迈向TB级存储之路

闪存被誉为是存储领域的未来明星，闪存厂商认为它能够在适当的时候取代硬盘、成为计算机存储技术的主流。不过，这大概很难成为现实，因为在闪存密度不断提升、价格持续跌落的同时，硬盘技术也在飞速发展，无论是绝对容量还是单位存储成本，硬盘都拥有不可比拟的优势。现在，桌面硬盘已经达到TB级的高峰，这意味着只要45个这样的硬盘，就能够容纳下YouTube网站的所有视频资料。硬盘制造企业并不满足于此，他们从未间断对新技术的研究，继垂直存储技术导人之后，HAMR热辅助磁记录技术、晶格介质技术还将成为提升存储密度的新手段，这些技术的出现将让硬盘的存储容量最终达到100TB的高峰。而在此之外，围绕提升硬盘性能和可靠性的增强技术也从未间断，富士通、东芝、日立都带来了富有新意的研究成果。

从2Kbit到1Tbit――回忆历史的足迹

1956年9月，IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM 350 RAMAC(Random Access Method of Accountingand Control)，这就是现代硬盘的雏形。它具有了50块直径24英寸(约61cm)的大尺寸铝合金盘片，但存储密度只有2Kbit，因此总容量也只有约4.4MB。

在硬盘发展的早期，提升存储密度都是通过改良磁头进行的。在上个世纪九十年代初之前，硬盘先后使用MIG(Metal In Gap，金属夹层)磁头和薄膜磁头(Thin Flim Head)，硬盘存储密度的提升幅度都保持在年增长30％左右。九十年代初，IBM带来了MR(Magnetoresistive，磁阻)磁头技术和PRML(Partial Resoonse MaximumLikelihood，局部响应最大相似)信号读写技术，将硬盘的面存储密度提升到年增长60％――到了1996年，硬盘存储密度终于达到了1Gbit／平方英寸，这被认为是里程碑式的胜利。大约在1998年，IBM公司发明GMR(Giant Magnetoresisive，巨磁阻)磁头技术，它具有更高的灵敏度，可读出的信号功率比MR磁头高出2～5倍，这样进一步缩小磁颗粒体积、提高硬盘存储密度在技术上就成为可能。GMR技术最终让存储密度达到了年增长100％的惊人速率，为九十年代末硬盘容量的猛增奠定了基础。

GMR并没有活跃太长时间，因为存储工业遇到了瓶颈，传统硬盘技术最多只能达到达到40Gbit每平方英寸的存储密度，无法进一步突破的原因在于超磁极限的瓶颈，距离过近的磁性微粒会产生严重的互干扰现象，造成磁性的不稳定。非常不幸的是，超磁极限很难通过技术改良等手段加以克服，如果存储工业要想维持惯有的高速增长，就必须对硬盘技术作出根本性的变革。不过，IBM公司很快(2001年)便拿出过渡性方案，它便是大名鼎鼎的AFCMedia(全称为AntiFerromagnetically Coupled Media，反铁磁耦合介质)技术。AFC的原理很简单：它在磁盘表面做上两个磁记录层，两个磁层之间以仅有几个原子厚的金属钌元素薄层作为间隔；金属钌层既可以保证磁场顺利通过，又不会让两个磁层产生相互干扰，这样就可在不缩小磁颗粒尺寸的前提下，将硬盘的存储密度推向100Gbit每平方英寸的新高!IBM提出该技术之后，希捷、迈拓、西部数据等硬盘厂商先后都将它应用于实践中，但AFC只是一项过渡性的方案，没过多长时间，AFC技术也达到了自身极限，硬盘工业再度遭遇超磁极限的困扰。

