向120TB容量進(jìn)軍！

李實(shí)

機(jī)械硬盤的基本結(jié)構(gòu)被稱作溫徹斯特（Winchester）結(jié)構(gòu)，本刊在之前有關(guān)機(jī)械硬盤的技術(shù)文章中曾經(jīng)很深入地探討過它。從1973年IBM發(fā)明這種結(jié)構(gòu)到現(xiàn)在，已經(jīng)過去了足足有48年，但是溫徹斯特結(jié)構(gòu)以其簡單、易用和大容量、高速度、高穩(wěn)定性、高耐久的特性，一直被人們用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的最主要設(shè)備。

溫徹斯特結(jié)構(gòu)硬盤的特點(diǎn)是，通過浮動(dòng)在磁盤上方以固定軌跡移動(dòng)的磁頭和與之匹配的高速旋轉(zhuǎn)的圓形磁片之間的電磁效應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取，當(dāng)然也需要相關(guān)電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和對(duì)磁頭、盤片移動(dòng)的控制。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于，其數(shù)據(jù)讀取的速度受制于機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度和磁盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的密度，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的密度又受制于盤片材料和處理方式。

在過去的數(shù)十年間，人們?cè)跈C(jī)械硬盤上做出了很多改進(jìn)。磁頭方面從早期的普通磁頭到磁阻磁頭再到巨磁阻磁頭，盤片從普通的橫向磁記錄到垂直記錄、疊瓦式記錄等等，在此期間，機(jī)械硬盤也在不斷地改進(jìn)材料，提升數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度。最終機(jī)械硬盤的容量從1995年的大約1G b/平方英寸提升至2020年大約1000Gb/平方英寸，提升了大約1000倍。

在達(dá)到這樣的水平之后，要繼續(xù)提升硬盤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度就非常困難了。這是因?yàn)橛脖P上用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的單位磁體也就是磁疇已經(jīng)過于微小導(dǎo)致引發(fā)了超順磁效應(yīng)。所謂超順磁效應(yīng)，是指磁疇已經(jīng)無法再繼續(xù)縮小體積的情況下保持磁性，反而可能會(huì)由于微小的磁場(chǎng)擾動(dòng)而改變磁場(chǎng)方向。為了避免超順磁效應(yīng)，人們開始嘗試使用矯頑力更強(qiáng)的材料。所謂矯頑力，是指磁鐵材料抗拒外界磁場(chǎng)干擾的能力。矯頑力越強(qiáng)的材料，抗拒外界磁場(chǎng)干擾的能力就越強(qiáng)。舉例來說，傳統(tǒng)硬盤的存儲(chǔ)每一位數(shù)據(jù)的磁疇組大約由上百個(gè)磁疇共同組成才能保證較高的矯頑力和穩(wěn)定性，但擁有較強(qiáng)矯頑力的新材料只需要包含數(shù)十個(gè)磁疇的磁疇組就能帶來穩(wěn)定的磁力表現(xiàn)，這就為提高數(shù)據(jù)密度帶來了切實(shí)的基礎(chǔ)。

基于上述理論與基礎(chǔ)架構(gòu)，希捷和西部數(shù)據(jù)在2021年公布了很多新的消息，探討了磁性存儲(chǔ)技術(shù)的未來，以及如何實(shí)現(xiàn)容量高達(dá)120TB的硬盤。其中希捷在2021年發(fā)布了全新的路線圖，將硬盤的發(fā)展路線展望至2030年，并引入了BPM和MAT兩種技術(shù)來加強(qiáng)硬盤的密度和性能。西部數(shù)據(jù)則帶來了充氮技術(shù)、e PM R等技術(shù)，也同樣希望在現(xiàn)有的技術(shù)架構(gòu)下進(jìn)一步拓展機(jī)械硬盤的存儲(chǔ)能力。下面本文將分兩個(gè)部分來為大家介紹這兩個(gè)廠商的全新進(jìn)展。

希捷：預(yù)計(jì)在2030年推出120TB硬盤

希捷在2021年的發(fā)布會(huì)上介紹了自己到2030年的路線圖。其中值得關(guān)注的內(nèi)容包括2026年之后開始推出50T B的硬盤，2030年后開始生產(chǎn)120T B的硬盤。此外，希捷還給出了有關(guān)機(jī)械硬盤進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)路徑。

HAMR：展望至2026年，推出等效50TB硬盤產(chǎn)品

希捷首先定義了面存儲(chǔ)密度的概念。根據(jù)希捷的數(shù)據(jù)，單位面積也就是每平方英寸的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度從1995年的1Gb/平方英寸上升至2007年的大約120Gb/平方英寸后就陷入了停滯，原因是因?yàn)榇藭r(shí)水平記錄技術(shù)到達(dá)了自己的極限。在2007年之后，隨著垂直記錄技術(shù)的興起，面存儲(chǔ)密度數(shù)據(jù)進(jìn)一步從120Gb/平方英寸上升至今天的接近1.1T B/平方英寸，并且在2015年后，這個(gè)上升速度也就是曲線的斜率就被大大放緩了，這顯示垂直記錄技術(shù)也抵達(dá)了自己的極限。

