硬盘的明天——下一代硬盘技术管窥
技术空间
如今闪存的发展势头相当强劲，甚至隐隐表现出取代硬盘的势头。面对闪存这位未来“强敌”的虎视眈眈，硬盘厂商怎能坐视不理？当垂直记录硬盘刚走上市场之际，硬盘厂商又在加紧研制下一代硬盘了。未来硬盘将使用哪些先进技术？它们在容量上会有何突破？
记住昨天——硬盘发展的四个里程碑
速度更快、容量更高一直是人们对硬盘孜孜以求的目标。纵观硬盘技术的发展过程，事实上就是一部速度与容量的提升史。在20世纪80年代初、中期，硬盘存储密度只保持每年30%的增长幅度，但到了80年代末期，硬盘的存储密度就开始以每年60%的速度攀升，而到了90年代末期，硬盘存储密度的年增长率竟达到了100%。我们知道，每种技术都有它的局限性，当硬盘革新处于十字路口，究竟是谁推动着它继续前行？在深入讨论下一代硬盘技术之前，我们有必要了解以往硬盘发展过程的几个里程碑。
里程碑之一：磁阻磁头技术的发明
我们知道，要让硬盘在有限空间容纳更多的数据，方法之一就是缩小磁颗粒的体积。在硬盘发展的早期，由于磁头技术的限制，磁颗粒缩小到一定程度时，磁头就无法识别磁颗粒信号了。到了80年代末期，IBM发明了MR（Magneto Resistive，磁阻）磁头技术，它采用磁阻效应实现对信号的读写，当外界磁场发生变化时，MR磁头的电阻值也会发生相应的变化，从而实现了二进制信号的识别。与以往的薄膜磁头相比，MR磁头的灵敏度要高很多，这为磁颗粒体积的缩小提供了基础。
里程碑之二：巨磁阻磁头技术的发明
1998年IBM又发明了GMR（Giant Magneto Resistive，巨磁阻）磁头技术，它的工作原理同MR磁头基本相同，但GMR磁头的灵敏度有了跨越式提升，可读出的信号功率要比MR磁头高出2～5倍，磁颗粒体积还可以进一步缩小。90年代末期硬盘容量呈现疯狂式的增长态势，GMR磁头的贡献可谓居功至伟。
里程碑之三：仙尘技术及时救驾
当存储密度发展到每平方英寸36Gb时，很多硬盘厂商又开始束手无策了。原因就在于磁颗粒的体积缩小到一定程度时，影响硬盘容量提升的罪魁祸首——超顺磁效应开始产生影响了。我们知道，磁极世界存在著名的“同性相斥，异性相吸”现象，当每个磁粒子缩小到一定程度，或者磁粒子之间的距离很接近时，它们就会相互影响，致使极性状态无法稳定地保持，这种现象我们称之为“超顺磁效应”。
如何克服眼前的障碍？关键时刻IBM又挺身而出了，它在2000年推出了AFC Media技术，它使用了一种只有几个原子厚的金属钌元素，通过特殊技术把它夹在两个磁层之间，由于上、下两个磁层的磁极刚好相反，在彼此间的相互作用下，整个记录层能够保持稳定状态。AFC Media技术令硬盘的存储密度提升至每平方英寸100Gb，而这些细小的钌元素，看起来就像飘浮的粉尘一样，IBM的科学家也把它称作“Pixie Dust”（仙尘），仙尘技术因此而得名。
里程碑之四：垂直记录技术登场
我们现在接触到的大部分硬盘，磁颗粒是沿磁盘表面水平放置的，而垂直记录则将磁颗粒的排列往垂直方向旋转90度，磁粒子占据的表面大大减少，硬盘存储密度还可以再攀新高。目前垂直记录硬盘已经进入市场，业界认为垂直记录硬盘能够达到每平方英寸500Gb的存储密度，此时3.5英寸硬盘就能获得2TB存储空间。
双重压力——硬盘厂商急需新技术解围
没有压力，就没有动力。在垂直记录硬盘刚走上市场不久，希捷和日立又马上提出了自己的新技术。到底是什么原因让两大硬盘厂商如此着急？我们认为，压力主要来自于两方面：一是今后用户对硬盘容量的需求将出现爆炸式增长；二是闪存的崛起让硬盘厂商不能等闲视之。
我们知道，HDTV即将成为新一代影视的格式标准，一部两小时的HDTV电影就要占用20GB左右的存储空间，就算当前容量最大的750GB硬盘，也仅能存储大约75小时的影片。对于影视爱好者来说，这是远远不够的，更何况今后数字摄像机也将走向HDTV时代。需求是任何产品革新的原动力，垂直记录硬盘即使达到了人们预料的2TB，在HDTV大规模普及、操作系统及应用软件体积越来越庞大的时候，它还是有些力不从心。“物竞天择，适者生存”，硬盘容量只有继续提升才能满足市场需求。
