磁記錄是利用磁的性質(zhì)進(jìn)行信息的記錄的方式。在存儲(chǔ)和使用的時(shí)候通過特殊的方法進(jìn)行信息的輸入和讀出，從而達(dá)到存儲(chǔ)信息和讀出信息的目的。

當(dāng)今世界正處于數(shù)據(jù)大爆炸的時(shí)期。據(jù)IDC預(yù)測(cè)，截至2025年，全球數(shù)據(jù)增量將從2020年的64ZB增加到近180ZB（1ZB等于1萬億GB）。越來越多的大公司正在將大數(shù)據(jù)提煉為洞察信息，并利用這些信息做出了更好的決策，從而在全球范圍內(nèi)取得市場(chǎng)成功的同時(shí)獲取更多的利潤(rùn)。因此，機(jī)械硬盤必須通過不斷提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的能力來滿足全球增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)。


磁記錄存儲(chǔ)器發(fā)展史

上世紀(jì)50年代，IBM基于磁鼓存儲(chǔ)器技術(shù)，將鼓形外表面磁介質(zhì)存儲(chǔ)，發(fā)展為圓盤式磁介質(zhì)存儲(chǔ)，將單位面積和體積存儲(chǔ)密度大大提高。

1956年，第一個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器型號(hào)350RAMAC，安裝在IBM的RAMAC 305計(jì)算機(jī)上。RAMAC305也是第一臺(tái)提供隨機(jī)存取數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)，同時(shí)還使用了磁鼓和磁芯存儲(chǔ)器。這個(gè)驅(qū)動(dòng)器約有兩個(gè)冰箱大小，重達(dá)一噸，包含50個(gè)直徑為24英寸的盤片，存儲(chǔ)5M的信息，數(shù)據(jù)傳輸速度10Kb/s。以RAMAC為基礎(chǔ)，IBM研發(fā)了溫切斯特（Winchester）技術(shù)，于1973年研制成功了一種新型的硬盤IBM 3340，采用兩片介質(zhì)，每片存儲(chǔ)容量30Mb?？朔薘AMAC體積過于龐大，性能低效等缺點(diǎn)。

1979年IBM發(fā)明了薄膜磁頭技術(shù)，并推出了第一款采用薄膜磁頭技術(shù)的硬盤IBM 3370。該技術(shù)顯著地減小磁頭和磁片的距離，增加數(shù)據(jù)密度。進(jìn)一步減小硬盤體積，讀寫速度更快，容量更大。IBM 3370使用了七個(gè)14英寸盤片，存儲(chǔ)容量571Mb。1980年Western Digital推出第一款5.25英寸的硬盤ST-506，硬盤容量為5MB，這是首款面向個(gè)人用戶的硬盤產(chǎn)品，Western Digital前身為General Digital，由兩位IBM的前員工于1970年創(chuàng)建，1971年更名為Western Digital。

1982年Western Digital推出了業(yè)界首個(gè)單芯片"溫徹斯特"磁盤控制器—WD1010，為現(xiàn)代商用硬盤的普及打下了基礎(chǔ)。1984年Western Digital為IBMPC/AT制造出首個(gè)溫徹斯特磁盤控制卡，使個(gè)人電腦可以接入小型化的5.25英寸溫徹斯特硬盤。1991年IBM推出了0663Corsair硬盤，這是首款采用感應(yīng)式薄膠片磁阻(MR)磁頭的磁盤，有8個(gè)直徑為3.5英寸的盤片，存儲(chǔ)容量可達(dá)1Gb，是現(xiàn)在3.5英寸硬盤的先驅(qū)。0663Corsair是第一款突破1Gb容量的硬盤，從此單盤容量進(jìn)入GB數(shù)量級(jí)。

1988年，法國(guó)格林貝格爾在尤利西研究中心研究并發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)，格林貝格爾因此獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1997年IBM推出首個(gè)采用巨磁阻磁頭(GMR)的磁盤—Deskstar16G PTitan，在三個(gè)直徑為3.5英寸的盤片上可達(dá)到16.8Gb的存儲(chǔ)容量。巨磁磁頭相比MR磁頭更加敏感，相比MR磁頭能夠達(dá)到3～5Gb每平方英寸的存儲(chǔ)密度，GMR存儲(chǔ)密度可以達(dá)到10～40Gb每平方英寸，存儲(chǔ)密度提高了8倍。1998年IBM推出Microdrive(微磁盤)，一個(gè)單一的1英寸盤片的容量可達(dá)340MB，這是當(dāng)時(shí)世界上最小的磁盤。

