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縱向記錄技術與垂直磁記錄技術

泡泡網硬盤頻道4月22日目前就存儲行業而言，SSD無疑是最被人關注的產品，它擁有著眾多DIY玩家夢想的性能，其高性能、零噪音、高抗震能力，使其成為最有可能超越硬盤的一款產品。並正在越來越接近我們的生活。但是容量上的不足讓其始終不能完全取代機械硬盤，因此近年來機械硬盤的發展方向都是提升存儲密度，讓硬盤的單碟容量更高，讀寫性能更好。硬盤廠商近年來在不斷提升產品的速度與容量，如今6TB的產品已經面世，容量很可觀。今天筆者就為大家講解幾項為硬盤帶來容量提升的重要技術。

縱向記錄（Longitudinal Recording）技術

首先我們了解下磁記錄技術，磁記錄技術是指利用磁特性和磁效應記錄、存儲和讀出各種聲音、圖像以及數據等信息的技術，其原理是：先將需要記錄和存儲的信息轉變為相應的電信號輸送到磁頭電路中，使寫入磁頭中產生與輸入電信號相對應的磁場，用該磁場作用於磁記錄介質，使其從原來的退磁狀態轉變為磁化狀態，需要輸出信息時，使用讀出磁頭作用於磁記錄介質，使磁記錄介質產生的磁場作用於讀出磁頭，獲取之前寫入的信息。

早起的硬盤一直是採用縱向磁記錄（Longitudinal Recording）技術，但是，隨著存儲密度的快速提升，“超順磁效應”的出現使縱向記錄技術終於走到了盡頭。在硬盤中，記錄介質是由很多微小的磁粒構成的，磁單元（1bit）被寫入這些磁粒中，每個磁單元大約需要100個磁粒。為了提高磁盤存儲密度，每個磁單元和磁粒本身的體積就要相應地減小。而當密度增加到一定程度時，只需要很小的能量就可以將其翻轉，甚至當磁粒過小時，它們會因為室溫下的熱能而自動反轉磁路，也就是說，那些保存在磁盤中的數據將遭到破壞，不能正確地讀出。這就是所謂的“超順磁效應（Superparamagnetic Effect）”。研究人員發現，縱向記錄技術在存儲密度高於120Gb/in2時，已無法保存完整的數據。

垂直磁記錄技術

因此取而代之的垂直磁記錄技術出現了，垂直磁記錄技術在硬盤歷史上最為成功，它誕生於2006年，至今仍在發揮餘熱，這段時期也是硬盤巨頭們最輝煌的時代。希捷創建於1979年，到2008年生產10億塊硬盤，然而2008年-2012年僅4年時間，希捷完成了第二個10億塊硬盤的生產。垂直磁記錄技術縮小了數據磁道與讀寫磁頭之間的距離。由於物理限制，讀寫磁頭的體積已無法再縮小，盤片的存儲密度很難再提升。垂直磁記錄技術帶給硬盤的輝煌也將停止。

SMR技術與熱輔助磁記錄技術

垂直磁記錄技術已山窮水盡！如何讓單碟容量突破1TB？研究者發現垂直紀錄技術由於物理限制，讀寫磁頭的體積已無法再縮小。所以提升面密度最可靠的方法是改變數據寫入硬盤的方式。

這就是疊瓦式磁記錄技術應運而生的原因。作為新一代存儲技術，疊瓦式磁記錄技術使介質的結構發生了質的變化，通過重疊磁道－－類似於屋頂的層疊瓦片，重新調整了數據存儲的方式，進而提高了磁道密度和單位面積存儲密度。疊瓦式磁記錄對於提升磁盤的存儲密度（單碟存儲的數據量）具有重要作用，能夠提升高達25%的盤片存儲密度。不過它對硬盤的性能提升更類似於補丁的作用，革新但不是革命。
熱輔助磁記錄技術

