為什么微波輔助磁記錄（MAMR）硬盤能夠比熱輔助磁記錄（HAMR）硬盤更迅速地提升企業(yè)能力？

　　本文作者：Brendan Collins 西部數(shù)據(jù)公司 Device 部門市場部副總裁

　　從大數(shù)據(jù)和其他大型數(shù)據(jù)生成應(yīng)用領(lǐng)域獲得的價值和情報，既為企業(yè)開創(chuàng)了擴(kuò)大硬盤容量的戰(zhàn)略機(jī)遇，也激化了我們在若干年前就已經(jīng)開始著手應(yīng)對的挑戰(zhàn)。在成功開發(fā)第四代氦氣硬盤后，我們即意識到，現(xiàn)有的垂直磁記錄(PMR)技術(shù)可能無法獲得更多的硬盤容量提升，于是我們很早就投入了多種的技術(shù)研發(fā)，以期能夠擴(kuò)大硬盤容量。現(xiàn)在看來，我們的這一決定非常明智并為未來發(fā)展鋪平了道路，我們可以將大馬士革磁頭制造技術(shù)和能量輔助磁記錄技術(shù)相結(jié)合，用來增加PMR硬盤的容量。

　　由于磁頭組件會影響硬盤擴(kuò)容，因此，如果寫入磁頭過大，則很難產(chǎn)增加面密度(即沿磁道的每英寸位數(shù)(BPI)乘以每英寸磁道數(shù)(TPI)所得結(jié)果)所需的較小磁道。每英寸磁道數(shù)越多，面密度就越大，磁盤表面可用的每平方英寸容量就越大。由于尺寸縮放受到磁道長度寫入性能的限制，為了擴(kuò)大容量，需要引入一個窄小可靠且間距更小的寫入磁頭，以容納較小的磁道。

　　我們將采用大馬士革工藝生產(chǎn)的寫入磁頭與微驅(qū)動設(shè)計相結(jié)合，獲得了優(yōu)于以往干式磁極頭工藝的每英寸磁道數(shù)，提升了寫入性能，可以更好地控制磁頭幾何形狀和制造工藝公差，改善了磁頭尺寸的縮放，并大幅減少了相鄰磁道干擾(ATI)。由此，我們不僅可以大幅提升可利用磁道密度，而且提升了磁頭質(zhì)量和相關(guān)產(chǎn)量。借助大馬士革制造工藝將多層材料沉積并鍍在磁頭部位，可以更好地控制磁頭形狀和尺寸，還可使用極薄的多層材料來制成復(fù)雜的磁頭結(jié)構(gòu)，無論何種形狀都可制作。

　　下一波硬盤擴(kuò)容

　　隨著移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)洪流達(dá)到新的水平，硬盤在近期需要進(jìn)一步擴(kuò)大容量并獲得更多的技術(shù)投資，與此同時，硬盤還將在未來的10-15年內(nèi)繼續(xù)為企業(yè)創(chuàng)造數(shù)十億美元的發(fā)展機(jī)遇。硬盤擴(kuò)容的下一步是需要減小介質(zhì)顆粒的尺寸，并使用較小的磁頭來磁化顆粒。大馬士革工藝旨在生產(chǎn)出更窄小的磁頭，使得每個微小磁化顆粒可以向上或向下對齊，以便執(zhí)行寫入操作。

　　在開發(fā)窄小的寫入磁頭的過程中，難點(diǎn)在于較小尺寸的磁頭能否產(chǎn)生足夠的磁場使磁體向上或向下翻轉(zhuǎn)。如果能量勢壘過低，則磁性膜介質(zhì)容易受到磁盤上的熱不穩(wěn)定性影響，并且磁體可能無意中自行翻轉(zhuǎn)，從而失去數(shù)據(jù)的完整性。要想增加磁盤容量，存儲介質(zhì)所具有的能量勢壘必須能夠克服熱不穩(wěn)定性，此外，寫入磁頭必須要在進(jìn)行寫入磁盤操作時協(xié)助降低能量勢壘。目前有兩種磁記錄技術(shù)正在開發(fā)之中，能夠通過熱輔助或微波輔助的方式實(shí)現(xiàn)能量提升，但是這兩種技術(shù)都需要克服一些困難。

　　每個比特都存儲在連續(xù)磁性膜內(nèi)的磁性顆粒中。

　　想要增加磁盤容量，介質(zhì)上的顆粒尺寸必須更小，還需要使用較小的磁頭來磁化顆粒。

　　微波輔助磁記錄(MAMR)技術(shù)概況：

　　MAMR技術(shù)利用由自旋力矩震蕩器(STO)產(chǎn)生的微波場來提供能量輔助。雖然MAMR技術(shù)本身并不新穎，但使用自旋力矩震蕩器生成磁場來翻轉(zhuǎn)硬盤中的磁體不僅具有創(chuàng)新性，而且對硬盤設(shè)計產(chǎn)生了變革性影響。

　　根據(jù)這種方法，自旋力矩震蕩器位于磁頭的寫入磁極旁邊，可產(chǎn)生電磁場，從而在較弱的磁場中將數(shù)據(jù)寫入到介質(zhì)中。微型自旋力矩震蕩器嵌入在磁頭內(nèi)部，不僅在磁頭組件設(shè)計方面取得突破，還可大幅增加容量并提升可靠性。

　　磁盤上的磁性顆粒與旋轉(zhuǎn)陀螺儀相類似，在沒有外部磁場作用的情況下，可以在向上或向下的方向上保持穩(wěn)定。當(dāng)沿著與磁體當(dāng)前狀態(tài)相反的方向施加足夠的磁場時，磁極會在施加的磁場方向上翻轉(zhuǎn)。通過自旋力矩震蕩器施加額外的磁場，可以在較弱的磁場條件下更快速地翻轉(zhuǎn)磁體。