2007年，日立推出了全球第一款突破TB級(jí)容量的硬盤，采用5碟片，單碟容量200Gb, 轉(zhuǎn)速7200rpm，緩存32Mb.2012年有了第一款4TB硬盤。同年，Western Digital和Seagate也相繼推出1Tb硬盤，機(jī)械硬盤進(jìn)入1Tb時(shí)代。

在此之后，Western Digital和Seagate均在研究如何在磁介質(zhì)表面寫入數(shù)據(jù)的時(shí)候降低矯頑力，進(jìn)一步提高磁盤存儲(chǔ)密度，HAMR熱輔助寫入是一個(gè)可用技術(shù)，而其實(shí)IBM早在1953年就對(duì)此有研究。HAMR就是利用一束接近居里點(diǎn)溫度(138℃，磁性材料永久失去磁性的溫度)的特定波長(zhǎng)的激光，去加熱磁存儲(chǔ)介質(zhì)，從而在寫入數(shù)據(jù)的時(shí)候降低矯頑力。


存儲(chǔ)“大”有可為

存儲(chǔ)單位磁密度是指磁盤表面每平方英寸可存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，通常以Gb/in2或Gbits/in2表示。它是驅(qū)動(dòng)硬盤容量增長(zhǎng)的核心因素。

有很多種方法可以提高硬盤的容量，如采用更大物理尺寸的驅(qū)動(dòng)器可使用更多或更大的磁碟（例如2.5”盤vs3.5”盤，或增加垂直高度如7mmvs15mm的2.5”硬盤），在不增加磁密度的情況下提高硬盤的容量。增加硬盤內(nèi)碟片的周長(zhǎng)也可以獲得更多的物理面積來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)（例如將3.5”硬盤碟片的直徑從95mm增加到97mm）。雖然可以通過增加碟片數(shù)量提高硬盤的容量，但這是有物理空間限制的。隨著時(shí)間推移，增加磁密度已成為提高硬盤容量的最重要的驅(qū)動(dòng)因素。

用于確定和衡量磁密度的兩種關(guān)鍵參數(shù)：每英寸磁道數(shù)（TPI）和每英寸位磁比特（BPI）。磁碟的存儲(chǔ)介質(zhì)上由很多同心圓磁道組成，每根磁道的磁軌都有固定的寬度，相鄰磁道的中心間距叫磁道間距。若以更緊密的方式排列磁道，減小磁道間距，可以增加TPI，從而提高磁密度。

同樣，磁比特是分布在磁道上的最小磁紋理，磁比特紋理的寬度為磁道的寬度，長(zhǎng)度為讀磁頭能夠成功識(shí)別單一數(shù)值所需的最小距離。磁比特紋理沿磁道圓周依次排列?？s短磁比特紋理的長(zhǎng)度可以增加BPI，從而提高磁密度。

TPI和BPI的提升本質(zhì)上是通過改變磁記錄的格式實(shí)現(xiàn)的。具體就是在磁碟介質(zhì)上使用更有效的磁比特排列方式，以及通過調(diào)整磁頭和磁碟介質(zhì)的磁性能等技術(shù)，從而縮小磁比特的實(shí)際物理尺寸。

利用讀、寫磁頭的寬度差異，可以最大程度地提升磁密度。具體來說，讓寫磁頭對(duì)應(yīng)的寫磁道部分重疊，并確保非重疊部分的寫磁道略寬于讀磁頭加上保護(hù)帶的寬度，那么新的磁道間距將比CMR緊湊許多。這種結(jié)構(gòu)有些類似于屋頂上瓦片的疊放方式，因此被稱為疊瓦式磁記錄（SMR）。如果要修復(fù)某個(gè)屋頂上疊放的瓦片，那么必須將其上方的瓦片掀起才可以修復(fù)單個(gè)瓦片。

