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垂直記錄技術使硬碟容量進入10倍成長時代

上網時間: 2005年11月04日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:垂直記錄  Perpendicular recording  晶格介質  Patterned Media  Hard Drive Capacity 

儘管硬碟工業過去五十年內一直成功地使用縱向記錄技術,但目前已經接近其應用極限。

在過去大約十年的時間內,科學家和工程師們一直在考慮一種稱為超順磁性的自然現象,並認為它可能會影響到硬碟驅動器(HDD)產業的發展。

自從1956年第一塊商用硬碟誕生以來,透過不斷減小用於組成數據位元的磁性顆粒的尺寸,儲存容量已經呈指數級成長。磁性顆粒越小,每位元所佔的尺寸就越小,因而可以在硬碟上儲存更多的數據。我們已經達到了縱向記錄技術的極限點,如果繼續縮小磁性顆粒的尺寸將損害到數據的完整性,這是因為超順磁效應。

當硬碟上的微磁性顆粒小到在室溫下隨機的熱振動會使它們失去保持磁向的穩定性時,就產生了超順磁性。其結果是產生‘翻轉位元’,即位元的磁性南北極突然自然地產生逆變,這將損壞數據,使得記憶體不可靠。

隨著對容量的需求持續快速成長,今天硬碟產業突破超順磁性限制的能力顯得比以前更重要。這很大程度上是因為硬碟在消費電子設備上的應用成長所致。消費者想儲存更多的音樂、照片和電影,因而希望硬碟產業能在更小的設備上提供更多的儲存容量。超順磁性效應對當前磁性記錄技術的限制使得在一到兩年內不可能實現這種成長。

這使人們對一種一百多年前就得到驗證的磁記錄方法重新燃起興趣,藉此儲存工業可以進一步抑制超順磁性效應。這種方法稱為垂直記錄,當它在未來5到7年完全實現後,有望使儲存容量提升到現在技術的十倍。例如,這將能實現60GB的1英吋微硬碟,可用在MP3播放器、個人媒體播放器、數位相機、PDA和其它手持設備上。

日立已經證明垂直記錄數據密度可以達到230Gb/平方英吋,是當前縱向記錄密度的兩倍,這將在2007年催生20GB的微硬碟。

垂直與縱向記錄的不同

硬碟產業在大約50年內幾乎一直完全專注於縱向磁記錄的方法。在這種方法中,每個數據位元的磁化按照相對於旋轉碟的水平方向排列。在垂直記錄中,每個位元的磁化是相對於硬碟的碟片垂直排列的。

垂直記錄最初是在19世紀早期由丹麥科學家Valdemar Poulsen提出的。之後這種技術取得零星進展,直到1976年,日本東北工業大學(Tohoku Institute of Technology)的Shun-ichi Iwasaki博士證明了垂直記錄的明顯密度優勢。他的工作為進一步的垂直記錄研究奠定了基礎,這種研究即使在縱向記錄技術的面積密度取得進步的情況下也不曾間斷。

為幫助理解垂直記錄的工作原理,我們將位元視為小的條形磁體。在傳統的縱向記錄中,代表數據位元的磁體沿著磁碟面的圓形磁道端對端地排列。如果你將最高密度的位元模式認為是交替的1和0,那麼相鄰的磁體將頭對頭(北極對北極)、尾對尾(南極對南極)。在這種情況下它們將相互排斥,使得它們對熱波動不穩定。在垂直記錄中,微小的磁體正立和倒立。相鄰變換的位元的北極與南極相靠近,它們之間互相吸引,因此更穩定,並且相互之間的距離可以更近。這種幾何結構對於使位元變得更小很關鍵,並且不會有使它們失去儲存能力的超順磁性。

垂直記錄允許硬碟生產商在每平方英吋的磁碟上放置更多的數據位元,稱為面密度或者數據密度。而且,垂直記錄增強了位元保持其磁荷的能力,這個特性稱為矯頑磁性(coercivity)。

