机械硬盘容量提升的秘密：垂直记录技术

尽管硬盘工业过去五十年内一直成功地使用纵向记录技术，但目前已经接近其应用极限。

在过去大约十年的时间内，科学家和工程师们一直在考虑一种称为超顺磁性的自然现象，并认为它可能会影响到硬盘驱动器(HDD)产业的发展。

自从1956年第一块商用硬盘诞生以来，通过不断减小用于组成数据位的磁性颗粒的尺寸，存储容量已经呈指数级增长。磁性颗粒越小，每比特所占的尺寸就越小，因而可以在硬盘上存储更多的数据。我们已经达到了纵向记录技术的极限点，如果继续缩小磁性颗粒的尺寸将损害到数据的完整性，这是因为超顺磁效应。

当硬盘上的微磁性颗粒小到在室温下随机的热振动会使它们失去保持磁向的稳定性时，就产生了超顺磁性。其结果是产生“翻转位”，即位的磁性南北极突然自然地发生逆变，这将损坏数据，使得存储器件不可靠。

图1：纵向和垂直记录技术的比较。

随着对容量的需求持续快速增长，今天硬盘产业突破超顺磁性限制的能力显得比以前更重要。这很大程度上是因为硬盘在消费电子设备上的应用增长所致。消费者想存储更多的音乐、照片和电影，因而希望硬盘行业能在更小的设备上提供更多的存储容量。超顺磁性效应对当前磁性记录技术的限制使得在一到两年内不可能实现这种增长。

这使人们对一种一百多年前就得到验证的磁记录方法重新燃起兴趣，籍此存储工业可以进一步抑制超顺磁性效应。这种方法称为垂直记录，当它在未来5到7年完全实现后，有望使存储容量提升到现在技术的十倍。例如，这将能实现60GB的1英寸微硬盘，可用在MP3播放器、个人媒体播放器、数码相机、PDA和其它手持设备上。

日立已经证明垂直记录数据密度可以达到230Gb/平方英寸，是当前纵向记录密度的两倍，这将在2007年催生20GB的微硬盘。

硬盘行业在大约50年内几乎一直完全专注于纵向磁记录的方法。在这种方法中，每个数据位的磁化按照相对于旋转盘的水平方向排列。在垂直记录中，每个位的磁化是相对于硬盘的盘片垂直排列的。

垂直记录最初是在19世纪早期由丹麦科学家Valdemar Poulsen提出的。之后这种技术取得零星进展，直到1976年，日本东北工业大学(Tohoku Institute of Technology)的Shun-ichi Iwasaki博士证明了垂直记录的明显密度优势。他的工作为进一步的垂直记录研究奠定了基础，这种研究即使在纵向记录技术的面积密度取得进步的情况下也不曾间断。

为帮助理解垂直记录的工作原理，我们将比特位视为小的条形磁体。在传统的纵向记录中，代表数据位的磁体沿着磁盘面的圆形磁道端对端地排列。如果你将最高密度的位模式认为是交替的1和0，那么相邻的磁体将头对头(北极对北极)、尾对尾(南极对南极)。在这种情况下它们将相互排斥，使得它们对热波动不稳定。在垂直记录中，微小的磁体正立和倒立。相邻变换的位的北极与南极相靠近，它们之间互相吸引，因此更稳定，并且相互之间的距离可以更近。这种几何结构对于使位变得更小很关键，并且不会有使它们失去存储能力的超顺磁性。

垂直记录允许硬盘生产商在每平方英寸的磁盘上放置更多的数据位，称为面密度或者数据密度。而且，垂直记录增强了位保持其磁荷的能力，这个特性称为矫顽磁性(coercivity)。

尽管这种方法不同于当前使用的记录方法，垂直记录却是最接近纵向记录的一种替代技术，这使硬盘产业能利用当前的技术同时延后超顺磁效应。

会导致发生超顺磁效应的准确面密度是一个不确定的问题，引起科技和工程界的很大争议。在上世纪90年代，科学家预测当达到每平方英寸25Mb的数据密度时将达到其极限。这样的预测相当不准确，他们没有考虑到科学家和工程师们回避技术障碍的灵活性。通过日立实验室和其它公司的创新研究，已经将这些极限向上大大推进。今天，纵向记录的最高面密度已经超过每平方英寸100Gb。然而，研究人员相信当面密度超过每平方英寸120Gb时将不能保持数据完整性。这时垂直记录将成为主导的磁记录技术。

超顺磁性障碍已经逼近，迫使硬盘行业放慢硬盘容量曾经的快速增长速度。这种增长速度在过去十年中达到巅峰，每12个月容量就翻一倍。科学家们相信，使用垂直记录可以进一步防止超顺磁效应，这将使面密度继续以每年大约40%的速度稳定增长。

垂直记录的几何尺寸和矫顽磁力的优势使科学家相信，垂直记录的潜在面密度将达到当前纵向记录所能达到的最大可能值的10倍。按照这种估计，意味着使用垂直记录的面密度将达到每平方英寸1 Tb。在未来两到三年中，3.5英寸硬盘有可能存储1,000GB(1TB)数据。

垂直磁性记录为硬盘行业的公司提供了以适当速度不断提升容量的机会。这样的增长是满足社会新兴信息需求所必需的。没有迹象显示对硬盘存储的需求会衰减。相反，所有的迹象显示，硬盘的存储需求将以惊人的速度增长，主要是因为IT应用和消费电子需求增长推动。

行业分析师预测，到2008年，用于消费电子的硬盘占总出货量的百分比将从2003年的9%和2004年的15%增长到40%。但是与IT行业(这种应用性能很关键)不同的是，消费电子应用对硬盘的主要要求是具有非常高的存储容量。这是因为消费者将他们的娱乐和个人信息以数字形式保留，对于存储更多的音乐、照片、电影和其它个人文档的需求已经表现得“贪得无厌”。因此，日立环球存储技术公司相信，未来5到10年内，平均每个家庭将拥有针对不同应用的10到20个硬盘。这种远景将要求成功地采用垂直记录。

尽管垂直记录在技术上与当前的纵向记录类似，但仍然存在很多的技术挑战。例如，日立公司的工程师正在试图发明新类型的读/写头，试验具有增强电磁特性和改善表面光洁度的新材料，以及随着磁位和信号变小，设法继续保持信噪比，并采用更先进的算法来对磁信号进行检测和解释。

尽管这些挑战很大，但所有这些挑战都是类似的：硬盘行业已经面对过相同类型的挑战，并且一一克服。不过，成功解决这些新的挑战将需要大量的时间、工程资源和创造性。

同样重要的是，垂直记录并不是能满足所有存储需求的万能药，而是一个跳板。这样一个跳板让硬盘行业有喘息的时间，以寻求和发明新的扩展磁记录的方法。例如，一种被称为晶格介质(Patterned Media)的方法或许某天可以将比特位的尺寸减小到一个颗粒，而今天组成一个比特位需要100个左右的颗粒。一旦这种方法实现，它将是一种能很容易、很经济地复制的技术，对硬盘的成本增加不大，并且有潜力使面密度再次提高10倍。

研究人员面临的一个基本挑战是：高的介质矫顽磁力通常会增加写的困难度。解决这个问题的可能方法包括热助磁记录。这种热助技术允许在具有高矫顽磁力的介质上进行记录。另一种方法是倾斜的垂直记录。这种方法以一定的角度来设置磁化，理论上可以提高介质保持磁荷的能力，同时依然可以记录。

作者：Pete Andreyev