在这种背景之下，垂直记录技术登上舞台。垂直记录技术通过改良硬盘的存储结构达到提升密度的效果，即将磁盘表面的磁颗粒由平面排列改为垂直排列，相应的磁头机构也作适应性的变更。由于磁颗粒为长方体结构、侧面占据的面积远小于正面，伴随着排列方式的改变，盘片表面就可以容纳数量多得多的磁颗粒，实现大幅提升存储密度的目的。普遍认为，垂直记录技术可以实现1Tbit每平方英寸的密度指标，可以满足未来三年的应用需求。不过，垂直记录技术同样没有克服超磁极限难题，它只是延缓了超磁极限发生的时间，最多到2010年，垂直记录技术也将丧失进一步发展的空间。不过，硬盘工业已经积极准备这一天的到来，HAMR热辅助磁记录技术和晶格介质技术都能彻底克服超磁极限的困扰，让硬盘工业站在全新的起点上。

突破物理极限――HAMR热辅助磁记录技术

在过去的十余年间，硬盘技术的提升始终以提升容量和速度为目标。在速度方面，硬盘厂商主要依赖提高转速、改良接口和提高存储密度加以实现。但受限于硬盘的机械式结构，硬盘的速度很难有跨越式的增长，因此硬盘厂商不得不把重点放在提升硬盘的存储密度上。在许多顶尖存储科学家的努力下，硬盘的存储密度逐年递增，不过我们所见到的始终都是渐进式的发展而未有飞跃性的前进，原因就在于磁存储的先天瓶颈制约一直都未被克服。

众所周知，硬盘是按照数据位来记录二进制信号，数据位的具体数值(即是“1”还是“0”)是由它的磁性来决定的。而在物理上，每个数据位都对应50～100个由随机钴，铂微粒构成的小区域，当这些钴-铂微粒以一定方向被磁化时，数据位就表示“1”或“0”。由于稳定性的需要，钴-铂微粒的数量必须在50～100个之间，如果小于这个数量，就很难保证磁极的稳定性，进而影响到信号的表达。为了让盘片能够容纳更多的数据，数据位所占据的尺寸必须尽可能地缩小，这样一来，不断减小钴-铂微粒的直径就成为提升硬盘存储密度的有效途径。然而，磁颗粒的微缩化并不能一直持续进行，钴-铂微粒的直径极限为8nm，若结合垂直存储技术，硬盘的存储密度可以达到500Gbit每平方英寸。但如果磁颗粒尺寸小于8nm，将难以保证数据存储的稳定性，其中的关键制约因素就是“超磁极限(SuperparaMagnetic limit)”。

超磁极限是一个普遍适用的物理学现象。我们知道，任何磁性物体的磁性强弱都对温度敏感，随着温度的提升，磁体磁性将随之减弱，如果磁体的温度达到临界值、那么磁体的磁性将完全丧失。硬盘的钴-铂微粒对此尤为敏感，如果尺寸进一步减小，受热升温的速度就更快，很容易造成超磁极限而出现磁性丧失的情况。对于硬盘而言，这种结果是灾难性的，此时硬盘的数据读写操作根本无法进行。由于超磁极限的制约，硬盘钴-铂微粒的尺寸停留在8nm，如果厂商要进一步提升硬盘的存储密度，就必须另寻它途。 希捷公司选择了“铁-铂(Fe-Pt)”磁介质技术与“HAMR(Heat Assisted MagneticRecording)”热辅助磁记录技术来正面应对超磁极限。与现有的钴-铂介质不同，铁-铂材料具有很高的热稳定性，即在高温条件下仍然能够保持磁性的稳定，以铁-铂材料来作为硬盘盘片的磁层，就能够解决超磁极限 的困扰，硬盘厂商可以通过进一步缩小铁-铂微粒的尺寸来实现更高的存储密度。但从钴-铂材料到铁-铂材料的迁移并非易事，铁-铂材料在具有高热稳定性的同时，也具有很强的矫顽力――它在常温环境下磁性极其稳固，硬盘磁头根本无力改变它的磁化方向，也就是说是无法写入数据，此时HAMR热辅助磁记录技术就是解决这个问题的方法一。所谓热辅助磁记录，即在写入数据前预先对该区域加热，使其温度升高到一个特定值，由于在高温下铁-铂微粒的矫顽力有效降低，可以通过磁头来改变其磁化方向，实现数据的写入。

