機械硬盤“重出江湖”

從對固態硬盤的一無所知，到現如今幾乎所有人都認為固態硬盤將一統江湖，機械硬盤已經被打上了落后的烙印，絕大部分人都認為這種速度慢、脆弱且技術上似乎也已到了極限的產品將會被淘汰。但事實上，固態硬盤雖然擁有速度快等一系列足以取代現有機械硬盤的優點，但是其局限性也很大。按照固態硬盤目前的技術發展狀況來看，未來固態硬盤的價格會便宜一些，通過增加數據密度，未來固態硬盤的容量也將大幅度增加，甚至可以增加一倍。不過，這已經是固態硬盤技術的極限，與即將進入市場的新一代機械硬盤相比，過不了多長時間，一個TB級的固態硬盤就會顯得過于昂貴，機械硬盤將會重新受到用戶的重視。因而，機械硬盤還遠沒有到退出歷史舞臺的時候，目前，它只是站在了十字路口。

現有機械硬盤的技術瓶頸在于它所采用的垂直記錄（Perpendicular Magnetic Recording，PMR）技術的存儲密度很快將達到每平方英寸1Tb的極限，換言之，3.5英寸機械硬盤的最大容量也將僅有6TB。不過，如果目前的硬盤廠商能夠采用本文所介紹的技術，那么在不久的將來，3.5英寸機械硬盤的容量將可以達到60TB。與此同時，由于存儲密度的提高，磁頭的讀取速度也可以相應地提高，機械硬盤的速度也會變得更快，完全可以提高到與固態硬盤類似的水平。因此，如果我們對數據存儲載體的需求仍然按目前的速度增長，那么在未來幾年內機械硬盤將再度成為最主要的存儲載體。

6TB：垂直記錄技術的極限

使用垂直記錄技術的硬盤存儲密度將在兩年內達到極限，要滿足我們無止境的數據存儲欲望將需要新的技術。

通常，我們以每平方英寸的面積能夠存儲多少數據來討論數據的存儲密度。一平方英寸大約是25.4mm見方的一個郵票大小的方塊，目前的硬盤驅動器每平方英寸最大存儲密度為740Gb，一個多盤片的硬盤大約可以存儲4TB的數據。而根據目前各硬盤廠商所采用的生產技術，采用垂直記錄技術的硬盤最大存儲密度可達每平方英寸1Tb，與上一代的硬盤相比有了很大的增長，在這樣的存儲密度下，3.5英寸硬盤最大存儲容量可以達到6TB，2.5英寸硬盤的容量最大可以達到2TB。但是，對于我們不斷攀升的數據存儲需求來說，這樣的增長只可以說是杯水車薪。

使用垂直記錄技術的硬盤容量無法繼續增長，其主要的原因在于受到了超順磁特性的限制，它導致碟片的最大存儲密度無法突破每平方英寸1Tb。所謂超順磁限制，指的是當磁性材料的粒子小于某個尺寸時將無法保持其磁性，因為其磁性將受到來自周圍環境的熱量影響，產生不可預知的改變。超順磁限制是否會產生關鍵在于磁粒子的大小，而粒子大小則取決于采用的磁性材料。使用垂直記錄技術的硬盤采用鈷鉻鉑合金（CoCrPt），目前，這種合金粒子的直徑為8nm，長度為16nm，每比特的數據需要磁化約20個粒子，而CoCrPt粒子能夠保持其磁性的直徑為6nm，因而，每平方英寸的極限存儲密度為1Tb。

制造商可以通過3種方法嘗試解決超順磁現象限制存儲密度的問題：增加粒子的大小、減少每比特數據的粒子數目或者使用其他類型的合金。但是使用CoCrPt合金，且最小粒子直徑不能小于6nm，要想增加存儲密度就只能嘗試減少數據寫入時磁化的粒子數目。但是粒子數量減少后，信號會變弱，磁性可能會受到相鄰區域粒子的干擾，磁頭是否能夠正確區別“0”和“1”會成為新問題。如果使用其他具有較強磁化特性的合金以減小粒子的直徑，那么由于目前磁頭的磁化能力太弱，所以將無法改變粒子的磁性。這3個難題就是硬盤行業的所謂“三元悖論”，在使用垂直記錄技術的情況下，這個問題基本無法解決，因而，機械硬盤要繼續發展需要新的技術。

60TB：突破極限

應用微波、激光、固態硬盤控制器等技術和新的金屬材料，未來機械硬盤的存儲密度可提高10倍。

疊瓦式磁記錄（SMR）是一種可以讓每平方英寸盤片存儲密度超過1Tb的方法。疊瓦式磁記錄是能夠將磁記錄如同瓦片一樣堆疊的一種方法，采用疊瓦式磁記錄技術的硬盤寫入的磁道相互重疊，而磁頭能夠通過每一條磁道在重疊之后沒有被覆蓋的部分讀取數據。現有的硬盤磁道寬度最大為50nm，采用垂直記錄技術的硬盤磁道寬度為25nm，而疊瓦式磁記錄硬盤的磁道在重疊之后僅10nm。因而，盤片可以容納更多的磁道，存儲密度將可達到每平方英寸2.5Tb。除此之外，該技術的設計還有許多巧妙之處，采用疊瓦式磁記錄的硬盤磁頭寫入磁道寬度增加至70nm，并增加了屏蔽保護罩，在確保寫入數據具備較強磁化效果的同時，又避免了重疊磁道時破壞底層磁道的數據。

