垂直記錄技術(shù)PMR詳解

/垂直記錄技術(shù)PMＲ詳解面臨極限的磁記錄技術(shù)經(jīng)歷了5０年的發(fā)展,硬盤具可靠性、存儲速度、存儲容量、性價比都處于非常理想的水平,使得硬盤經(jīng)成為了計算機設(shè)備中的主流存儲器。IBM于1957年推出的第一款硬盤驅(qū)動器RAMAC的容量只有５ＭＢ，卻有5０個直徑為24英吋的盤片組成，轉(zhuǎn)速為1200ＲＰM,磁記錄密度只有幾十kbiｔ/iｎ2左右.現(xiàn)在的盤片直徑只有３．5英吋,單碟容量已經(jīng)達到了１0０GB，磁記錄密度在１00Ｍbｉt/ｉn2以上，記錄密度增長了3500萬倍以上。從70年代到９0年代初,硬盤的體積快速的縮小,使得硬盤的區(qū)域密度在近20年的時間里保持著30%的增長率。隨后至今的十幾年中，在新的磁頭技術(shù)的推進下,硬盤區(qū)域密度的增長率達到了60%！不過，由于現(xiàn)有的硬盤區(qū)域密度達到了相當(dāng)高的水平，進一步的發(fā)展受到了超順磁效應(yīng)限制，要繼續(xù)推動硬盤技術(shù)的發(fā)展,需要引入新的技術(shù)。最近,日立公司舉行了一次小型技術(shù)講解會,會議邀請了國內(nèi)的主流媒體參加。在會議上,日立公司詳細講解了其最新的垂直記錄技術(shù)（PerｐenｄｉcularＭagneticReｃorｄing，PＭR），這項技術(shù)可以使得磁記錄密度達到23０GB／in2,把現(xiàn)有的磁記錄密度提高了一倍.這意味著不遠的將來,我們可以購買到容量為２0GB的Ｍicroｄrive微硬盤或者容量為1TB的3。５英吋硬盤。日立預(yù)計PＭR技術(shù)將會在2007年應(yīng)用到各種硬盤產(chǎn)品中,而且在未來的５—7年間，還會進一步推動記錄密度的提升，1英吋硬盤的容量屆時也會達到６0ＧB左右。最新一份的IＤC報告（《２0０５年硬盤市場:零件技術(shù)與業(yè)務(wù)模式IＤC#3３466》)也認為垂直記錄技術(shù)將會成為未來幾年硬盤發(fā)展的趨勢。在這份報告中分析了硬盤現(xiàn)在及未來的三種關(guān)鍵零件-—彈性臂、磁頭和磁碟，其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展方向、以及了解其替代品技術(shù)的成本和利弊等.它預(yù)計２0０5年年底垂直記錄技術(shù)將會開始應(yīng)用于磁頭和盤片中，到2007年年底將會被廣泛使用。IDC預(yù)計到2009年的時候，將會有六億三千萬顆硬盤投入市場……超順磁效應(yīng)要了解為什么需要新的硬盤技術(shù)，首先需要了解我們現(xiàn)在使用的硬盤技術(shù).下圖所示的是我們現(xiàn)在所使用的硬盤的結(jié)構(gòu),主要包括:讀寫磁頭/懸掛裝置、盤片、馬達、外殼和電路板.電路板上的控制器接收并且解釋計算機磁盤控制器（對于PＣ來說，就是主板南僑中的硬盤控制器）的指令，然后根據(jù)指令通過驅(qū)動馬達和磁頭在盤片上進行讀寫.圖２-1:現(xiàn)代硬盤構(gòu)成盤片是在鋁制合金或者玻璃基層的超平滑表面上依次涂敷薄磁涂層、保護涂層和表面潤滑劑等形成的。盤片以５400RPM—15000RＰＭ的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動,磁頭則做往復(fù)的直線運動，而可以在盤片上的任何位置讀取或者寫入信息.微觀的來看，盤片上的薄磁涂層是由數(shù)量眾多的、體積極為細小的磁顆粒組成.多個磁顆粒(約100個左右)組成一個記錄單元來記錄1ｂｉt的信息——0或者1.圖2-2：水平記錄技術(shù)示意圖這些微小的磁顆粒極性可以被磁頭快速的改變，而且一旦改變之后可以較為穩(wěn)定的保持，磁記錄單元間的磁通量或者磁阻的變化來分別代表二進制中的０或者1。磁顆粒的單軸異向性和體積會明顯的磁顆粒的熱穩(wěn)定性,而熱穩(wěn)定性的高低則決定了磁顆粒狀態(tài)的穩(wěn)定性，也就是決定了所儲存數(shù)據(jù)的正確性和穩(wěn)定性.但是，磁顆粒的單軸異向性和體積也不能一味的提高，它們受限于磁頭能提供的寫入場以及介質(zhì)信噪比(SNR）的限制?，F(xiàn)在對于磁記錄設(shè)備的要求是體積越來越小,容量越來越大，也就是區(qū)域密度越來越高，這樣磁顆粒當(dāng)然也就越來越小,比如當(dāng)區(qū)域密度為20Ｇｂpｓi時，磁顆粒直徑約為13納米，而當(dāng)達到10０Gbpsｉ時,直徑縮小到了9.