热辅助磁记录技术被硬盘工业所广泛认可，富士通也积极从事相关的研发。尽管原理简单，但要将HAMR技术投入商用化仍需要数年时间，存储科学家必须首先设计出可满足商业应用要求的热辅助磁头――与现有的磁头不同，热辅助磁头还还包含一个加热作用的激光头，在写入数据前，激光头先发射激光束，将待写人数据位的记录区域加热，之后再利用磁头来写入数据。但如何实现激光束的准确定位是一大难题，例如如果要实现1Tbit每平方英寸的记录密度，每个bit实际占据的面积只有25平方纳米，要对如此之小的区域进行精确加热，就要求有同样小的加热激光束，普通激光显然很难做到这一点。在2006年12月初，富士通宣布其热辅助磁记录的研究获得突破性进展，开发出一款能够定位到100nm以下写入点的激光器产品。这种新型激光器可以在88nm×60nm的面积上聚焦，并且保持17％的光学效率。这是业界第一款可以做到100nm以下定位的多层光学组件，也是迄今为止热辅助磁记录技术的最高成就。当然，这一目标距离1Tbit每平方英寸的密度尚有不小的差距，硬盘工业在未来数年仍然要面对类似的技术挑战。

热辅助磁记录技术彻底解决了超磁极限的瓶颈，大幅度提升硬盘存储密度由此成为可能。即便仍采用8nm尺寸的磁微粒，借助该技术硬盘的最高记录密度也能达到每平方英寸5Tbit，也就是现行垂直存储技术的10倍!这一点并不难理解，虽然尺寸没有变化，但铁一铂颗粒可以排列得更加紧密，磁道的间距也可以更小，因此单位面积内可容纳的数据位大大增加。按照计划，热辅助磁记录技术将在2008～2010年间进入实用阶段，若要达到1Tbit每平方英寸以上的高密度，则需要更多的时问。

挑战50Tbit每平方英寸极限――HAMR与SOMA技术的结合

热辅助磁记录技术的存储密度极限可以达到5Tbit每平方英寸，如果要在此基础上进一步提升，那么硬盘厂商就必须缩小铁一铂微粒的尺寸。如果将微粒直径从现在的8nm缩小到6nm，那么硬盘厂商就能够将存储密度提升到20Tbit每平方英寸的新纪录；倘若将铁-铂微粒的尺寸进一步缩微到3nm尺度，那么热辅助技术则可以达到50Tbit每平方英寸的惊人纪录!在这一领域，如何制造出如此微细的铁-铂微粒以及有序排列是最大的难题。

其主要的限制来自于现行的磁层制造工艺。我们知道，现有硬盘的磁层制造都采用溅镀或蒸镀工艺，在光滑的盘片表面直接生成平面结构的磁层，然后再由硬盘厂商进行初始化设定。但这―工艺无法提供足够高的精度，如果采用3～4nm直径的铁-铂微粒，那么要求微粒排列偏差不能超过5％，现行工艺难以满足这个要求，希捷针对性地研发了SOMA技术。SOMA的全称为“self-organizedmagnetic array”，意为“自组织磁性颗粒阵列”，这项技术有望让3～4纳米尺寸的铁-铂合金颗粒在磁记录介质表面形成规则的密排分布。SOMA技术其实是利用了铁-铂材料的自组织原理，这种材料具有化学有序结构，在特定的环境下，铁-铂微粒可以自动组织为高度规则的有序结构，并可满足位置偏差小于5％的要求。但SOMA只能让铁-钴微粒排成矩阵结构的阵列、而无法直接实现硬盘所需的环状排列，这也是SOMA技术未来需要克服的难点所在。

通过热辅助磁记录技术与SOMA技术的结合，硬盘的存储密度将能攀上50Tbit每平方英寸的巅峰，这意味着硬盘厂商可以在一枚硬币大小的盘片上实现2TB的容量，一块3.5英寸硬盘则能够拥有500TB容量，是现有最大容量硬盘(1TB)的500倍!这一目标有望在下一个十年实现，一旦这两项技术进入实用阶段，计算机的存储能力将因此获得飞跃式的提升。

