硬盘记录已达极限，2004年换新技术
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硬盘已经并不仅仅被用在个人电脑和服务器领域，其用途越来越广，目前已经开始普及到家用录像机和便携型音乐播放机等领域。回顾硬盘发展历程，发展主线是记录密度的提高。过去每当记录密度面临极限问题时，总是通过改进现有技术实现记录密度的突破。不过，尽管通过改进现有技术还有可能再推出1、2代新产品，但由于已经接近理论极限，因此必然就要产生新的记录方式。 |
硬盘最重要的指标是存储容量。购买新电脑的用户最关心的据称不是CPU的工作频率和内存容量，而是硬盘容量。在个人电脑中配备电视节目录像功能已不是什么新鲜事，民用硬盘录像机也已开始相继亮相。
信息记录于盘片上。信息的写入和读取均通过磁头进行。硬盘容量取决于磁头和盘片性能。
盘片和磁头决定硬盘容量
按照物理尺寸，硬盘可分为主要用在台式电脑和服务器上的3.5英寸型，以及主要用于笔记本电脑的2.5英寸型、面向迷你笔记本电脑和便携音乐播放机的1.8英寸型和用于CF卡的1英寸型共4类。
硬盘的基本结构如图1所示。3.5英寸和2.5英寸这类数字表示盘片直径。盘片还被称为platter。随着盘片尺寸的减小，每个盘片的存储容量就会逐渐降低。因为记录信息的面积减小了。2.5英寸型的存储容量约为3.5英寸型的一半左右。硬盘的主要技术创新集中在3.5英寸型号方面，之后才逐渐转用于小型驱动器。3.5英寸型配备的盘片数一般为1～4片，因产品而异。1.8英寸和1英寸型为了降低整个驱动器的厚度最多只能配备2片。
大容量是通过提高记录密度来实现的。在高速化方面，硬盘转速、平均寻道时间和记录密度都起着重要作用。
由于可配备的盘片个数有限制，因此要想提高硬盘容量，就必须提高每个盘片的容量。另外，在性能方面转速也非常重要（图2）。
一个盘片能够记录多少信息取决于盘片中可记录1位信息的区域有多大。写入1位信息所需的区域称为记录位。记录位以同心圆形状排列成很多列。这种列称为磁道。存储容量取决于盘片能够设置多少磁道，以及在磁道的等长区间里能够设置多少记录位。从整个盘片来看，用每平方英寸的位数（bpsi）来表示记录密度。
信息记录于盘片的两面。因此要想完全使用盘片容量，每个盘片必须要有二个磁头。为了控制价格，有时则仅仅配备一个磁头且只使用磁片的一面。
传输速度受记录密度的影响
硬盘的传输速度取决于平均寻道时间、转速和记录密度。传输速度与硬盘内部的数据传输、即内部传输速度有关。
平均寻道时间是指磁头达到目的磁道所需的时间。磁头利用伺服装置在盘片上来回移动。磁头移动从而找出目的信息位。个人电脑使用的普通硬盘，其平均寻道时间为10～12ms。
转速主要取决于转动盘片的主轴马达的性能。转速越高，磁头等待旋转的时间就越短。3.5英寸型产品一般为每分钟5400转。高性能产品中有的甚至达到了每分钟7200转。而面向服务器等特殊用途的产品有的甚至具有每分钟1万转或者1万5000转的性能。
记录密度越高，读取连续的信息位时传输速度就越高。因为盘片移动量相同时记录密度越高所能读取的信息就越多。
平均寻道时间和转速最近2、3年里没有什么太大的变化。记录密度的提高不仅对存储容量，还对提高内部传输速度起到了很大的作用，“传输速度的提高，完全可以通过提高记录密度来满足”（日本迈拓技术部总经理齐藤勉）。
由于内部传输速度因记录密度的提高而提高了，因此原来的接口已经无法满足传输的须要。因此目前已经开始使用一种名为Serial ATA的新接口。
小型硬盘驱动器越来越普及
记录密度的提高实现了硬盘的大容量和高速化，从而也使得小型硬盘更加普及。其中包括1.8英寸硬盘和CF卡型硬盘等产品（照图3）。
笔记本电脑过去一般都使用2.5英寸硬盘。而近来在松下电器产业的“Let'snote LIGHT”、NEC的“LaVie J”和东芝的“dynabook SS”等总共才重约1kg左右。因此移动用途的笔记本电脑中已经开始采用1.8英寸产品了。
从事硬盘生产的东芝表示，“基本上使用的是与2.5英寸型相同的技术”（数字媒体网络公司存储设备业务部存储设备商品规划部川越诚司）。现有产品中容量最大的产品是配备2个10GB盘片的20GB产品。记录密度约为50Gbpsi。
随着产品密度的提高，更小的盘片尺寸也能够实现20GB容量，因此总厂家纷纷采用1.8英寸硬盘。“要想装备在个人电脑就必须有单片20GB以上的硬盘驱动器”（川越）。