５納米.當(dāng)磁顆粒的體積太小的時候,能影響其磁滯的因素就不僅僅是外部磁場了,些許的熱量就會影響磁顆粒的磁滯,從而導(dǎo)致磁記錄設(shè)備上的數(shù)據(jù)丟失,這種現(xiàn)象就是“超順磁效應(yīng)"。為了盡可能的降低“超順磁效應(yīng)”，業(yè)界通過提高磁顆粒異向性、增加熱穩(wěn)定性來解決.磁顆粒異向性的提高固然使得磁記錄介質(zhì)更加穩(wěn)定，但是必需同時提高寫入磁頭的寫入能力.另外，磁顆粒體積的縮小,也需要進一步提高讀取磁頭的靈敏度，于是ＭR(磁阻磁頭）和GMR(巨磁阻磁頭）相繼應(yīng)運而生，ＧＭR磁頭技術(shù)的幫助下，水平記錄區(qū)域密度已經(jīng)達到了１00Gbpsi以上。不過，磁記錄業(yè)界公認水平記錄技術(shù)已經(jīng)達到了極限,再通過開發(fā)不同的磁性材料、磁頭技術(shù)來提升區(qū)域記錄密度已經(jīng)不再是經(jīng)濟、有效、可行的途徑了。垂直記錄技術(shù)磁垂直記錄技術(shù)并非近年才出現(xiàn)，早在1977年被譽為現(xiàn)代垂直錄寫技術(shù)之父的日本東北工業(yè)大學(xué)校長及首席總監(jiān)巖崎俊一（Sｈun－ichiIｗaｓaki）教授率先投入了這項技術(shù)的研究。巖崎俊一博士稱：“我在過去的四十八年中一直從事磁性錄寫技術(shù)方面的研究工作，研究發(fā)現(xiàn)該技術(shù)的成功在于其錄寫密度。直至1975年,我才發(fā)現(xiàn)垂直錄寫是走向高密度錄寫的不二法門，之后我不斷提倡把垂直技術(shù)引入現(xiàn)實科技中。我很高興這項科技將不久得以實現(xiàn)."圖3-1:垂直記錄技術(shù)示意圖應(yīng)用了垂直記錄計數(shù)的硬盤在結(jié)構(gòu)上不會有什么明顯的變化,依然是由磁盤（超平滑表面、薄磁涂層、保護涂層、表面潤滑劑）、傳導(dǎo)寫入元件（軟磁極、銅寫入線圈、用于寫入磁變換的交流線圈電流）和磁阻讀出元件(檢測磁變換的ＧMＲ傳感器或磁盤者新型傳感器設(shè)計)組成。微觀上看，磁記錄單元的排列方式有了變化,從原來的“首尾相接"的水平排列，變?yōu)榱恕凹绮⒓纭钡拇怪迸帕?。磁頭的構(gòu)造也有了改進,并且增加了軟磁底層.這樣做的好處是:1、磁盤材料可以增厚，讓小型磁粒更能抵御超順磁現(xiàn)象的不利影響；2、軟磁底層讓磁頭可以提供更強的磁場,讓其能夠以更高的穩(wěn)定性將數(shù)據(jù)寫入介質(zhì)；３、相鄰的垂直比特可以互相穩(wěn)定。目前，日立、希捷、東芝等公司的都已經(jīng)演示了其開發(fā)的基于垂直記錄技術(shù)的硬盤樣品,其中東芝的1.８英寸垂直記錄硬盤樣品區(qū)域密度達到了１3３Gbpsi，希捷的垂直記錄硬盤樣品的區(qū)域密度達到了１70Gbpsi，日立公司也展示了區(qū)域密度達到了23０Gbｐｓｉ垂直記錄硬盤！這意味著我們將在不遠的未來看到容量為20GB的微硬盤和容量為1ＴＢ的３.5英寸硬盤面市。垂直記錄技術(shù)：磁記錄市場的新契機DISK/TREＮD總裁、硬盤業(yè)分析員及歷史研究學(xué)家JimPorｔer認為:“垂直錄寫技術(shù)的成功應(yīng)用及過渡，是硬盤業(yè)未來五至十年發(fā)展的關(guān)健。日立正致力于通過全面的試驗計劃，使這項科技繼續(xù)穩(wěn)步向前發(fā)展。”從日立于20０4年12月開始的大規(guī)?，F(xiàn)場測試的結(jié)果來看,應(yīng)用了垂直記錄技術(shù)的硬盤在實際應(yīng)用中表現(xiàn)值得期待，日立宣布:1、硬盤性能高于預(yù)期２、性能數(shù)據(jù)類似于我們通過一個成熟硬盤得到的測試結(jié)果3、沒有硬錯誤(例如沒有數(shù)據(jù)丟失）4、極少的軟錯誤(磁頭試圖在首次失敗之后再次讀取數(shù)據(jù))５、數(shù)據(jù)讀寫速率沒有降低IDＣ針對垂直記錄技術(shù)進行全面了調(diào)查，他們公布了樂觀的預(yù)期：1、2009年使用垂直記錄技術(shù)的硬盤將達到六億三千萬部，成為雄霸市場的新技術(shù)。2、到２0０8年，小型硬盤（2．5英寸以下）將占據(jù)硬盤產(chǎn)量的4６％以上，其中大多數(shù)會利用垂直記錄的技術(shù)優(yōu)勢來滿足容量需求。