让硬盘容量“轻松”翻倍——DTM技术解析
技术空间
从硬盘诞生的那一天起，硬盘的容量问题就一直被人们所关注。此前因为垂直磁记录技术（PMR）的出现，让硬盘有了更大的发展空间。在硬盘小型化的今天，单碟容量决定了硬盘的最终容量，因为无法将碟片的尺寸扩大，而目前3.5英寸硬盘最多采用五张碟片，也就是说在使用纵向记录技术（LMR）可实现的最大容量也不过可以实现800GB左右（纵向记录技术最大容量为单碟166GB）。垂直磁记录的出现，让单碟容量突破了这个限制，单碟容量已经向500GB开始冲击。但是垂直磁记录技术并非万能，如果一旦磁密度接近极限，硬盘行业又将面临危机。晶格介质（Patterned Media）和热辅助磁记录（Heat Assisted Magnetic Recording，HAMR）可把数据密度提高到1Tb/平方英寸以上，但是这两项技术距离走出实验室还需时日，好在DTM技术（Discrete Track Media，轨道分离记录技术）的出现可以进一步提高单碟磁密度。
垂直磁记录 DTM技术的铺路基石
提到DTM技术，就不能不提垂直磁记录技术。在使用垂直磁记录技术前，3.5英寸硬盘的单碟容量最大仅为166GB左右。而提高单碟容量无外乎两种方式，即增加单碟的磁密度或者是提高磁头的读写敏感度。当磁头方面无法提高时，唯有提高碟片的密度了。在垂直磁记录技术普及之前，超顺磁效应是影响磁盘容量最大的因素。多年以来，硬盘一直采用磁场的磁化方向与盘片表面平行的纵向记录技术：硬盘的盘片可以看作是一个二维的平面，磁单元沿着盘片旋转的方向排列，磁极相邻，首尾相接，即“纵向”顺序从磁头下方通过。整整一圈下来，就是一个磁道，盘片上的所有磁道都是同心圆。提高单位面积的存储密度，也就意味着要使单位面积上的磁单元体积变得更小，所需要的能量自然随之下降，发展到一定程度之后，只需要很小的能量，譬如室温下的热能就可以将磁粒翻转（磁单元保存的数据便被破坏，无法再正确地读出），这就是所谓的“超顺磁性”效应（Superparamagnetic Effect）。
垂直磁记录技术的出现解决了这个问题。在纵向记录技术的碟片上，所有的磁单元都是平铺的，水平平行于磁盘碟片，而使用垂直磁记录技术之后，磁单元的磁路方向改变90°——不是在盘片平面范围内，而是与平面相垂直，也就是垂直于磁盘表面。这样，磁单元在盘片上所占的面积可以减小到原来的1/5甚至更小，厚度不会增加，这样就解决了超顺磁效应的问题。
DTM磁盘 凹槽的秘密
使用垂直磁记录技术，磁盘上的每一个磁单元体积都所缩小，但是还是有一些问题存在，譬如说数据磁道之间的信号干扰问题就无法解决，目前没有体现出来只是因为磁单元密度还有提升空间。而且，需要注意的是，并非磁单元体积小，就可以排列得更多，在磁场环境改变的前提下，垂直记录的单元互相之间的干扰影响是不可消除的，也就是说更多的空间都浪费在保持磁记录单元的距离上了。
DTM技术就是伴随着垂直磁记录出现的，为了解决这个问题而研发出的技术。DTM技术，在普通的盘片上额外增加伺服晶格（Servo Pattern）用于磁道控制，在PMR磁单元中加入“凹槽”（Groove），这种凹槽可以减小相邻的数据磁道之间的信号干扰，磁道与磁道的间隔可以进一步缩小，信号质量的改善使记录密度能够增加50%。单个晶格的直径小于不使用晶格的状态，这样可以有效地减少磁单元之间浪费的面积。
