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[科技资讯]HDD容量有望攀升至100TB！超大容量机械硬盘新技术解读

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其实每个人都很坏脾气,只是我们总习惯把最坏的样子留给最好的人,所以最亲的人才总往最痛处戳.

举报只看楼主使用道具楼主发表于: 2018-02-17 0

在存储领域，SSD无疑占据了这几年市场关注的“头版”，而大家对传统HDD的关注度自然随之减少。虽然无论是速度还是安全性，SSD都胜过HDD，但是HDD依旧有着SSD无法比拟的优势—那就是数据容量。目前消费级市场中已经出现了10TB、12TB的硬盘，并且这个数据有望进一步攀升至16TB。如此巨大的容量是SSD无法企及的，最起码在相同数量级的价格方面，SSD是无法赶上HDD的。不仅如此，随着诸如HAMR、MAMR等技术的应用，HDD的容量有望进一步攀升至100TB。同时在HDD持续读写能力方面，MAT技术的引入也会让其大幅度提升，甚至和SSD不相上下。那么，这些技术的本质是什么，会带来怎样的变化？本文带你一探究竟。
HDD机械硬盘似乎已经成为一个陈年老话题，除了亘古不变的接口外，HDD在玩家眼中已经成为了速度慢的象征。好在价格足够便宜，HDD还是能够凭借强大的数据存储能力得到玩家的青睐。那么在未来的发展中，HDD又将凭借什么和迅速发展的SSD抢占存储市场呢？答案就是更大的容量和更快的速度。在应用了全新的技术后，HDD的容量可以进一步上升至100TB，为即将到来的8K时代做好准备；速度方面，通过MAT等多磁头并行读写技术，HDD的持续读写能力也将有质的提升。
从温彻斯特结构谈起
要说清楚这些技术的来历，就不得不从HDD本质的结构开始讲起。从温彻斯特结构的HDD自1973年被IBM发明出来直到现在，无论是老旧的6.4GB产品还是目前最新的12TB HDD，其基本物理结构和原理都毫无二致，差别就在于数据存储的读写方式有差异以及磁盘、磁头的制造能力提升等外部原因了。

▲硬盘的磁头是读写最关键的部件，虽然它小得几乎看不清。
所谓温彻斯特结构，是指在一个密封、固定并且高速旋转的镀磁盘片的每个存储面上，使用沿盘片径向移动的磁头读取和写入数据的结构。这个结构的核心要点分别是：
●密封固定并高速旋转的盘片；
●磁头可以移动，并且通过移动，对旋转盘片上的任意位置的数据进行读取和写入。
有关温彻斯特结构的具体技术细节和发展历史，以及巨磁阻技术、超巨磁阻技术等背后的故事本文不去深究。单就这个结构来看，要提高HDD的速度、容量等性能指标，有几个关键因素非常重要，它们分别是：转速、盘片数据密度、随机读写能力和持续读写能力。其中转速是核心指标，盘片数据密度同时影响了容量和读写能力。那么，这些关键性因素在未来发展中还有多少空间呢？