圖1:縱向和垂直記錄技術的比較。

儘管這種方法不同於當前使用的記錄方法,垂直記錄卻是最接近縱向記錄的一種替代技術,這使硬碟產業能利用當前的技術同時延後超順磁效應。

會導致產生超順磁效應的準確面密度是一個不確定的問題,引起科技和工程界的很大爭議。在上世紀90年代,科學家預測當達到每平方英吋25Mb的數據密度時將達到其極限。這樣的預測相當不準確,他們沒有考慮到科學家和工程師們回避技術障礙的靈活性。透過日立實驗室和其它公司的創新研究,已經將這些極限向上大大推進。今天,縱向記錄的最高面密度已經超過每平方英吋100Gb。然而,研究人員相信當面密度超過每平方英吋120Gb時將不能保持數據完整性。這時垂直記錄將成為主導的磁記錄技術。

超順磁性障礙已經逼近,迫使硬碟產業放慢硬碟容量曾經的快速成長速度。這種成長速度在過去十年中達到巔峰,每12個月容量就成長一倍。科學家們相信,使用垂直記錄可以進一步防止超順磁效應,這將使面密度繼續以每年大約40%的速度穩定成長。

垂直記錄的幾何尺寸和矯頑磁力的優勢使科學家相信,垂直記錄的潛在面密度將達到當前縱向記錄所能達到的最大可能值的10倍。按照這種估計,意味著使用垂直記錄的面密度將達到每平方英吋1Tb。在未來兩到三年中,3.5英吋硬碟有可能儲存1,000GB(1TB)數據。

垂直記錄:機會與挑戰

垂直磁性記錄為硬碟產業的公司提供了以適當速度不斷提升容量的機會。這樣的成長是滿足社會新興資訊需求所必需的。沒有跡象顯示對硬碟儲存的需求會衰減。相反,所有的跡象顯示,硬碟的儲存需求將以驚人的速度成長,主要是因為IT應用和消費電子需求成長推動。

產業分析師預測,到2008年,用於消費電子的硬碟佔總出貨量的百分比將從2003年的9%和2004年的15%成長到40%。但是與IT產業(這種應用性能很關鍵)不同的是,消費電子應用對硬碟的主要要求是具有非常高的儲存容量。這是因為消費者將他們的娛樂和個人資訊以數位形式保留,對於儲存更多的音樂、照片、電影和其它個人文件的需求已經表現得‘貪得無厭’。因此,未來5到10年內,平均每個家庭將擁有針對不同應用的10到20個硬碟。這種遠景將要求成功地採用垂直記錄。

儘管垂直記錄在技術上與當前的縱向記錄類似,但仍然存在很多的技術挑戰。例如,日立公司的工程師正在試圖發明新類型的讀取/寫入頭,試驗具有增強電磁特性和改善表面光潔度的新材料,以及隨著磁位元和訊號變小,設法繼續保持訊噪比,並採用更先進的演算法來對磁訊號進行檢測和解釋。

儘管這些挑戰很大,但所有這些挑戰都是類似的:硬碟產業已經面對過相同類型的挑戰,並且一一克服。不過,成功解決這些新的挑戰將需要大量的時間、工程資源和創造性。

同樣重要的是,垂直記錄並不是能滿足所有儲存需求的萬能藥,而是一個跳板。這樣一個跳板讓硬碟產業有喘息的時間,以尋求和發明新的擴展磁記錄的方法。例如,一種被稱為晶格介質(Patterned Media)的方法或許某天可以將位元的尺寸減小到一個顆粒,而今天組成一個位元需要100個左右的顆粒。一旦這種方法實現,它將是一種能很容易、很經濟地複製的技術,對硬碟的成本增加不大,並且有潛力使面密度再次提高10倍。

研究人員面臨的一個基本挑戰是:高的介質矯頑磁力通常會增加寫入的困難度。解決這個問題的可能方法包括熱助磁記錄。這種熱助技術允許在具有高矯頑磁力的介質上進行記錄。另一種方法是傾斜的垂直記錄。這種方法以一定的角度來設置磁化,理論上可以提高介質保持磁荷的能力,同時依然可以記錄。

作者:Pete Andreyev


亞太區副總裁


日立環球儲存技術公司





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