向120TB容量进军！
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来源：《微型计算机》2021年第07期
机械硬盘的基本结构被称作温彻斯特（Winchester）结构，本刊在之前有关机械硬盘的技术文章中曾经很深入地探讨过它。从1973年IBM发明这种结构到现在，已经过去了足足有48年，但是温彻斯特结构以其简单、易用和大容量、高速度、高稳定性、高耐久的特性，一直被人们用作数据存储的最主要设备。 温彻斯特结构硬盘的特点是，通过浮动在磁盘上方以固定轨迹移动的磁头和与之匹配的高速旋转的圆形磁片之间的电磁效应，来实现数据的存储和读取，当然也需要相关电路进行数据的转换和对磁头、盘片移动的控制。这种结构的特点在于，其数据读取的速度受制于机械结构运转的速度和磁盘存储数据的密度，其数据存储的密度又受制于盘片材料和处理方式。 在过去的数十年间，人们在机械硬盘上做出了很多改进。磁头方面从早期的普通磁头到磁阻磁头再到巨磁阻磁头，盘片从普通的横向磁记录到垂直记录、叠瓦式记录等等，在此期间，机械硬盘也在不断地改进材料，提升数据存储密度。最终机械硬盘的容量从1995年的大约1G b/平方英寸提升至2020年大约1000Gb/平方英寸，提升了大约1000倍。
在达到这样的水平之后，要继续提升硬盘的数据存储密度就非常困难了。这是因为硬
盘上用于存储数据的单位磁体也就是磁畴已经过于微小导致引发了超顺磁效应。所谓超顺磁效应，是指磁畴已经无法再继续缩小体积的情况下保持磁性，反而可能会由于微小的磁场扰动而改变磁场方向。为了避免超顺磁效应，人们开始尝试使用矫顽力更强的材料。所谓矫顽力，是指磁铁材料抗拒外界磁场干扰的能力。矫顽力越强的材料，抗拒外界磁场干扰的能力就越强。举例来说，传统硬盘的存储每一位数据的磁畴组大约由上百个磁畴共同组成才能保证较高的矫顽力和稳定性，但拥有较强矫顽力的新材料只需要包含数十个磁畴的磁畴组就能带来稳定的磁力表现，这就为提高数据密度带来了切实的基础。 基于上述理论与基础架构，希捷和西部数据在2021年公布了很多新的消息，探讨了磁性存储技术的未来，以及如何实现容量高达120TB的硬盘。其中希捷在2021年发布了全新的路线图，将硬盘的发展路线展望至2030年，并引入了BPM和MAT两种技术来加强硬盘的密度和性能。西部数据则带来了充氮技术、e PM R等技术，也同样希望在现有的技术架构下进一步拓展机械硬盘的存储能力。下面本文将分两个部分来为大家介绍这两个厂商的全新进展。
希捷：预计在2030年推出120TB硬盘
希捷在2021年的发布会上介绍了自己到2030年的路线图。其中值得关注的内容包括2026年之后开始推出50T B的硬盘，2030年后开始生产120T B的硬盘。此外，希捷还给出了有关机械硬盘进一步发展的技术路径。
HAMR：展望至2026年，推出等效50TB硬盘产品
希捷首先定义了面存储密度的概念。根据希捷的数据，单位面积也就是每平方英寸的数据存储密度从1995年的1Gb/平方英寸上升至2007年的大约120Gb/平方英寸后就陷入了停滞，原因是因为此时水平记录技术到达了自己的极限。在2007年之后，随着垂直记录技术的兴起，面存储密度数据进一步从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，这个上升速度也就是曲线的斜率就被大大放缓了，这显示垂直记录技术也抵达了自己的极限。
