淺談HAMR磁記錄技術

2021-02-15 梭魚侃存儲

近年來機械硬碟的容量的提升一直都艱難無比,從6TB開始一點點的往上加,截止目前16TB止步。據威騰電子透露今年年底或明年年初將推出採用HM SMR技術的20TB企業級硬碟。面對固態硬碟的強力衝擊,希捷信誓旦旦表示:「固態硬碟永遠都不可能完全替代機械硬碟」這究竟是虛張聲勢還是底氣十足?

切入正題前,我們簡單回顧下機械硬碟的歷程。從IBM公司發明第一款硬碟350RAMAC,到今天已經超過60年的歷史。這60年裡,機械硬碟經歷了二個裡程碑式的發展奠定了其存儲設備的霸主地位。

一,溫徹斯特技術的運用;

二,垂直記錄技術的應用。

全盤容量從5MB提升到今天的16TB,容量的優勢可謂是得天獨厚。雖然面臨固態硬碟的強力挑戰,但在市場之中仍然佔據一席之地。容量是機械硬碟的強項,市場對於容量的「貪得無厭」對機械硬碟製造商提出了如何繼續保持容量不斷增長的新課題。

在我個人看來要繼續保持容量增加無非3種方式:

一,增加碟片尺寸;

二,增加碟片數量;

三;增加單位存儲密度;

第一種方案已經被硬碟製造商徹底否決。因為貿然增加碟片尺寸,使得在高速旋轉當中,碟片邊緣振幅翻倍增加,極可能造成不可預測的事故,增加使用風險和故障率。

第二種方案具有較大可行性,但是會導致硬碟厚度增加,對設備小型化提出了嚴峻挑戰。近年出現的氦氣硬碟便是解決厚度的舉措。

第三種方案好處是顯而易見的,在不增加碟片面積和碟片數量的情況下,能迅速提升硬碟的有效存儲容量和實際性能。因此,我們有理由相信只有不斷提升單碟存儲密度,才是推動機械硬碟不斷向前發展的最佳技術手段。

很明顯,當前垂直記錄在達到單碟1.77TB容量之後已經遇到了嚴重瓶頸。在這樣的局面之下不少人跳出來唱衰機械硬碟已經是強弩之末,山窮水盡.,就在這一刻HAMR技術降臨。

當前磁記錄原理是通過磁顆粒的剩磁效應來記錄數據。磁性顆粒的大小直接影響單碟密度,當密度達到100Gb/平方英寸時,磁性顆粒的粒徑僅10nm。若磁顆粒進一步縮小,磁顆粒將越來越不穩定。究其原因硬碟運轉會發熱,熱量會使磁顆粒自動改變極性,存儲數據將自動丟失,這就是超順磁效應。為了避免這種情況出現,可以引入更高矯頑力介質,同時又帶來巨大副作用:一,當前磁頭體積,無法提供足夠功率克服矯頑力;二,磁頭無法提供精確磁場寫入目標扇區。

問題來了,一定要使用高矯頑力的介質?答案是必須的。要提升密度只能縮小磁顆粒體積,要克服超順磁效應的唯一辦法就是使用高矯頑力介質,別無他法。

上帝為我們關上一道門,同時會開啟另外一道門。在當前磁頭技術下,想要磁化高矯頑力介質必須倚仗的方式就是——加熱!磁介質在加熱之後矯頑力會迅速下降,僅需較弱磁場就能改寫介質狀態。

      磁性介質的加熱技術就是我們耳熟能詳的HAMR技術。HAMR技術並非一蹴而就,最難點在於如何製造產生超細雷射束的雷射頭。HGST在2010年研發出了支持HAMR的磁頭樣品,該產品使用尖端部分曲率半徑不足10nm的超微型近場雷射光源,照射範圍不超過20nm。光源磁頭一體成型,支持2.5TB/平方英寸存儲密度。

希捷則提出SOMA(SeIf-Ordered Magnetic (自排列磁性晶體柵格陣列),有望用直徑僅為3一4nm的FePt(鐵鉑合金)微粒記錄數據。SOMA FePt的磁晶各向異性是目前鈷鉑合金的10一20倍,在常溫下的矯頑力特別大,當前的磁頭無法提供足夠磁場對其磁化,甚至於自然界現已知的軟磁材料都不能提供這種強度的磁場,因此SOMA FePt與HAMR技術結合幾乎就是唯一的選擇。

此方案的理論極限記錄密度是 50TB/平方英寸,達到PMR密度的80多倍,可實現全盤300TB的驚人存儲容量。但該技術目前只能生成矩陣結構的磁顆粒分布,無法形成環形磁軌,因此有待進一步對介質特性進行研究。

遠在2004希捷就表示2008年HAMR會形成最終方案並普及商用,2010年表示HAMR技術突破1TB/平方英寸。相對PMR技術是難以企及的容量,但對HAMR一切僅是剛剛開始。

當年希捷曾今表示:未來10年將是機械硬碟發展緩慢的10年。時間不知不覺已經跨入了2019年,然而HAMR商用之路仍然杳無音信。作為局外人的我們無法確切知道HAMR還遇到了什麼難以攻克的技術困難。面對固態硬碟的節節緊逼硬碟製造商們該如何面對挑戰?他們賴以生存的殺手鐧HAMR到底何時才能擺上貨架?

讓我們一起拭目以待!(完)

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