▲温彻斯特结构的硬盘从其被发明出来一直到现在，基本上没有结构性的改动。
首先来看转速。转速是HDD发展的核心指标之一，HDD的读写速度、寻道时间等都和转速相关。不好的消息是，目前主流HDD磁盘转速已高达7200rpm，进一步提高转速会带来发热、稳定性和寿命等问题，已无法在市场和商业上取得平衡，7200rpm将是HDD未来很长一段时期的上限，此路不通。
接下来是随机读写能力。随机读写能力主要受到盘片数据密度和寻道时间的影响，在HDD上由于磁头摆动和盘片旋转的物理过程需要时间且无法显著缩短，所以HDD的随机读写能力基本上不存在大幅缩短的可能性，这也是HDD在使用体验上远不及SSD的首要原因。同时由于温彻斯特结构本身的限制，导致短期内无法改变，此路依旧不通。
在转速和随机读写能力都无法继续提升的情况下，提高磁盘的持续读写能力和盘片数据密度是否还有希望呢？答案是肯定的。盘片数据密度和持续读写能力本身就是一体两面的关系，并且紧密相关—数据密度高，磁头能一次性扫过的数据就多，能够读出的数据就多，因此持续读写能力会得到提升。
经过多年的发展，人们为提高HDD的盘片数据密度已经先后使用了垂直存储技术、叠瓦式存储技术等先进技术，但是这些技术都已经显露疲态，无法进一步提高存储密度了。在这种情况下，为了进一步提高数据存储密度，人们不得不改用全新的、磁力更强、矫顽力更强的材料，并改变数据读写的方法，这就引出了MAMR和HAMR两种全新的辅助写入技术。
HAMR和MAMR：辅助磁存储技术终于大成
在上个段落中，由温彻斯特结构分析得出了目前继续提高HDD存储容量和性能的方法，那就是继续提高磁盘的数据密度。但是在经过垂直记录、叠瓦式记录等技术应用后，人们发现目前的材料已经无法允许磁盘存储密度进一步提升了。
磁畴、超顺磁效应和矫顽力
经过数代技术的发展，HDD磁盘上用于存储数据的磁畴组（一个磁畴组内可能有数十个乃至数百个磁畴）本身已经非常小了，接近磁畴组存储数据所需要的磁性稳定存在的临界值。如果通过进一步缩小材料所组成的磁畴组的体积（也就是减少其中的磁畴数量）来提高数据密度的话，将容易产生超顺磁效应。
所谓磁畴，简单来说就是可以独立保持磁场方向的单位，在已经被磁化的磁铁中，磁畴的方向是一致的，因此对外表现出强大的磁性。

▲磁畴就是最小的磁单位，图中左侧磁畴方向混乱，对外不表现磁性，右侧磁畴方向一致，对外表现磁性。
在硬盘上由于数据存储的需要，人们需要大量的磁畴组成一个稳定的单元用于表征数据。比如面向磁头的表面如果是N，就用于代指“0”，如果是S，就用于代指“1”，这些记录数据的磁畴组，是磁盘存储的根本。当磁畴组进一步缩小后，本身的磁力已经不足以保持数据存储的稳定性，并且会被外界的磁场轻易改变，这就是超顺磁效应。鉴于此，人们希望使用矫顽力更高的磁性材料。
矫顽力顾名思义就是“抗拒矫正的能力”，对磁畴或磁畴组来说，高矫顽力意味着磁性更强，可以允许更小体积的磁畴组存在。传统硬盘存储数据的磁畴组大约由上百个磁畴共同组成才能保证较高的矫顽力和稳定性。但是在新材料下，包含数十个磁畴的磁畴组就能带来较高的矫顽力，也同样保证稳定性，这就为提高数据密度打下了切实的基础。
但是矫顽力高又带来了一个副作用，那就是高矫顽力难以使用传统的磁头进行写入。这是因为矫顽力过高的磁畴，现有的写入磁头所能提供的磁场不足以改变磁畴的方向并使其翻转。这就意味着无法写入数据，存储的意义就不存在了。不过，矫顽力也可以通过其他方法降低，比如矫顽力和温度呈反比关系，在高温下矫顽力会减弱甚至消失；矫顽力也对高频率振荡微波非常敏感。借助于这些物理特性，人们将目光转移到了改进磁头工作方式，降低矫顽力上来。
辅助磁存储技术
既然存在能够降低矫顽力的方法，那么在磁头接近磁盘位置之前预先使得磁畴组矫顽力降低，是否就可以写入数据了呢？没错，这就是各种辅助磁记录技术的原理。将这个原理首先用在产品上的企业，并不是我们所熟知的存储大厂，反而是索尼。
如果有读者是资历较深的音乐玩家的话，可能对索尼在上世纪90年代初发布的MiniDisc还有一些印象，索尼在MiniDisc的磁盘上就曾使用过热辅助磁存储技术。MiniDisc的磁盘体积非常小，直径只有6.4cm，第一代容量却高达160MB，这比当时1.44MB的软盘在容量上大了很多，原因就是索尼在MiniDisc上使用了一种矫顽力较高的磁材料，在聚焦直径为1μm~2μm的激光照射加温下实现数据的写入，这才使得索尼在当时的精度下实现了如此搞的数据存储密度。