另一套高密存储方案――晶格介质技术

热辅助磁记录与SOMA技术并非是实现高密度的唯一解决方案，至少日立就拿出了中一套方案。他们认为，热辅助磁记录技术固然能够彻底解决超磁极限的难题，但主要问题在于需要找到精确定位激光的完美方式，将材料转到铁-铂也绝非易事(过去半导体工艺从铝转向铜时就吃尽了苦头)，其转换难度和成本都是巨大的障碍。日立最终放弃了热辅助磁记录技术，转向“晶格介质”技术，这项技术同样能够将存储密度在现有基础上提升50～100倍，但它的实现手段截然不同。

相比热辅助磁记录技术，晶格介质技术更强调低成本实现，它仍然采用传统的钴-铂材料作为磁层微粒的构成，当然这意味着它无法正面迎击超磁极限的挑战。事实上，晶格介质技术能通过一种巧妙的手段完全绕过超磁极限，让它不再成为提升存储密度的障碍。前面我们介绍过，无论是现在的硬盘还是未来的热辅助磁记录硬盘，数据位都由50～100个钴-铂／铁-铂微粒构成，而晶格介质技术则与此不同――晶格介质技术将每个数据位的微粒数量由50～100个减少到1个(此时1个微粒就代表1个数据位)，然后使这些数据位彼此隔离，减少相互间的干扰和降低数据损坏的危险。换句话说，现行硬盘存储lbit的区域，改用晶格介质技术后就可以最多存储100bit的数据，存储密度提升了整整100倍!这也是晶格介质技术采用现行钴-铂材料也能实现高密度的原因。

晶格介质技术的关键在于如何保证磁极的稳定性。传统硬盘必须采用50～100个微粒，这是因为这些微粒在盘片表面都是随机排列，只有当一定数量的微粒组织在一起才能够构成规则的环状磁道。晶格介质技术则要求这些微粒能被有序排列，每个微粒相当于一个“单畴磁岛”，既可独立承担数据的写入职能，又能有序排列又让磁头的精确寻址定位。这样从理论上说，只要一个钴-铂微粒、就能够记录1bit的数据。

尽管技术理论并不复杂，但要将晶格介质技术推向商用化同样也非易事，必须解决“单畴磁岛”的制造问题以及磁头的设计。前一个问题就是要让每一个8nm尺寸的钴-铂微粒都有效地排列，不允许有丝毫的误差，打个形象的比喻就是，制造“单畴磁岛”的技术难度不亚于在针尖上跳舞。幸运的是，半导体芯片的制造工艺给予硬盘工业足够的“灵感”――若借用光刻技术，制造出“单畴磁岛”完全可以实现。具体―点说就是利用了电子束刻蚀技术和纳米刻印复制技术，前者用 于制造后者的模板，后者则将图样翻版到硬盘盘片的基板之上，形成直径极小的环状沟槽，然后再在基板表面制作钴-铂微粒磁层，而电子束刻蚀所造成的环状沟槽就可以让钴-铂微粒形成规则的排列。只要电子束的直径足够小(8nm尺度)，那么完全可以让每个钴铂微粒都形成独立的“单畴磁岛”，这样硬盘工业无需解决超磁极限的问题就能够成百倍地提升存储密度。晶格介质技术第二个要面对的问题就是磁头的改良。由于数据位占据的面积大幅度缩小，磁头定位必须更为精确，硬盘的整套组件都必须进行相应的改良，这当然还需要不短的时间才能够完成。