为了突破这个极限，希捷开始启用热辅助记录技术，也就是HAMR。正如前文介绍的那样，HAMR技术也对磁头和盘片材料进行了改进。在磁头方面，希捷为了降低全新盘片材料的矫顽力采用了热辅助技术，具体的热源采用的是激光。运转过程中，激光在磁头之前在盘片扫过，预先加热盘片表面，使得磁头可以紧随其后写入数据，然后磁头离开，盘
片被加热的部分在2纳秒内恢复至正常温度。值得注意的是“2纳秒”，这意味着希捷可以使用非常微小且集中度极高的激光对盘片目标区域进行加热，从而尽可能地降低额外热量的产生和逸出。
在盘片材料方面，希捷采用了一种新的、特殊的铁铂合金（I r o n-Platinum）和玻璃基板共同构建硬盘盘片。铁铂合金在2013年甚至更早的时候就被研究人员注意到了，其特点是晶体结构相当有规律，制造相对容易，可以采用原子级多层溅射的方法来生成。它的金属层极薄，并且可以通过快速热退火来转换其晶体结构，实现所需的有序排列。这种特殊的铁铂合金的磁性可以通过工艺手段进行调节，并且其在纳米尺度下也能保持极强的磁性，有一定的抗热效应的能力，矫顽性也更高。因此，采用这种新的铁铂合金制造的盘片材料可以进一步缩小磁畴组的体积，实现更高密度、更为稳固的磁存储。玻璃基板方面，希捷认为玻璃更为坚硬、稳固，机械性能出，并且温度耐受性极佳，所以是下一代硬盘盘片基底材料的首选。
在结合了全新的热辅助记录磁头和新的铁铂合金的玻璃盘片后，希捷给出的数据是，在2016年，凭借46nm宽、13nm长的单位数据磁记录区域，希捷实现了1Tb/平方英寸的数
据存储密度，这相当于大约18TB的等效硬盘容量。值得注意的是希捷给出了46n m和13n m这两个数据，这两个数据意味着希捷目前能够做到的最小数据存储单位。更进一步来看的话，每单位数据需要占用的磁盘面积应该不超过598平方纳米。
在基本的技术路线确定后，希捷就开始沿着这样的路线持续前进。希捷给出了一系列的技术展示信息，其中本页最下方的右图表示按季度计算的实验室内所得到的最大数据存储密度值坐标图，其横坐标是时间，纵坐标是数据密度。另外希捷还给出了一个实验室的单位数据存储所需面积的示意图，纵坐标是单位数据存储面积的纵向长度，横坐标是单位数据存储面积的横向长度，坐标系内部的一层层曲线的下方是指单位数据存储所需占用的面积，这个数据朝向越來越小的方向不断演进。
在2017年，希捷在HAMR技术上取得了非常显著的进展。本页下方右图内代表2017年的绿点相比代表2016年的紫点所展示的信息显示，采用HAMR技术的数据存储密度最高可提升至1500G b/平方英寸，同时单位数据占据的面积降低了一个等级。在2018年，希捷取得了突破性的技术进展，代表2018年的黄点的数据密度提升至2000G b/平方英寸，同时单位数据占据的面积相比2017年持续降低了2～3个等级。在2019年，希捷进一步提升
数据存储密度超过2000Gb/平方英寸，单位数据占据的面积又比2018年提升了一个等级。2020年，希捷进一步推高数据存储密度至2600G b/平方英寸，代表2020年的橙点所指向的单位数据存储面积已经来到了整个坐标轴的接近最右上角，这意味着其面积相比最初2016年的技术缩小了接近10个等级。
因为目前希捷的技术只持续到2020年（毕竟2021年才开始），因此随后的数据都是希捷通过归纳2016～2020年的数据趋势给出的展望数据。根据2016～2020年所有测试数据给出的拟合曲线的方向和斜率，希捷推测在2026年的时候，数据存储密度会远超3000G b/平方英寸，相对应的硬盘容量可达等效50T B。希捷还特别提示，目前自己的HAM R技术非常强劲，其C AG R也就是复合年增长率大于20%。