　　內(nèi)部測試表明，MAMR能量輔助與利用大馬士革工藝生產(chǎn)的磁頭相結(jié)合使用，能夠創(chuàng)造出比當(dāng)前業(yè)界領(lǐng)先的PMR磁頭更多的容量提升，并具有更加廣闊的面密度增加前景。壽命可靠性測試表明，MAMR磁頭的平均無故障時間是熱輔助磁頭的一百倍。此外，我們還對多個磁頭進(jìn)行了可靠性測試，99.99%的受試MAMR磁頭在寫入壽命小時數(shù)方面要優(yōu)于99.99%的受試熱輔助磁頭好幾個數(shù)量級。學(xué)術(shù)研究還發(fā)現(xiàn)，MAMR能夠?qū)⒚婷芏葦U(kuò)升到每平方英寸4Tb以上。

　　因此，為提高企業(yè)級硬盤存儲容量，我們將于2019年推出MAMR硬盤產(chǎn)品;與此同時，我們還將繼續(xù)投資于MAMR技術(shù)，充分利用現(xiàn)有的PMR能力以及經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的成功基礎(chǔ)架構(gòu)。我們已經(jīng)制定了一份技術(shù)路線圖，計劃推出多代超大容量企業(yè)級產(chǎn)品，在未來五年內(nèi)將磁道密度擴(kuò)展至100萬TPI以上。

　　熱輔助磁記錄(HAMR)技術(shù)概況：

　　過去10-15年間，業(yè)界對熱輔助磁記錄(HAMR)技術(shù)充滿期待，希望借此開發(fā)出HAMR硬盤產(chǎn)品。然而時至今日，并無任何HAMR硬盤產(chǎn)品問世，這肯定是有原因的。HAMR技術(shù)的實(shí)施成本高昂，還存在技術(shù)復(fù)雜和可靠性方面的問題，因此在短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化和批量生產(chǎn)。

　　該技術(shù)的原理是：將一個激光二極管直接置于寫入磁頭組件的前方，然后迅速地加熱高矯頑磁性的介質(zhì)，這種介質(zhì)只有經(jīng)過加熱才能寫入數(shù)據(jù);隨著激光二極管產(chǎn)生的高熱量減少，介質(zhì)逐漸冷卻下來，介質(zhì)的矯頑磁性增加，比特數(shù)據(jù)存儲到磁盤上，使得數(shù)據(jù)很難被意外刪除。

　　在每個硬盤磁頭組件中部署激光二極管不僅成本高昂，而且真正令人擔(dān)憂的是，在狹小的空間內(nèi)產(chǎn)生高熱量會導(dǎo)致嚴(yán)重的可靠性問題。而且，在寫入磁頭或介質(zhì)磨損用壞之前，介質(zhì)可被加熱和寫入的次數(shù)是有限的。

　　激光二極管加熱后會產(chǎn)生高溫，必須使用昂貴的玻璃基板，無法使用如今超大容量企業(yè)級硬盤常用的高性價比鋁磁盤材料。此外，HAMR硬盤還需要使用新材料來涂覆介質(zhì)，因而提升了技術(shù)和制造風(fēng)險。鐵鉑材料之所以被選擇，是因?yàn)槠渚哂锌沙惺芗す饧訜岬某C頑磁性和熱性能。目前我們使用的硬盤通常采用經(jīng)過幾代強(qiáng)化的鈷鉑介質(zhì)，并且是通過高效制造工藝加工而成。

　　要想使用HAMR技術(shù)來滿足當(dāng)今數(shù)據(jù)中心的可靠性要求并制造出可行的高容量HAMR硬盤，我們還需要花費(fèi)大量的時間來解決相關(guān)的技術(shù)難題。這些難題包括但不限于：利用激光二極管以可靠的方式加熱窄小的點(diǎn)，消除導(dǎo)致磁頭組件殘留的碳蒸汽沉積物，減少磁頭和介質(zhì)的磨損等，而這樣一來，可能還需要對主機(jī)軟件進(jìn)行更改。

　　結(jié)語：

　　我們評估認(rèn)為，HAMR硬盤在短期內(nèi)并不具備商業(yè)可行性，在未來幾年里仍然需要解決許多工程、制造和可靠性方面的難題。根據(jù)我們的產(chǎn)品投資策略，我們還是會在未來繼續(xù)投資研發(fā)HAMR技術(shù)，但是與此同時，我們將致力于MAMR技術(shù)的開拓創(chuàng)新，據(jù)此開發(fā)新一代的超大容量企業(yè)級硬盤。MAMR是一種能量輔助磁記錄技術(shù)，能夠完美匹配我們的氦氣密封硬盤，因此我們認(rèn)為，盡快實(shí)現(xiàn)MAMR產(chǎn)品化將帶來充足的增長空間，使我們能夠在未來十年甚至更長時間內(nèi)提升企業(yè)能力。

　　作者簡介：Brendan Collins

　　Brendan Collins現(xiàn)任西部數(shù)據(jù)公司Device部門市場部副總裁，負(fù)責(zé)保障公司硬盤產(chǎn)品的創(chuàng)新性、高品質(zhì)和競爭力，同時滿足從企業(yè)級電子產(chǎn)品到消費(fèi)類電子產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域客戶提出的各種需求。

　　Brendan Collins擁有超過20年的硬盤行業(yè)技術(shù)及管理經(jīng)驗(yàn)，曾擔(dān)任希捷科技企業(yè)市場開發(fā)總監(jiān)和邁拓公司(被希捷收購)營銷副總裁，還曾在昆騰公司和數(shù)字設(shè)備公司的產(chǎn)品開發(fā)和制造工程部門擔(dān)任過管理職務(wù)。