▲索尼MD的磁盘是首个使用热辅助磁存储技术的产品。
随后在90年代末期，索尼也开始对热辅助磁存储技术进行开发，不过并没有下文。反倒是生产硬盘的富士通在2006年展示了有关研发成果和产品。2007年，硬盘大厂希捷宣布自己也进入到热辅助磁存储技术阵营，并公开了生产300TB的硬盘的计划。在进入2010年后，更多公司意识到辅助磁存储技术是未来大容量存储的唯一可选路径，纷纷加入竞争，TDK、西部数据等厂商都计划推出自己的产品。
从原理上来说，辅助磁存储技术的本质是基本相同的—都是在写入数据之前，通过激光、微波或其他手段，预先降低写入区域的矫顽力后，再通过磁头的磁场写入数据。技术本质清晰之后，厂商所能做的就是选择实现路径。在这一点上，希捷和西部数据这两个业内领导企业选择了截然不同的做法。
HAMR——来自希捷的激光加热方案
在热辅助磁存储记录的战场上，希捷和西部数据是两个笑到最后的玩家。希捷领先一步，推出了HAMR（Heat-Assisted Magnetic Recording）热辅助磁存储记录。随后西部数据也不甘示弱，推出了自家的热辅助磁存储记录技术，被称作MAMR（Microwave-Assisted Magnetic Recording）。
先来介绍HAMR。希捷对HAMR技术的研究已经有相当长的时间了，不过最近希捷才正式宣布了自家HAMR的商用计划。根据希捷的数据，目前的技术最多能将数据存储密度提升至1Tb/平方英寸，但是新的HAMR技术可以将其提升至5Tb/平方英寸，最大理论硬盘容量有望达到100TB的级别。

▲HAMR磁盘结构设计示意图，采用了玻璃基底。
HAMR的技术核心和前文所叙述的一样，都是预先通过对数据记录点也就是目标磁畴组的加热，降低矫顽力后写入数据。但是在具体的工程实现上，希捷采用的是激光转换热能的方式。为了达成目标，希捷在磁头和盘片、软件以及硬盘的整体设计上都做了重大的设计改进。
相比普通的磁头，HAMR技术使用的磁头虽然从外观上看起来和垂直记录磁头相当，但是其中额外加入了一个激光器、一个光波导器、一个近场换能器（NFT）来辅助加热。此外，磁头还需要设计相应的光路引导光线从激光进入近场换能器，将光能尽可能高地转换为热能并加热磁盘表面的记录点。

▲近场换能器NFT工作示意图。
在这个过程中，近场换能器NFT的设计实际上是整个HAMR的核心。一般来说，由于衍射现象的存在，如果直接用激光加热的话，那么光斑尺寸将很难缩小，比如蓝光驱动器的光斑尺寸大小为238nm——这样巨大的光斑尺寸对硬盘来说会严重降低数据密度，甚至太大的光斑和热点会导致周围不需要被加热的磁畴组同时被加热，影响数据存储的稳定性。一般来说，加热点的光斑尺寸最好控制在直径小于100nm。为了达到这个目的，希捷使用了表面等离激元效应来缩小加热点的尺寸。

▲希捷HAMR方案示意图，它需要将磁盘温度加热到400~700℃。

▲支持HAMR、带有激光单元的磁头示意图。
希捷设计的近场换能器由一个盘片和一个柱体构成，激光照射到盘片表面，促使盘片变成等离子激元体，发生震荡后热量沿着盘片边缘向柱体传播，加热磁盘上的记录点。其中柱体的宽度就是记录点需要加热的宽度，远小于衍射效应的光斑。从使用效果来看，根据希捷的数据，具体的记录点从冷却加热到阀值，到完成写入再冷却的时间小于1ns，基本和目前的硬盘相当。