在晶格介质技术领域，尽管日立首先展开研究，但当前进展最快的仍是富士通公司。富士通近期在美国巴尔的摩举行的磁技术国际会议上公开发表了最新的研究成果：通过电子束刻蚀技术成功地制造出25nm直径的单面阵列纳米孔。这一成果将让硬盘的存储密度提升到1Tbit每平方英寸，比现行垂直存储硬盘的密度高出5倍(指实用成果，实验室中已可实现421Gbit每平方英寸的密度)。按照这个密度数值计算，一个3.5英寸桌面硬盘可以达到5TB的容量，2.5英寸笔记，本硬盘则可以达到1.5TB，即便是1.8英寸的小型笔记本硬盘也能获得500GB的高容量。也是在这个会议上，富士通同时透露了它们正在进行的“晶格介质+垂直存储技术”的研发，晶格介质技术致力于缩小数据位所占面积，垂直存储技术则优化了磁头与磁颗粒的构造，这两项技术的结合非常自然，预计也是未来应用的主要形态。

从整体的高度上看，晶格介质技术要比热辅助技术容易实现，过渡成本也要低得多，除了日立外，富士通、东芝和西部数据都看好这一领域，希捷事实上也参与了这一研究项目，但它最后选择了热辅助磁记录技术。

改进垂直存储技术――“特氟龙”涂层技术

热辅助磁记录与晶格介质技术在短时间内都不可能进入实用阶段，在三到五年时间内硬盘工业仍将围绕着垂直存储技术来推出产品，因此富士通尝试对垂直存储技术进行改良，利用一种类似“特氟龙”涂层的技术来提升硬盘的存储密度和稳定性，它的关键点就是减小硬盘盘片层的厚度。

我们知道，硬盘盘片由四层结构组成，它们分别是作为基础的基底层(铝制的盘片)、记录数据的磁性层、构成成分为前面所介绍的钴-铂／铁-铂微粒，再往外就是保护磁性层作用的保护层，以及减小磁头与保护层间空气摩擦力的层。盘片的存储密度越高，磁性层内钴-铂微粒的排列就越致密，与之对应保护层就必须尽可能薄、这样磁头与磁性层的距离才能够合乎要求。但是随着保护层不断变薄，对磁性层的保护作用也越来越小，最明显的体现就是磁性层很容易在读写过程中快速升温，无法稳定保持较低的温度，这对于当前的硬盘而言是非常危险的。因此层的作用就变得非常重要，一旦失去层，保护层会变得非常脆弱，磁性层也容易遭受侵蚀而损坏。

现有硬盘一般采用2nm厚的层，保护层厚度则为5nm，如果保护层厚度进一步降低将无法保证硬盘的稳定性，因此这些数值基本上达到了当前技术的极限。改良方案的做法是将分子“粘”在一起并减小其分子体积，从而将层的厚度减小70％，并使之与保护层牢牢粘合，这样层与保护层就合二为一，而硬盘结构也从四层变为三层，读写磁头与磁性层的距离也相应缩小。除此之外，改良方案还采用波长不到200nm的紫外线对层进行辐射处理，使得层可以像特氟龙一样有效吸收污染物和水份，这在很大程度上对硬盘的磁性层也起到了保护作用。这一技术能够满足1Tbit每平方英寸存储密度对于磁头距离的要求，用于现行垂直存储硬盘中也能够收到良好的效益。

写在最后

热辅助磁记录技术与晶格介质技术为硬盘工业的未来发展指明了方向，两大阵营都发表了技术论文和实验室成果，但距离商用化还有漫长的路要走。除了希捷坚定走HAMR热辅助磁记录之路外，其他硬盘厂商更多选择技术难度较小的晶格介质技术，但两大阵营谁能够取得最终领先还难下定论。

在硬盘工业朝向TB存储发起冲击的同时，闪存企业也积极开拓闪存式硬盘(固态硬盘)市场。闪存式硬盘的优点在于速度快、传输稳定、可靠性高以及超低功耗，但它的致命弱点在于单位存储成本过高。伴随着半导体技术的进步，闪存式硬盘的成本有望快速降低，并最终在UMPC、超轻薄笔记本中占据一席之地。但容量的限制让它无法承担存储中枢的角色，硬盘的主导地位在未来并不会因此削弱，相反伴随着高清数字时代的到来，TB级的海量硬盘将变得更加重要，不仅在计算机中，在家庭视听设备、游戏机、车载电子等所有涉及数字媒体存储的场合，硬盘都将承担最关键的存储任务。