还可以支持邻位磁化，使的高密度存储更可靠。由于退磁磁场行为存在上述差异，所以垂直记录和水平记录的热衰减线性密度趋势彼此相反。低密度垂直模式更容易出现热衰减和外漏磁场擦除现象。那么垂直记录技术与普通的技术有什么区别呢？这是纵向记录技术的磁头在与盘片水平方向写数据的情况， 可以看到纵向记录技术只是使用了深层间隔磁场的一部分， 并且磁头的饱和磁化和传递给介质的部分磁场会限制用于介质的矫顽力，而所谓的矫顽力是指位保持其磁荷的能力(coercivity)。这是垂直记录磁头上半部分在高导磁率SUL 中存在磁场是的图像，SUL 的垂直磁头将磁场传递给介质，介质包含部分以 SUL 形式存在的部分 “磁头
25、 ”，我们可以看到这是效率极高的读写过程。返回极的面积将增加，所以磁场强度就得以降低，避免将数据擦除，不过也可以将数据记录到没有 SUL 的垂直介质，但是这会损失垂直记录那出色的可写性。第二个间隙控制的擦除与纵向记录不同， 垂直介质中的退磁磁场方向与磁化磁场方向相反，在高密度情况下更是如此。而且垂直介质还有点不同，就是退磁磁场支持邻位磁化，使的高密度存储更可靠。由于退磁磁场行为存在上述差异， 所以垂直记录和水平记录的热衰减线性密度趋势彼此相反。 低密度垂直模式更容易出现热衰减和外漏磁场擦除现象，因此垂直记录技术真是天性适合应用的高密度的存储领域。跃迁是水平介质外部磁场的来源， 而对于垂直介质来说，除跃迁以外的所有地方都有磁通量，垂直波形看起来更像磁化模式，而不是磁化发生的变化，这直接可以放映在读写的质量上。垂直磁化和读取数据的波形