3、對整個硬盤行業(yè)的發(fā)展進行預(yù)測,可發(fā)現(xiàn)垂直記錄將成為2004至200８年達到IDC預(yù)測的15。５%年復(fù)合成長率的主要推動因素。４、在５年內(nèi),產(chǎn)品磁盤密度將會達到目前技術(shù)下磁盤密度的四至五倍；在１0年內(nèi),垂直記錄（包括混合方法）會使磁盤密度達到目前技術(shù)下磁盤密度的十倍的水平。5、垂直整合式公司將可較順利地引入垂直記錄及其它新技術(shù)，其引進成本也較低,不過卻要自行承擔(dān)研發(fā)支出。必需投資額的增長（例如，研發(fā)開銷、新生產(chǎn)能力)將會引起更深入的業(yè)內(nèi)合并。6、必要的投資額的增長（例如，研發(fā)開銷、新生產(chǎn)能力）將會引起更進一步的業(yè)內(nèi)合并。日立公司預(yù)計在近年的下半年到明年之間,會向市場推出首批采用垂直記錄技術(shù)的硬盤產(chǎn)品,它們的磁錄密度接近15０Gｂpｓi,屆時我們的２．5英寸硬盤的容量可以達到160GB,微硬盤的容量可以達到15ＧB；20０7-2008年之前，磁錄密度為230Gbpｓi的產(chǎn)品將會從實驗室中走出來，那時３。5英寸硬盤的容量可望達到1TB，而微硬盤的容量也能達到20ＧＢ；目前的垂直記錄技術(shù)理論上可以達到5０0Gｂpsi的磁錄密度，５00ＧB的２．5英寸硬盤和４0GB的微硬盤也會成為現(xiàn)實.未來晶格介質(zhì)和熱輔助磁記錄技術(shù)會進一步擴展垂直記錄技術(shù)的潛力，把磁錄密度提高到1Tｂpｓi以上,屆時我們的筆記本硬盤也會達到TＢ的容量，微硬盤容量也達到1０0ＧB!未來的5—10年，垂直記錄將會成為未來硬盤行業(yè)的主流技術(shù),不同廠商過渡到這項新技術(shù)上順利程度,將會決定未來10年內(nèi)硬盤業(yè)界的新格局.SSＤ難取代硬盤各代熱門垂直硬盤一覽在被硬盤壓制許久之后,最近ＳSD(固態(tài)硬盤)似乎有抬頭之勢，《英特爾強攻ＳSD臺廠利多科技論壇登場聚焦固態(tài)硬碟技術(shù)創(chuàng)新威剛、創(chuàng)見、慧榮等可望受惠》《百度服務(wù)器全面換固態(tài)硬盤來替代硬盤》等消息紛紛傳出。ＳSD廠商之前推出固態(tài)硬碟產(chǎn)品,主要用來替換或補充筆記型電腦、桌上型電腦和伺服器中的傳統(tǒng)硬盤。而這次英特爾強力介入SSD，恐怕新一波的ＳSD廠商卡位戰(zhàn)即將被掀起。在這樣的強勢之下傳統(tǒng)硬盤的地位難道真的會被撼動？誠然,固態(tài)硬盤在不斷發(fā)展、改進、努力進入主流市場，不過硬盤也一樣沒有停住腳步,飛速發(fā)展著。對這兩種硬盤類型,都具有哪些優(yōu)缺點呢?硬盤與固態(tài)硬盤優(yōu)缺點對比:１.防震抗摔性：目前的硬盤（ATA或SATＡ)都是磁碟型的，數(shù)據(jù)儲存在磁碟扇區(qū)里。而固態(tài)硬盤是使用閃存顆粒（flaｓｈdiｓk）（即目前內(nèi)存、ＭＰ3、Ｕ盤等存儲介質(zhì)）制作而成，所以ＳSD固態(tài)硬盤內(nèi)部不存在任何機械部件,這樣即使在高速移動甚至伴隨翻轉(zhuǎn)傾斜的情況下也不會影響到正常使用，而且在筆記本電腦發(fā)生意外掉落或與硬物碰撞時能夠?qū)?shù)據(jù)丟失的可能性降到最小。相較傳統(tǒng)硬盤，固硬占有絕對優(yōu)勢。２．?dāng)?shù)據(jù)存儲速度：在同樣配置的筆記本電腦下，當(dāng)按下筆記本電腦的電源開關(guān)時,搭載ＳＳD固態(tài)硬盤的筆記本從開機到出現(xiàn)桌面一共只用了18秒,而搭載傳統(tǒng)硬盤的筆記本總共用時31秒.進入系統(tǒng)后不管是運行程序或是打開文件也可以明顯感覺到固態(tài)硬盤占有絕對優(yōu)勢.3.功耗：固態(tài)硬盤的功耗上也要優(yōu)于傳統(tǒng)硬盤。４．重量：固態(tài)硬盤在重量方面更輕,與常規(guī)1．8英寸硬盤相比，重量輕2０-30克。5.噪音：由于固硬屬于無機械部件及閃存芯片,所以具有了發(fā)熱量小、散熱快等特點，而且沒有機械馬達和風(fēng)扇，工作噪音值為0分貝。傳統(tǒng)硬盤就要遜色很多.6.價格：目前市場上１２８GOCZ固態(tài)硬盤，價格為40９９元。而這個價錢足夠買容量為幾TB的傳統(tǒng)硬盤了.７．容量:固態(tài)硬盤目前最大容量僅為2５6Ｇ，和傳統(tǒng)硬盤最大按TB容量衡量相比差距很大。