很长一段时间，硬盘在存储业界的地位无人可以撼动，存储业的几大巨头也是相安无事。但随着容量大、速度快的闪存投放市场，很多人纷纷对硬盘的前景表示担忧，硬盘会不会被闪存给取代？目前三星OneNAND闪存的读取速度可达到108MB/s，而7200rpm的SATA硬盘平均读取性能普遍不超过80MB/s，闪存的读取速度已经赶超上来。虽然目前闪存在写入速度、容/价比等方面还比不上硬盘，但假以时日，它要追赶上来也不是不可能的事情。闪存大兵压境，硬盘厂商能不着急吗？谁是垂直记录硬盘的接班人？两大厂商热衷的对象并不相同，希捷提出了热辅助磁记录技术，日立则倾向于晶格介质记录技术。
希捷的法宝——热辅助磁记录技术
前面我们已经提到，超顺磁效应是影响硬盘存储密度提升的元凶。为何我们不能使用超顺磁效应小的材料呢？这是因为，超顺磁效应小的材料在写入数据时需要很强的磁场，要制造出这种强磁场的写入磁头非常困难，同时磁场过强也会对相邻区域的数据稳定性构成威胁，两个致命缺点曾扼杀了科学家当初的想法。难道鱼和熊掌就不可兼得？热辅助磁记录技术终于带来了一个巧妙的解决方法。
现有硬盘使用的记录材料是钴-铂微粒，而热辅助磁记录技术将它更改为铁-铂微粒，这种材料的超顺磁效应很小。我们知道，激光在现有光驱系统中扮演着重要角色，可能是受到它的启发，希捷绕过了磁头改造这一难题。基于磁性材料在高温环境下极性容易改变的原理，我们就可以在写入数据之前，预先使用激光头对写入区域进行加热，当温度升高到铁-铂微粒极性容易改变的温度时，我们就可以使用传统的磁头改变这些微粒的极性，从而实现数据的写入。当磁头写入操作完毕后，为了保证写入数据的稳定性，我们还需要对写入区域进行快速冷却，这样一来磁颗粒的极性就不容易被改变，从而将数据牢牢地锁住在磁层中。读取数据则简单多了，现有方案可以继续被沿用。不难看出，激光在热辅助磁记录技术中担当着“加热源”的角色，但问题是热辅助磁记录技术要将硬盘的存储密度再提高10倍以上，每个位占用的面积也将大大缩小，这是普通激光难以做到的。如何选择可行的激光系统？这个问题曾是硬盘厂商研发的难点之一。幸运的是，科学家终于找到解决方法，一种采用近场光的热辅助记录磁头已经诞生了，它仅有1mm×1mm大小，可以应用在未来的热辅助磁记录硬盘中。
小知识：近场光指的是观测者与观测目标的距离在一个测量波长范围内，此时光的波动性质还未呈现出来，不存在衍射和绕射现象，观测者和观测目标的间距可以无限制缩小，而不必担心会出现影像混合难以分辨的问题。
预计热辅助磁记录技术可以将存储密度提高到5Tb，但希捷的目标远非如此，在接下来的规划中，他们还将结合SOMA（Self-Organized Magnetic Array，自组织磁性颗粒阵列）工艺，一举将硬盘存储密度提升至50Tb！这种工艺可以让3～4纳米直径的铁铂合金颗粒在记录层表面形成规则的密排分布，当一个磁颗粒代表1bit的二进制信号时，硬盘的存储密度就能轻易突破50Tb的难关。目前SOMA工艺只能生成矩阵结构的磁颗粒分布，无法以同心圆的方式组织成环状磁道，在这个问题未能解决之前，SOMA工艺是无法真正实用化的。
日立的“法宝”——晶格介质记录技术
晶格介质记录也可以很好地避开超顺磁效应的影响，其基本原理是生成小尺度、有序排列的“单畴磁岛”作为写入单位。当同一磁道上相邻单畴磁岛的极性相反时，数据就被记录为“1”，反之则被记录为“0”。使用该技术后，构成数据位的微粒数量将由现在的100个减少为1个，这为存储密度的提升奠定了基础。为了减少相互之间的干扰，每个单畴磁岛还要彼此进行隔离，以避免数据受损。
小知识：磁畴是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。当磁性粒子尺寸小到一定数值以后，粒子内只有一个磁畴就称为单磁畴。
晶格介质记录的实现并不容易。要想把存储密度提高到1Tb，两个单畴磁岛的中心距离就要缩短到27nm；而要实现10Tb的超高存储密度，这个距离将小到可怕的9nm！不过大家不用担心，借助电子束刻蚀技术和纳米刻印复制技术，厂商要在盘片上制造出如此精细的磁岛并不是遥不可及的事情。除此之外，晶格介质技术还需要磁头技术、伺服晶格的制造和应用技术的配合。总之，晶格介质技术还需要大量的实用化研究才能走向市场。
结语
速度更快、容量更大永远是人们对硬盘追求的目标，从当初的5MB到如今的750GB，硬盘已经从身单力薄的“小孩”成长为身强体壮的“青年”了，只是比起计算机内部的其它配件，硬盘的发展步伐似乎要慢一些，以至于硬盘经常沦落为计算机中拖后腿的代名词。“不在沉默中爆发，就在沉默中灭亡”，祝福硬盘的未来之路越走越好！