在这里需要提及的是，目前希捷推出的20TB HAM R硬盘产品的数据密度为1300G b/平方英寸，单盘的容量大约是2.22T B，希捷使用了9个2.22T B的硬盘实现了20T B的最终容量。因此，希捷在语言描述中针对不同的数据密度可以实现的硬盘容量以“等效硬盘容量”的方式进行描述。毕竟磁盘数据密度的提升并不意味着最终能够生产出类似数据密度的硬盘，因为希捷还要考虑如何开发更高灵敏度、能够读写更为微小的单位数据存储面积的磁头以及相关电路的改进，这往往需要数年时间才能完成。
迈向120TB？还有三道关卡需要面对
希捷进一步展望了未来的硬盘发展技术。希捷认为，在热辅助技术下，硬盘的等效容量达到大约40TB～50TB、数据存储密度来到2.6Tb/平方英寸的时候，热辅助记录技术就已经完成了自己的使命。接下来需要全新的技术才能实现更高的数据存储密度了。
在HAMR技术之后，希捷将叠加采用颗粒状介质（granular media）技术，这个技术的特点是将之前比较杂乱且相对自然排列的晶体在纳米层面进行控制，使其能够在更小的尺度下依旧拥有出的磁特性，从而将数据存储密度提升至4T b/平方英寸～6T b/平方英寸。这一整套技术的应用，有望将硬盘的等效容量提高至最高大约90TB。
在硬盘等效容量提高至90TB之后，希捷需要进一步有序化颗粒状介质，再对颗粒化介质进行一个维度的排列调整，这也就是初级的图案化介质处理方式。
所谓图案化介质（Bit PatternedM e di a，简称为B PM）的处理方式，还是和现在的磁畴组、超顺磁效应相关。正如前文描述，当前的磁盘材料使用的是一层很薄的磁性薄膜，这个薄膜由海量的、直径约8nm的、采用弱交换耦合的磁畴组成，多个磁畴单元（大
约数百个，随着技术发展，可能降低至几十个）以相同方向磁化的时候，就形成了一个可以记录单位的磁畴组。所谓弱交换耦合，是指当一个磁畴单元改变方向的时候，其他磁畴跟随改变方向的趋势非常弱。打比方来说，这个时候的磁畴组是由一“散兵游勇”所组成的，需要外界用磁性对其一致性操作，才能够改变整个磁畴组的磁场方向。在这种情况下，当前所有增加数据存储密度的方法都是在减少磁畴数量、磁畴组体积的同时尽可能多地保留其磁性和矫顽力（比如前文叙述的所有方法）。但是，因为磁畴之间采用的是弱交换耦合，因此减少到一定程度后，磁畴组拥有的磁畴单元数量过少，将难以维持整体的对外磁性。举例来说，此时可以看作“散兵游勇”数量过少，难以维持整体磁畴的稳定性了，这一点也和之前描述是相对应的。
图案化处理改变了这种状况。图案化处理先通过沉积磁性薄膜使得所有的磁畴之间拥有强交换耦合—这意味着某个磁畴改变方向，同组的其余磁畴改变方向的趋势变得很强。然后通过纳米级别光刻技术，将这些磁畴分离开来形成磁畴组，由于磁畴之间具有很强的交换耦合，意味着其能量势垒（也就是磁性、矫顽性等）不再和单个磁畴单元相关，而是和整个磁畴组的体积成正比。因此，人们还可以进一步缩小磁畴组的体积，通过不断地降低磁畴组体积、越来越逼近单个磁畴本身，数据密度还会不断地上升。
希捷提出的有序化颗粒状介质实际上就是一种初步的图案化处理方式，它可以在一个维度上实现磁畴的相对整齐排列，并且通过强交换耦合等效应以及进一步分离的磁畴来实现更高的数据密度。希捷估计这个技术可以实现数据存储密度至5Tb/平方英寸至7Tb/平方英寸，最终实现硬盘等效容量为105TB。在更远的2030年左右，希捷将步入全面采用光刻工艺，在两个维度上对磁畴进行排列的图案化盘片处理时代。这个时代的数据存储密度会上升至大于8Tb/平方英寸，从而带来超过120TB的硬盘等效容量。
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