經(jīng)過對比。確實，在速度、安全、噪音、功耗、重量等方面固態(tài)硬盤都要強于傳統(tǒng)硬盤，但就價格與容量兩點的優(yōu)勢，傳統(tǒng)硬盤在目前還是有不可撼動的優(yōu)勢。特別是在這個大容量的時代里，高清電影,游戲,音樂。讓人們對大容量硬盤的要求越來越高,同時也就促使了硬盤開始進入ＴB時代。所以最大128G容量固態(tài)硬盤對消費者來說實在是太小了,而其超高的價格又有多少人能夠接受呢？在容量與價格上。固態(tài)硬盤的劣勢注定其無法取代傳統(tǒng)硬盤。自從1956年9月,IBＭ的一個工程小組向世界展示了第一臺磁盤存儲系統(tǒng)。這套總?cè)萘恐挥?MB，共使用了50個直徑為24英寸的磁盤IBM350RAMAC（RaｎｄomＡccessＭethodofAccoｕnｔingandConｔrｏl)。到“溫徹斯特”（Wｉncheｓｔer)結(jié)構(gòu)的誕生,硬盤結(jié)構(gòu)基本沒有發(fā)生改變。到０５年以前,還由于沒有任何存儲產(chǎn)品可以與硬盤抗衡,使得它發(fā)展極其緩慢.尤其相比近幾年同為電腦三大件的ＣPU和顯卡，每年都呈幾何倍數(shù)增長的趨勢,硬盤相比起來實在可憐的要命。1０G、20G、４０G、8０G、16０G，在21世紀(jì)最初的兩、三個年里頭,硬盤容量一直都是以翻一番的速度在增長,但是自從單碟容量100G的硬盤出現(xiàn)以后，硬盤容量的增長速度就停滯了下來，有關(guān)硬盤的新聞都是對接口和緩存變更等的報道。硬盤的記錄密度似乎已經(jīng)達到了無法再提高的地步？

