PW50對于磁盤DLC層厚度變化的檢測

【摘要】伴隨著社會的發展，人類所產生的數據每兩年翻一番。到2020年，人類的數據總量可能會達到35千萬億兆，后續每年產生的數據更將可能達到4～5個Zeta Byte，這要求每年四到五億片1TB的硬盤存儲。硬盤已經成為了IDC的核心TCO，因此硬盤的性能質量對整個云存儲有著關鍵影響。在硬盤結構中，磁盤媒介作為關鍵的存儲部件，其有著復雜的分層結構用于保護磁場數據。其磁場媒介厚度不均的問題，對硬盤整體壽命和存儲信號有著致命的影響。本文通過對硬盤磁頭讀信號的研究，提出利用磁頭半脈沖讀信號寬度（PW50）來檢測磁盤存儲媒介厚度不均的問題，在實驗室環境中達到了預期的效果，有效地檢測出磁存儲媒介厚度的異常。

【關鍵詞】PW50;硬盤;DLC層

一、研究背景及意義

云計算是目前世界范圍內、特別是IT行業的熱門話題，全球云計算產業的浪潮正逐步形成。云計算與政府、企業界和學術界緊密關聯，涉及云安全、云開發、云應用、云成本及管理、云架構，云存儲等許多方面。而硬盤作為云存儲的核心部件，其性能和使用壽命對云存儲有著關鍵和深遠影響，而影響硬盤使用壽命的關鍵性危險因素便是磁頭劃碰。

在硬盤的生產和用戶使用過程中，有許多潛在關鍵因素會造成磁頭劃碰，從而破壞磁場，引起數據信號讀寫失真。其中最關鍵的因素便是存儲介質在生產過程中形成的DLC層厚度不均。傳統的檢測辦法必須拆開硬盤，然后用特殊激光儀器照射存儲介質碟面，通過分析光譜來檢測是否存在厚度不均。這種檢測技術雖然有效，但是只能運用在實驗室環境，沒有能力進入工廠對量產過程進行產品測試。因此在硬盤產品工廠生產測試中，如果可以對DLC厚度進行實時檢測，這對硬盤使用壽命的提高、返修率和生產成本的降低有著非常巨大的實驗價值和現實意義。

二、硬盤DLC厚度失效分析

硬盤是電腦上以使用堅硬的旋轉盤片為基礎的非揮發性存儲設備，它在平整的磁性表面存儲和檢索數字數據，信息通過離磁性表面很近的磁頭，通過電磁流改變極性的方式被電磁流寫到磁盤上，信息可以通過相反的方式讀取。例如磁頭經過紀錄數據的上方時磁場導致線圈中電氣信號發生改變。硬盤的讀寫是采用隨機存取的方式，因此可以以任意順序讀取硬盤中的數據。硬盤包括一至數片高速轉動的磁盤以及放在執行器懸臂上的磁頭。

磁盤或者硬盤碟面作為存儲數據的介質，有著非常復雜的分層結構。總體而言磁盤碟面分為五個存儲層，這五層疊加在基層上，因此基層必須保證持久耐用。大部分的基層的材質是鋁，而只有移動硬盤的基層材質是用玻璃制造，從而保證更輕更薄。這五層分別是內層，襯層，磁存儲層，外套層（DLC層），潤滑層。其中內層用于防腐蝕，襯層承載存儲層，磁存儲層用于儲存數據，DLC層用于防止介質腐蝕以及磁頭劃碰，潤滑層用于保護磁頭劃碰以及減少磁頭和磁面的靜摩擦。

圖2.1 失效分析OSA Mapping

通過對返修硬盤的失效分析，大部分的碟片劃傷或者磁頭劃傷都是由于DLC層的厚度不均造成。DLC層的厚度不均存在于磁道方向，而同一條磁道的磁頭飛行高度通過測試是固定的，因此造成的磁頭劃碰如圖2.1所示。磁頭劃碰是一種硬盤故障，在硬盤讀寫磁頭和旋轉的硬盤片接觸時發生，在磁盤表面的介質產生永久不可恢復的損害。