為了突破這個(gè)極限，希捷開始啟用熱輔助記錄技術(shù)，也就是HAMR。正如前文介紹的那樣，HAMR技術(shù)也對(duì)磁頭和盤片材料進(jìn)行了改進(jìn)。在磁頭方面，希捷為了降低全新盤片材料的矯頑力采用了熱輔助技術(shù)，具體的熱源采用的是激光。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，激光在磁頭之前在盤片掃過，預(yù)先加熱盤片表面，使得磁頭可以緊隨其后寫入數(shù)據(jù)，然后磁頭離開，盤片被加熱的部分在2納秒內(nèi)恢復(fù)至正常溫度。值得注意的是“2納秒”，這意味著希捷可以使用非常微小且集中度極高的激光對(duì)盤片目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行加熱，從而盡可能地降低額外熱量的產(chǎn)生和逸出。

在盤片材料方面，希捷采用了一種新的、特殊的鐵鉑合金（I r o n-Platinum）和玻璃基板共同構(gòu)建硬盤盤片。鐵鉑合金在2013年甚至更早的時(shí)候就被研究人員注意到了，其特點(diǎn)是晶體結(jié)構(gòu)相當(dāng)有規(guī)律，制造相對(duì)容易，可以采用原子級(jí)多層濺射的方法來生成。它的金屬層極薄，并且可以通過快速熱退火來轉(zhuǎn)換其晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)所需的有序排列。這種特殊的鐵鉑合金的磁性可以通過工藝手段進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且其在納米尺度下也能保持極強(qiáng)的磁性，有一定的抗熱效應(yīng)的能力，矯頑性也更高。因此，采用這種新的鐵鉑合金制造的盤片材料可以進(jìn)一步縮小磁疇組的體積，實(shí)現(xiàn)更高密度、更為穩(wěn)固的磁存儲(chǔ)。玻璃基板方面，希捷認(rèn)為玻璃更為堅(jiān)硬、穩(wěn)固，機(jī)械性能出色，并且溫度耐受性極佳，所以是下一代硬盤盤片基底材料的首選。

在結(jié)合了全新的熱輔助記錄磁頭和新的鐵鉑合金的玻璃盤片后，希捷給出的數(shù)據(jù)是，在2016年，憑借46nm寬、13nm長的單位數(shù)據(jù)磁記錄區(qū)域，希捷實(shí)現(xiàn)了1Tb/平方英寸的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度，這相當(dāng)于大約18TB的等效硬盤容量。值得注意的是希捷給出了46n m和13n m這兩個(gè)數(shù)據(jù)，這兩個(gè)數(shù)據(jù)意味著希捷目前能夠做到的最小數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單位。更進(jìn)一步來看的話，每單位數(shù)據(jù)需要占用的磁盤面積應(yīng)該不超過598平方納米。

在基本的技術(shù)路線確定后，希捷就開始沿著這樣的路線持續(xù)前進(jìn)。希捷給出了一系列的技術(shù)展示信息，其中本頁最下方的右圖表示按季度計(jì)算的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所得到的最大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度值坐標(biāo)圖，其橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是數(shù)據(jù)密度。另外希捷還給出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的單位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所需面積的示意圖，縱坐標(biāo)是單位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)面積的縱向長度，橫坐標(biāo)是單位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)面積的橫向長度，坐標(biāo)系內(nèi)部的一層層曲線的下方是指單位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所需占用的面積，這個(gè)數(shù)據(jù)朝向越來越小的方向不斷演進(jìn)。

在2017年，希捷在HAMR技術(shù)上取得了非常顯著的進(jìn)展。本頁下方右圖內(nèi)代表2017年的綠點(diǎn)相比代表2016年的紫色點(diǎn)所展示的信息顯示，采用HAMR技術(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度最高可提升至1500G b/平方英寸，同時(shí)單位數(shù)據(jù)占據(jù)的面積降低了一個(gè)等級(jí)。在2018年，希捷取得了突破性的技術(shù)進(jìn)展，代表2018年的黃色點(diǎn)的數(shù)據(jù)密度提升至2000G b/平方英寸，同時(shí)單位數(shù)據(jù)占據(jù)的面積相比2017年持續(xù)降低了2～3個(gè)等級(jí)。在2019年，希捷進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度超過2000Gb/平方英寸，單位數(shù)據(jù)占據(jù)的面積又比2018年提升了一個(gè)等級(jí)。2020年，希捷進(jìn)一步推高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度至2600G b/平方英寸，代表2020年的橙色點(diǎn)所指向的單位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)面積已經(jīng)來到了整個(gè)坐標(biāo)軸的接近最右上角，這意味著其面積相比最初2016年的技術(shù)縮小了接近10個(gè)等級(jí)。