先進大容量存儲技術(shù)

發(fā)布：探針臺 2021-12-27 08:51 閱讀：1005

硬盤驅(qū)動器作為當(dāng)前大容量數(shù)據(jù)存儲的主要承載體，是一種基于磁存儲技術(shù)的電子設(shè)備。隨著物聯(lián)網(wǎng)以及云計算的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的硬盤驅(qū)動器已經(jīng)無法滿足日益增長的存儲需求。因此，近十年來，各大廠商致力于研發(fā)新型磁存儲技術(shù)，并于近期推出了新的產(chǎn)品。文章將從傳統(tǒng)硬盤驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)出發(fā)，具體分析傳統(tǒng)磁存儲面臨的主要瓶頸，詳細(xì)介紹當(dāng)前最為矚目的能量輔助磁記錄技術(shù)，并對大容量存儲的未來進行展望。
關(guān)鍵詞硬盤驅(qū)動器，大容量存儲，能量輔助磁記錄，微波輔助磁記錄，熱輔助磁記錄

1 引言

基于磁存儲技術(shù)的硬盤驅(qū)動器(下文簡稱硬盤)是當(dāng)下最主要的數(shù)據(jù)承載體。圖1(a)展示了一個完整硬盤的主要結(jié)構(gòu)，包含磁盤介質(zhì)、磁頭、主軸馬達和音圈馬達。磁盤介質(zhì)的核心是磁性材料，用于儲存數(shù)字信息。如圖1(b)所示，每一個存儲單元包含一定數(shù)目的磁性顆粒，它們的磁矩方向代表著數(shù)字信息中的“1”和“0”；磁頭則是非常微小的部分，執(zhí)行數(shù)據(jù)的讀寫。此外，硬盤的內(nèi)部有兩個電機，一個是主軸電機，另一個是音圈馬達。主軸電機可以驅(qū)動盤片穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，使磁頭受到穩(wěn)定的空氣浮力，懸浮于硬盤介質(zhì)上方。音圈馬達則主要負(fù)責(zé)磁頭臂的移動，硬盤在工作時靠伺服電機來控制音圈馬達的動作，使磁頭臂準(zhǔn)確尋跡。

圖1 (a)硬盤結(jié)構(gòu)；(b)存儲介質(zhì)的微觀圖像，紅色和藍色區(qū)域代表磁矩指向不同的存儲單元[1]

1956年，IBM推出了歷史上第一個硬盤產(chǎn)品IBM350 Disk Storage，是現(xiàn)代硬盤的雛形。它有相當(dāng)于兩個冰箱的體積，重量高達1噸，儲存容量只有4.4MB。IBM350 Disk Storage配備了50枚直徑24英寸(約61 cm)的大尺寸鋁合金盤片用于存儲信息，盤片表面涂有磁性材料，硬盤工作時盤片高速旋轉(zhuǎn)，磁頭就能讀出磁信號的變化[2]。經(jīng)過近60年的發(fā)展，硬盤的體積不斷縮小，同時存儲容量快速提升。2020年，全球硬盤廠商交付了2.59億個硬盤設(shè)備，總出貨容量已經(jīng)達到了1 ZB[3]。
然而，傳統(tǒng)硬盤的存儲密度近年來已經(jīng)接近極限(約1 Tb/in2，in表示英寸)。因此，以西部數(shù)據(jù)和希捷為代表的各硬盤廠商紛紛投入巨資研發(fā)新型存儲技術(shù)，主要包括疊瓦式磁記錄(shringle magnetic recording，SMR)、二維磁記錄(two-dimensional magnetic recording，TDMR)、點陣式磁記錄(bit-patterned magnetic recording，BPMR)以及能量輔助磁記錄(energy-assisted magnetic recording)。其中，疊瓦式磁記錄和點陣式磁記錄分別通過磁道重疊及存儲單元隔離的方法對盤片存儲信息的方式進行優(yōu)化。二維磁記錄則通過在磁頭中加入多個磁信號讀取元件(磁阻器件)，詳細(xì)分析磁道間的信號，從而當(dāng)磁道寬度進一步變窄后硬盤仍可以穩(wěn)定地讀取存儲的數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)的硬盤存儲架構(gòu)，這三種新型磁記錄技術(shù)對整個硬盤驅(qū)動器制造工藝的改變較小，易于應(yīng)用，但是對于磁記錄密度提升的幅度有限。能量輔助磁記錄則是通過向存儲介質(zhì)注入能量輔助磁場完成信息的寫入，磁頭構(gòu)造相比傳統(tǒng)硬盤有較大差異，有望將硬盤存儲面密度提升一個數(shù)量級，因此備受矚目。
接下來我們首先從傳統(tǒng)硬盤的結(jié)構(gòu)出發(fā)，闡述硬盤發(fā)展面臨的瓶頸。之后詳細(xì)介紹當(dāng)前最為矚目的兩種能量輔助磁記錄技術(shù)，即微波輔助磁記錄(microwave-assisted magnetic recording)以及熱輔助磁記錄(heat-assisted magnetic recording)，并對這兩種存儲技術(shù)的發(fā)展前景進行討論。

2 傳統(tǒng)硬盤的結(jié)構(gòu)以及面臨的問題

硬盤的核心技術(shù)在于磁頭和存儲介質(zhì)。圖2展示了傳統(tǒng)硬盤中磁頭和磁盤介質(zhì)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。硬盤磁頭主要包含磁寫頭以及磁讀頭兩個部分，磁寫頭由鐵磁材料和纏繞其上的電流線圈組成。執(zhí)行寫操作時，通過改變線圈中通入電流的方向可以改變寫入極產(chǎn)生的磁場方向，利用這一磁場控制磁盤介質(zhì)上存儲單元的磁化方向，實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入。磁讀頭的核心則是基于巨磁阻(giant magnetoresistance)或隧穿磁阻(tunneling magnetoresistance)效應(yīng)的磁阻傳感器(reader sensor)。在盤片轉(zhuǎn)動時，不同指向的磁存儲單元會產(chǎn)生不同方向的磁場，改變磁阻器件的電阻，進而讀出數(shù)據(jù)。

圖2 硬盤磁頭及存儲介質(zhì)的核心結(jié)構(gòu)[4]

磁盤介質(zhì)由上至下主要包含4層，分別是潤滑層、保護層、存儲層以及襯底[5]。潤滑層為全氟聚醚(perfluoropolyethers，縮寫為PFPE)，是較為常見的機械元件潤滑劑，用于抵御腐蝕以及減小機械磨損，厚度大約為1—2 nm。潤滑層下面是保護層，是類金剛石材料，最常用的是氮化碳，具有極高的硬度和優(yōu)良的耐磨性。數(shù)據(jù)信息的存儲層則由具有極高磁各向異性的材料構(gòu)成。硬盤誕生之初采用的是水平磁記錄模式，即存儲介質(zhì)具有面內(nèi)磁各向異性。然而，受超順磁效應(yīng)的影響，存儲單元橫向尺寸的減小會嚴(yán)重影響磁矩的穩(wěn)定性。因此，目前硬盤廣泛采用垂直磁記錄模式，存儲介質(zhì)具有垂直磁各向異性，比如CoPt以及FePt合金。

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