《財經》:巨磁電阻效應GMR引發的「硬碟革命」

 
2007年9月，IBM工程師斯圖爾特帕金（Stuart Parkin）在IBM Almaden研究中心Racetrack實驗室。Jim Wilson/NYT

巨磁電阻效應帶來的硬碟革命還未終結，而新的技術革命已經迫近，未來我們的"存儲生活"將會迎來怎樣的改變？

【財經網絡版專稿】對於那些MP3、IPOD音樂播放器，或者筆記本電腦、移動硬碟不離身邊的年輕人而言，可能很少會意識到硬碟中到底蘊藏著什麼樣的奇蹟。

直到今年北京時間10月9日，2007年諾貝爾物理學獎正式授予了兩位"硬碟技術之父"–69歲的法國巴黎大學阿爾伯特費爾特（Albert Fert）和68歲的德國尤利希研究中心的彼得格倫博格(Peter Grünberg)。正是由於這兩人幾乎同時獨立發現的巨磁電阻效應（GMR：Giant Magnetoresistance），此前發展幾乎陷於停滯的硬碟，其容量才得以幾十倍甚至上百倍的提升。

我們或許這才明白，在習以為常的消費產品中間，都在閃爍著科技的光芒。諾貝爾獎並不總是代表著深奧的理論和艱澀的知識，它往往就在我們身邊。

磁場裡的舞蹈

如果追溯歷史的話，世界上第一個計算機磁碟存儲系統，應該是在1956年，由IBM的科學家雷諾德詹森（Reynold Johnson）發明的。此人後來，也被公認為硬碟的"親生父親"。

但以今天的眼光看來，這第一個硬碟系統，可能外型上有些奇怪，因為它是由50片直徑24英寸、塗著磁粉的圓盤，加上馬達、磁頭和控制系統組成的。通過利用磁頭改變或判斷圓盤上每個扇區中磁場的方向（相反的方向即為0或1），就可以在圓盤上寫入和讀取數據。磁碟上由一圈圈的磁軌組成，而每條磁軌有被分成若干個扇區，磁頭可以從每個扇區中讀寫512kb的數據。

也就是說，這個體積龐大的系統，當時只能存儲5兆的數據。

微觀地看，碟片上的磁塗層是由數量眾多的、體積極為細小的磁顆粒組成，若干個磁顆粒組成一個記錄單元來記錄1比特（bit）信息，即0或1。這些微小的磁顆粒極性可以被磁頭快速改變，且一旦改變之後可以較為穩定地保持，磁記錄單元間的磁通量或者磁阻變化分別代表二進位中的0或者1。

最早的磁頭，是採用錳鐵磁體製成，它通過電磁感應讀寫數據。但是，由於使用這種磁頭讀取數據要求磁場達到一定的強度，磁軌密度不能太大，因此使用傳統磁頭的硬碟最大容量只能達到每平方英寸20兆。

直到1980年代末期，IBM研發成功了MR（Magneto－Resistive）磁阻磁頭技術，才實現了第一次飛躍：磁阻磁頭核心是一片金屬材料，其電阻隨磁場的變化而變化。這種磁頭採用分離式設計，由感應磁頭寫、磁阻磁頭讀，此舉令硬碟的磁軌密度得以大幅度提高，達到每平方英寸3G到5G。

然而，隨著信息技術發展對存儲容量的要求不斷提高，即使這樣的存儲密度，也很快難以滿足實際需求。因為採用這一技術，磁致電阻的變化也僅在1％到2％之間，磁場還不能太弱，所以磁軌也沒法做得太密。

到了1988年，新的"硬碟革命"的曙光終於開始顯露。在這一年中，法國巴黎大學的費爾特教授和德國尤利希研究中心的皮特格倫博格各自發現，在鐵、鉻相間的多層膜電阻中，微弱的磁場變化可以導致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍。

其中，費爾特觀察到50％的變化，並把這種效應命名為"巨磁阻效應"。由於膜厚度不同，格倫博格所觀察到的變化較小，達到10％。

現代材料科學等相關領域的發展，已經極大地壓縮了從物理原理發現到技術產業化的距離。僅僅六年之後，1994年，IBM即把這種技術應用到了硬碟上：IBM的工程師斯圖爾特帕金（Stuart Parkin）根據這一物理原理，研製出信號變化靈敏度更高的讀出磁頭，將磁碟記錄密度一下子提高了17倍。

美國喬治亞理工大學教授王中林對《財經》表示，費爾特和格倫博格的發現得益於上世紀80年代中期開始的納米技術的進步。這使得他們可以在真空環境中製造只有幾個原子厚的金屬薄膜，而這在以前是無法想像的。

也是因為如此，如今隨著納米技術的突飛猛進，只要在"巨磁電阻"效應依然起作用的尺度範圍內，未來硬碟體積還能夠進一步縮小，硬碟容量還可以提得更高。

2007年9月13日，全球最大的硬碟廠商希捷科技（Seagate Technology）在北京宣布，其旗下被全球最多數字視頻錄像機（DVR）及家庭媒體中心採用的第四代DB35系列硬碟，現已達到1TB（1000G）容量，足以收錄多達200小時的高畫質電視內容。