该公司早在2000年5月就已经推出了PC卡型、容量2GB的硬盘卡。不过，“虽说是PC卡，但无论是卡还是电脑主机，接口均较大，因此要求进一步减小体积的呼声非常强烈”。于是在保持厚度不变的情况下投产了1.8英寸硬盘。
同时小型化还带来了低耗电和静音效果。相对于2.5英寸产品，能够减少驱动马达所需的电量。采用PC卡设计的硬盘，2.5英寸型需要5V电压，而1.8英寸型则只需3.3V。
小型化设计的不仅仅是应用于笔记本电脑。目前已经开始应用于便携型音乐播放机等便携性较高的袖珍产品中。“小型驱动器在个人消费型市场中有望用于移动产品，即便在商业用途方面也有望逐步应用于过去不配备存储设备的系统，比如交通控制系统等领域”（TDK的松崎）。
缩小记录位提高记录密度
过去都是通过改进现有技术，而不是不断采用新技术来提高记录密度的。
现有的记录方式称为面内记录方式或水平记录方式（horizontal recording）。单片记录容量目前已达80GB。换算成记录密度的话约为60Gbpsi。有人曾指出，面内记录方式从20G～30Gbpsi开始就已经接近极限。然而，“现有技术的不断发展，已经突破了当时的极限”（日立制作所存储设备业务部产品规划部部长森部义裕）。
提高记录密度就是指在相同的面积中设置更多的记录位。只要盘片尺寸不变，盘片上可记录数据的面积就不变。也就是说，只要进一步缩小记录位的物理尺寸，就能够记录更多的数据。具体来说，就是缩小记录磁头照射到盘片上的磁力线范围。即“由于磁力的分布有一定范围，因此为了消除泄漏到为记录数据而磁化的区域以外的磁力，就要缩小磁通量”（TDK千曲川第一科技中心信息技术研究所磁记录技术部门负责人松崎干男）。过去就是通过开发这种磁头而不断缩小记录位的（图4）。
利用MR磁头提高读取灵敏度
但是，通过缩小记录位提高记录密度会产生一些弊端。由于记录位缩小后，其所具备的磁力本身也会减小，因此必须提高磁头读取信息时的灵敏度。
过去，曾经使用在磁体上缠有线圈的磁头读取数据。利用记录位磁力产生的电动势读取信息。这种磁头称为感应磁头。不过，当记录位达不到一定程度以上的磁力时将无法读取信息，因此不能把记录磁头做得太小。
因此就开发出了MR磁头（图5）。MR是磁阻的英文缩写。这种磁头利用的是一种名为“MR效应”的现象，即用磁场方向会因外部磁场而变化的磁体夹着导体后，导体电阻值就会随着盘片上的磁场而变化。MR磁头与感应磁头相比，即便磁力弱一些也能够读取信息，因此能够把记录位做得更小。
为了进一步缩小记录位，必须要有灵敏度更高的MR磁头。目前主流的GMR（巨磁阻）磁头具有比MR磁头更高的MR效应。
尽管与MR磁头一样都是把随着外界磁场而变化的电阻作为信息读取，但是最关键的是通过采用反铁磁体（antiferromagnetic materials），在夹持导体的磁体中固定了一个磁体的磁场方向。由此就能够更灵敏地捕捉到外界磁场所造成的电阻变化。
MR磁头于上世纪90年代初进入实用阶段，而GMR磁头自1997年至1998年间开始配备于硬盘中。通过采用GMR磁头，过去数GB左右的单片容量达到了10GB以上。此后，GMR磁头的基本结构始终没变，而是通过提高MR效应不断提高记录密度。“GMR磁头是通过改变膜结构和材质而不断追求更有效的MR效应的”（TDK的松崎）。另一项改进是“通过把电阻的变化集中到磁头内尤其是MR效应高的区域来读取电阻值”（TDK的松崎）。用绝缘超薄氧化膜夹着整个元件以防止电子外漏的镜面型GMR磁头就是其中一种。目前80GB硬盘都是通过这种GMR磁头的技术创新而得以实现的。
作为后GMR技术，目前正在开发TMR（隧道磁阻）磁头（图4-c）。与GMR磁头不同的是，这种磁头其电流是贯通构成磁头的多个层而传导的。尽管同样使用反铁磁体和2个磁体，但是中间夹的是绝缘体。通过减小绝缘膜的厚度，使电流贯通这些绝缘膜进行传导就称为隧道效应。采用这种结构，就能够得到比GMR磁头更高的MR效应。
不过，预计当前仍将使用GMR磁头。2000年的时候曾有人估计TMR磁头将于2003年得到实际应用。然而，由于GMR磁头正在不断改进从而使得与TMR磁头的差距正在不断缩小，而且绝大多数开发资源都已经投入到了GMR磁头中，因此TMR磁头的实用时间尚不明确。
通过改进磁体粒子解决噪音
提高记录密度不仅仅要求提高读取磁头的性能。另一方面，记录位缩小后更容易受到噪音的影响。
