29年前的“新”技术
技术大讲堂
如果各位比较关注硬盘市场的话，就会发现，过去的几年里，硬盘市场几乎是平淡无奇，特别是新技术的应用上，价格也是不愠不火地缓慢变动着。基本上，除了声卡，硬盘也是过去几年中让人觉得乏味的产品……然而，随着今年6月各大厂商宣布即将采用垂直记录（Perpendicular Magnetic Recording，PMR）技术推出新产品之后，一切都改变了。一时间，“垂直记录”成了一个热门词汇，用google搜索一下，竟然有238000个页面与“垂直记录”有关，足见业界对它的关注程度。那么，垂直记录究竟是怎样一种技术？是否真如大家传言的那样是硬盘高密度存储的“救世主”？相信各位对这个陌生的词汇还有不少的问题，本文将带领你去探寻这些问题的答案。
29年前的技术
虽然对于大多数用户来说，垂直记录是最近才“冒”出来的一项技术，但实际上是19世纪后期的一项技术发明。直到1976年，有“垂直记录技术之父”之称的日本东北大学岩崎俊一名誉教授（后担任日本东北工业大学校长）充分肯定了垂直记录技术在数据密度上的优势，提出了该技术实用化的基本设想原理，不过在当时并未受到重视。然而，在29年后的今天，传统的纵向记录技术已经快走到了极限。硬盘厂商为了延续纵向记录技术的寿命，作了各种各样的努力，从改进磁头（如IBM的GMR磁头）到改进记录层（如反铁耦合型媒体，AFC），甚至改进衬底（如应用在腾龙三代上的玻璃盘），可以说已经将纵向记录技术发挥到了极致，但出现超顺磁现象还是无法避免。在这个时候，垂直记录技术，这项29年前的技术，由于和纵向记录技术有极大的相似性，再一次走进了人们的视线。
垂直记录原理
1976年便已经提出实用化的垂直记录技术为何现在才得以应用？为何人们会在近30年后再一次选择它？这一切得从它的原理说起。
从宏观角度来看，硬盘的数据载体就是磁盘（盘片）。然而，从微观角度来看，磁盘还可以分为许多层，其中的“记录层”才是用来存放数据的地方，而其他层则有另外的分工。记录层是一层具有磁性的微小颗粒（磁粒）构成的薄膜，数据就存放在这层薄膜上，因此，这些磁性颗粒就是磁盘的存储介质。具体来说，在记录层上担负数据记录这个责任的，是一种被称作“磁畴”的结构。所谓磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，在这个区域内的磁性颗粒都依照相同的方式排列，从而使得磁畴对外显示出一定的磁性。
图1和图2分别显示了纵向记录和垂直记录的读写过程。我们可以看到，二者最明显的区别是作为存储介质的磁粒的排列方式不同。这也是垂直记录名称的由来。那么磁粒的排列会对硬盘的性能造成怎样的影响呢？在这里，简单向大家解释一下。
硬盘写入操作的实质就是通过磁头的磁场将作为存储介质的磁粒进行翻转，通过磁粒极性的不同来表示0和1从而达到存储数据的目的。磁粒是非常细小的，大约在10nm左右，在这个量级的状态下，翻转磁粒所需要的能量是非常微小的，因此，其热稳定性也非常脆弱，如果继续减小磁粒的体积，将会出现因为原子本身的振动而使磁粒的磁定向发生逆转从而导致数据的丢失，这就是超顺磁现象。而多年来，硬盘生产厂商一直沿用的都是纵向记录技术，因此能够有效增加磁录密度的方法就是减小磁粒的体积。到了最近几年，由于磁粒的体积越来越小，因此也就越来越接近超顺磁极限，硬盘容量增长开始显得缓慢，甚至停滞。由于在纵向记录技术中，磁粒的磁极是水平于盘片，受交换作用的影响，存储一个bit大约需要100个磁粒。
在这样的情况下，采用垂直记录技术，磁粒的磁极都是垂直于盘片，换句话说，就是磁粒都“站起来”了，所占用的空间当然小了。不过这并不是提升磁录密度的主要原因。主要原因在于，可以缩小存储一个bit所占用的空间。
图2所显示的只是垂直记录技术的一种写入方式，即单极磁头+软衬层（Soft Underlayer，SUL）。另外一种写入方式则是类似纵向记录技术所采用的环形磁头（Ring Head，RH）。虽然理论上两种方式都可行，但是前者的性能明显高不少，而成本并没有增加多少，因此相信厂商会在大部分产品上采用单极磁头+SUL的写入方式。我们在这里也只讨论这种模式，对两种写入方式的具体实现过程有兴趣的朋友可以参考一下《Perpendicular Magnetic Recording: Writing Process》。
从图3我们可以看到，单极磁头与环形磁头的写入方式是完全不同的。与环形磁头产生的水平于磁盘的磁场不同，单极磁头产生的是垂直于磁盘的磁场。由于翻转磁粒需要一定强度的磁场，而磁头产生的磁场是非常微弱的，环形磁头产生的磁场平行于磁盘，在垂直方向的衰减十分严重，因此，只能翻转较薄的磁粒。