不過，由於傳統硬碟存在碟片、電機和磁頭等組件，這種被稱為"Winchester"結構的設備免不了大量機械部分，無論是耗電量還是穩定性都難以令人完全滿意，它的正常工作會受到震動、高溫的影響。

因此，儘管目前"Winchester"結構硬碟還佔據硬碟的主流，高端MP3和MP4也多採用硬碟來實現大容量的存儲。但隨著採用電子式的存儲、不存在機械運動的快閃記憶體的逐漸成熟，快閃記憶體又繼光碟之後開始向傳統硬碟發起衝擊。

動靜之間的抉擇

與傳統硬碟相比，快閃記憶體（flash memory）是一種長壽命的非易失性的存儲器，採用電晶體存儲結構。由於其斷電時仍能保存數據，快閃記憶體通常被用來保存設置信息，如在電腦的BIOS、PDA、數位相機中保存資料等。目前，快閃記憶體分為NOR和NAND兩個方向。

NOR技術雖然容量不大，但穩定性出色，適於頻繁讀寫少量數據，被廣泛應用於智慧型手機與PDA中；NAND技術則主要應用在各種數碼存儲卡與U盤中，由於其並不直接對單電晶體操作，而是操作區塊，因此更適於讀寫大量數據，從而實現大容量。

那麼，有沒有可能把快閃記憶體和傳統硬碟的優勢，完美在結合起來？近年開始出現的固態硬碟（solid-state disk，SSD），就是採用了NAND型快閃記憶體技術開發硬碟的一種嘗試。

根據三星公布的技術資料，與現行硬碟相比，SSD產品功耗減少5%，延長電池壽命逾10%，而重量僅有目前硬碟產品的一半。在三星看來，SSD固態硬碟是相當可靠性的儲存裝置，可以適應極端溫度或溼度下，適合工業用或軍事用途。

除了三星之外，希捷、威騰電子、日立、東芝、富士通等其它幾大硬碟巨頭，也都在研製自己的SSD產品。但是，由於其成本過高，或許首先會被軍事和工業部門採用。要真正普及到一般消費者，還需要假以時日。

而一種折中的方案，是採用快閃記憶體和傳統硬碟的混合式結構。混合式硬碟能讓傳統機械式硬碟在使用時進入睡眠狀態，數據讀寫和存取在快閃記憶體中進行。

微軟在推出Windows vista作業系統的時候，就特地強調了對混合式硬碟的支持。據微軟預計，使用混合式硬碟最高可節省80%的耗電。實際上，2006年以後，結合了快閃記憶體和傳統硬碟優勢的混合硬碟開始陸續上市。

但是NAND技術也並不是無懈可擊，其在可擦寫壽命以及保存時間方面有著先天性缺陷，而且其寫入速度展示也難以令人滿意。NAND會隨著使用次數的增加而產生壞塊，而且數據可以保存10年以內，甚至可擦寫次數也僅僅是十萬次左右；NAND的SDD固態硬碟讀取速度不錯，但是寫入速度以及隨機讀取速度還很不理想。

目前，斯圖爾特帕金正在IBM研製的MRAM（Magnetic Random Access Memory，磁性隨機存儲），或許將成為下一個突破口。

MRAM的結構與硬碟類似，但靠電子自旋表示數據，靠TMR（隧道效應磁阻）磁頭讀寫，速度和DRAM一樣快，卻不會像DRAM一樣雖斷電而丟失數據。

斯圖爾特帕金的助手、史丹福大學電子工程系的蔣信博士對《財經》表示，現在MRAM產品很快就可以推出。

而實際上，據《財經》了解，除了MRAM之外，帕金的小組還正在研究或許更具革命性的產品。

這種最新技術，被帕金稱為"RACETRACK"（賽道）。其原理是，在矽片上設置上百億個超細線圈，並用電流操作微小的磁粒子在線圈上下移動，以代表0或者1。

帕金曾經表示，如果這種技術取得成功，這就意味著計算機的存儲將從目前的兩維存儲過度到三維存儲時代。隨著維度的增加，摩爾定律也將被打破；摩爾曾經預測，矽片上電晶體的數量，將每18個月翻倍；而一旦過渡到三維存儲的話，或許根本用不到18個月，電晶體的數量就可以翻番了。

IBM研發部門副總監馬克迪恩（Mark Dean）則強調，這種技術一旦成功的話，不僅將顛覆我們存儲數據的方式，也將顛覆我們處理數據的方式。

蔣信指出，新技術帶來的硬碟讀寫技術的提高，將是驚人的：目前硬碟的讀寫速度是微秒和毫秒量級，由於通過電流操作而沒有機械運動，RACETRACK的速度可以提高上萬倍，達到納秒量級。

不過，他也承認，由於目前還在尋找最合適的磁介質、製造工藝，以及探索電流如何更有效地移動磁結構，估計拿出產品，"還要十年的時間。"