　　 為了進一步增加存儲密度，磁性顆粒必須進一步減小，這會導致當前的垂直記錄技術會再次遇到“超順磁效應”的影響。依然是一丁點的熱量就可以改變其磁性使之翻轉而破壞數據，那麼從磁介質入手，改而採用高矯頑力材料，如鐵鉑粒子。然而，隨著記錄密度的不斷增加，寫入磁頭也在不斷減小，屆時它將無法提供足夠的磁場來改變磁性顆粒的方向。也就是說，要繼續擴容，就要更換材料，但是更換之後只能讀取不能寫入！

解決這個問題的另一個辦法就是利用激光輔助加熱。由於溫度的升高可以提升磁導率，降低鐵鉑粒子的頑力，從而實現利用較弱的磁場來寫入數據。寫入之後迅速冷卻，從而穩固磁性顆粒。從理論上來講，希捷的HAMR技術可以實現每平方英寸10Tb的記錄密度，因此在可預計的未來我們將見到60TB容量的硬盤。

納米技術

2013年日立也宣稱研究出了一種製造硬盤磁片的新方法，借助納米技術，可以使現有的硬盤密度增加一倍。這項新技術結合了自組裝分子和納米壓印技術，這些技術原來都是應用在半導體相關的生產領域，現在他們被用來構建微型“磁島”模式，每個“島”僅僅10納米，大概只有50個原子那麼寬。而最終的結果是可實現每平方英寸12000億個點，每個點可以存儲1比特的信息。粗略地計算，大概是現有的磁盤媒介密度的兩倍，日立公司的研究者們還表示他們對結果僅僅做了粗淺的研究，可能還會有更大的發展潛力。

自組裝分子技術之所以這麼叫是因為它們來自於互相排斥的混合高分子段，當把它們塗到到事先準備好的特殊的表面，比如​​薄膜時，這些段就會排列成完美的一行，就像魔術一樣。

一旦如此排列，這些微小的構建模塊就可以藉助其它的芯片級處理技術來操作，在被納米壓印技術壓印到磁片之前，可以製成需要的結構。下圖顯示，每個納米級的點大小不超過50個原子，但它們可以存儲1比特的信息。
　　日立關鍵性的突破在於如何構建它們——這是把原是矩形結構的排列應用到圓形的磁片上用於存儲所必需的。日立公司表示為了構建這種結構，它們對磁片表面進行了處理，以便自組裝分子技術可以應用其中。芯片行業一直密切關注著納米蝕刻技術，認為它潛力巨大，可能為目前的光蝕刻技術帶來一場革命，因為隨著​​半導體產品的尺寸越來越小，光蝕刻技術變得越來越複雜，越來越昂貴。
　　或許在未來某天，人們可以藉助納米蝕刻技術把各種複雜的部件組裝成微處理器，許多研究者們相信這項技術會直接應用到磁盤或內存等領域，這些領域更簡單，而且可以承受這項不成熟技術帶來的不可避免缺點。

氦氣填充技術

去年西部數據旗下HGST宣布了一款全新的氦氣填充硬盤平台，可以增加存儲量，並降低相關成本。通過這項技術，就可以將7片硬盤盤片整合到一個標準的3.5英寸硬盤盒中，從而在能耗、散熱和存儲密度上獲得更大優勢。

 由於氦氣的重量僅略高於氫氣，而且屬於惰性氣體，因此使用氦氣填充可以降低阻力。這不僅可以減少硬盤轉動所需的機械動力，還能夠借助氦氣提升熱傳導效率。

目前HGST氦氣密封式硬盤在總擁有成本方面具有以下主要優勢：首先是容量，Ultrastar He6是當前市場上容量最大的硬盤之一；其次，它具有最低的功耗和每TB耗費的功率，每個硬盤的閒置功率降低了23%，每TB的功率下降了49%；第三，在標準3.5英寸硬盤規格下提供最佳的存儲密度，使容量增加了50%；第四，比標準的3.5英寸5盤片硬盤的重量還要輕，使每TB的重量降低了38%，但容量卻增加了50%。此外，氦氣密封帶來的另一個好處是降低了硬盤產生的噪音，從而使環境更安靜。

資料來源:泡泡網