盘片上排列着六角柱状的磁体粒子。由于“一个记录位就要磁化数百个粒子”（日立制作所中央研究所存储设备研究部部长高野公史），因此记录位如图5所示一样。由于磁化区在盘面上呈现出犬牙交错的形状，因此在较为严重的部分就会产生噪音。这就是磁转变（Magnetic Transition）噪音。另外还会受到相邻粒子反向磁场的影响。
为了避免这种噪音，必须改进磁体形状。作为解决磁转变噪音的对策，可以通过缩小粒子粒径减少交错区域。另外盘片的改进也在不断进行，比如通过减小记录层的膜厚度降低粒子高度，从而不会轻易受到相邻记录位的影响。
粒子尺寸方面，在20Gbpsi（每个盘片约为30GB）的记录密度下平均粒径为13nm，高度为17nm左右。“要想实现100Gbpsi，就必须把粒径和膜厚分别缩小到9.5nm和10nm”（日立制作所的森部）（图6）。
利用钌层避免数据消失
缩小磁体粒子，必然导致体积的减小，这就会产生一种被称为热搅动现象的问题。热搅动现象是指磁化的记录位信息因受到热能的影响而消失的现象。热搅动现象并不像磁转变（Magnetic Transition）噪音一样导致读取难度加大，而是直接导致数据本身的丢失。
热搅动现象产生的机制如图8所示。在磁场方向不同的磁体粒子相邻的区域，会产生磁各向异性能（Anisotropy Energy），就像是磁铁同极相互排斥的力。磁体粒子所具有的磁能是磁各向异性能与粒子体积的乘积。可受外部影响的热能为玻耳兹曼常数（Boltzmann Constant）与温度的乘积。如果磁能大于热能，就不会受热能的影响，如果低于热能，磁能就会被热能所消除。
为了避免热搅动现象，必须使用强磁力磁体，或者增加磁体粒子的体积。然而，由于“磁头和盘片，作为可量产的磁体均已使用了磁力最强的材料”（TDK的松崎），因此根本没有办法提高磁各向异性能（Magnetic Anisotropy Energy）。如果增加粒子体积，就会与提高记录密度所必须的粒子小型化产生矛盾。
于是技术人员想了采用小粒子即可维持较高磁异向能的盘片结构（图9）。除记录层磁体膜以外，再使用1层或2层磁体膜，在每个磁体膜之间夹入反铁磁体即钌膜。
记录层磁场穿过钌膜时其磁性会发生反转。这样一来，钌膜正下方的磁体膜就会具备与记录层磁性正相反的磁场。由于磁场反向，因此就能够稳定地保持记录层的磁场强度，也就是通常所说的稳定层。在记录层以外使用2层磁体膜，其实是为了使第一个稳定层保持稳定，才再使用一层磁体膜。
IBM（目前该公司的硬盘部门已经被美国日立全球存储技术公司所购并）的“仙尘（Pixie Dust）”、富士通的“SFM结构”等虽然其名称因制造商而异，但是使用钌使记录层磁场强度保持稳定的技术已经得到广泛使用。目前一般均采用设置双层稳定层的结构。
2004年下半年以后将采用垂直磁记录方式
过去，硬盘的存储容量每一年就会翻倍。但现在确实已经看到今后硬盘容量的提高将会越来越缓慢。因为作为实用材料已经使用了磁场强度最高的磁体，通过改进磁头和盘片结构提高记录密度正在逐渐接近磁体本身的极限。
现在，垂直磁记录方式作为未来的高密度技术已开始被业界寄予厚望。目前的水平记录方式具有平行于盘面的磁场，而垂直磁记录方式则把磁场方向改变了90度，因此具有垂直于盘面的磁场（图10）。
垂直磁记录方式的优点是即便相邻的磁性结晶具有相反的磁场，相互之间也不会产生影响。甚至具有反向磁场还能够起到稳定各自磁场的作用。与水平记录方式不同，采用这种方式不必把膜设计得非常薄。这样还可以确保粒子的大小，避免受热搅动的影响。
据日立制作所称，用于实现100Gbpsi记录密度的磁体结晶尺寸为粒径9.5nm，膜厚20nm。由于粒径与磁转变噪音有关，因此无论是水平记录方式还是垂直记录方式，规格要求是相同的，但是膜厚则可加大一倍。
不过，普遍认为2003年不会向垂直磁记录方式过渡。原因是“今后至少有1、2代产品可利用现有记录方式实现高密度”（日本迈拓的齐藤），“100Gbpsi可利用水平记录方式实现，不过200Gbpsi就不可能了”（日立制作所的高野）。目前普遍认为水平记录方式的极限是150Gbpsi左右。
美国希捷于2002年11月演示了利用垂直磁记录方式实现100Gbpsi记录密度的硬盘，同时宣布将于2004尽快投产这种产品。不过，关于向垂直磁记录方式的过渡时间，大多半制造商均未宣布明确的时间表。因为尽管过去有很多时期都曾议论水平记录方式的极限问题，但是最终都被突破了。今后一个时期，有关水平记录方式的极限到底在哪儿的讨论还将持续下去。