▲由于衍射的存在，无法使用激光直接加热磁盘。
在盘片方面，为了和HAMR需求相匹配，希捷也重新设计了盘片，不再采用传统硬盘的铝质材料制造硬盘基底，而是改用了全新的玻璃基材，这是因为考虑到记录时高达400℃的温度，铝质盘基可能无法稳定运行。
此外，希捷还加入了一个散热层去控制来自存储层的热量。散热层的设计比较麻烦，如果散热过快会导致能量消耗过多，散热过慢又会导致热量堆积甚至周围的数据被误擦除。总之，在盘片设计上，希捷为HAMR的长远发展做足了准备。
根据官方资料显示，HAMR在2019年就会投入商业使用，初期会推出20TB的硬盘，2023年容量会进一步提升到40TB。随后希捷还会继续发展HDMR技术，将容量进一步推高到10Tb/平方英寸。
MAMR——西部数据的微波翻转方案
在辅助磁存储技术方面，西部数据和希捷的技术方向几乎是完全一致的，都是降低矫顽力，可见这已是存储业界的普遍看法。但是在实现方式上，西数采用了完全不同于希捷的工艺和步骤，西部数据采用的是高频微波方案。
高频微波方案在早期被业内许多人士认为工程难度极大而不可能实现，主要原因就是微波发生器的设计以及将其用于磁头这样微小的尺寸之内是极为困难的，但是西部数据成功做到了这点。所谓高频微波方案，简单来说就是指即使是较弱的磁场，在极高的频率振荡下也可以逆转较强的磁场，比如使用自旋转矩振荡器在高频下振荡并搭配垂直记录磁头，就可以实现较高矫顽力的记录介质的磁化反转，从而实现数据写入。
目前西部数据公布的相关资料比较少，人们很难从中看到更多的技术细节。但有一点非常肯定，那就是能产生高频磁场的自旋转矩震荡装置一定是这项技术的核心难点。理论上来说，自旋转矩震荡装置一般由自由磁层和固定磁化方向层组成，产生从固定层到自由层的极化电子自旋流，这个极化的电子自旋流会在适当条件下通过自己的扭矩将自由磁层磁化，当自由层产生高频（20GHz~40GHz）的振荡时就会被称作高频自旋转矩振荡，它可以被用作弱化矫顽力，并辅助磁头记录数据。
相比HAMR，MAMR的优势在于不需要加热，自然也不需要散热设备，目前的盘片也不需要进行额外的处理就可以直接使用。在解决了微波发生器的制造后，硬盘的制造和工作过程和传统的垂直记录硬盘不存在太大差异，因此整体技术投入和生产成本都要低不少。为了进一步证明MAMR的优势，西部数据还从成本、技术难度、可靠性、软硬件支持等方面做了说明。

▲MAMR技术原理，使用高频微波辅助写入数据。
成本方面，MAMR颇具优势，和目前的垂直记录磁盘相当，而HAMR需要额外使用新的玻璃磁盘、加入新的光头等一揽子设备、使用新的材料等。技术难度方面，MAMR基本和垂直记录的技术制造过程相当，除了高频微波部分外，基本不需要太多改动，而HAMR几乎需要重建整个写入系统，难度要更高一些。

▲MAMR对比HAMR，西部数据认为充满优势。

▲MAMR技术的优点展示。
在可靠性方面，西部数据认为MAMR的可靠性更高一些，HAMR由于加热等因素可靠性可能存在问题。在软硬件支持方面，MAMR和之前的硬盘一样可以支持热插拔，而HAMR则需要软件进行损耗平衡（具体原因未明，可能考虑到记录单元反复加热带来的的矫顽力衰退等原因），因此MAMR可能比HAMR在写入寿命上高出100倍。当然，以上这些只是西部数据的一家之言，毕竟两家的商用产品并没有正式上市，所以具体表现还有待观察。