“溫徹斯特”結(jié)構(gòu)的硬盤

在過去,硬盤記錄技術(shù)都是縱向或稱水平磁記錄（LMR，LongituｄinalMagnｅtｉｃRecording），縱向記錄就是磁單元以水平模式存放,因此占用了較多的空間。但是硬盤的“溫徹斯特"結(jié)構(gòu),使盤體物理尺寸及主軸馬達壽命受到了限制，無法以塞進更多盤片來實現(xiàn)容量提升.所以要解決硬盤容量的繼續(xù)提升問題，就必須繼續(xù)提高單片盤片上能承載的容量。隨著時代的發(fā)展。在消費者和廠商開始關(guān)注容量問題的時候.如果再沒有辦法提升硬盤容量。那么硬盤的發(fā)展將會受到威脅。

正當(dāng)這個危機時刻。垂直記錄技術(shù)成為了硬盤廠商們提出解決這一難題的方案。而事實證明，垂直記錄技術(shù)確實做到了這一點。其實磁垂直記錄技術(shù)并非近年才出現(xiàn)，早在19７７年被譽為現(xiàn)代垂直錄寫技術(shù)之父的日本東北工業(yè)大學(xué)校長及首席總監(jiān)巖崎俊一(Shuｎ—iｃhｉIwasaki）教授率先投入了這項技術(shù)的研究.但是由于市場需求的原因，這項技術(shù)一直被擱置無法發(fā)展起來。直到硬盤容量被大家關(guān)注。０6年這項技術(shù)終于研發(fā)成功并運用到硬盤上。希捷成為了最快把技術(shù)變?yōu)樽罱K零售產(chǎn)品的廠商.隨著這項技術(shù)的成熟。硬盤終于在06年開始真正向著大容量時代發(fā)展了。那到底垂直記錄技術(shù)是怎樣的技術(shù)呢？

在過去,硬盤記錄技術(shù)都是縱向或稱水平磁記錄（LMR，ＬｏngiｔuｄinalMａgｎｅticReｃoｒding)，縱向記錄就是磁單元以水平模式存放,因此占用了較多的空間。而垂直記錄技術(shù)則是將其直立起來,從而有效地提升了磁盤表面每平方英寸的磁單元數(shù)量，增加了整體的存儲容量。但是憑借現(xiàn)在的技術(shù),就算是橫向放置，我們也可以把磁單元做得再小很多，為什么要想著打豎放置呢?

最主要的原因就是超順磁現(xiàn)象(superparａｍagneticeffect)：當(dāng)磁記錄單元變得越來越小的時候，磁記錄單元就越來越難保持自身的磁方向，當(dāng)受到周圍環(huán)境的熱擾動時，磁單元就有很大幾率會改變磁方向或者消失磁性。那垂直紀(jì)律技術(shù)是如何解決超順磁現(xiàn)象的呢？

如上圖所示:如果磁記錄單元橫向放置,那么中間的磁記錄單元兩頭的磁極就跟相鄰的相反,那么在熱擾動時很容易翻轉(zhuǎn)；而垂直記錄卻不會發(fā)生這種情況。

對于讀寫功能，垂直記錄又做得如何呢?

使用垂直記錄的碟片底下多了一層“軟磁性”物質(zhì),這個“軟磁性物質(zhì)”會受到周圍磁場的作用而變得帶有磁性，那