不過，從性能的角度來看，這樣做是非常不劃算的，所以改寫單個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)的典型做法將是將數(shù)據(jù)寫入新的物理扇區(qū)，并將舊物理扇區(qū)的位置標(biāo)記為廢棄，同時(shí)將舊物理扇區(qū)之前對(duì)應(yīng)的邏輯扇區(qū)重映射到新物理扇區(qū)的位置。因此，SMR的數(shù)據(jù)的組織方式需要確保數(shù)據(jù)塊的邏輯地址與其物理位置之間沒有任何預(yù)設(shè)的映射關(guān)系，即保持一種動(dòng)態(tài)映射關(guān)系。


解鎖硬盤存儲(chǔ)密度

來自 NIMS、希捷科技和東北大學(xué)的研究小組在硬盤（HDD）領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，證明了使用三維磁性記錄介質(zhì)存儲(chǔ)數(shù)字信息的多層次記錄的可行性。研究小組的研究表明，這項(xiàng)技術(shù)可用于提高硬盤的存儲(chǔ)容量，從而在未來實(shí)現(xiàn)更高效、更具成本效益的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案。

數(shù)據(jù)中心越來越多地將大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤驅(qū)動(dòng)器（HDD）上，這些驅(qū)動(dòng)器使用垂直磁記錄（PMR）技術(shù)，以大約 1.5 Tbit/in2 的磁區(qū)密度存儲(chǔ)信息。然而，要過渡到更高的磁區(qū)密度，需要一種由鉑鐵晶粒組成的高各向異性磁記錄介質(zhì)，并結(jié)合熱輔助激光寫入技術(shù)。這種方法被稱為熱輔助磁記錄（HAMR），能夠維持高達(dá) 10 Tbit/in2 的磁區(qū)記錄密度。此外，與硬盤技術(shù)中使用的二進(jìn)制記錄層相比，通過存儲(chǔ) 3 或 4 層的多記錄層，根據(jù)新的原理，記錄密度有可能超過 10 Tbit/in2。

在三維磁記錄系統(tǒng)中，每個(gè)記錄層的居里溫度相差約 100 K，通過調(diào)整激光功率將數(shù)據(jù)寫入每個(gè)記錄層。資料來源：高橋幸子 NIMS、Thomas Chang 希捷科技、Simon Greaves 東北大學(xué)

在這項(xiàng)研究中，研究人員通過制造晶格匹配的 FePt/Ru/FePt 多層薄膜，并以 Ru 作為間隔層，成功地將鐵鉑記錄層進(jìn)行了三維排列。磁化測(cè)量結(jié)果表明，兩個(gè)鐵鉑層具有不同的居里溫度。這意味著，通過調(diào)整寫入時(shí)的激光功率，可以實(shí)現(xiàn)三維記錄。此外，我們還通過記錄模擬，使用模仿制作介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和磁性能的介質(zhì)模型，證明了三維記錄的原理。

三維磁記錄方法可以通過在三個(gè)維度上堆疊記錄層來提高記錄容量。這意味著可以用更少的硬盤存儲(chǔ)更多的數(shù)字信息，從而為數(shù)據(jù)中心節(jié)約能源。今后團(tuán)隊(duì)還有計(jì)劃開發(fā)縮小鐵鉑晶粒尺寸、改善取向和磁各向異性的工藝，并堆疊更多的鐵鉑層，以實(shí)現(xiàn)適合作為高密度硬盤實(shí)際使用的介質(zhì)結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)研究發(fā)表于 2024 年 3 月 24 日的《材料學(xué)報(bào)》（Acta Materialia）。

三維磁記錄法通過在三維空間上疊加記錄層來增加記錄容量。這意味著，可以用更少的硬盤存儲(chǔ)更多的數(shù)字信息，從而為數(shù)據(jù)中心節(jié)省能源。在未來，研究人員計(jì)劃開發(fā)工藝來減小FePt晶粒的尺寸，改善取向和磁各向異性，并堆疊更多的FePt層，以實(shí)現(xiàn)適合實(shí)際應(yīng)用的高密度硬盤介質(zhì)結(jié)構(gòu)。