因此如何有效地在硬盤測試過程中檢測到DLC層厚度不均，成為存儲行業中實現硬盤精益生產的一個重要課題。而磁盤DLC層厚度的不均首先影響到的便是磁頭飛行高度（HMS：Head Media Space），而對于飛行高度變化最為敏感的便是磁頭讀取的數據信號。如果可以對磁頭的讀信號進行數學建模，然后過濾出可以精確表示磁頭飛行高度的分量，便可以在實驗室環境中表征硬盤磁表面DLC層的厚度不均。

三、PW50信號數學模型

在分析磁頭讀信號之前，我們首先要研究磁頭讀取信號的數學過程，在硬盤數據的讀取過程中，磁頭首先檢測到碟面上所需要讀取邏輯存儲塊地址的磁場變化，同時磁通量將被磁頭通過線圈轉化為感應電壓e0，感應電壓與磁通量的變化率成正比如下公式3-1所示。

（3-1）

在該公式（3-1）中D表示讀頭的效率函數，它所表示的電流脈沖信號很難區分出有效信號和噪聲信號，讀脈沖信號必須經過全波整流以及過零檢測，才能成為可讀信號，被硬盤SOC解碼以及糾錯處理。讀脈沖的數學模型對于硬盤信號解調器以及平衡電路的設計有著重要的意義，而描述讀脈沖的一個重要參數是信號半幅值脈沖寬度，也就是PW50。PW50的數據模型可以用高斯時域方程來表示如（3-2）所示：

（3-2）

根據高斯原理，該信號幅值函數以及其自相關函數可以由方程（3-3）和（3-4）分別表示。通過方程轉換，我們可以得到PW50的數學模型如方程（3-5）所示。

（3-3）

（3-4）

（3-5）

圖3.1 飛行檢測模塊

因此如果我們要讀取一條磁道的PW50數據，就需要計算出信號幅值函數的自相關系數。通過研究硬盤SOC的規范文檔，我們可以看到讀信號在經過整流放大后，將會進入信號通道控制器如下圖（3.1）所示。而在信號通道控制器芯片中，飛行檢測模塊是用于測量磁頭飛行過程中讀取的信號脈沖寬度。通過對飛行檢測模塊進行編程，便可以輸出ADC信號自相關系數，以及維特比自相關系數。通過對自相關系數建立數學模型，便可以得到讀脈沖自相關系數的數學方程如（3-6）所示。其中a0～a1表示模數轉換輸出信號的自相關系數，t0～t1表示維特比輸出信號的自相關系數。

（3-6）

四、PW50對于檢測DLC厚度的可行性實驗

由于PW50對于磁頭讀信號具有極其重要的表征意義，而讀信號又可以在一定程度上反應磁頭飛行高度的變化，從而檢測出碟面DLC層厚度。在這里我們通過一系列實驗來證明PW50與磁頭飛行高度具有非常明顯的線性關系，從而推導出PW50可以檢測出DLC厚度的變化。

實驗一，驗證PW50和磁頭飛行高度是否存在線性關系。在實驗中，我們分別在不同的磁盤位置外圈，中圈和內圈選取三條不同的磁道，然后線性增加飛行高度來模擬DLC厚度的不均勻，然后通過固件SOC編程，分別在不同的飛行高度下讀取磁道數據，同時監測提取PW50數據，得到如圖（4.1）所示數據分析，可以看到PW50和磁頭飛行高度呈線性關系變化。

實驗二， 驗證固件所測到的PW50和實際PW50的數據匹配度。如上文所述，對于DLC層厚度的檢測可以通過用特殊激光儀器照射存儲介質碟面，然后分析其光譜得到，因此我們也可以通過光譜來推導出PW50數據（數學推導模型將不在本文討論）。我們通過固件SOC編程，通過圖（4.2）所示流程圖進行迭代讀寫，并監測提取PW50數據。并對同樣磁面位置進行光譜分析得到的PW50數據進行對比，可以得到如圖4.3所示的數據分析圖，我們看到兩者趨勢相同，具有很強相關性。因此我們可以得出結論，通過固件編程得到的PW50對于DLC厚度的檢測具有很強準確性。

通過以上的數學模型以及實驗分析，我們可以得出結論，PW50對于磁盤DLC厚度不均具有非常有效和準確的檢測意義。通過固件對SOC的編程，可以非常有效的導入到硬盤的生產檢測中，從而有效的提高硬盤產品的質量。

參考文獻

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作者簡介：吳迪（1983—），女，江蘇揚州人，工程碩士，蘇州高等職業技術學校講師。