单极磁头产生的磁场在垂直方向的衰减要小得多，只是在水平方向的衰减比较大，因此能够翻转较厚的磁粒，这样，就不必将记录层做得非常薄，以保证磁粒的大小，避免超顺磁效应。同时，单极磁头+SUL写入方式的另外一个重要组成部分就是SUL。SUL由软磁体构成，如图4所示，它的作用在于，产生一个磁头的镜像，以增强磁场。在单极磁头+SUL的写入方式下产生的磁场是环形磁头的1.75倍，但是在磁场梯度方面，单极磁头+SUL则弱于环形磁头，因此其性能优势并没有人们想象得那么明显。当然，这里所进行的只是模型讨论，实际应用方面，厂商为了提高产品性能会做一些优化，例如为硬磁性的记录介质耦合一层软磁性的记录介质以便得到最佳的翻转角度等。
在读取方面则较为简单。由于基本的记录原理没变，依旧是通过感应磁盘上由磁粒组成的磁畴的细微磁极变化读出数据。因此垂直记录方式的读取磁头甚至可以沿用现在的GMR磁头（但是这样肯定会影响记录密度的提高）。当然，信号处理机制是肯定与纵向记录技术不同的。此外，随着磁录密度进一步提高，磁盘内部的信噪比将继续下降，垂直排列的磁粒将会有较强的交换作用，因此在超高磁录密度的条件下，对读取磁头的技术提出了严峻的挑战。不过，现在已经比较成熟的CPP型GMR磁头和TMR磁头都足以胜任今后几年的读取工作。
我们在这里讨论的仅仅是垂直记录技术本身，实际上，硬盘厂商在推出产品时在其他方面也会有所改进。
垂直记录技术的前景
从前面对垂直记录技术的原理讲述来看，垂直记录技术相对纵向记录技术的优势还是比较多的。例如能够暂时延缓超顺磁现象以维持磁录密度的进一步提高，拥有更高的热稳定性，更高的可靠性等。当然，它最大的优势就在于能够进一步提高磁盘的磁录密度，理论表明垂直记录技术可以达到500Gb/in2的磁录密度，到那时，笔记本电脑实现TB级存储能力也不再是梦想……
作为纵向记录的替代技术，硬盘厂商最终将会采用该技术以生产磁录密度更高的产品。根据目前日立的产品规划，到明年，日立将只生产基于垂直记录技术的产品。而其他厂商的规划也与之类似。
根据IDC对硬盘市场的预测，到2009年使用垂直记录技术的硬盘将达到6.3亿块，成为雄霸市场的新技术。在5年内，产品磁录密度将会达到目前技术下磁录密度的4～5倍；在10年内，垂直记录（包括混合方法）会使产品磁录密度达到目前技术下磁录密度的10倍。
垂直记录技术的发展
人有生老病死，技术也一样。想当初IBM提出GMR技术时GMR多风光，到现在也已是“廉颇老矣”。垂直记录技术也有自己寿终正寝的一天。前面提到，理论上，垂直记录技术可以实现500Gb/in2的磁录密度，日立已经宣布实现了230Gb/in2的磁录密度。按照以往硬盘容量的上升趋势，逼近500Gb/in2的理论极限也只需要短短几年时间。但是由垂直记录技术衍生出来的其他技术将会延长其生命。例如晶格介质和热辅助记录。
晶格介质是采用相对规则的介质构成一个个“磁岛”来代替现在不规则的磁畴记录数据，一个“磁岛”就代表一个bit。“磁岛”之间有一定的空隙，通过缩小空隙，我们可以提高磁录密度。采用晶格介质可以把磁录密度提高到1Tb/in2的水平。
热辅助记录是利用一些在常温下非常难以写入的介质，在写入的时候通过加热介质记录数据，但是在常温下存储和读取数据。这样的介质可以在常温下更稳定地保存数据。热辅助记录也可以将区域密度提高到Tb/in2级别。
以上两种技术都可以与垂直记录技术配合使用，三种技术联合使用，很有可能在将来提供10倍于今日的磁录密度。因此，在未来较长一段时间内，垂直记录技术将会拥有令人振奋的前景。等到接近它的超顺磁极限的时候，或许已经有了替代的技术了……
小花絮
突然出现还是早有预谋？
相比此前磁存储领域的沉寂，各大厂商宣布即将发布垂直记录产品之后所带来的喧嚣使得垂直记录技术好像是突然“冒”出来的……其实不然，只是以前各个厂家都在埋头苦干，没有张扬罢了。
早在2002年，硬盘的磁录密度增长遭遇严重困难的时候，世界上主要的硬盘生产厂商就已经开始着手研究垂直记录技术的实现了。2003年包括日立、TDK、富士通、东芝、希捷等厂商就相继展示了自己基于垂直记录技术的产品，不过这些产品都属于实验性质，还有较多的技术问题有待解决。而且当时的垂直记录技术并不成熟，与纵向记录技术相比优势并不明显。到了今年，羽翼渐丰的垂直记录技术已经开始崭露头角。日立率先宣布将发布基于垂直记录技术的硬盘产品，随后希捷、富士通等厂商不甘示弱，也纷纷宣布将于近期推出基于垂直记录技术的产品。于是将垂直记录技术由幕后推到了台前。
可以说，垂直记录技术经历了几年的完善，各个厂商及相关机构都对其实现的各个细节进行了详细的实验和论证，已经是一项比较成熟的技术了。