李實

機械硬盤的基本結構被稱作溫徹斯特（Winchester）結構，本刊在之前有關機械硬盤的技術文章中曾經(jīng)很深入地探討過它。從1973年IBM發(fā)明這種結構到現(xiàn)在，已經(jīng)過去了足足有48年，但是溫徹斯特結構以其簡單、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)存儲的最主要設備。

溫徹斯特結構硬盤的特點是，通過浮動在磁盤上方以固定軌跡移動的磁頭和與之匹配的高速旋轉的圓形磁片之間的電磁效應，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和讀取，當然也需要相關電路進行數(shù)據(jù)的轉換和對磁頭、盤片移動的控制。這種結構的特點在于，其數(shù)據(jù)讀取的速度受制于機械結構運轉的速度和磁盤存儲數(shù)據(jù)的密度，其數(shù)據(jù)存儲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，人們在機械硬盤上做出了很多改進。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，機械硬盤也在不斷地改進材料，提升數(shù)據(jù)存儲密度。最終機械硬盤的容量從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。

在達到這樣的水平之后，要繼續(xù)提升硬盤的數(shù)據(jù)存儲密度就非常困難了。這是因為硬盤上用于存儲數(shù)據(jù)的單位磁體也就是磁疇已經(jīng)過于微小導致引發(fā)了超順磁效應。所謂超順磁效應，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，反而可能會由于微小的磁場擾動而改變磁場方向。為了避免超順磁效應，人們開始嘗試使用矯頑力更強的材料。所謂矯頑力，是指磁鐵材料抗拒外界磁場干擾的能力。矯頑力越強的材料，抗拒外界磁場干擾的能力就越強。舉例來說，傳統(tǒng)硬盤的存儲每一位數(shù)據(jù)的磁疇組大約由上百個磁疇共同組成才能保證較高的矯頑力和穩(wěn)定性，但擁有較強矯頑力的新材料只需要包含數(shù)十個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)密度帶來了切實的基礎。

基于上述理論與基礎架構，希捷和西部數(shù)據(jù)在2021年公布了很多新的消息，探討了磁性存儲技術的未來，以及如何實現(xiàn)容量高達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兩種技術來加強硬盤的密度和性能。西部數(shù)據(jù)則帶來了充氮技術、e PM R等技術，也同樣希望在現(xiàn)有的技術架構下進一步拓展機械硬盤的存儲能力。下面本文將分兩個部分來為大家介紹這兩個廠商的全新進展。

希捷：預計在2030年推出120TB硬盤

希捷在2021年的發(fā)布會上介紹了自己到2030年的路線圖。其中值得關注的內容包括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，希捷還給出了有關機械硬盤進一步發(fā)展的技術路徑。

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，原因是因為此時水平記錄技術到達了自己的極限。在2007年之后，隨著垂直記錄技術的興起，面存儲密度數(shù)據(jù)進一步從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也抵達了自己的極限。

為了突破這個極限，希捷開始啟用熱輔助記錄技術，也就是HAMR。正如前文介紹的那樣，HAMR技術也對磁頭和盤片材料進行了改進。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，具體的熱源采用的是激光。運轉過程中，激光在磁頭之前在盤片掃過，預先加熱盤片表面，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納秒內恢復至正常溫度。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盤片目標區(qū)域進行加熱，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）和玻璃基板共同構建硬盤盤片。鐵鉑合金在2013年甚至更早的時候就被研究人員注意到了，其特點是晶體結構相當有規(guī)律，制造相對容易，可以采用原子級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換其晶體結構，實現(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行調節(jié)，并且其在納米尺度下也能保持極強的磁性，有一定的抗熱效應的能力，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一步縮小磁疇組的體積，實現(xiàn)更高密度、更為穩(wěn)固的磁存儲。玻璃基板方面，希捷認為玻璃更為堅硬、穩(wěn)固，機械性能出色，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，希捷實現(xiàn)了1Tb/平方英寸的數(shù)據(jù)存儲密度，這相當于大約18TB的等效硬盤容量。值得注意的是希捷給出了46n m和13n m這兩個數(shù)據(jù)，這兩個數(shù)據(jù)意味著希捷目前能夠做到的最小數(shù)據(jù)存儲單位。更進一步來看的話，每單位數(shù)據(jù)需要占用的磁盤面積應該不超過598平方納米。

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

在2017年，希捷在HAMR技術上取得了非常顯著的進展。本頁下方右圖內代表2017年的綠點相比代表2016年的紫色點所展示的信息顯示，采用HAMR技術的數(shù)據(jù)存儲密度最高可提升至1500G b/平方英寸，同時單位數(shù)據(jù)占據(jù)的面積降低了一個等級。在2018年，希捷取得了突破性的技術進展，代表2018年的黃色點的數(shù)據(jù)密度提升至2000G b/平方英寸，同時單位數(shù)據(jù)占據(jù)的面積相比2017年持續(xù)降低了2～3個等級。在2019年，希捷進一步提升數(shù)據(jù)存儲密度超過2000Gb/平方英寸，單位數(shù)據(jù)占據(jù)的面積又比2018年提升了一個等級。2020年，希捷進一步推高數(shù)據(jù)存儲密度至2600G b/平方英寸，代表2020年的橙色點所指向的單位數(shù)據(jù)存儲面積已經(jīng)來到了整個坐標軸的接近最右上角，這意味著其面積相比最初2016年的技術縮小了接近10個等級。