不過，疊瓦式磁記錄也存在著一個問題，由于重寫磁道數據時整個磁道都必須重新刷寫，在我們需要修改較底層磁道的數據時，硬盤的性能將受到嚴重的影響。為此，設計者嘗試通過兩個辦法來解決這個問題，一個是將采用疊瓦式磁記錄的硬盤設計成有一部分只能完全寫入和刪除，其次，為驅動器增加類似固態硬盤控制器的智能數據分布控制功能，再額外添加一個閃存作為高速緩存。

熱輔助磁記錄

目前最有希望取代垂直記錄技術的是得到國際磁盤驅動器設備制造商協會（IDEMA）支持的熱輔助磁記錄（HAMR）技術，而不是疊瓦式磁記錄技術。據國際磁盤驅動器設備制造商協會管理委員會的馬克·格南預測，2015年第一個采用熱輔助磁記錄技術的硬盤將進入市場，他還預測2012年開始將有少量產品出現。熱輔助磁記錄技術解決“三元悖論”硬盤技術難題的方法很簡單，那就是直接減少每比特數據存儲所需的磁性粒子，如上所述，這樣做將需要采用其他類型的合金。因而熱輔助磁記錄硬盤會采用較高各向異性的磁性材料鐵鉑合金（FePt），其超順磁性極限非常小，極限粒子尺寸為2.5nm。而且，鐵鉑合金每比特的數據需要的粒子更少，現有的硬盤每比特的數據需要20個粒子，而熱輔助磁記錄硬盤只需要約一半的粒子就可以。存儲密度可以輕松達到每平方英寸5Tb，而且，未來完全可以達到更高的水平。

但是鐵鉑合金較高的各向異性意味著磁頭必須有更高的磁化能力，這樣才可以抵消磁化材料的各向異性。為此，熱輔助磁記錄技術需要結合激光技術來解決這一問題，集成在磁頭上的激光頭將把幾納米的區域在短時間內加熱至約400℃，因此磁頭改變粒子磁取向能力不足的問題得以順利解決。2012年3月，希捷公司已經設計出了每平方英寸存儲密度1Tb的熱輔助磁記錄硬盤，因而，可以預期垂直記錄技術將在近期消亡。根據數據的密度計算，熱輔助磁記錄硬盤的讀取速度約為400MB～500MB，毫不遜色于目前最快的SATA接口固態硬盤。

除了激光，旋轉扭矩振蕩器（微波發射器）發出的微波也可以讓能力相對較弱的磁頭有能力改變鐵鉑合金粒子的磁性。目前，微波輔助磁記錄（MAMR）技術也是熱輔助磁記錄的一個發展方向，在2012年5月中旬的國際磁學會議上，日本慶應義塾大學的一個團隊聯同TDK公司展示了一個每平方英寸存儲密度為500Gb的原型產品，日立也介紹了一款類似的產品，每平方英寸存儲密度可高達6.3Tb。

可行的方案

位規則媒介（BPM）是一項長期以來被認為有希望取代垂直記錄的技術，位規則媒介技術解決“三元悖論”的方法是減少每比特數據的粒子，并通過氧化硅隔離層將磁性粒子分割開來，巧妙地解決了相鄰粒子互相干擾的問題。但這需要像生產芯片的光刻工藝一樣準確地刻畫出分割好的磁性粒子，因而，位規則媒介的應用成本較高。由于能夠通過分割的方法確保磁化的粒子不會相互干擾，所以位規則媒介硬盤每比特數據磁化粒子數目可以很少。在東芝2010年推出的示范盤上，每平方英寸的存儲密度可高達2.5Tb，不過目前它還缺少一個可以準確讀寫位規則媒介硬盤的磁頭。

相比之下，目前熱輔助磁記錄仍然是最受重視的技術，而位規則媒介技術也可以與熱輔助磁記錄技術相結合，兩種技術結合后存儲密度將可以提升到每平方英寸10Tb，3.5英寸硬盤容量可以高達60TB。在2012年的國際磁學會議上，東芝提出了采用位規則媒介與熱輔助磁記錄技術相結合的機械硬盤技術方案，其理論上每平方英寸的存儲密度為5Tb，這在現有的技術條件下是完全可行的。

新的研究對象是二維磁記錄（TDMR）技術，該技術利用二維圖像存儲技術和編解碼技術確保在減少磁化粒子的情況下，磁頭仍然能夠在較弱的信號條件下正確讀出數據。目前，這些新的機械硬盤技術大多考慮與其他的技術相結合，二維磁記錄技術同樣也可以與位規則媒介和熱輔助磁記錄技術相結合，存儲密度可超過每平方英寸10Tb，3.5英寸硬盤容量可以輕松超越60TB，并且在存儲密度提高的情況下，理論上每秒傳輸速度可高達1Gb。