采用这种设计的硬盘，在碟片的外观上就可以看出与普通碟片的区别，每一张碟片看起来都好像是小麻子（外观方面，可以将DVD-RAM盘片想成放大无数倍的DMT技术），不像是普通碟片那样光滑。
当然，这项技术也不是工程师拍拍脑门想出来的技术。简单理解DMT技术，就是在不同的磁颗粒之间制造具有良好抵抗力的间隔，这些间隔也就是凹槽。设计这些凹槽，可不是一件简单的事情。凹槽深度越深，磁头读取返回信号时间越长，读取附近的磁颗粒质量越差，但是凹槽深度太浅的话，又影响间隔的效果。目前可实现的DMT技术，在凹槽深度方面设计是60nm，宽度是75nm。这些数据都是在实验室中得到的结果，因为还没有更多的量产产品，所以这些数据还不能最终确定。
基于这项技术的盘片都采用了“纳米级光学高密度硬盘存储系统”电子束光刻技术，这是由日本新能源与工业技术发展组织（NEDO）提供支持的国家项目。这样才能实现凹槽的“雕刻”。
磁头 改良、重塑型
前面我们介绍过，想要增加磁密度，除了提高硬盘单碟容量之外，也就是提高硬盘的单位磁面积，还有一种方法是提高磁头读写能力。这里说的读写能力说的并不是磁头的记录速度，而是对数据的敏感度。在使用垂直磁记录时，我们并不需要额外更换磁头，GMR磁头依然可以读取数据，但是对DTM技术来说，GMR磁头需要改良才行。
由于使用DMT技术的盘片在表面布满了凹槽，当磁头滑过凹槽坑内部的时候，反射的无用信号和其他干扰的信号将大大的降低磁头的反应速度，因此对磁头改革势在必行。可以借鉴的办法是对磁头进行改良，也就是在GMR磁头的基础上进行特殊设计，并不会从结构上抛弃GMR。东芝的工程师提出了一种设想，在磁头中间部分增加额外的特殊材料，并且对电极之间隧道阻挡层的结构改进，还要降低电阻，提高磁头的敏感程度。他们是这样设计的，在磁头中间增加4微米的金属氧化物以提高磁头的读写敏感度，这些材料与普通磁头采用的铬金属和锰金属不同，它们对信号反射变化更敏感，所以会使用在DMT磁头之上。
不过关于磁头中间金属氧化物的宽度还有待商议。TDK提出的方案对东芝工程师的设计思路给予肯定，但是他们的工程师认为，4微米的氧化物宽度比较大，对GMR磁头是一个严重的负担，TDK研发了2微米的金属氧化物磁头，专门针对DTM技术设计，可以保证宽度是4微米的磁轨上的数据也可以被读出。一旦这种技术开发完成，那么硬盘的磁头技术将会有新的飞跃。至少在CPP磁头量产之前，这种新磁头更容易被市场接受。
写在最后
目前东芝已经推出了使用DMT技术的硬盘（东芝将这项技术叫做DTR），不过除了东芝之外，其他厂商对这项技术的热情并不算太高，原因有三。其一，其他厂商都是3.5英寸与2.5英寸硬盘兼顾，对3.5英寸的硬盘来说，这项技术提升容量的同时会明显地增加产品的制造成本。其二，这项技术目前还不是十分成熟，还需要一段时间去完善。其三，目前消费者对容量的需求虽然迫切，但现在的硬盘容量还是基本能满足消费者的需要的。现在我们还处于使用垂直磁记录技术的初期，在3.5英寸和2.5英寸磁盘上还无法体现出DTM技术的优势。对更小尺寸的硬盘，则没有使用这项技术的必要——小尺寸存储设备目前是Flash设备的天下。不过在未来三年之后，垂直磁记录技术也将遭遇瓶颈，那时DTM技术的威力才能显现出来。在这三年里，希望有更好的磁头技术发明出来，到那时，中小型企业进军PB级存储，个人家庭用户普及TB存储也许就不再是梦想了。