▲MAMR寿命相比HAMR要更长一些。
在存储密度方面，MAMR可达到4Tb/平方英寸，略少于HAMR的5Tb/平方英寸。不过两者都是理论值，最终实际情况还得看产品。在量产计划上，西部数据计划在2019年推出可销售的产品，2025年推出40TB硬盘。
一个当两个用的MAT技术
在看完了HAMR和MAMR这样艰涩难懂的技术后，再来看一个比较容易理解的技术。这就是MAT，全称为Multi Actuator Technology，多驱动技术。这项技术的目的是通过在一个硬盘内布置完全独立的两组驱动器，实现数据的并行传输和读写，从而提高硬盘的数据存取速度。
首先解释一下所谓的驱动器，它是指驱动硬盘磁头移动的电机，目前绝大多数硬盘都只有一个驱动器。从硬盘结构来看，单磁盘的硬盘磁盘两面各有一个读写磁头，这两个磁头会被同一个驱动电机驱动，执行完全一样的移动，即使这个移动对某个磁头来说并不需要。对多张磁盘组成的硬盘来说，如果有N个磁盘，那么一般会配备2N个磁头，这些磁头也都使用同一个驱动电机驱动，在任何时候所有磁头的路径都是完全一样的。

▲目前的多磁盘硬盘只有一个驱动器。
只有一个驱动器的硬盘设计、制造都比较方便。不过对多磁盘硬盘来说，只有一个驱动器实际上浪费了一些资源，因为多盘片硬盘本身数据存放在多个盘片上，盘片之间也互不干扰，如果只是用一套驱动器的话，相当于盘片被串行连接，但对无干扰的多个盘片而言，并行连接显然是更有利于资源利用的方法，因为并行连接可以对多个盘片做到同时读写。基于这个想法，希捷首先推出了支持MAT技术，即多执行技术的硬盘。
希捷推出的支持MAT技术的硬盘包含了两个完全独立的驱动器，相对于外界来说可以将其看做两个独立的硬盘，这意味着可以同时对一个硬盘执行两个读写任务。目前还不清楚它是否支持对硬盘本身进行盘内RAID，如果可以的话，RAID 0的盘内操作将直接带来带宽翻倍的效果。

▲希捷的初代MAT技术将设计两个独立的驱动器。
MAT技术目前最有用的方向是数据中心，因为随着HAMR和MAMR等技术的应用，超大容量硬盘逐渐出现，只有一个驱动器的硬盘在读写上就存在劣势了。如果要遍历40TB的硬盘，就算高密度下硬盘的持续读写速度上升到500MB/s，那也需要80s时间，这对数据中心来说还是太慢了。
但是如果使用MAT技术加入双驱动器的话，40s时间就可以遍历整个硬盘了，显著节约时间。另外，双驱动技术还可以使得硬盘能够同时执行2个不同的任务，并且最高可以降低理论寻道时间的一半，毕竟同时可读可写的两个通道还是方便了不少。
MAT技术实现难度比较低，更多的是软件和调度方面的内容。希捷预计会在2019年下半年开始量产支持MAT技术的硬盘，并在未来考虑推出更多驱动器的硬盘。
迈向海量高速的未来
通过对MAMR、HAMR以及MAT三个技术的介绍，大家应该对这几个影响到未来HDD发展的技术已经有了一定了解。从技术发展来看，MAMR和HAMR虽然走了不同的道路，但是它们最终的目的都是大大提升硬盘存储容量的上限，将我们使用的HDD容量带向数十TB甚至100TB的“海量”。在8K+HDR视频、支持8K超高清贴图的游戏来临的之际，更大容量的HDD能够存储更多的数据，将是未来市场发展的重要方向。
在这种预期下，SSD和HDD很可能以“和平共存”的方式存在，SSD主打移动和高性能，HDD的海量空间则为台式机、NAS等设备带来了无限的可能。
SSD+HDD将成为我们未来最主流的数据存储方式。HDD在不断发展的过程中，终于再次找到了自己的方式和方法，向着更快、更大、更强的方向迈进，为自己在未来IT产业中的地位打下了牢固的基础。
看完这篇文章，其实我们在前文提到了表面等离子一词，那么你知道什么是表面等离子激元效应吗？答案在《微型计算机》2018年03期里！